防水卷材厚度測(cè)量分析
----基于TM130和激光位移傳感器

陳俏葦， 朱亞超，龔 力， 何 濤

(1 湖北省現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430068；2 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068；3 湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

超聲檢測(cè)利用材料本身內(nèi)部缺陷的聲學(xué)性質(zhì)對(duì)超聲波傳播的影響，非破壞性地探測(cè)材料表面和內(nèi)部缺陷(如裂紋、氣泡、夾渣等)的大小、形狀和分布狀況以測(cè)定材料的性質(zhì)．與其他檢測(cè)方法相比，超聲檢測(cè)具有穿透能力強(qiáng)、靈敏度高、對(duì)人體無傷害等優(yōu)點(diǎn)．防水卷材作為建筑工業(yè)領(lǐng)域里的一種重要工業(yè)材料，在橋梁、隧道、農(nóng)業(yè)水利和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，其測(cè)量厚度的要求也越來越高．本文采用了數(shù)字超聲測(cè)厚儀和激光位移傳感器相結(jié)合的測(cè)量方法，首先使用激光位移傳感器精確測(cè)量防水卷材的厚度，再用TM130數(shù)字超聲檢測(cè)儀測(cè)量其聲速值．在已知聲速的情況下，對(duì)同一種防水卷材通過比較測(cè)量，用超聲測(cè)厚儀就可以很方便地測(cè)量出厚度值．

1 系統(tǒng)組成及測(cè)量原理

1.1 TM130數(shù)字超聲測(cè)厚儀測(cè)量原理

TM130是一種智能化手持式超聲波測(cè)厚儀，采用微處理器控制，利用超聲波測(cè)量原理，能夠快速、無損傷、精確地測(cè)量多種材料[1]．凡是超聲波能以恒定波速傳播且對(duì)背面產(chǎn)生的反射波可分辨的各種材料均適用于此儀器．該儀器顯示最小單位為0.1 mm，工作頻率為5 MHz，測(cè)量范圍為1～225.0 mm，測(cè)量誤差為(±1% )×H+0.1 mm，H為被測(cè)物實(shí)際厚度．圖1為TM130測(cè)量實(shí)物圖．

圖 1 TM130超聲測(cè)厚儀測(cè)量實(shí)物圖

測(cè)厚儀由發(fā)射電路、接收電路、高頻震蕩器、計(jì)數(shù)門、計(jì)數(shù)器、中央處理器、鍵盤、顯示器等部分組成．其原理與光波測(cè)量原理相似．探頭發(fā)射的超聲波脈沖到達(dá)被測(cè)物體并在物體中傳播，到達(dá)材料分界面時(shí)被反射回探頭，通過精確測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來確定被測(cè)材料的厚度(圖2)．

圖 2 超聲測(cè)厚儀系統(tǒng)框圖

1.2 激光位移傳感器測(cè)量原理

激光位移傳感器采用三角法非接觸測(cè)量物體位移和厚度：

用一束激光以某一角度聚焦在物體表

面，然后從另一角度對(duì)物體表面上的激光光斑進(jìn)行成像，物體表面激光照射點(diǎn)的位置不同，所接受散射或反射光線的角度也不同．用CCD測(cè)出光斑像的位置，即可計(jì)算出物體面激光照射點(diǎn)的位置[2]．當(dāng)物體與激光線發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，測(cè)量結(jié)果就將發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)用激光測(cè)量物體的位移．其測(cè)量原理如圖3所示．

圖 3 激光位移傳感器測(cè)量原理圖

激光發(fā)射與接收由感測(cè)頭來完成．感測(cè)頭在激光位移控制器的控制下發(fā)射一定頻率的激光，并將接受到的反射激光信號(hào)傳輸?shù)娇刂破鳎袦y(cè)器的LED燈會(huì)顯示當(dāng)前的測(cè)量狀態(tài)：當(dāng)發(fā)光為綠色或橙色時(shí)，表示在測(cè)量范圍內(nèi)，此時(shí)會(huì)在控制器上顯示當(dāng)前測(cè)量值；當(dāng)發(fā)光為紅色時(shí)，表示在測(cè)量范圍之外，有警報(bào)或者激光滅．感測(cè)探頭的探測(cè)范圍如圖4所示，其中測(cè)量范圍取決于反射方式和取樣率．

圖 4 感測(cè)探頭示意圖

圓括號(hào)內(nèi)的是當(dāng)前取樣率為20 μs時(shí)的數(shù)值

2 測(cè)量結(jié)果與誤差分析

2.1 測(cè)量結(jié)果

測(cè)量時(shí)選用的控制器型號(hào)為L(zhǎng)K-GD500，最多可連接兩個(gè)感測(cè)頭，精確到0.01μm，可顯示范圍為±9 999.99 mm到±9 999.99 μm，顯示周期為10 次/s，自帶的RS232和USB接口可以方便地與主機(jī)通訊，并儲(chǔ)存和打印測(cè)量值；感測(cè)頭選用的型號(hào)為L(zhǎng)K-G10，其參照距離為10 mm，測(cè)量范圍±1 mm，采用紅色半導(dǎo)體激光作為光源，取樣率為20、50、100、200、500、1000 μs，可在6步當(dāng)中選擇．系統(tǒng)測(cè)量實(shí)物圖如圖5所示．

(a)測(cè)量環(huán)境

(b)基準(zhǔn)點(diǎn)選取圖 5 激光測(cè)量實(shí)物

測(cè)量時(shí)選取一基準(zhǔn)點(diǎn)a0，在不同的厚度上分別選取兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)b1、b2和c1、c2，依次測(cè)量其與基準(zhǔn)點(diǎn)的高度差，表1為測(cè)量值[3]．

表1 激光位移傳感器測(cè)量值

表2為TM130數(shù)字超聲測(cè)厚儀在相同條件下的測(cè)量值(c1、c2與a0的高度差)．

表2 TM130數(shù)字超聲測(cè)厚儀測(cè)量值

由激光測(cè)量?jī)x獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合超聲測(cè)厚儀，可得防水卷材聲速值v1=525 m/s．

誤差值在允許的范圍內(nèi)．

2.2 影響系統(tǒng)測(cè)量精度的因素

1)TM130測(cè)厚儀本身的測(cè)量精度和耦合劑的選用，直接影響最后誤差的精度．

2)激光位移傳感器本身的測(cè)量精度，以及安裝感測(cè)頭時(shí)與被測(cè)物體(防水卷材)不垂直，是影響系統(tǒng)誤差主要因素．此外，兩儀器的測(cè)量精度不一樣，會(huì)影響誤差的精度范圍．

3) 防水卷材涂層不均勻?qū)е聹y(cè)量同一點(diǎn)時(shí)激光定位不一致，也會(huì)影響最終的測(cè)量結(jié)果．

3 結(jié)論

根據(jù)不同的材料和測(cè)量精度，可選取不同測(cè)量范圍的感測(cè)頭實(shí)現(xiàn)測(cè)量，在已知聲速的情況下，使用數(shù)字超聲測(cè)厚儀實(shí)現(xiàn)防水卷材的厚度測(cè)量．該方法對(duì)其他難以用接觸式測(cè)量方法的材料亦適用．

[參考文獻(xiàn)]

[1] 柯細(xì)勇,王占元,楊劍峰,等.一種新型便攜式超聲波測(cè)厚儀的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(12)：119-125.

[2] 朱萬彬.激光位移傳感器在物體表面形狀測(cè)量中的應(yīng)用[J].光機(jī)電信息，2010，27(10):70-72．

[3] 楊練根.互換性與技術(shù)測(cè)量[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010：107-108.