非金属超声波检测仪校准方法与校准装置的研制摄像机电池

非金属超声波检测仪校准方法与校准装置的研制

非金属超声波检测仪校准方法与校准装置的研制 2012年10月31日 非金属超声波检测仪(以下简称超声波检测仪、)广泛应用于混凝土建设工程、岩体检测、工程地质等方而，是利用超声技术对混凝土内部缺陷进行无损检测的一种仪器。通过向被测试件发射声脉冲信号，使其穿过试件，然后接收穿过试件后的声脉冲信号，测量声脉冲信号穿过试件的时间、幅值、频率变化等，完成对待测试件的无损检测。非金属超声波检测仪配备的换能器分为平面测试换能器(以下简称平面换能器)和圆管径向辐射换能器(以下简称径向换能器)两类，都有着各自不同的检测方法和特性。针对目前对于径向换能器兀合适校准方法的问题，进行了深入的研究和探讨，通过分析研究超声波检测仪的工作原理、技术指标等，选择适合的校准方法及标准设备，校准超声波检测仪的计量性能。本文介绍研究编写的非金属超声波检测仪地方校准规范中的校准方法以及设计、研制的声信号法声时(声波在介质中传播时间、)校准装置。1 计量性能要求 根据非金属超声波检测仪的工作原理与技术特性的要求，确定5个校准项目：声时测量相对误差、幅值测量级线性、径向换能器发射谐振频率、发射电压幅值稳定度、通道隔离度。 1、)声时测量相对误差。平面换能器：电信号测量误差应不大于±0．5％，声信号测量误差应不大于±1．0％；径向换能器：电信号测量误差应不大于±0．5％，声信号测量误差应不大于±2．0％。 2)幅值测量级线性。每10 dB误差应不大于±1．5 dB。 3)径向换能器发射谐振频率。与标称频率的偏差应在±10％范围之内。 4)发射电压幅值稳定度。每小时应不大于±5％。 5、)通道隔离度。对于多通道的超声波检测仪，在换能器标称频率处应±于40dB。2 校准方法2．1 声时测量的相对误差(电信号法) 超声波检测仪的发射端、接收端分别接信号发生器的猝发端和输出端，超声波检测仪的发射端与信号发生器的猝发端可加衰减器，调节信号发生器，使频率调至换能器标称频率，波数为l0。调节猝发音延迟，每延迟100μs超声波检测仪做一次声时测量，直至超声波检测仪的测量上限，随着延迟时间的增加，可适当减少波数，以使屏幕中的时间可以完全读出。分别读取超声波检测仪的声时和信号发生器的延迟时间，计算电信号法的声时相对误差。相对误差计算公式如下：式中：T1——从超声波检测仪上读出的声时； T2——信号发生器的延迟时间； L——电信号法声时相对误差。2．2 平面换能器状态的声时测量相对误差(声信号法) 超声波在空气中的声时相对稳定，只是会随着温度的变化而有些改变，考虑在空气中检测平面换能器状态的声时。首先测量出零声时并予以消除，再将两个换能器的辐射而相互对准，使两个换能器的轴线在同一直线上，以间距为1 00mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm分别对声时进行测量。测量过程中，应保持整体波形为满屏显示的2/3。由声时测量值与理论计算值计算声时测量相对误差。声时理论计算公式如下：(0°C时空气的声速为331.4 m/s)式中：T——空气温度； d——两换能器之间的距离。声时相对误差计算公式如下：式中：t1——声时测量值；t2——声时理论值； L——平面换能器状态声时相对误差。2.3 径向换能器状态的声时测量相对误差(声信号法、) 将两个径向换能器保持其轴线相互平行，置于消声水箱同一水平高度，两个换能器内边缘间距先后调节在L1、L2(L1、L2及其差值均不小于100 mm)，分别读取相应声时值t1、t2。由超声波检测仪、换能器及其高频电缆所产生的零声时to由下式计算： 将径向换能器放置于消声水箱中，两个换能器应处于同一水平面上，消去零声时后，以换能器间距为60 mm、1 20 mm、1 80 mm、240 mm、300 mm分别对声时进行测量，由声时测量值与理论计算值计算声时测量相对误差。声时理论计算公式如下：式中：d——两换能器内边缘间距； v——水中的声速。 声时相对误差计算公式式(3)。2．4幅值测量级线性 超声波检测仪的发射端通过衰减器与信号发生器的猝发端连接，超声波检测仪的接收端通过精密可变衰减器与信号发生器的输出端连接。调节信号发生器的频率为换能器的标称频率，信号发生器输出幅度及精密可变衰减器调至适当位置。依次按1 0 dB增加或减少衰减器的输出值，每次测量应调节超声波检测仪接收信号为满屏的80％，不少于4次，超声波检测仪幅值测量功能显示的幅值与衰减器改变值之差即为幅值测量级线性误差。2．5 径向换能器的发射谐振频率 将超声波检测仪的发射电压、采样频率等参数设置在某一档并保持不变，将径向换能器与水听器置于消声水箱中，水听器与示波器连接，由示波器读取水听器接收最人声信号时所对应的频率，即为径向换能器的发射谐振频率。径向换能器的发射谐振频率相对误差为：式中：f1——实测频率，kHz； f2——标称频率，kHz。2．6发射电压幅值稳定度 将超声波检测仪的发射端经负载与示波器相连，调节超声波检测仪的电压，用示波器记录下每一档电压的幅值。每隔1 5 min测量一次，共测量5次，其每一档电压最大值与最小值之差相对平均值的幅度变化范围，应符合每小时不大于±5％的要求。电压幅值稳定度为：式中：Vmax——电压最大值； Vmin——电压最小值；A——电压幅值稳定度。2．7 多通道超声波检测仪的通道隔离度 调节信号发生器的频率为换能器的标称频率，并设置信号发生器的输出为最大，调节超声波检测仪，使通道l增益最大，并且接收的信号为满屏的80％。通道2对地短路，记录下超声波检测仪通道1与通道2的幅值A1、A2，通道隔离度A=A1一A2应满足人于40dB要求。3校准装置设计3．1 主要标准器及器件技术指标 1)信号发生器。在测试的频率范围内，能产生连续波信号和猝发音信号。幅值准确度优于0．1dB，谐波失真小于0．5％，测试期间的幅度稳定度优于0．1 dB。 2)数字示波器。采样频率应高于测量频率的8倍，最大允即误差应不大于±0．1％。 3)水听器。在测试频率范围内，基本无方向性，采用球形水听器或小型圆柱型水听器(70 kHz以下自由场电压灵敏度应大于-l 90 dB、)，保证信噪比大于30 dB，在测试期间的水听器自由场灵敏度的稳定度优于土0．02dB。 4)哀减器。要求频率范围DC～30 MHz，每1 0 dB误差不超过土0．2 dB。 5)运动控制装置。行程600 mm，定位精度±5μm，负载(包括换能器及其安装夹持件以及运动的滑块)5 kg。 6、)消声水箱。消声水箱能满足两换能器间距离的远场条件。温度计的最大允许误差不大于±0 .2℃．3.2 校准装置组成及工作原理 超声波检测仪校准装置由购置的标准设备和研制的声时(声信号法)校准装置组成。购置的标准设备包括：信号发生器、数字示波器、衰减器、水听器。研制的声时校准装置由消声水箱、运动控制装置、控制软件、微机等组成。声时(电信号法)、幅值测量级线性、发射电压幅值稳定度、通道隔离度等技术指标用信号发生器、数字示波器、衰减器等标准器即可校准，测量方法比较简单，按校准方法中要求操作即可，这里不作介绍。由按校准方法中要求操作即可，这里不作介绍。由于超声波检测仪主要依靠超声波在混凝土中传播的时间来判断内部缺陷情况，因此，声时是很重要的参数。下面详细介绍研制的声时(声信号法)校准装置，该装置具有声时校准准确度高的特点，配备水听器、数字示波器可校准径向换能器发射谐振频率。3.2．1 声时校准装置 声时校准装置中消声水箱和运动控制平台结构如图1所示。微机控制的滑块平台由龙门架支撑在消声水箱上方，将一个换能器固定在龙门架定块平台夹具上，另一个换能器固定在滑块平台夹具上，平面换能器与直线运动平台上方的平面换能器夹具连接，径向换能器与消声水箱水中的径向换能器夹具连接，通过移动滑块平台调整换能器之间的距离，实现声时校准。 为了更好的模拟径向换能器的现场条件，设计并加工了在超声频率范围应用的消声水箱，该消声水箱的目的是建立自由声场，用于径向换能器的水中声时、谐振频率测量，通过在四壁中粘贴了专用于水中的消声尖劈，此尖劈为橡胶材料制成，能有效吸收超声波，减少反射波的影响，提高测量准确度。 声时校准利用计算机控制伺服电机使滑块平台进行单轴直线运动，通过光栅位移尺的位移反馈，实现直线自动走位定位功能。换能器之间距离准确度是声时校准准确度的火键，该校准装置的定位精度+5um，提高了声时校准准确度。通过改变超声波检测仪平面换能器、径向换能器之间的距离，根据-甲而换能器在空气中传播声速、径向换能器在水中传播声速，计算标准传播声时，然后读出超声波检测仪的显示传播声时，计算声时相对误差，从而实现对超声波检测仪的平面换能器、径向换能器声时校准。 该声时校准装置还可用于径向换能器发射谐振频率的校准，在径向换能器声时校准后，将其中一个径向换能器改接水听器，另一个径向换能器连接超声波检测仪的发射端，水听器与示波器相连接，由示波器读取水听器接收最大声信号时所对应的频率，即为径向换能器的发射谐振频率。3．2.2 运动控制系统 运动控制系统由硬件和软件两部分组成，该系统采用“PC机+运动控制卡"作为控制单元，交流伺服驱动器和伺服电机作为执行机构，“光栅尺+数据采集卡"作为直线位移检测装置，利用VC++编程实现对伺服电机高速、高准确度控制。运动控制系统硬件框图如下图2所示。3.2.3声时校准装置软件 软件功能如下： 1)PC机软件模块，包括用户界面设计及数据库编程。运行在PC的Windows平台上，选用VC++开发工具，在数据库编程上，选用Access数据库，PC机界面是一个典型的数据库应用程序，由系统登陆、管理模块，设备信息输入模块，计量检定模块，记录查询模块组成。 2)运动控制系统软件模块。通过设置运动参数，运动控制卡输出脉冲信号加方向信号，驱动驱动器和电机正常运行，根据光栅尺位置反馈，实现定长和回原点运动。运动控制系统软件流程图如图3所示。 3)数据处理软件模块。根据校准温度、换能器之间距离和水中声速，计算声时理论值及相对误筹。4声时校准结果 以北京康科瑞工程检测技术有限责任公司生产的NM一4A型非金属超声波检测仪径向换能器状态声时测量为例。将两径向换能器置于消声水箱中，驱动滑块平台使两换能器内壁间距为300mm，消声水箱中水温24．4。C，声速1494．1m／s，记录下超声波检测仪的声时示值，重复测量l0次，根据超声波在水中的传播速度与两径向换能器之间的直线距离计算出理论声时和相对误差。测量数据如表l。根据单次实验标准差 计算得出声时示值和声时理论值的重复性分别为0.3μs和O．Oμs。声时测量误差不确定度主要受声时示值重复性、换能器之间距离、测量温度等不确定度分量影响。其中换能器之间距离的准确度是主要因素，直接影响声时示值重复性。该校准装置由于定位准确度高，声时测量误差不确定度主要由声时示值重复性、测量温度不确定度分量决定，换能器之间距离测量引入的不确定度分量可忽略不计。5 结束语 针对非金属超声波检测仪校准方法研究起草的JJF(闽、)1036—20 10《非金属超声波检测仪校准规范》，经福建省质量技术监督局批准、发枷并实施。校准装置已应用于该类仪器的校准，取得了较好的社会经济效益。其中声时校准装置，具有自动校准、效率高、准确度高的优点

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