工件尺寸激光超聲測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究*

單 寧 劉 霞

（①武警工程大學(xué)裝備運(yùn)輸系，陜西西安710086;②西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西西安 710072）

零件的機(jī)械加工精度是指零件加工后的實(shí)際幾何尺寸與理想幾何尺寸的符合程度，其符合程度越高，加工精度也就越高。它是零件加工質(zhì)量的一個(gè)重要方面，也是保證機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)力的快速發(fā)展，對(duì)機(jī)械零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。而工件在加工過程中的尺寸測(cè)量則是保證零件加工精度和提高生產(chǎn)率的一個(gè)重要手段。目前國內(nèi)多采用投影測(cè)量、線陣CCD測(cè)量和立體視覺測(cè)量方法用于工件尺寸的測(cè)量。這些技術(shù)測(cè)量系統(tǒng)硬件復(fù)雜，且只能測(cè)量外形輪廓較為簡單的工件，自動(dòng)化程度低，通用性較差，已無法滿足機(jī)械加工領(lǐng)域的快速發(fā)展［1－3］。

超聲測(cè)厚技術(shù)是一門較為成熟的高新技術(shù)，其最大優(yōu)點(diǎn)是無損、安全、可靠及精度高，且可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，因而在工件尺寸測(cè)量中具有廣泛應(yīng)用前景［4－5］。傳統(tǒng)超聲測(cè)厚多采用壓電換能器產(chǎn)生超聲信號(hào)，需耦合劑，對(duì)工件表面要求較高，頻帶窄，測(cè)量精度較低。激光超聲技術(shù)是通過激光激發(fā)超聲信號(hào)，無需耦合劑，超聲信號(hào)又可通過光學(xué)方法檢測(cè)，故可實(shí)現(xiàn)完全非接觸激發(fā)和接收，便于在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)等惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)評(píng)估;激光超聲的激發(fā)和檢測(cè)都是在瞬間完成的，能夠?qū)崿F(xiàn)快速實(shí)時(shí)檢測(cè);另外激光超聲技術(shù)適于對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，而不受工件幾何形狀約束，因此，更為適合于機(jī)械制造領(lǐng)域加工過程的在線監(jiān)測(cè)［6－7］。目前，將激光超聲技術(shù)應(yīng)用于工件尺寸測(cè)量仍處于初始研究階段。本文基于超聲測(cè)厚原理建立激光超聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，將激光超聲技術(shù)應(yīng)用于工件的尺寸測(cè)量，并對(duì)工件尺寸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能很好地用于工件尺寸測(cè)量，檢測(cè)效率高，結(jié)構(gòu)簡單，安裝、操作容易，且易于實(shí)現(xiàn)完全非接觸式在線測(cè)量。

1 超聲測(cè)厚原理

超聲波是一種頻率高于20 kHz的機(jī)械波，是由于機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的波動(dòng)。超聲波在同一均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，其波速為一常數(shù)。超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上會(huì)產(chǎn)生反射。所以超聲脈沖自被測(cè)工件表面?zhèn)鞑サ浇邮彰娣瓷涿}沖的間隔時(shí)間正比于工件厚度，若將這個(gè)時(shí)間轉(zhuǎn)化為厚度值表示，即為被測(cè)工件厚度值。常用的超聲測(cè)厚方法有共振法、干涉法和脈沖反射法。其中共振法和干涉法測(cè)量精度較高，但系統(tǒng)復(fù)雜，具有較大的局限性，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，而脈沖反射法測(cè)量裝置則相對(duì)簡單，非常適合于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。如圖1所示，超聲波在工件內(nèi)部傳播，遇到工件邊界時(shí)返回，得到回波，測(cè)量超聲波通過被測(cè)工件所需的時(shí)間間隔，然后根據(jù)超聲脈沖在被測(cè)工件中的傳播速度即可得到被測(cè)工件厚度。

如果已知試樣聲速c，則可得其厚度H為

式中，t0為超聲脈沖在被測(cè)工件兩表面往返一次的時(shí)間。

2 激光超聲測(cè)量裝置

本文激光超聲測(cè)量系統(tǒng)采用脈沖反射法原理。當(dāng)激光脈沖照射在工件表面時(shí)，工件表面局部范圍吸收光能產(chǎn)生較高溫升，這部分材料由于溫升會(huì)產(chǎn)生熱膨脹運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)周圍介質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)從而在其內(nèi)部產(chǎn)生超聲波，然后探測(cè)超聲波在工件內(nèi)部傳播時(shí)的反射波情況，根據(jù)反射波在工件內(nèi)部的渡越時(shí)間從而得到工件厚度尺寸等幾何參數(shù)。

激光超聲在線測(cè)量工件尺寸實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。Nd:YAG激光器產(chǎn)生脈寬為15 ns，波長為1.06 μm，單脈沖最大能量為120 mJ的激光，經(jīng)透鏡聚焦為直徑約1 mm的光斑，直接照射在工件表面，在工件內(nèi)部激發(fā)出超聲波。超聲信號(hào)在工件內(nèi)部傳播后由粘貼在試樣背面，與激光源對(duì)心的PVDF傳感器接收。PVDF傳感器將超聲信息以電荷形式輸出，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路即可轉(zhuǎn)換成便于檢測(cè)的電壓信號(hào)。再將電壓信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理后送入示波器內(nèi)，其波形在示波器屏幕上實(shí)時(shí)顯示出來。

3 實(shí)驗(yàn)研究

當(dāng)激光脈沖能量為90 mJ/脈沖，照射在尺寸為100 mm×100 mm×25 mm的鋼試件上，鋼的聲速為5 900 m/s。PVDF壓電薄膜尺寸大小為30 mm×12 mm，厚度為50 μm。激發(fā)出的超聲信號(hào)如圖3所示。

由圖3中可以看出，超聲信號(hào)的第一個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)間為 45.2 μs，第二個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)間為 52.5 μs，第三個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)間為61.7 μs，則超聲信號(hào)相鄰兩脈沖的平均峰值時(shí)間間隔為8.25 μs。根據(jù)體波透射技術(shù)和脈沖反射法超聲測(cè)厚原理可知，采用平均峰值間隔法得到的時(shí)間間隔即為超聲波在工件中往返一次的時(shí)間，將超聲脈沖兩相鄰峰值時(shí)間間隔代入式（1）可得鋼工件的厚度尺寸為24.34 mm，工件尺寸測(cè)量相對(duì)誤差為2.64%。

4 結(jié)語

超聲測(cè)厚技術(shù)具有快速、可靠、精度高等眾多優(yōu)點(diǎn)，在工件尺寸在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文針對(duì)零件加工過程中工件尺寸在線測(cè)量問題，提出一種采用激光超聲技術(shù)進(jìn)行工件尺寸在線測(cè)量的方法，建立了激光超聲在線測(cè)量工件尺寸的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能很好地應(yīng)用于工件尺寸的在線測(cè)量，檢測(cè)效率高，結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試容易，便于操作，易于實(shí)現(xiàn)完全非接觸式在線測(cè)量，且具有較高精度，實(shí)際測(cè)量誤差為2.64%。

［1］于鳳云.光滑工件尺寸的測(cè)量與檢驗(yàn)及其計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005（10）:84－85.

［2］林曉峰，石少莉.CCD攝像法在工件尺寸測(cè)量中的應(yīng)用［J］.光學(xué)儀器，2002，24（3）:11－13.

［3］邊琰，郭彤，張國雄.基于線結(jié)構(gòu)光的工件臺(tái)階特征尺寸測(cè)量方法研究［J］.機(jī)床與液壓，2009，37（6）:129－131/134.

［4］李雄兵，徐志農(nóng)，胡宏偉，等.曲面工件超聲測(cè)量中探頭自動(dòng)對(duì)正的研究［J］.中國機(jī)械工程，2008，19（11）:1289－1292.

［5］陳笑，徐榮青，沈中華，等.反射激光式超聲測(cè)厚傳感器及其應(yīng)用［J］.激光技術(shù)，2003，27（6）:557 －559.

［6］Jian X，Baillie I，Dixon S.Steel billet inspection using laser－ EMAT system［J］.Journal of Physics D:Applied Physics，2007，40（5）:1501－1506.

［7］Kita A，Ume I C.Measuring on－line and off－line noncontact ultrasound time of flight weld penetration depth［J］.Welding Journal，2007，86（1）:9－17.