朱木鋒，朱 軍

（江西省交通工程質(zhì)量監(jiān)督站試驗(yàn)檢測(cè)中心，江西 330000）

目前，樁身完整性的檢測(cè)方法主要有低應(yīng)變法、高應(yīng)變法、聲波透射法等，其中廣泛應(yīng)用于交通行業(yè)樁身檢測(cè)的是聲波透射法[1]。利用聲波透射法進(jìn)行樁身檢測(cè)的最主要儀器是非金屬聲波檢測(cè)儀，該儀器由主機(jī)和換能器兩部分組成，通過測(cè)定聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播時(shí)間、振幅、頻率等聲學(xué)參數(shù)的變化，經(jīng)過分析和數(shù)據(jù)處理后可了解被測(cè)介質(zhì)（非金屬）的物理學(xué)特性和內(nèi)部質(zhì)量，這對(duì)保障建筑工程的安全極為重要[2]。目前，交通行業(yè)中雖有一些校準(zhǔn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)非金屬聲波檢測(cè)儀的量值溯源，但是都沒有引入自動(dòng)化系統(tǒng)。較之人為改變換能器聲程，自動(dòng)化系統(tǒng)的引入不僅可以提高計(jì)量精度，還能夠大大簡(jiǎn)化操作流程。

在綜合考慮JJG（交通）027-2015《水運(yùn)工程 非金屬聲波檢測(cè)儀》中技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，本文依據(jù)非金屬聲波檢測(cè)儀的溯源需求，開展了非金屬聲波檢測(cè)儀的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究工作并設(shè)計(jì)研發(fā)了一套非金屬聲波檢測(cè)儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過程序指令控制直線電機(jī)拖動(dòng)換能器沿水平方向移動(dòng)，通過采集模塊實(shí)時(shí)采集換能器的水平位移并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[3]，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)聲速值的自動(dòng)修正、標(biāo)準(zhǔn)聲時(shí)值和相對(duì)誤差值的計(jì)算、判斷、歷史數(shù)據(jù)管理及生成原始報(bào)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(shí)間、能量和頻率都會(huì)因介質(zhì)的不均勻而受到影響。非金屬聲波檢測(cè)儀利用這一特點(diǎn)，通過發(fā)射端換能器發(fā)出超聲波透過非金屬介質(zhì)，由接收端換能器接收超聲波后形成波形，系統(tǒng)經(jīng)過分析計(jì)算后能夠判斷非金屬介質(zhì)的內(nèi)部缺陷和強(qiáng)度[4]。非金屬聲波檢測(cè)儀檢測(cè)原理如圖1 所示。

圖1 非金屬聲波檢測(cè)儀檢測(cè)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(cè)儀產(chǎn)生高壓脈沖，發(fā)射換能器將高壓脈沖轉(zhuǎn)換為超聲波并由一端傳遞到被測(cè)非金屬介質(zhì)中，接收換能器在介質(zhì)另一端接收超聲波并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；主機(jī)通過放大器自動(dòng)調(diào)整增益，使接收的電信號(hào)達(dá)到設(shè)定狀態(tài)；通過數(shù)據(jù)采集和A/D 轉(zhuǎn)換電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最后在聲波儀界面呈現(xiàn)出波和聲時(shí)參量。

2 校準(zhǔn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)

根據(jù)非金屬聲波檢測(cè)儀的計(jì)量需求，該校準(zhǔn)系統(tǒng)將按照以下6 點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)：

（1）滿足發(fā)射電壓幅值穩(wěn)定度、幅值準(zhǔn)確度、聲時(shí)值測(cè)量準(zhǔn)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(dòng)時(shí)始終保持水平，實(shí)現(xiàn)徑向換能器高度可調(diào)功能；

（4）能夠?qū)崟r(shí)采集換能器移動(dòng)距離，實(shí)時(shí)修正標(biāo)準(zhǔn)聲速值；

（5）可自動(dòng)生成按照校準(zhǔn)規(guī)范要求編制的原始記錄格式，同時(shí)具備自動(dòng)處理、計(jì)算、比較的功能；

（6）具有歷史數(shù)據(jù)管理功能，既可以查看所有的歷史檢定記錄，又可以針對(duì)指定檢定記錄進(jìn)行查詢、刪除、預(yù)覽或打印等操作。

為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)的非金屬聲波檢測(cè)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)由數(shù)字萬用表、檢定水池及調(diào)節(jié)裝置、信號(hào)發(fā)生器、聲程調(diào)節(jié)裝置、光直尺、溫度采集儀、數(shù)字示波器及自動(dòng)化采集分析軟件組成。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)校準(zhǔn)系統(tǒng)分為3 部分。

2.2.1 發(fā)射電壓幅值穩(wěn)定度檢定

（1）測(cè)量時(shí)將聲波儀串接一個(gè)1 MΩ 1/2 W 的電阻，并將聲波儀的發(fā)射電壓調(diào)節(jié)到最大值。

（2）用數(shù)字示波器測(cè)量發(fā)射電壓幅值，對(duì)發(fā)射電壓的幅值進(jìn)行測(cè)量，并在1 h 內(nèi)均勻時(shí)間間隔中測(cè)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(fā)射電壓幅值穩(wěn)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(jì)算電壓幅值穩(wěn)定度A：

2.2.2 幅值準(zhǔn)確度檢定

（1）設(shè)定50 kHz 的正弦信號(hào)作為聲波儀的輸入頻率值并以穩(wěn)態(tài)方式觸發(fā)。

（2）開啟電源，將聲波儀的增益依次設(shè)置為4、8、20、40、80 倍。

（3）將信號(hào)發(fā)生器輸出頻率選定50 kHz 的正弦信號(hào)作為信號(hào)源，并通過三通管將信號(hào)同時(shí)輸入到被檢聲波儀和數(shù)字萬用表。

（4）調(diào)整正弦信號(hào)的幅值（該幅值略大于示波器顯示量程的1/2），以讀取的數(shù)字萬用表的示值作為標(biāo)準(zhǔn)值，以聲波儀讀出的信號(hào)幅值作為測(cè)量值。檢定裝置示意圖如圖3 所示。

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

（5）按式（2）計(jì)算增益i 倍時(shí)幅值準(zhǔn)確度δi：

式中：u0i為增益i 倍時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)值（V）；ui為增益i 倍時(shí)的幅值讀數(shù)（V）。

2.2.3 平面換能器空氣中聲時(shí)值測(cè)量準(zhǔn)確度檢定

（1）在聲程調(diào)節(jié)裝置的平面換能器夾具中放入一對(duì)平面換能器并進(jìn)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(duì)而立。

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

（3）使兩換能器零距離接觸，進(jìn)行零位清除。在0 mm～1800 mm 測(cè)量范圍內(nèi)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(shí)準(zhǔn)確測(cè)量聲時(shí)值。檢定裝置示意圖如圖4 所示。

圖4 聲時(shí)值測(cè)量準(zhǔn)確度檢定裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of accuracy verification device for sound time measurement

（4）標(biāo)準(zhǔn)聲速值vc按式（3）計(jì)算：

（5）第i 個(gè)測(cè)點(diǎn)空氣中標(biāo)準(zhǔn)聲時(shí)值tci按式（4）計(jì)算：

（6）第i 個(gè)測(cè)點(diǎn)空氣中聲時(shí)相對(duì)誤差δti按式（5）計(jì)算：

3 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 硬件組成

系統(tǒng)的硬件組成主要包括數(shù)字萬用表、檢定水池、信號(hào)發(fā)生器、聲程調(diào)節(jié)裝置、光直尺、溫度采集儀、數(shù)字示波器等部分。

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)儀器

根據(jù)JJG（交通）027-2015《水運(yùn)工程 非金屬聲波檢測(cè)儀》中對(duì)非金屬聲波檢測(cè)儀的校準(zhǔn)需要，分析可知該系統(tǒng)主要的輸出量值有電壓、長(zhǎng)度和溫度。其中，數(shù)字萬用表最大允許誤差是0.02%ACV，優(yōu)于所規(guī)定的0.04%ACV；信號(hào)發(fā)生器在1 Hz～1 MHz 范圍內(nèi)，最大允許誤差是±0.01%，優(yōu)于所規(guī)定的±1%；光直尺量程范圍是0～1800 mm，分度值為0.001 mm，優(yōu)于0.02 mm；溫度計(jì)最大允許誤差為0.11℃，優(yōu)于0.2℃；其中，光直尺和溫度采集儀均配有轉(zhuǎn)USB 串口線[5]。

3.1.2 聲程調(diào)節(jié)裝置

聲程調(diào)節(jié)裝置包括支架、2 個(gè)平面換能器夾具、2 個(gè)徑向換能器夾具和2 個(gè)移動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其中，支架包括頂部橫梁、垂直支撐梁、底部橫梁、水平直線導(dǎo)軌和支撐腳；移動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括直線電機(jī)、橫向直線導(dǎo)軌、橫向滑塊、換能器夾具連接框、縱向滑塊、橫向制動(dòng)旋鈕和縱向制動(dòng)旋鈕。平面換能器夾具包括第一調(diào)節(jié)螺栓、第一活動(dòng)板和第一固定板；每個(gè)徑向換能器夾具包括第二調(diào)節(jié)螺栓、第二活動(dòng)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(jié)構(gòu)圖如圖5 所示，徑向換能器夾具結(jié)構(gòu)如圖6 所示，聲程調(diào)節(jié)裝置示意圖如圖7 所示。

圖5 平面換能器夾具結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structural diagram of planar transducer fixture

圖6 徑向換能器夾具結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structural diagram of radial transducer fixture

圖7 聲程調(diào)節(jié)裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of sound path adjustment device

3.2 硬件系統(tǒng)的搭建

發(fā)射電壓幅值穩(wěn)定度檢定系統(tǒng)是將被檢聲波儀接上負(fù)載（1 MΩ 1/2 W 電阻），用數(shù)字示波器測(cè)量發(fā)射電壓幅值。幅值準(zhǔn)確度檢定系統(tǒng)是信號(hào)發(fā)生器通過三通管同時(shí)和被檢聲波儀、數(shù)字萬用表連接。聲時(shí)值測(cè)量準(zhǔn)確度檢定系統(tǒng)的硬件整體搭建是被檢聲波儀的發(fā)射端和接收端分別連接發(fā)射換能器和接收換能器，換能器通過夾具固定在直線電機(jī)上。光直尺和直線電機(jī)貼合固定并通過USB 串口線與工控機(jī)連接，溫度采集儀通過USB 串口線與工控機(jī)連接。

4 系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1 軟件主要組成部分

軟件部分包含5 個(gè)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(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)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(shù)設(shè)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(diào)，為開展不同類型、不同量程的傳感器校準(zhǔn)工作提供便利。

4.1.2 校準(zhǔn)程序

首先，通過設(shè)備定零按鈕控制直線電機(jī)，2 個(gè)電機(jī)帶動(dòng)發(fā)射換能器和接收換能器沿直線相對(duì)運(yùn)動(dòng)，直至換能器相互貼合后停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，將發(fā)射換能器和接收換能器的相對(duì)位置清零后作為此次校準(zhǔn)試驗(yàn)的參考零點(diǎn)位置。然后，通過設(shè)置測(cè)點(diǎn)確定固定步長(zhǎng)和測(cè)點(diǎn)數(shù)。最后，點(diǎn)擊開始檢定，直線電機(jī)按照設(shè)定的固定步長(zhǎng)帶動(dòng)換能器沿直線導(dǎo)軌開始運(yùn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)記錄實(shí)測(cè)距離。

4.1.3 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)將JJG（交通）027-2015《水運(yùn)工程 非金屬聲波檢測(cè)儀》 中規(guī)定的計(jì)算方法寫入數(shù)據(jù)處理程序，并在整個(gè)檢定過程中實(shí)時(shí)修正標(biāo)準(zhǔn)聲速值。軟件采集實(shí)測(cè)距離和標(biāo)準(zhǔn)聲速值后自動(dòng)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)聲時(shí)值，人工讀取非金屬聲波檢測(cè)儀的測(cè)量聲時(shí)。軟件通過標(biāo)準(zhǔn)聲時(shí)值和測(cè)量聲時(shí)值數(shù)據(jù)計(jì)算出相對(duì)誤差，并自動(dòng)判斷聲波儀是否超差。若數(shù)據(jù)超差，相對(duì)誤差的計(jì)算結(jié)果欄會(huì)變成紅色。

4.1.4 生成記錄

系統(tǒng)自動(dòng)記錄設(shè)置的參數(shù)信息、換能器的移動(dòng)距離、標(biāo)準(zhǔn)聲時(shí)值，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)及處理結(jié)果生成原始記錄。

4.1.5 數(shù)據(jù)查詢

用戶在數(shù)據(jù)查詢界面可根據(jù)需要按日期查詢，既可以查找歷史檢定數(shù)據(jù)，也可以查找歷史證書。在歷史證書查詢結(jié)果中，可根據(jù)需要修改證書相關(guān)信息，如傳感器信息、廠家信息和環(huán)境條件。系統(tǒng)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(zhǔn)測(cè)試驗(yàn)證

校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，用北京智博聯(lián)科技股份有限公司生產(chǎn)的ZBL-U510 型非金屬聲波檢測(cè)儀作為驗(yàn)證儀器。整個(gè)試驗(yàn)過程中室溫變化不大于1℃、水溫變化不大于2℃，室內(nèi)相對(duì)濕度在30%～80%。測(cè)試結(jié)果中：發(fā)射電壓幅值穩(wěn)定度是1%，規(guī)程要求每小時(shí)優(yōu)于±5%，符合要求，具體測(cè)量結(jié)果如表1 所示。幅值準(zhǔn)確度是1.6%，規(guī)程要求幅值相對(duì)誤差不大于±3%，符合要求，具體測(cè)量結(jié)果如表2 所示。空氣中聲時(shí)測(cè)量的相對(duì)誤差為0.84%，規(guī)程要求測(cè)量誤差不大于±1%，符合要求，具體測(cè)量結(jié)果如表3 所示。水中聲時(shí)測(cè)量的相對(duì)誤差為0.81%，規(guī)程要求測(cè)量誤差不大于±3%，符合要求，具體測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表1 發(fā)射電壓幅值穩(wěn)定度Tab.1 Emission voltage amplitude stability

表2 幅值準(zhǔn)確度Tab.2 Amplitude accuracy

表3 空氣中聲時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確度Tab.3 Measurement accuracy of sound time in air

表4 水中聲時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確度Tab.4 Accuracy of underwater sound measurement

6 結(jié)語

根據(jù)非金屬聲波檢測(cè)儀的測(cè)量原理可知，影響非金屬聲波檢測(cè)儀計(jì)量性能準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素之一是聲時(shí)值測(cè)量時(shí)能否合理穩(wěn)定地固定和移動(dòng)換能器。本文介紹的聲時(shí)值測(cè)量系統(tǒng)，硬件平臺(tái)能很好地夾持換能器，軟件平臺(tái)通過給出移動(dòng)距離指令來控制直線電機(jī)，直線電機(jī)帶動(dòng)換能器移動(dòng)從而改變聲程。過程中沒有人為手動(dòng)干擾，這樣既能保證換能器平穩(wěn)移動(dòng)，又能提高測(cè)量的精度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，發(fā)射電壓幅值穩(wěn)定度1%，優(yōu)于±5%；幅值準(zhǔn)確度為1.2%，優(yōu)于±3%；空氣中聲時(shí)測(cè)量誤差最大為0.75%，優(yōu)于±1%；水中聲時(shí)測(cè)量誤差最大為0.81%，優(yōu)于±3%；分析JJG（交通）027-2015《水運(yùn)工程 非金屬聲波檢測(cè)儀》規(guī)程后所研制的檢定系統(tǒng)為非金屬聲波檢測(cè)儀這種專用工程檢測(cè)儀器設(shè)備的量值溯源提供了新的解決方案，對(duì)建立非金屬聲波檢測(cè)儀交通運(yùn)輸部門最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)有一定的指導(dǎo)意義。