非金属声波检测仪计量检定装置研究

赵 晖，吴晓雪

(交通运输部天津水运工程科学研究所 国家水运工程检测设备计量站，天津300456)

非金属声波检测仪是利用超声波技术对混凝土内部缺陷进行无损检测的一种仪器。混凝土在浇铸过程中，其内部不允许产生空隙，在施工过程中如果发生断裂，破损将会大大影响混凝土构件的强度和质量，甚至会产生灾难性的后果。这些存在于混凝土内部的空隙以及在施工过程中地下产生的断裂肉眼是无法观测到的，只能靠非金属声波检测仪来检测，该仪器主要由主机和换能器组成，通过声波测试的方法测定被测介质中的声波传播时间、速度、振幅、频率和波形等声学参数的变化，从而了解被测介质(非金属)的物理学特性，经过分析、计算、处理后即可判断出非金属构件的内部质量。非金属声波检测仪检定装置是用于校核声波仪质量的设备，测定被检仪器各项技术指标是否达到规程要求，其检测的技术性能包括：发射电压幅值的稳定度和准确度；声时值测量的准确度。声时测量在空气中使用平面换能器，在水中则使用径向换能器。长期以来对径向换能器的检定/校准在国内尚属空白，近几年使用专用水池将换能器入水以水为介质才解决了径向换能器的校准工作。

对平面换能器的校准目前国内使用3种方法：(1)以标准测试棒为介质作为计量标准直接比对。该方法具有操作简单、快捷的优点，但温度变化引起在测试棒内声速的变化不得而知；(2)用手动或电动方式调节两换能器间距，使用游标卡尺测量间距(常用于平面换能器)；(3)将两种换能器组合联动并分别置于空气中和水中，以光栅尺作为计量标准器，配合电脑操作使检定/校准工作的自动化水平大大提升，本文将以该方式表述。

1 基本工作原理

1.1 声时测量工作原理

非金属声波检测仪除主机外尚配备一对平面换能器和一对径向换能器，在工程测量中主要观测超声波从发射换能器发出首波最先到达接受换能器的时间[1]。众所周知超声波在传播过程中遇到介质改变将会在介面产生折射或反射，其安装使用情况如图1所示。

图1-a为平面换能器安装图，发射面和接收面紧贴混凝土构件。图1-b为径向换能器安装图，换能器置于桩两侧水管中沿水管巡检。超声波从发射换能器发射后直线运行经过d1距离以恒速用S1时间首波最先到达接收换能器，当混凝土构件内部出现断裂破损形成空隙，超声波将会沿路径d2以同样速度用S2时间抵达[2]，显然d2>d1、S2>S1，差距越大说明构件内部空隙越大，破损越严重。

1-a 平面换能器安装图 1-b 径向换能器安装图图1 声时测量安装图Fig.1 Installation diagram of acoustic time measurement

1.2 计量检定装置组成与工作原理

1.2.1 幅值准确度检定

声波幅值准确度是声波仪的重要参数，其检测方框图如图2所示。检定采用电压比对的方法，信号发生器产生50 kHz的正弦波作为输入信号源输入声波仪输入通道和6位半数字多用表，观察声波仪显示屏显示的正弦波形失真情况及电压示值与6位半数字多用表精确电压值比对[3]，即可计算出幅值相对误差。

图2 幅值准确度检定框图Fig.2 Verification block diagram of amplitude accuracy

1.2.2 发射电压幅值稳定度测定

图3 发射电压幅值稳定度测定框图Fig.3 Measurement block diagram of transmitting voltage amplitude stability

1.2.3 声时准确度检定

图4是最新的声波仪声时值计量检定装置，该装置是将平面换能器与径向换能器组成统一运动体，安置于水池上方轨道上的同一滑块平台上，分别以空气和水作为介质，利用计算机控制伺服电机调节两换能器间距并保持单轴直线运动，通过光栅位移尺精准定位与声波仪示值比对[4]。运动控制系统由硬件和软件两部分组成，微机控制单元设定滑动平台上的换能器移动支架，控制其移动距离和速度并做直线位移[5]。光栅尺作为计量标准器，其最高定位精准标称值可达0.5 μm。

图4 声时值计量检定装置框图Fig.4 Block diagram of acoustic time measurement verification device

2 检定装置主要技术指标与计算

2.1 标准声时值计算

众所周知，声音在不同的介质中传播速度差异甚大，即便在同一介质中不同的时间都不相同，这主要是受温度的影响。声波仪平面换能器以空气为介质，受环境温度影响，其标准声时为t01；径向换能器以水为介质，超声波在水中传播同样距离内其标准声时为t02，则

式中：d为两换能器间距，m；Vc1为空气中声速，m/s；T01为室温，℃；Vc2为水中声速，m/s；T02为水温，℃。

2.2 计量标准重复性试验

计量标准重复性试验[7]是在重复性条件下，用计量标准对常规的被检定或被校准的对象进行n次独立重复测量，所得到的测量结果其重复性为

已建计量标准至少每年进行一次重复性试验，测得的重复性应满足检定或校准结果的测量不确定度的要求。非金属声波检测仪建标后对声时计量检定装置、数字万用表、数字示波器电压测量等3个计量标准均需要进行重复性试验。

2.3 计量标准稳定性试验

稳定性试验是指新建计量标准，每隔一段时间(大于一个月)，用该计量标准对核查标准进行一组n次的重复测量，取其算术平均值作为该组的测量结果。共观测m组(m≥4)。取n个测量结果中的最大值和最小值之差，作为新建计量标准在该时间段内的稳定性。该试验应包含在检定/校准中使用的数字万用表、示波器、检定装置的控制显示系统，亦应分别对平面换能器和径向换能器进行测试。

3 抗干扰分析

非金属声波检测仪检定装置主要以接收波的波形来判定检测仪器技术性能的，仪器的抗干扰性和波形的清晰度显得尤为重要，非金属声波仪的平面换能器以空气为介质，发射换能器与接收换能器固定在支架上沿轴线相对位移，移动距离一般不大于50 cm。从发射换能器发射的超声波以窄波束角定向传播至接收换能器，受干扰因素较小，波形失真小。

径向换能器呈圆柱状，在水容器中以水为介质，发射的超声波以发射换能器为中心向四周发射，水容器边壁将会使超声波反射形成干扰，鉴于两换能器直线距离最近，发射波首播仍最先以最短时间到达接收换能器，所以在存有干扰的环境条件下(干扰波是折线运动)仍可鉴别出首波的声时值。为此可以在水容器边壁粘贴消声材料，有关资料证明，尖劈形橡胶消声板在频率为3 kHz时吸声效率可达98%，频率越高吸声效果越好[8]，非金属声波检测仪的发射频率为几十千赫兹，几乎可以吸收到达的所有声波而不会产生反射形成干扰，因此在水容器边壁和底部铺设消声器材，这将会取得满意的效果。

4 结语

非金属声波检测仪属于国家规定的检测仪器“强检”范畴，仪器直接用于检测混凝土构件的内部质量是否存在破损空穴。关系到工程的质量和安全隐患，因此检测仪自身的质量、各项技术指标是否符合规程要求，将由非金属声波检测仪计量检定装置来判定，它是声波仪量值溯源的上一级计量标准。

本文分别对非金属声波检测仪配备的平面换能器和径向换能器的安装使用，利用声时测量的原理等进行了论述。着重介绍了非金属声波检测仪检定装置的组成和所检定的主要技术参数，并给出了相关的计算公式。在文章的最后针对径向换能器水容器的容积所限，受边界条件影响将会产生干扰问题，提供了利用夹劈形橡胶消声板可有效地解决干扰问题的方法，对建立非金属声波检测仪计量检定装置具有一定的参考价值。该装置建成后先后为全国80余家检测单位服务，对国内外10余个新老型号的非金属声波检测仪进行检定并出具检定证书，在水运工程、道桥工程等桩基和预制构件质量检测中发挥了重要的作用。