油箱泄漏的超聲檢測方法

薛　花，吳　迪，王亞平，趙振寧，陳天夫，滕永平

(北京交通大學 理學院物理系， 北京 100044)

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油箱泄漏的超聲檢測方法

薛花，吳迪，王亞平，趙振寧，陳天夫，滕永平

(北京交通大學 理學院物理系， 北京 100044)

摘要：分析了影響油箱泄漏超聲檢測中氣泡檢出率的相關因素，研究了超聲檢測探頭聲場特點，提出了8路并行循環檢測的工作模式，最大限度地提高了每個探頭的重復工作頻率。將自行搭建的8路并行超聲波檢測裝置和傳統超聲測漏儀器進行了對比試驗。結果表明，相對于單路掃描工作方式，多路并行檢測對產生時間間隔較大氣泡和單個氣泡具有較高的檢出率，可以檢出更微小的缺陷(微米量級)。

關鍵詞：油箱泄漏檢測；多路并行檢測；聲場建模；超聲探頭

汽車油箱泄漏影響人身安全、公共環境和資源節約，在汽車生產線上對油箱進行質量檢查很重要，這也成為研究者們日漸關注的問題。常用的油箱泄漏檢測方法有人工水浸法、氣體檢測法、差壓式檢測法和超聲波檢測法[1]。超聲檢測對設備要求低，定位精確，檢測快速，特別適用于流水線上的檢測，因此在油箱泄漏的檢測技術中超聲檢測法占有越來越重要的地位。

目前生產線上常用的一種油箱超聲波測漏方法是基于脈沖反射式的超聲波檢測氣泡法[2]。采用該方法時，將被測油箱放入水中，持續供給固定大小的壓力，通過觀察油箱破損部位泄漏的氣泡對超聲波的反射回波來判斷油箱是否破損，其檢測裝置示意如圖1所示。

圖1　油箱超聲波測漏裝置示意

傳統超聲測漏時，采用24個探頭逐個掃描的方式進行檢測[3]。相鄰兩個探頭之間的夾角為7°，有效覆蓋168°廣角(油箱放置的范圍)，每個探頭單獨工作1，24 s完成一個檢測周期。在實際的檢測過程中，氣泡的檢出率除了與探頭的工作時間有關外，還與氣泡的大小、形狀、運行軌跡和速度等因素有關。油箱破損的大小與氣泡特性之間的關系目前尚未有研究，但從實際檢測觀察中發現，破損越小，產生的氣泡越小，氣泡串之間的距離越大，氣泡出現的隨機性也會增大。隨著對油箱質量要求的提高，要求檢出破損的尺寸越來越小，因此要求檢測設備一方面能檢測更小氣泡，這樣對儀器靈敏度要求更高；另一方面，需要檢測大間隔的連續氣泡，甚至單個氣泡，這要求儀器檢測的重復頻率更高。因此，目前每個探頭單獨工作1 s的檢測方式很難達到要求。針對檢測油箱出現的更小破損，在現有設備的基礎上，對檢測的工作方式進行了改進，提出了采用8路并行的工作模式，搭建了8路并行的超聲波測漏試驗裝置，并進行了試驗。

圖2　多個和單個超聲探頭測漏聲場示意

1多路并行超聲波測漏方法

1.1單個氣泡測漏法

通常情況下，在脈沖反射式的超聲波檢測過程中，由油箱破損產生的氣泡是連續的，氣泡產生后在水中的運動速度由小變大，而氣泡的運動軌跡可能是直線上升，也可能是螺旋上升。如圖2所示，陰影部分為有效測漏區域。α為單個超聲測量探頭有效聲場橫向擴散角，β為超聲檢測探頭有效聲場縱向擴散角。當連續氣泡的間距小于d1時，可以有效檢出氣泡。因此，采用該方法要求油箱破損產生的氣泡是連續和穩定的。

當油箱破損較小時，產生的氣泡體積也小，并且連續氣泡之間的距離可能大于d1。設單個氣泡通過有效測量區域的速度為v，則通過時間為d1/v。如果在測量時間內，總有至少一個氣泡產生，但產生的時刻隨機，那么單個探頭測量的重復頻率應大于v/d1。

傳統測漏方法中，在24 s的測量時間內，一個探頭連續工作1 s后，下一個探頭開始工作。這種工作模式稱為逐個檢測工作模式。在這種工作模式下，只有當單個氣泡出現在正在工作探頭的有效聲場范圍內時，才能被檢測出來。顯然這種模式不能保證檢測出單個氣泡。為了提高單個氣泡的檢出率，可以采用單路循環掃描檢測模式，即每次只有一個探頭工作，在第1個探頭工作一次后，接著第2個探頭工作一次，直到第24個探頭工作一次后，第1個探頭重新開始工作一次。若單個探頭連續測量的重復頻率為f，則在單路循環掃描檢測模式下，單個探頭實際測量的重復頻率為f/24。

1.2多路并行測漏方法

在現有超聲波測漏設備中，無論是逐個檢測工作模式還是單路循環掃描檢測模式，超聲波檢測儀都是采用單路工作方式，即每個時刻24個通道中只有一個通道工作。若檢測的最大聲程為S，水中聲速為c，則超聲探頭接收到最遠處氣泡反射波的時間為2S/c。檢測設備使用了基于數字化的超聲波檢測儀[4]，設數據處理時間為t，其與數據量大小有關。因此，超聲波檢測儀單路工作方式時，儀器工作的重復周期為t+2S/c，重復頻率為1/(t+2S/c)。實際工作中有24個探頭分時工作，則單路循環掃描檢測模式中單個探頭實際測量的重復頻率為：

(1)

多路并行檢測方法是同一時刻有多個探頭同時工作，稱為多路并行掃描工作模式。如果采用N路并行檢測，由于24個探頭總數據量不變，因此數字化數據處理時間不變，即為24×t。而N路并行工作后，24個探頭接收反射回波的時間減小為24×(2S/c)/N，則單個探頭實際測量的重復頻率為：

(2)

比較式(1)和(2)，顯然f2>f1。當N=24時，f2最大。但是在實際檢測中發現，相鄰探頭同時工作時，相互之間產生干涉，影響了有效聲場的分布特性。

2超聲波測漏探頭的有效聲場

2.1單探頭工作的有效聲場

試驗中采用的探頭均為圓形直入射式，輻射聲場均為脈沖波激發，用脈沖響應法對探頭的脈沖輻射聲場進行模擬計算[5]。基于小球反射的探頭聲場測量是利用收發兩用探頭接收由它本身激發，并被小球反射的聲場，且將其轉換為電信號，從而得到反射聲場聲壓幅值。探頭在電脈沖的激勵下向水中垂直小球方向發送超聲波，超聲波在水與小球界面處產生全反射，反射回波向探頭方向傳播并被探頭接收[6-8]。探頭接收到的總聲場聲壓幅值由探頭接收面上所有微面元接收到的聲壓幅值積分求出[9]。

試驗采用傳統的24個探頭扇形分布的檢測方式。首先研究單個探頭獨立工作時的有效聲場范圍。模擬聲場介質為水，使用的探頭晶片參數為：直徑為12.5 mm，中心頻率為1 MHz。圖3為采用上述理論模型在MATLAB中計算得到的該探頭輻射聲場以及小球反射聲場分布。由圖3可知，采用-6 dB法定義有效聲場范圍，則探頭的小球反射聲場擴散角為7°。

圖4為模擬距離直探頭500 mm處小球反射的截面聲場變化曲線。圖5為試驗測量得到該探頭在200～700 mm范圍內小球反射聲場分布曲線。

圖3　水中1 MHz直探頭輻射聲場及接收的小球反射聲場

圖4　距離直探頭500 mm處的截面聲場變化曲線

圖5　單個探頭獨立工作實測聲場

通過對比圖4,5可以看到，理論模擬和試驗測量所得聲場的一致性很高。經過測量，采用直徑為12.5 mm，頻率為1 MHz的探頭，有效聲場的擴散角大于7°。由模擬及測量結果可知，使用24個探頭扇形排列進行檢測能夠保證探頭之間有效聲場的覆蓋。圖5中的曲線從上至下依次為深度205,221,245,264.1,284.3,305.61,335.7,364.7,395.3,426.4,467.3,508.1,548.7,589,629.3,670,716.5 mm。

2.2多路并行掃描工作的有效聲場

在多路并行掃描工作模式中，當相鄰探頭同時工作時，單個氣泡對來自兩個探頭的超聲波產生反射，一個探頭除了接收到本身探頭發射的超聲波回波外，還可以接收到相鄰探頭發射的超聲波被氣泡反射的回波，并且這兩束反射回波會產生干涉，出現波峰和波谷[10]。圖6為多探頭不同并行工作模式下，試驗測量得到的探頭有效聲場的分布情況。

其中，圖6(a)為相同探頭在聲場深度為500 mm處，獨立工作時橫向聲壓分布曲線；圖6(b)為相同探頭在同一距離上，同時有相鄰探頭(夾角7°)工作時，橫向聲壓分布曲線；圖6(c)為相同探頭在同一距離上，同時有間隔1個探頭(夾角14°)工作時，橫向聲壓分布曲線；圖6(d)為相同探頭在同一距離上，同時有間隔2個探頭(夾角21°)工作時，橫向聲壓分布曲線。

在聲場其他深度，聲壓分布與500 mm處類似。從試驗測量的結果來看，采用間隔2個探頭多路并行掃描工作模式可以最大程度減小同時工作探頭之間的相互干涉。因此，24個探頭最多能夠采用8路并行模式進行檢測。

3多路并行超聲測漏裝置及其應用

基于多路并行超聲檢測方法，搭建了一臺8路并行的超聲測漏裝置，對連續氣泡和單個氣泡進行了試驗測試，同時利用傳統單路超聲測漏儀進行對比試驗。具體采用了以下三種試驗方案：

圖6　兩探頭不同工作狀態時聲場測量橫向聲壓分布曲線

(1) 逐個檢測工作模式，即每個探頭連續工作1 s，24個探頭依次工作，總探傷時間24 s。

(2) 單路循環掃描檢測模式，即第1個探頭工作1次后(<1 s)，第2個探頭工作，待第24個探頭工作完成后，再從第1個探頭循環，總探傷時間仍為24 s。

(3) 多路并行循環掃描工作模式，8個探頭并行工作，同時工作的相鄰探頭間隔2個探頭(夾角21°)，并行工作3次后24個探頭完成一次測量，多次循環，總探傷時間仍為24 s。

三種試驗方案均采用數字化超聲波檢測儀，回波信號采用TGC技術，數據傳輸采用DMA技術，其他指標相同：采樣速度40 MHz，數據最大壓縮比為32，顯示數據500點。

三種方案最大聲時均為3 500 μs，儀器最高重復頻率145 Hz，方案(1)和方案(2)的重復頻率為6 Hz，方案(3)的重復頻率為10 Hz。

試驗中，利用氣泡發生器模擬油箱破損產生的氣泡。氣泡大小和發生快慢可以控制，但尚不能定量控制。因此，對比試驗分為幾種不同時間間隔下氣泡發生情況進行。通過多次試驗測量，比較三種方案在相同的測量條件下，對連續氣泡和單個氣泡的檢出率，檢測閾值為50%。比較試驗結果列于表1。

從試驗結果可以看出：① 對時間間隔小于1 s的連續穩定產生的氣泡，方案(1)～(3)均可100%檢測。② 對于時間間隔較大的連續穩定產生的氣泡，方案(1)的檢出率一般低于50%，方案(2)由于采用重復掃描的方式，檢出率明顯提高，而方案(3)由于提高了重復掃描的頻率，檢出率高達90%以上。③ 對于時間間隔更大的連續產生的氣泡和隨機單個氣泡，三種方案均不能保證檢出，但方案(3)的檢出率最大。

表1　不同工作模式下氣泡的檢出率

4結論

通過比較試驗發現，利用傳統單路逐個檢測工作模式的測漏方法，可以檢測連續、穩定產生的氣泡，氣泡間隔必須小于1 s，對發生時間間隔大于1 s氣泡的檢出率很低。將逐個檢測改為單路循環掃描檢測模式，單個探頭實際測量的重復頻率只能到達6 Hz,

6 Hz，可以檢測連續、穩定產生的氣泡，對間隔較大連續氣泡的檢出率較低；并且單個氣泡通過探頭有效測量區域的時間不能太快，必須大于168 ms。利用8路并行循環掃描工作模式，單個探頭實際測量的重復頻率可以達到10 Hz，可以檢測連續、穩定產生的氣泡，對產生間隔較大連續氣泡的檢出率有一定的提高；允許氣泡通過探頭有效測量區域的時間更快，大于100 ms。可檢測氣泡通過有效區域最短時間從168 ms減小到100 ms，這也提高了油箱檢測中速度較快氣泡的檢出率。試驗還發現，三種方案均很難檢測出隨機產生的單個氣泡。

綜上所述，采用8路并行循環掃描工作模式進行油箱測漏，可以檢測更小油箱破損(微米量級)產生的氣泡，滿足汽車油箱檢漏行業更高標準的要求，具有一定的實際應用價值。

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Ultrasonic Leak Detection Methods of Fuel Tank

XUE Hua, WU Di, WANG Ya-ping, ZHAO Zhen-ning, CHEN Tian-fu, TENG Yong-ping

(Department of Physics, School of Sciences, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract：The paper analyzed the factors influencing the bubble detection rate in ultrasonic leak detection for fuel tank, studied the characteristics of ultrasonic reflection field of transducer, and proposed a new 8-channel parallel cyclic scanning detection mode, maximizing the repetition frequency of each transducer. Then comparative experiment tests were conducted between our 8-channel parallel ultrasonic leak detector and the traditional one. The results showed that, compared to single-channel scanning mode, the multi-channel parallel testing method had much higher detection rates when the single air bubble or long time interval bubbles needed to be detected. So this method was more effective to detect smaller tank leakage (μm diameter).

Key words:Fuel tank leak detection;Multi-channel parallel detection; Sound field simulation; Ultrasonic transducer

收稿日期：2015-09-02

基金項目:北京高等學校青年英才計劃資助項目(YETP0572)

作者簡介：薛花(1991-),女，碩士研究生，主要研究方向為無損檢測。通信作者:薛花,E-mail: 13121570@bjtu.edu.cn。

DOI:10.11973/wsjc201605007

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)05-0026-04