柔性防水材料厚度超聲測量實驗研究

蔡小龍， 何　濤

(1 湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068; 2 湖北工業大學現代制造質量工程重點實驗室，湖北 武漢 430068)

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柔性防水材料厚度超聲測量實驗研究

蔡小龍1， 何濤2

(1 湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068; 2 湖北工業大學現代制造質量工程重點實驗室，湖北 武漢 430068)

[摘要]采用超聲A掃描成像技術檢測柔性防水材料的厚度。從A超測厚儀的原理、組成和實驗結果闡述該儀器的測量過程。與傳統檢測技術的對比實驗表明超聲A掃描成像技術在柔性防水材料厚度測量時更具有普適性、無損性、先進性

[關鍵詞]柔性防水材料厚度； 超聲波； 無損檢測

防水層厚度檢測是控制防水層質量的一項主要技術指標[1]。傳統防水材料厚度測量的手段相對有限，主要通過割開法等直接檢測防水層厚度，但割開檢測不能很好模擬現場的施工情況，難以反映現場施工質量的優劣，且對所檢測的防水材料產生不可恢復的破壞。

1A超測厚儀及其檢測原理

柔性防水材料厚度超聲測量系統的主要目的是對柔性防水材料進行現場超聲檢測，其方法在本質上屬于脈沖回波法，即通過對反射回波的分析，實時生成所測單元的防水層厚度檢測結果，并以報表的形式打印輸出，據此來評定所測單元的防水層厚度是否合格。如圖1所示，整個測量系統包括：超聲檢測模塊，數據采集、處理模塊和顯示輸出模塊。測量系統實物如圖2所示。

圖 1　系統結構框圖

1-水泥基底; 2-單通道探頭; 3-柔性防水材料;4-適配器; 5-A超測厚儀; 6-PC機; 7-RS232串口數據線圖 2　柔性防水材料測厚系統實物圖

1.1超聲檢測模塊

防水材料厚度測量系統超聲檢測模塊由超聲探頭、超聲發射/接收模塊和主控計算機組成。在檢測軟件的控制下發射/接收超聲信號，并進行信號的模/數轉換，得到數字超聲信號。對數字超聲信號進行分析、計算和處理，得到防水材料厚度的測量結果，并把該測量結果通過網絡傳輸到主控計算機。

1.2數據采集與處理模塊

防水材料厚度測量系統的數據采集與處理模塊主要由A/D轉換電路、低噪聲放大電路、時間增益補償電路、高壓放大電路、數據存儲電路等部分組成，其電路框圖如圖3所示。它除了可以完成回波信息采集工作外，還可做一些改善回波質量方面的工作。

圖 3　數字A超數據采集與處理電路框圖

1.3顯示與輸出模塊

此模塊(圖4)既是軟件系統的最后一個環節，也是其最直觀的部分。一方面，它具有顯示方面的功能，即通過友好的人機交互界面完整地顯示本系統所有能夠實現的功能，還能夠實時獲取數據采集與處理模塊處理好的防水層位置信息和厚度值。另一方面，它又具有輸出方面的功能，即可以把所測得的防水層厚度值和含有防水層厚度分布情況信息的A超圖像一同生成報表自動傳輸到Word中進行打印輸出。

圖 4顯示輸出模塊結構圖

1.4防水材料厚度超聲測量原理

本文實驗采用的是脈沖反射法原理進行測量。發射聲波時用有壓電效應的晶體材料[2]做的晶片，在高頻電壓的激勵下產生厚度方向的伸縮，產生振動傳出就形成超聲波。理論上來講，由于防水材料的介質密度遠遠大于耦合劑的密度，也與防水基層的介質密度差異較大，當超聲波在傳播過程中遇到防水層的上、下兩個異質界面時，會因界面兩側介質的聲阻抗的差異而發生反射，晶片在超聲波的聲壓作用下，在晶片兩側產生電荷，產生一個小的電信號，經放大電路放大后可識別，故而防水材料的厚度值與超聲波在兩個異質界面的反射情況之間存在著一定的相關性。本文超聲波的發射與接收是由同一個超聲探頭完成的。脈沖反射法的測量原理如圖5所示。

圖 5　防水材料厚度超聲測量原理圖

2系統軟件

成像測厚軟件工作在Windows 7操作系統下，是一個完整的Windows應用程序[3]。采用VC++編程語言編制的超聲測厚和成像軟件，與用MFC編制的人機交互界面，分別裝入主控計算機中。利用RS232通訊協議實現超聲測厚儀與主控計算機之間的實時數據傳輸和通訊控制。該超聲測厚系統軟件功能主要包括：工作界面顯示、超聲檢測操作、濾波設置、增益參數設置、脈沖寬度設置、防水材料厚度數據和回波信息的存儲與顯示等。超聲測厚和成像程序在儀器和主控計算機中的工作流程見圖6所示。

圖 6　系統軟件流程

3實驗部分

3.1實驗器材

實驗室現有防水材料樣品模塊11種、游標卡尺、耦合劑、水泥基底、A超測厚儀(江蘇賽福探傷設備制造，如圖7所示)。

圖 7　A超測厚儀

3.2實驗步驟

分別用游標卡尺和A超儀對實驗室現有的11種防水材料模塊進行每種10組數據的厚度測量，然后分別比較這11種防水材料兩種測量方式的均值，并進行實驗結果分析。

3.3檢測標準

采用GB_18242-2000《彈性體改性瀝青防水卷材》、GB_18243-2000《塑性體改性瀝青防水卷材》，以及《建筑防水工程現場檢測技術規范》[3]。

4實驗結果與分析

4.1兩種方法測量數據對比

為了便于測試，選取公稱厚度0.9~3.0 mm的11種不同規格型號、不同品牌的市售柔性防水材料[2]作為研究對象，并分別用游標卡尺和A超測厚儀進行每種10組數據的測量，對每種防水材料兩種測量方式所測數據的均值進行比較， 所有厚度數據如表1所示。

表1　兩種方法測得防水材料厚度及其偏差數據對比

將表1中11種柔性防水材料共計22組厚度數據按照編號從小到大排序，對超聲A掃描測厚儀的測量結果與有經驗的咨詢師手動割開法的測量結果進行比較，比較統計結果如圖8所示。

圖 8　儀器測量結果與割開法測量結果對比

4.2結果分析

從表1和圖8可以看到，A超測厚儀所測結果與割開法所測結果是基本吻合的。但是為了驗證儀器的有效性，在今后的工作中還需要對儀器測量結果和手動測量結果的差異性[4]和相似性進行比較，并且充分考慮超聲波測厚示值的影響因素及預防措施。

5影響防水材料超聲測厚準確性的因素

5.1聲速

由于超聲波在不同材料中傳播速度不一樣，導致其在材料中往返所需的時間也不相同，會造成測厚值不同。再者，測厚時過激的應力和溫度也會帶來相應的誤差。

5.2防水層施工結構的影響

根據防水材料施工現場作業要求，防水材料鋪設方法分為濕鋪法和干鋪法。所謂干鋪法，是把防水材料表面上的塑料薄膜撕掉，直接鋪在需要防水單元的基上，不做任何其他的輔助鋪設；所謂濕鋪法，指的是通過水泥砂漿進行防水層與防水基底的粘接，并且在水泥砂漿里添加適量的聚合物乳液以更好地粘接防水層與防水基底。因此，防水層結構會因防水材料現場施工方法的不同而異。

防水層與防水基底介質特性之間(即防水層與防水基底介質之間特性)差異越大，超聲波反射效果越好；防水層本身材質均勻、致密，則有利于超聲波在其中傳播；防水層表面越光滑，超聲波的耗能就越小，才能有效地傳導入射波及獲取反射波。此外，防水層內部存在不連續性及微小的缺陷(氣孔、微裂紋等)，都會影響防水材料超聲測厚的準確性。

5.3耦合劑

實驗發現，耦合劑在柔性防水材料測厚過程中的耦合效果對測厚結果影響非常大，主要表現在兩個方面：一是由于耦合層過厚，使得測厚數據偏大，造成誤差；二是在不同溫度條件下的耦合測厚會存在較大誤差，且多數測厚數據大于實際值。

5.4防水材料中的夾雜物

被測防水材料中的非金屬、夾雜物也會使聲波的方向、速度和傳播路徑發生變化。例如在防水材料軋制時被碾平的氮化物、硫化物或其他類型夾渣等，容易使超聲波產生反射和折射。

5．5測厚探頭與材料表面不垂直

在某些特殊柔性防水材料測厚過程中，由于材料表面凹凸不平，不易耦合好，使得工件表面與測厚探頭不垂直，這時的測厚數據往往與實際數值有很大偏差。

6結論

超聲A掃描成像技術充分利用計算機的分析、運算、處理、自動控制、存儲和顯示等功能。同時，還可以實時顯示波形和波形數據的存儲，繼而判斷材料內部缺陷的分布情況和防水層厚度數據的分析。把這種先進的無損檢測技術用于柔性防水材料厚度測量，不僅可滿足生產測量精度和速度的要求，同時還可降低設備的研發成本，提高檢測穩定性和檢測結果的可靠性。超聲A掃描成像技術在柔性防水材料厚度測量的成功應用表明，該技術可有效地運用于現場快速測量和檢驗，滿足生產的需求。

[參考文獻]

[1]沈春林.防水工程手冊 [M]. 第二版.北京：中國建筑工業出版社,2006.

[2]鐘沖.軸承腔壁面油膜厚度超聲測量實驗研究[J].推進技術,2014,35(8):1 110-1 115.

[3]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑防水工程現場檢測技術規范： JGJ/T 299-2013[S].北京:中國建筑工業出版社，2013.

[4]司春杰.鋼板超聲波測厚儀測量誤差及分析[J].無損檢測,2013,35(12):64-66.

[責任編校： 張眾]

Experimental Study of Ultrasonic Measurement of Flexible Waterproof Material Thickness

CAI Xiaolong1, HE Tao2

(1SchoolofMechanicalEngin.，HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China;2HubeiKeyLabofModernManufactureQualityEngin.，Wuhan430068，China)

Abstract：This paper introduces a kind of A-Mode ultrasound scanning imaging technology in the application of flexible waterproof material thickness measuring. The thickness measurement system used the technology of single channel probe, PC, software work interface based on the MFC, and USB serial data transmission technology that follows RS232 communication protocol. The paper also discusses the measurement process from composition & principle of A-Mode ultrasound thickness gauge, and experiment result analysis. The experimental results show that A-Mode ultrasound scanning imaging technology is more universal, non-destructive, advanced than traditional methods measuring the flexible waterproof material thickness.

Keywords：flexible waterproof material thickness; ultrasonic; nondestructive testing

[中圖分類號]TU761, TP274

[文獻標識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0022-04

[作者簡介]蔡小龍(1989-)， 男， 湖北荊州人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為超聲檢測技術

[基金項目]廣東省大亞灣區2011年科技計劃項目(20110121)

[收稿日期]2015-11-20