基于空氣耦合超聲的導爆索斷細藥檢測

李光亞，王明泉，鄭景義

(1.中北大學 山西省動態(tài)測試技術重點實驗室， 太原 030051;2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室, 太原 030051;3.中北大學 信息與通信工程學院， 太原 030051;4.山西北方晉東化工有限公司, 陽泉 045000)

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基于空氣耦合超聲的導爆索斷細藥檢測

李光亞1,2,3，王明泉1,2,3，鄭景義4

(1.中北大學 山西省動態(tài)測試技術重點實驗室， 太原 030051;2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室, 太原 030051;3.中北大學 信息與通信工程學院， 太原 030051;4.山西北方晉東化工有限公司, 陽泉 045000)

導爆索斷細藥的檢測方法多為接觸式，存在有安全隱患、檢測效率較低的問題，提出了一種基于空氣耦合超聲的導爆索斷細藥檢測方法。通過對藥芯的非接觸檢測實現(xiàn)對斷細藥情況的快速測量。使用空氣耦合超聲檢測法可有效提高導爆索斷細藥的檢測效率和檢測精度。

導爆索;斷細藥;空氣耦合超聲;非接觸測量

在眾多的爆破器材中，由于導爆索具有可靠性好、結構簡單等特點而被廣泛應用。因為纏繞型導爆索具有較高的生產(chǎn)效率,所以在國內(nèi)的導爆索產(chǎn)品中占有重要地位，但由于纏繞型導爆索加工工藝導致的裝藥密度和均勻度都不夠理想，容易出現(xiàn)斷藥和細藥的情況，從而影響導爆索的傳爆性能[1-2]。如圖1所示是纏繞型導爆索藥芯的加工工藝，炸藥和粘合劑按照一定比例混合后裝在裝藥器中，通過對裝藥器中施加一定的氣壓使得混合藥向下流出，在裝藥器下方通過多個編織物錠子旋轉纏繞從而形成藥芯，編織物一般為天然纖維或人造纖維。成型后的藥芯再經(jīng)過擠塑和增密等工藝,從而成為最終的導爆索成品[3-4]。

圖1　纏繞型導爆索藥芯加工工藝示意

纏繞型導爆索的斷細藥情況一般在藥芯的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生，此時藥芯的外徑會因為斷藥和細藥出現(xiàn)明顯的跳變，而在經(jīng)過擠塑工藝后會變?yōu)橥鈴揭恢碌某善罚虼藢τ诖朔N導爆索斷細藥的檢測必須在藥芯的制作過程中完成。考慮到導爆索藥芯的生產(chǎn)環(huán)境和安全性，對于藥芯斷細藥的檢測手段非常有限，目前多采用抽檢和成品的接觸式檢測等，這些方法增加了誤檢的概率。針對上述情況，筆者設計了一種基于空氣耦合超聲的斷細藥非接觸測量方法，通過空氣耦合超聲實現(xiàn)對導爆索藥芯的非接觸無污染檢測，最大程度上滿足了安全生產(chǎn)和檢測精度的要求[5]。

1　空氣耦合超聲檢測原理

非接觸式超聲與常規(guī)超聲檢測原理類似，最大的區(qū)別是非接觸式超聲檢測不需要耦合劑就能將超聲波從發(fā)射探頭通過空氣傳播到待測工件中。耦合劑的使用不但會使檢測系統(tǒng)更加復雜，而且會在一定程度上污染檢測面。與常規(guī)超聲檢測相比，空氣耦合超聲除了將空氣作為耦合劑之外，在聲學傳播特性方面沒有本質區(qū)別。由于導爆索生產(chǎn)過程中對于安全的要求是第一位的，接觸式檢測容易產(chǎn)生靜電等不安全因素，水浸法超聲檢測也不適合編織型導爆索的斷細藥檢測[6]，因此采用空氣耦合超聲對此種類型導爆索的斷細藥情況進行檢測較合適。

圖2　空氣耦合超聲檢測藥芯原理示意

空氣耦合超聲檢測原理如圖2所示，自發(fā)自收的超聲波探頭固定在導爆索藥芯一側，探頭發(fā)射面垂直于藥芯軸向方向，藥芯在制作過程中沿自身軸向方向做直線運動，如果藥芯沒有出現(xiàn)斷細藥情況，超聲探頭的發(fā)射波在藥芯表皮會發(fā)生反射并由探頭接收，此時發(fā)射波和回波的間距是穩(wěn)定的；因為藥芯的斷細藥情況會使得藥芯的外徑發(fā)生明顯變化，當探頭照射到斷細藥點時，由于超聲波的聲程增加從而導致發(fā)射波和回波信號的間距發(fā)生變化，通過此方法可以判斷出導爆索藥芯的斷細藥點。

當探頭位置固定后，超聲波到達藥芯表皮并返回探頭的時間t可用公式求得:

(1)

式中:h為探頭表面到藥芯表皮的垂直距離;c為當前溫度下超聲波在空氣中的聲速。

因此通過對t的監(jiān)測，即可完成對該檢測點導爆索藥芯斷細藥情況的檢測。

2　檢測系統(tǒng)模塊及測量過程

檢測系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射接收器、空氣耦合探頭、工控機、機械系統(tǒng)和信號處理軟件等構成，檢測系統(tǒng)結構示意如圖3所示。超聲波發(fā)射接收器型號為JPR-10CN，完成超聲波的發(fā)射和回收波型的數(shù)據(jù)采集；探頭同樣采用該公司發(fā)射頻率為1MHz的點聚焦空氣耦合探頭，焦距為10mm，探頭具體實物如圖4所示。超聲波發(fā)射接收器通過空氣耦合超聲探頭發(fā)射、接收及采集超聲信號，工控機通過運動控制單元控制機械系統(tǒng)，采集到的回波信號通過相應的信號處理軟件處理并由工控機顯示器顯示。

圖3　檢測系統(tǒng)結構示意

圖4　空氣耦合超聲探頭外觀

根據(jù)纏繞型導爆索藥芯的制作工藝，在實際檢測過程中可采用單探頭模式或雙探頭模式，其中雙探頭模式下，兩探頭軸線夾角為90°，這樣的設置也最大程度地避免了兩路信號的相互干擾，從而提高檢測精度；通過機械系統(tǒng)保證探頭軸線和藥芯軸線垂直相交。雙探頭工作模式如圖5所示，配合信號采集及分析軟件可以實現(xiàn)斷細藥的在線檢測。

圖5　雙探頭工作模式示意

3　檢測結果及誤差分析

圖6　系統(tǒng)檢測軟件界面

表1　利用游標卡尺和空氣耦合超聲波設備得到的檢測數(shù)據(jù)　mm

檢測數(shù)據(jù)如表1所示，利用游標卡尺和空氣耦合超聲波設備分別進行檢測，兩種檢測方法對于同樣檢測點的檢測結果會發(fā)生偏差;主要是為了和超聲檢測法進行比對，利用游標卡尺檢測時，其檢測結果是利用外徑偏差的一半來記錄的，而超聲法的檢測結果僅反映其所在位置一側的外徑偏差，而非整體的外徑偏差。

圖7　細藥段外觀

通過計算，采用頻率為1MHz的空氣耦合超聲探頭完全可以滿足廠家要求的檢測精度，其檢測結果和游標卡尺測量結果進行比對,發(fā)現(xiàn)最大的測量偏差為0.013mm,本組數(shù)據(jù)的標準偏差為0.003 8mm。細藥點在5，6檢測點，數(shù)據(jù)上也出現(xiàn)非常明顯的變化，檢測結果和樣本吻合。通過分批次在兩臺藥芯編織機上安裝該檢測系統(tǒng)并測試，在總共長達100m的三段藥芯檢測中，對四處預先設置的細藥點都有檢出，沒有出現(xiàn)漏檢和誤報的情況，該系統(tǒng)在檢測結果的可靠性方面具有一定實用價值。

4　結語

纏繞型導爆索由于具有成本低、生產(chǎn)工藝成熟等特點,依然是產(chǎn)量最大的導爆索類型。目前所采用的斷細藥檢測方法多為對藥芯的接觸式測量方法，這種方法安全性較差，誤判率較高。由于空氣耦合超聲的波長較短，采用空氣耦合超聲波對纏繞型導爆索的藥芯直接進行非接觸測量時，具有安全、檢測效率高、誤判率低和可在線檢測等優(yōu)點。

[1]雷麗文,繆均達.工業(yè)導火索斷細藥疵病的在線檢測[J].爆破器材,1996(2):1-4.

[2]黃寅生,楊貴華,臧小為.鋁殼金屬導爆索性能研究[J].爆破器材,2008,37(3):22-24.

[3]劉鈞,李俊杰,孫安昌,等.火工品管殼內(nèi)徑尺寸檢測方法研究[J].火工品,2006(4):37-41.

[4]陳浩,邾繼貴,楊學友,等.新型多方向內(nèi)徑尺寸測量方法[J].儀表技術與傳感器,2011(1):95-97.

[5]GB9786-1999普通導爆索[S].

[6]李光亞,王明泉,鄭景義.基于超聲的鉛皮導爆索斷細藥檢測方法研究[J].兵工學報,2013,34(8):1037-1040.

DetectionofBrokenandWeakPointsofDetonatingCordBasedonNon-contactAirCoupledUltrasonic

LIGuang-ya1,2,3,WANGMing-quan1,2,3,ZHENGJing-yi4

(1.KeyLaboratoryoftheDynamicTestingTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2.KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;3.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;4.ShanxiNorthEastChemicalIndustryLimitedCompany,Yangquan045000,China)

Thedetonatingcablefaultdetectionmethodsaremostlyofcontacttypeandthesemethodshavehiddendangerandthedetectionefficiencyislow.Inordertosolvetheaboveproblems,thispaperpresentsanewmethodbasedonaircoupledultrasoundforthedetectionofthebrokenandweakpoints,throughthenon-contactdetectionofthedrugcoreofthedetonatingcablethebrokenandweakpointscouldbequicklyfound.Experimentalresultsshowthatthemethodcaneffectivelyimprovethedetectionefficiencyandprecisionofthereal-timedetectionofthebrokenandweakPoints.

Detonatingcord;Brokenandweakpoint;Aircoupledultrasonic;Non-contactdetection

2016-02-02

國家自然科學基金資助項目(6171177);山西省青年科技研究基金資助項目(2015021086)

李光亞(1980-)，男，講師，博士，主要研究方向為測試計量技術與儀器。

李光亞,E-mail: 40827562@qq.com。

10.11973/wsjc201607011

TQ565;TG115.28A

1000-6656(2016)07-0044-03