非金屬聲波檢測儀計量檢定裝置研究

趙 暉，吳曉雪

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 國家水運工程檢測設備計量站，天津300456)

非金屬聲波檢測儀是利用超聲波技術對混凝土內部缺陷進行無損檢測的一種儀器。混凝土在澆鑄過程中，其內部不允許產生空隙，在施工過程中如果發生斷裂，破損將會大大影響混凝土構件的強度和質量，甚至會產生災難性的后果。這些存在于混凝土內部的空隙以及在施工過程中地下產生的斷裂肉眼是無法觀測到的，只能靠非金屬聲波檢測儀來檢測，該儀器主要由主機和換能器組成，通過聲波測試的方法測定被測介質中的聲波傳播時間、速度、振幅、頻率和波形等聲學參數的變化，從而了解被測介質(非金屬)的物理學特性，經過分析、計算、處理后即可判斷出非金屬構件的內部質量。非金屬聲波檢測儀檢定裝置是用于校核聲波儀質量的設備，測定被檢儀器各項技術指標是否達到規程要求，其檢測的技術性能包括：發射電壓幅值的穩定度和準確度；聲時值測量的準確度。聲時測量在空氣中使用平面換能器，在水中則使用徑向換能器。長期以來對徑向換能器的檢定/校準在國內尚屬空白，近幾年使用專用水池將換能器入水以水為介質才解決了徑向換能器的校準工作。

對平面換能器的校準目前國內使用3種方法：(1)以標準測試棒為介質作為計量標準直接比對。該方法具有操作簡單、快捷的優點，但溫度變化引起在測試棒內聲速的變化不得而知；(2)用手動或電動方式調節兩換能器間距，使用游標卡尺測量間距(常用于平面換能器)；(3)將兩種換能器組合聯動并分別置于空氣中和水中，以光柵尺作為計量標準器，配合電腦操作使檢定/校準工作的自動化水平大大提升，本文將以該方式表述。

1 基本工作原理

1.1 聲時測量工作原理

非金屬聲波檢測儀除主機外尚配備一對平面換能器和一對徑向換能器，在工程測量中主要觀測超聲波從發射換能器發出首波最先到達接受換能器的時間[1]。眾所周知超聲波在傳播過程中遇到介質改變將會在介面產生折射或反射，其安裝使用情況如圖1所示。

圖1-a為平面換能器安裝圖，發射面和接收面緊貼混凝土構件。圖1-b為徑向換能器安裝圖，換能器置于樁兩側水管中沿水管巡檢。超聲波從發射換能器發射后直線運行經過d1距離以恒速用S1時間首波最先到達接收換能器，當混凝土構件內部出現斷裂破損形成空隙，超聲波將會沿路徑d2以同樣速度用S2時間抵達[2]，顯然d2>d1、S2>S1，差距越大說明構件內部空隙越大，破損越嚴重。

1-a 平面換能器安裝圖 1-b 徑向換能器安裝圖圖1 聲時測量安裝圖Fig.1 Installation diagram of acoustic time measurement

1.2 計量檢定裝置組成與工作原理

1.2.1 幅值準確度檢定

聲波幅值準確度是聲波儀的重要參數，其檢測方框圖如圖2所示。檢定采用電壓比對的方法，信號發生器產生50 kHz的正弦波作為輸入信號源輸入聲波儀輸入通道和6位半數字多用表，觀察聲波儀顯示屏顯示的正弦波形失真情況及電壓示值與6位半數字多用表精確電壓值比對[3]，即可計算出幅值相對誤差。

圖2 幅值準確度檢定框圖Fig.2 Verification block diagram of amplitude accuracy

1.2.2 發射電壓幅值穩定度測定

圖3 發射電壓幅值穩定度測定框圖Fig.3 Measurement block diagram of transmitting voltage amplitude stability

1.2.3 聲時準確度檢定

圖4是最新的聲波儀聲時值計量檢定裝置，該裝置是將平面換能器與徑向換能器組成統一運動體，安置于水池上方軌道上的同一滑塊平臺上，分別以空氣和水作為介質，利用計算機控制伺服電機調節兩換能器間距并保持單軸直線運動，通過光柵位移尺精準定位與聲波儀示值比對[4]。運動控制系統由硬件和軟件兩部分組成，微機控制單元設定滑動平臺上的換能器移動支架，控制其移動距離和速度并做直線位移[5]。光柵尺作為計量標準器，其最高定位精準標稱值可達0.5 μm。

圖4 聲時值計量檢定裝置框圖Fig.4 Block diagram of acoustic time measurement verification device

2 檢定裝置主要技術指標與計算

2.1 標準聲時值計算

眾所周知，聲音在不同的介質中傳播速度差異甚大，即便在同一介質中不同的時間都不相同，這主要是受溫度的影響。聲波儀平面換能器以空氣為介質，受環境溫度影響，其標準聲時為t01；徑向換能器以水為介質，超聲波在水中傳播同樣距離內其標準聲時為t02，則

式中：d為兩換能器間距，m；Vc1為空氣中聲速，m/s；T01為室溫，℃；Vc2為水中聲速，m/s；T02為水溫，℃。

2.2 計量標準重復性試驗

計量標準重復性試驗[7]是在重復性條件下，用計量標準對常規的被檢定或被校準的對象進行n次獨立重復測量，所得到的測量結果其重復性為

已建計量標準至少每年進行一次重復性試驗，測得的重復性應滿足檢定或校準結果的測量不確定度的要求。非金屬聲波檢測儀建標后對聲時計量檢定裝置、數字萬用表、數字示波器電壓測量等3個計量標準均需要進行重復性試驗。

2.3 計量標準穩定性試驗

穩定性試驗是指新建計量標準，每隔一段時間(大于一個月)，用該計量標準對核查標準進行一組n次的重復測量，取其算術平均值作為該組的測量結果。共觀測m組(m≥4)。取n個測量結果中的最大值和最小值之差，作為新建計量標準在該時間段內的穩定性。該試驗應包含在檢定/校準中使用的數字萬用表、示波器、檢定裝置的控制顯示系統，亦應分別對平面換能器和徑向換能器進行測試。

3 抗干擾分析

非金屬聲波檢測儀檢定裝置主要以接收波的波形來判定檢測儀器技術性能的，儀器的抗干擾性和波形的清晰度顯得尤為重要，非金屬聲波儀的平面換能器以空氣為介質，發射換能器與接收換能器固定在支架上沿軸線相對位移，移動距離一般不大于50 cm。從發射換能器發射的超聲波以窄波束角定向傳播至接收換能器，受干擾因素較小，波形失真小。

徑向換能器呈圓柱狀，在水容器中以水為介質，發射的超聲波以發射換能器為中心向四周發射，水容器邊壁將會使超聲波反射形成干擾，鑒于兩換能器直線距離最近，發射波首播仍最先以最短時間到達接收換能器，所以在存有干擾的環境條件下(干擾波是折線運動)仍可鑒別出首波的聲時值。為此可以在水容器邊壁粘貼消聲材料，有關資料證明，尖劈形橡膠消聲板在頻率為3 kHz時吸聲效率可達98%，頻率越高吸聲效果越好[8]，非金屬聲波檢測儀的發射頻率為幾十千赫茲，幾乎可以吸收到達的所有聲波而不會產生反射形成干擾，因此在水容器邊壁和底部鋪設消聲器材，這將會取得滿意的效果。

4 結語

非金屬聲波檢測儀屬于國家規定的檢測儀器“強檢”范疇，儀器直接用于檢測混凝土構件的內部質量是否存在破損空穴。關系到工程的質量和安全隱患，因此檢測儀自身的質量、各項技術指標是否符合規程要求，將由非金屬聲波檢測儀計量檢定裝置來判定，它是聲波儀量值溯源的上一級計量標準。

本文分別對非金屬聲波檢測儀配備的平面換能器和徑向換能器的安裝使用，利用聲時測量的原理等進行了論述。著重介紹了非金屬聲波檢測儀檢定裝置的組成和所檢定的主要技術參數，并給出了相關的計算公式。在文章的最后針對徑向換能器水容器的容積所限，受邊界條件影響將會產生干擾問題，提供了利用夾劈形橡膠消聲板可有效地解決干擾問題的方法，對建立非金屬聲波檢測儀計量檢定裝置具有一定的參考價值。該裝置建成后先后為全國80余家檢測單位服務，對國內外10余個新老型號的非金屬聲波檢測儀進行檢定并出具檢定證書，在水運工程、道橋工程等樁基和預制構件質量檢測中發揮了重要的作用。