非金屬聲波檢測儀計量校準系統設計與實現

朱木鋒，朱 軍

（江西省交通工程質量監督站試驗檢測中心，江西 330000）

目前，樁身完整性的檢測方法主要有低應變法、高應變法、聲波透射法等，其中廣泛應用于交通行業樁身檢測的是聲波透射法[1]。利用聲波透射法進行樁身檢測的最主要儀器是非金屬聲波檢測儀，該儀器由主機和換能器兩部分組成，通過測定聲波在被測介質中的傳播時間、振幅、頻率等聲學參數的變化，經過分析和數據處理后可了解被測介質（非金屬）的物理學特性和內部質量，這對保障建筑工程的安全極為重要[2]。目前，交通行業中雖有一些校準裝置能夠實現非金屬聲波檢測儀的量值溯源，但是都沒有引入自動化系統。較之人為改變換能器聲程，自動化系統的引入不僅可以提高計量精度，還能夠大大簡化操作流程。

在綜合考慮JJG（交通）027-2015《水運工程 非金屬聲波檢測儀》中技術指標的基礎上，本文依據非金屬聲波檢測儀的溯源需求，開展了非金屬聲波檢測儀的計量標準技術研究工作并設計研發了一套非金屬聲波檢測儀自動校準系統。本系統通過程序指令控制直線電機拖動換能器沿水平方向移動，通過采集模塊實時采集換能器的水平位移并進行數據處理[3]，從而實現標準聲速值的自動修正、標準聲時值和相對誤差值的計算、判斷、歷史數據管理及生成原始報告等功能。

1 基本工作原理

超聲波在傳播過程中，其傳播的時間、能量和頻率都會因介質的不均勻而受到影響。非金屬聲波檢測儀利用這一特點，通過發射端換能器發出超聲波透過非金屬介質，由接收端換能器接收超聲波后形成波形，系統經過分析計算后能夠判斷非金屬介質的內部缺陷和強度[4]。非金屬聲波檢測儀檢測原理如圖1 所示。

圖1 非金屬聲波檢測儀檢測原理圖Fig.1 Schematic diagram of non-metallic sound wave detector detection

其工作原理：非金屬聲波檢測儀產生高壓脈沖，發射換能器將高壓脈沖轉換為超聲波并由一端傳遞到被測非金屬介質中，接收換能器在介質另一端接收超聲波并將其轉化為電信號；主機通過放大器自動調整增益，使接收的電信號達到設定狀態；通過數據采集和A/D 轉換電路將電信號轉化為數字信號，最后在聲波儀界面呈現出波和聲時參量。

2 校準系統總體設計

2.1 系統實現指標

根據非金屬聲波檢測儀的計量需求，該校準系統將按照以下6 點進行設計：

（1）滿足發射電壓幅值穩定度、幅值準確度、聲時值測量準確度的檢定要求；

（2）制定專用夾具，用于夾持平面換能器和徑向換能器；

（3）確保換能器橫向移動時始終保持水平，實現徑向換能器高度可調功能；

（4）能夠實時采集換能器移動距離，實時修正標準聲速值；

（5）可自動生成按照校準規范要求編制的原始記錄格式，同時具備自動處理、計算、比較的功能；

（6）具有歷史數據管理功能，既可以查看所有的歷史檢定記錄，又可以針對指定檢定記錄進行查詢、刪除、預覽或打印等操作。

為了解決上述問題，本文設計的非金屬聲波檢測儀校準系統由數字萬用表、檢定水池及調節裝置、信號發生器、聲程調節裝置、光直尺、溫度采集儀、數字示波器及自動化采集分析軟件組成。

2.2 系統總體設計

整個校準系統分為3 部分。

2.2.1 發射電壓幅值穩定度檢定

（1）測量時將聲波儀串接一個1 MΩ 1/2 W 的電阻，并將聲波儀的發射電壓調節到最大值。

（2）用數字示波器測量發射電壓幅值，對發射電壓的幅值進行測量，并在1 h 內均勻時間間隔中測量5 次電壓幅值，記為u1，u2，u3，u4，u5。檢定裝置示意圖如圖2 所示。

圖2 發射電壓幅值穩定度檢定裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of emission voltage amplitude stability verification device

（3）按式（1）計算電壓幅值穩定度A：

2.2.2 幅值準確度檢定

（1）設定50 kHz 的正弦信號作為聲波儀的輸入頻率值并以穩態方式觸發。

（2）開啟電源，將聲波儀的增益依次設置為4、8、20、40、80 倍。

（3）將信號發生器輸出頻率選定50 kHz 的正弦信號作為信號源，并通過三通管將信號同時輸入到被檢聲波儀和數字萬用表。

（4）調整正弦信號的幅值（該幅值略大于示波器顯示量程的1/2），以讀取的數字萬用表的示值作為標準值，以聲波儀讀出的信號幅值作為測量值。檢定裝置示意圖如圖3 所示。

圖3 幅值準確度檢定裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of amplitude accuracy verification device

（5）按式（2）計算增益i 倍時幅值準確度δi：

式中：u0i為增益i 倍時的標準值（V）；ui為增益i 倍時的幅值讀數（V）。

2.2.3 平面換能器空氣中聲時值測量準確度檢定

（1）在聲程調節裝置的平面換能器夾具中放入一對平面換能器并進行固定，確保換能器的兩輻射面中心連接線與輻射面垂直并相對而立。

（2）換能器與聲波儀發射口及通道口用電纜連接，使聲波儀在發射電壓最大、觸發方式為“連續發射”狀態下工作。

（3）使兩換能器零距離接觸，進行零位清除。在0 mm～1800 mm 測量范圍內改變兩換能器聲程距離5 次，并在每次換能器間距（聲程）改變時準確測量聲時值。檢定裝置示意圖如圖4 所示。

圖4 聲時值測量準確度檢定裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of accuracy verification device for sound time measurement

（4）標準聲速值vc按式（3）計算：

（5）第i 個測點空氣中標準聲時值tci按式（4）計算：

（6）第i 個測點空氣中聲時相對誤差δti按式（5）計算：

3 系統硬件平臺設計

3.1 硬件組成

系統的硬件組成主要包括數字萬用表、檢定水池、信號發生器、聲程調節裝置、光直尺、溫度采集儀、數字示波器等部分。

3.1.1 標準儀器

根據JJG（交通）027-2015《水運工程 非金屬聲波檢測儀》中對非金屬聲波檢測儀的校準需要，分析可知該系統主要的輸出量值有電壓、長度和溫度。其中，數字萬用表最大允許誤差是0.02%ACV，優于所規定的0.04%ACV；信號發生器在1 Hz～1 MHz 范圍內，最大允許誤差是±0.01%，優于所規定的±1%；光直尺量程范圍是0～1800 mm，分度值為0.001 mm，優于0.02 mm；溫度計最大允許誤差為0.11℃，優于0.2℃；其中，光直尺和溫度采集儀均配有轉USB 串口線[5]。

3.1.2 聲程調節裝置

聲程調節裝置包括支架、2 個平面換能器夾具、2 個徑向換能器夾具和2 個移動調節結構。其中，支架包括頂部橫梁、垂直支撐梁、底部橫梁、水平直線導軌和支撐腳；移動調節結構包括直線電機、橫向直線導軌、橫向滑塊、換能器夾具連接框、縱向滑塊、橫向制動旋鈕和縱向制動旋鈕。平面換能器夾具包括第一調節螺栓、第一活動板和第一固定板；每個徑向換能器夾具包括第二調節螺栓、第二活動板、第二固定板、L 形銜接片和縱向銜接片；支架采用鋁型材制成，面換能器夾具和徑向換能器夾具采用非磁性材料制成。其中，平面換能器夾具結構圖如圖5 所示，徑向換能器夾具結構如圖6 所示，聲程調節裝置示意圖如圖7 所示。

圖5 平面換能器夾具結構圖Fig.5 Structural diagram of planar transducer fixture

圖6 徑向換能器夾具結構圖Fig.6 Structural diagram of radial transducer fixture

圖7 聲程調節裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of sound path adjustment device

3.2 硬件系統的搭建

發射電壓幅值穩定度檢定系統是將被檢聲波儀接上負載（1 MΩ 1/2 W 電阻），用數字示波器測量發射電壓幅值。幅值準確度檢定系統是信號發生器通過三通管同時和被檢聲波儀、數字萬用表連接。聲時值測量準確度檢定系統的硬件整體搭建是被檢聲波儀的發射端和接收端分別連接發射換能器和接收換能器，換能器通過夾具固定在直線電機上。光直尺和直線電機貼合固定并通過USB 串口線與工控機連接，溫度采集儀通過USB 串口線與工控機連接。

4 系統軟件平臺設計

4.1 軟件主要組成部分

軟件部分包含5 個功能模塊，如圖8 所示。軟件程序的主界面如圖9 所示。

圖8 功能模塊Fig.8 Functional module

圖9 程序主界面Fig.9 Program main interface

4.1.1 參數設置

參數設置包括傳感器類型選擇、傳感器量程、控制方式、等待間隔等基本信息。參數設置中傳感器類型選擇涵蓋平面換能器和徑向換能器且量程可調，為開展不同類型、不同量程的傳感器校準工作提供便利。

4.1.2 校準程序

首先，通過設備定零按鈕控制直線電機，2 個電機帶動發射換能器和接收換能器沿直線相對運動，直至換能器相互貼合后停止運動。此時，將發射換能器和接收換能器的相對位置清零后作為此次校準試驗的參考零點位置。然后，通過設置測點確定固定步長和測點數。最后，點擊開始檢定，直線電機按照設定的固定步長帶動換能器沿直線導軌開始運動，并實時記錄實測距離。

4.1.3 數據處理

系統將JJG（交通）027-2015《水運工程 非金屬聲波檢測儀》 中規定的計算方法寫入數據處理程序，并在整個檢定過程中實時修正標準聲速值。軟件采集實測距離和標準聲速值后自動計算出標準聲時值，人工讀取非金屬聲波檢測儀的測量聲時。軟件通過標準聲時值和測量聲時值數據計算出相對誤差，并自動判斷聲波儀是否超差。若數據超差，相對誤差的計算結果欄會變成紅色。

4.1.4 生成記錄

系統自動記錄設置的參數信息、換能器的移動距離、標準聲時值，并自動將數據及處理結果生成原始記錄。

4.1.5 數據查詢

用戶在數據查詢界面可根據需要按日期查詢，既可以查找歷史檢定數據，也可以查找歷史證書。在歷史證書查詢結果中，可根據需要修改證書相關信息，如傳感器信息、廠家信息和環境條件。系統將保存最后一次修改信息，修改信息的記錄具有可追溯性。

5 校準測試驗證

校準試驗時，用北京智博聯科技股份有限公司生產的ZBL-U510 型非金屬聲波檢測儀作為驗證儀器。整個試驗過程中室溫變化不大于1℃、水溫變化不大于2℃，室內相對濕度在30%～80%。測試結果中：發射電壓幅值穩定度是1%，規程要求每小時優于±5%，符合要求，具體測量結果如表1 所示。幅值準確度是1.6%，規程要求幅值相對誤差不大于±3%，符合要求，具體測量結果如表2 所示。空氣中聲時測量的相對誤差為0.84%，規程要求測量誤差不大于±1%，符合要求，具體測量結果如表3 所示。水中聲時測量的相對誤差為0.81%，規程要求測量誤差不大于±3%，符合要求，具體測量結果如表4所示。

表1 發射電壓幅值穩定度Tab.1 Emission voltage amplitude stability

表2 幅值準確度Tab.2 Amplitude accuracy

表3 空氣中聲時測量準確度Tab.3 Measurement accuracy of sound time in air

表4 水中聲時測量準確度Tab.4 Accuracy of underwater sound measurement

6 結語

根據非金屬聲波檢測儀的測量原理可知，影響非金屬聲波檢測儀計量性能準確性的關鍵因素之一是聲時值測量時能否合理穩定地固定和移動換能器。本文介紹的聲時值測量系統，硬件平臺能很好地夾持換能器，軟件平臺通過給出移動距離指令來控制直線電機，直線電機帶動換能器移動從而改變聲程。過程中沒有人為手動干擾，這樣既能保證換能器平穩移動，又能提高測量的精度。試驗結果顯示，發射電壓幅值穩定度1%，優于±5%；幅值準確度為1.2%，優于±3%；空氣中聲時測量誤差最大為0.75%，優于±1%；水中聲時測量誤差最大為0.81%，優于±3%；分析JJG（交通）027-2015《水運工程 非金屬聲波檢測儀》規程后所研制的檢定系統為非金屬聲波檢測儀這種專用工程檢測儀器設備的量值溯源提供了新的解決方案，對建立非金屬聲波檢測儀交通運輸部門最高計量標準有一定的指導意義。