TRIZ 方法在降低脉冲超声波检测仪测量误差问题中的应用

（共享铸钢有限公司，宁夏 银川 750021）

TRIZ 意译为发明问题的解决理论。TRIZ 理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。它不是采取折中或者妥协的做法，而且它是基于技术的发展演化规律研究整个设计与开发过程，而不再是随机的行为。实践证明，运用TRIZ 理论，可大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。

如图1 所示，TRIZ 方法解决工程问题的流程是首先将待解决的问题转化为问题模型，然后用解决方案模型，最后提出解决方案。本文通过应用TRIZ工具解决降低脉冲超声波检测仪测量误差问题。

1 描述问题

脉冲反射式超声波探伤技术是一种应用广泛的常规无损检验方法，对于铸造行业而言由于工件结构、形状复杂很难采用自动化探伤装置，通常使用手工探伤的方式，探头在工件表面滑动扫查过程中，检验员对探头施加的压力不稳定导致缺陷定位和定量误差较大，如何保证探头保持恒定的压力，降低检测误差成为当务之急。

2 问题分析

2.1 功能分析

脉冲反射式超声波检测仪由数据线、探伤仪、外壳、晶片、耦合剂、空气、工件等部件组成，如图2所示。

该系统的工作原理：通过超声波探头发射超声波，超声波在被测工件中传播，遇到缺陷或底面时反射，探头接收反射波，根据反射波在荧屏上的位置和波幅高度判断缺陷的大小和位置，通过计算超声波在缺陷部位及工件表面之间往返一次传播的时间来衡量缺陷在工件内部的位置[3]。

图2 脉冲反射式超声波探伤系统

图2 中：T1—耦合层厚度，T2—工件内部的缺陷到工件表面的距离。

耦合层中超声波的传输时间S1=2T1/C1（C1：耦合层声速）；

工件中超声波的传输时间S2=2T2/C2（C2—工件声速）；

超声波检测仪显示的工件内部缺陷深度为T2’=（S1+S2）C2/2；

耦合层厚度引起的测量误差为△T=T2’-T2=S1C2+S2C2-T2=S1C2/2=T1C2/C1；

综上所述耦合层厚度T1越小，则耦合层厚度引起的测量误差△T 越小，所以在保证耦合良好的基础上，耦合层厚度越小，测量误差越小。耦合层的厚度关键因素在于对探头施加的压力。

该系统的作用对象是工件，各组件之间的相互关系以及作用为：检验员控制外壳，外壳支撑晶片，晶片结合耦合剂，耦合剂排除空气连接工件，相互作用如图3 所示。实际生产表明，在这些相互作用中，检验员对外壳的控制作用不充分，耦合剂对空气的排出作用不充分，导致耦合层不均匀反射波形误差大，最终导致检测误差大。

图3 脉冲式超声波探伤系统功能模型图

2.2 因果分析

使用脉冲式超声波检测仪探伤检测过程中，应用“因果链分析”工具（图4 所示）分析，去除超系统组件因素（检验员、空气）、不可改变原因（工件），检测误差大的根本原因有两个，原因一是检验员对外壳施加的压力不稳，原因二为耦合剂粘黏度大。

3 解决问题

3.1 技术矛盾

技术矛盾是指系统中两个参数之间存在相互制约，提高技术系统的某一参数时，导致了另一个参数的恶化而产生的[4]。

本文探讨的问题中，对根本原因一“检验员施加外力不稳”，提出技术矛盾如下：

技术矛盾1：如果在外壳上增加环形磁铁，那么外壳施加力的稳定性得到提高，但是设备系统变得复杂重量增加；；

技术矛盾2：如果在外壳上不增加环形磁铁，那么设备系统简单轻便，但是外壳施加压力的稳定性降低。

图4 脉冲式超声波测量误差因果链分析

从上述技术矛盾中找到恶化的技术参数是1“运动物体的重量”，改善的技术参数是13“稳定性”。对照阿奇舒勒矛盾矩阵[5]，可以找到4 种发明原理，8 配重、1 分割、37、热膨胀、18：机械振动”。通过对这些原理的比较，从发明原理8 中提出概念方案1：在外壳上配重使得重力达到25 N 恒定压力。

在本文探讨的问题中，对根本原因二“耦合剂黏度大”，提出技术矛盾如下：

技术矛盾1：如果增加耦合剂流动性，那么耦合层均匀性得到提高，但是空气不易从耦合剂中排出；

技术矛盾2：如果降低耦合剂流动性，那么空气可以完全从耦合剂中排出，但是降低了耦合层均匀性。

从上述技术矛盾中找到恶化的技术参数是30“作用与物体的有害因素”，改善的技术参数是13“稳定性”。对照阿奇舒勒矛盾矩阵[6]，可以找到4 种发明原理，35 物理/ 化学状态变化、24 中介物、30柔性外壳和薄膜、18 机械振动。通过对这些原理的比较，从发明原理35 中提出概念方案2：外壳增加自动可调流量的喷水系统稀释耦合剂。

3.2 物理矛盾

在任何一个系统中，可以应用物理矛盾进行分析和解决任何一个问题，物理矛盾和技术矛盾相互关联，可从技术矛盾中提出物理矛盾，转换思维换角度思考解决方案。本文探讨的问题中，针对根本原因一“外壳施加压力不稳定”，提出物理矛盾如下：

物理矛盾1：为了提高反射波稳定性需增大外壳施加压力；

物理矛盾2：为了减小晶片磨损提高设备可靠性，需要减小压力。

本文针对外壳施加压力不稳定，提出相反要求的物理矛盾，应用解决方案“条件分离法”选择相应的发明原理替代法27 提出概念方案3：用新型密度大的材料制造压电晶片代替外壳施加恒定压力；选择发明原理性能转换法35 提出概念方案4：在探头外壳上增加磁铁，利用磁铁与磁性材料的特性，通过磁力给探头外壳与工件间施加25N 恒定压力。

针对根本原因“耦合剂黏度过高”，提出物理矛盾如下：

物理矛盾1：为了提高耦合层均匀性，需要增大耦合剂的流动性；

物理矛盾2：为了使空气完全从耦合剂中排出，需要降低耦合剂的流动性。

本文针对耦合剂黏度过高，提出了要求相反的物理矛盾，应用解决方案“系统级别分离法”选择对应的发明原理系统替代法28 提出概念方案5：改变耦合剂用水做耦合介质；选择发明原理40 复合材料法提出概念方案6：耦合剂中增加可以自振动的材料使空气完全排出。

3.3 物场模型

阿奇舒勒通过对功能的研究，发现并总结出技术系统中最小的单元是物场模型，由两种物质以及他们之间的相互作用量组成，输出功能。物质S2 通过能量F 作用于物质S1 产生的输出（功能）[2]，如图5 所示。

物场模型解决功能不足时，一般提供3 种标准解法：

1）增加另外一个场F2来强化有用的效应，

2）插进一个物质S3 并加上另一个场F2来提高有用效应[2]，

3）增加另外一个场F2（或者F2和S3 一起）替代原来的场F1（或者F1及S2）.

图5 物场模型

本文探讨的问题中，用物场模型进行分析晶片对工件的施加力不稳定建立物场模型1 如图6 所示，检验员（人）通过机械场对外壳有施加外力的作用，但作用不充分。依据标准解法的应用准则选择第二级改变系统中S2 使用更可控的场，提出概念方案7：在外壳上增加可设定力的机械手，使外壳和工件间的压力恒定。

图6 物场模型1

在本文研究的问题中，用物场模型进行分析空气不能从耦合剂中完全排出问题，构建物场模型2如图7 所示，耦合剂通过机械场对空气的挤压的作用不充分。依据标准解法的应用准则选择第二级改变系统中S2 匹配组成物场模型中的场与物质元素的节奏，提出概念方案8：在耦合剂中增加活性元素产生增强耦合剂对空气的压力使得空气完全排出。

图7 物场模型2

3.4 方案评价

从消除矛盾、产生新的危害、投入成本、复杂性以及可行性5 个方面对以上解决方案进行评价，通过0/1/2 三个等级分值越大越有利于消除矛盾、产生的新危害越小的原则，对5 种解决方案进行优先级排序。如表1 所示，得分最高的方案4 为优选方案。

采用概念方案4，设置如图8 超声波检测仪辅助装置，包括超声波检测仪、探头外壳、环形磁铁；螺孔、固定螺栓，对脉冲超声波检测仪系统设备进行改进，解决了检验人员对探头施加压力不稳定的问题。

4 结论

本文通过应用TRIZ 分析工具探寻降低脉冲超声波测量误差最优解决方案，在探头外壳上增加环形磁铁，利用磁铁与磁性材料的特性，通过磁力给探头外壳与工件间施加25N 恒定压力解决实际检验时对探头施加压力无法控制的难题，使得检验更加规范化、标注化，减少了因耦合层不均匀带来的测量误差，同时降低了劳动强度，提高设备可靠性。

表1 方案评价表

图8 超声波检测仪辅助装置