CN102095806A - 非金属超声检测仪检定系统 - Google Patents

Abstract

本发明是公开了一种非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：包括用于使非金属超声波检测仪的发射换能器与接收换能器相对运动的运动控制及测量反馈系统，以及用于将使非金属超声波检测仪的发射换能器或接收换能器固定在运动控制及测量反馈系统上的空气声程调节装置。本发明采用闭环系统及自动控制系统，与非金属超声波检测仪的传统检定方法相比，有效提高了运行可靠性及测量准确性；数据处理加入了线形回归的处理方法，对测量误差的分析更加全面，有效的消除了零声时对测量结果的影响。

Description

非金属超声检测仪检定系统

技术领域

本发明涉及一种仪器检定装置，特别是涉及一种全自动非金属超声检测仪检定系统。

背景技术

非金属超声检测仪是一种广泛应用于工程建设中混凝土等非金属结构的计量器具，利用超声波在被测介质中声波传播速度、振幅、频率和波形等声学参数的变化，从而了解被测介质的物理特性，再经过分析、计算、处理后即可判断出被测介质的内部质量及强度，因此非金属超声检测仪对于建筑工程安全有着极为重要的意义，在正式测试前，首先一定要检测仪器系统的零声时值，并将其设置在非金属超声检测仪的零声时窗口。传统测量零声时的方法是将平面换能器的发射换能器T与接收换能器R的辐射面相对，加耦合剂使其紧密接触，便可由仪器判读出声时值即零声时。这种方法精度低，重复性差，对检测人员操作要求较高。为了保证测量结果的准确性，需要对非金属超声检测仪进行检测。目前国内对非金属超声检测仪比较常用的检定方法主要有：标准棒法、时-距测量法、电信号测量法。

根据交通部行业规程JJG027(交通)-2004《水运工程非金属声波检测仪》及建筑工业行业标准JG/T5004-1992《混凝土超声波检测仪》，其中最重要的计量指标-----空气声速值相对误差，采用游标卡尺或钢直尺进行检测，试验按以下步骤进行：

a)将一对非金属超声检测仪的平面换能器分别放入声程调节装置固定支架和移动支架上端孔口。使两辐射面相对而立，其中心连接线应与辐射面垂直，确定好位置后将换能器固定；

b)用电缆连接换能器与声波器发射口及通道口，开机预热5min～10min后，使声波仪在发射电压最大、触发方式为“连发”状态下工作；

c)调节接收声波使信号幅度达到约满幅度的1/5～3/5，首波峰值为满屏显示的1/3～2/3；

d)使两换能器零距离接触，声波仪显示屏下方声时值显示应为0μs；

e)在0mm～250mm测量范围内，改变两换能器声程距离10次，用游标卡尺准确测量每次换能器间距(声程)，距离误差不大于0.5％；

f)记下环境温度，按式(2)计算空气标准声速，并根据卡尺测量的10次声程和声波仪显示的声时值，按式(3)、(4)计算声速值并与计算标准声速比较，求出相对误差。结果应符合4.2.2的规定。计算空气标准声速值(v_c)

$v_c=331.4\sqrt{1+0.00367T}$ …………………………………(2)

式中：v_c-空气标准声速值，单位为米每秒(m/s)；

T-空气温度，单位为度(℃)。

计算空气声速值(v₀)

v₀＝l/(t₁-t₀)×10°……………………………………(3)

式中：

l-发射换能器和接收换能器辐射面之间的距离，单位为米(m)；

t₁-测读声时，即从发射电脉冲开始到接收声脉冲初至点的所用时间，单位为微秒(μs)；

t₀-声时初读数，发射换能器和接收换能器之间的非金属厚度为零时的仪器测读声时，单位为微秒(μs)。

计算空气声速相对误差(e_r2)

e_r2＝(v_c-v₀)/v_c×100％………………………………(4)

式中：e_r2-相对误差；

vc-空气中标准声速值，单位为米每秒(m/s)；

vo-空气中声速的测试值，单位为米每秒(m/s)。

这种方法检测，通过卡尺测量距离，精度低，定位困难，在检测的过程中，检测设备、环境条件、实验人员等对检测结果产生影响，这样操作对于检定的结果很难保证测量的准确性。

有鉴于上述现有的全自动非金属超声检测仪检定系统存在的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的全自动非金属超声检测仪检定系统，使其更具有实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有的非金属超声检测仪检定装置存在的缺陷，而提供一种新型结构的全自动非金属超声检测仪检定系统，检测过程中重复性好，定位精度高，从而使检测结果更精确。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

一种非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：包括用于使非金属超声波检测仪的发射换能器与接收换能器相对运动的运动控制及测量反馈系统，以及用于将使非金属超声波检测仪的发射换能器或接收换能器固定在运动控制及测量反馈系统上的空气声程调节装置。

前述的非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：所述运动控制及测量反馈系统包括一总工作台，在总工作台上设置电动位移台，非金属超声波检测仪的发射换能器或接收换能器的其中一个固定于总工作台上，另一个设置于电动位移台上，电动位移台的驱动装置与控制计算机相连，非金属超声波检测仪的输出至控制计算机，在总工作台上设置有光栅尺，所述光栅尺的输出信号接入控制计算机。

前述的非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：所述电动位移台包括滑动平台，滑动平台通过丝杆与步进电机相连，控制计算机的PCI总线插槽上安装有伺服电机控制卡，伺服电机控制卡与三相步进电机驱动器相连，三相步进电机驱动器与步进电机相连。

前述的非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：还包括空气声程调节装置，所述空气声程调节装置包括用于控制电动位移台的滑动导轨的运动平行度、滑动平台与丝杠运动方向的垂直度的位移定位装置；用于使发射换能器与接收换能器对零位的调零装置；和用于将换能器装夹在电动位移台上的装夹装置。

前述的非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：所述位移定位装置包括一手动移动台，作为调零机构。

前述的非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：所述装夹装置的夹具采用胶木板材料制成，在夹具和换能器之间套有橡胶套。

前述的非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：所述夹具与换能器相接触侧设置有V型槽。

非金属超声检测仪的检定系统的检定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将非金属超声检测仪的两个声能转换器固定在总工作台上，并测出仪器的基准声时；

2)检测人员通过控制计算机发出运动指令，通过伺服电机控制卡发布给步进电机，步进电机驱动工作台按照规定的步距运动；

3)光栅尺检测工作台运动精度，并将信号通过伺服电机控制卡反馈给计算机；

4)将非金属超声检测仪的数据输入计算机进行数据处理，形成原始记录并打印。

前述的非金属超声检测仪的检定系统的检定方法，其特征在于，在所述步骤1)中，采用时距曲线法或换能器辐射面贴合法检测本检定系统的初读数T0值，并将其设置在非金属超声检测仪的T0窗口。

本发明所达到的有益效果：

1)采用闭环系统及自动控制系统，与非金属超声波检测仪的传统检定方法相比，有效提高了运行可靠性及测量精度；

2)夹具结构互换性强，可实现其他多种类型位移传感器的测量需要；

3)数据处理加入了线形回归的处理方法，对测量误差的分析更加全面，有效的消除了零声时对测量结果的影响。

附图说明

图1为本发明的非金属超声检测仪的检定系统的原理图；

图2为本发明的工作原理图；

图3为本发明的电动位移台主视图；

图4为本发明的电动位移台俯视图；

图5为本发明调零装置的主视图；

图6为本发明调零装置的俯视图；

图7为本发明运动控制及测量反馈系统的控制部分硬件示意图；

图8为本发明运动控制及测量反馈系统的软件结构划分图；

图9为本发明全自动非金属超声检测仪检定系统的检测程序流程图；

图10为本发明在判断零声时平面测试换能器T0测试法原理示意图；

图11为本发明中利用时距曲线法进行检定时的换能器布置图；

图12为图11在测试过程是相应的声时距离曲线图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式详细说明如后。

本发明采用“时-距”法对仪器进行测量，通过对改变声波仪两个平面换能器在空气中的距离，读取声波仪显示的声时，从而得出不同位移下的空气声速，最后和标准空气声时进行比较，得出仪器示值误差。

本发明的非金属超声检测仪的检定系统包括用于使非金属超声波检测仪的发射换能器与接收换能器相对运动的运动控制及测量反馈系统，以及用于将使非金属超声波检测仪的发射换能器或接收换能器固定在运动控制及测量反馈系统上的空气声程调节装置。所述运动控制及测量反馈系统包括一总工作台，在总工作台上设置电动位移台，非金属超声波检测仪的发射换能器或接收换能器的其中一个固定于总工作台上，另一个设置于电动位移台上，电动位移台的驱动装置与控制计算机相连，非金属超声波检测仪的输出至控制计算机，在总工作台上设置有光栅尺16，所述光栅尺16的输出信号接入控制计算机。电动位移台包括滑动平台11，滑动平台11通过丝杆12与步进电机13相连。

本发明的空气声程调节装置由位移定位装置、调零装置和换能器装夹装置组成，换能器装夹装置的夹具采用胶木板为材料制成，夹具和换能器之间套有橡胶套。

位移定位装置：调节滑动导轨的调节螺钉，把运动平行度控制在0.015mm之间。

本装置在控制系统完成，出现了工作台运动不顺畅，发生电机空转、工作台不后退的现象。经过对电动位移台各个结构的排查，得出结论，由于滑动平台与丝杠运动方向不垂直造成方向运动空转的现象。造成不垂直的主要原因是由于滑动平台和丝杠连接块垂直度超差。在大理石平板上用圆柱角尺和量块采用光隙法对连接块进行检测，垂直度误差为0.08mm。重新加工连接块，使其垂直度误差小于0.02mm。重新安装加工后的连接块运动不顺畅、方向运动空转的现象消除。

空气声时调节装置采用精度为0.5μm的光栅尺作为位置反馈元件。

对于计量检测工作来说，零位的准确性是保证检测准确的前提。对于非金属超声检测仪的检测工作也不例外。由于受空气声时调节装置本身结构的限制——滑动平台无法移动到装置的最前端，给两个换能器对零位造成的一定的困难，所以需要在固定端设计安装一个调零装置。

如图5和图6所示，调零装置选用XY两坐标手动位移台14，把手动位移台加高，保证位移台Y方向可调节到与空气声时调节系统的滑动平台11距离小于5mm，确保超声换能器能够耦合对零。X方向调节保证两换能器检测中心在同一条直线上。手动位移台下面加上垫高块15，保证手动位移台工作台面和空气声时调节系统的滑动平台等高，等高差优于0.02mm。

换能器装夹装置(简称夹具)是本系统硬件部分设计的关键之一。夹具的设计不仅要满足各种几何精度，而且还要考虑非金属超声检测仪的声学规律和换能器的物理特性，消除金属元件对检测结果的影响。根据CECS02-2005《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》附录1的技术要求，以及换能器的物理特性，选用胶木板作为夹具材料。选用胶木板作为夹具的材料可以减少夹具材料对检测结果的影响，提高检测精度。检测时在换能器和夹具之间套上橡胶套，保证在检测过程中减少金属元件对超声波的影响，保证测量精度。同时夹具采用V型槽结构，可满足不同规格的换能器的装夹需要。

如图7，进给伺服系统是NC装置和机械传动部件间的联系环节，是数控设备的重要组成部分，它的性能直接决定与影响系统的快速性、稳定性和精确性。本发明采用“NC嵌入PC”的结构模式来开发开放式数控系统，系统由硬件平台和软件平台两部分组成，其硬件主要包括：研华PCI-1240型4轴步进/脉冲型伺服电机控制卡、STP-42D 3016步进电机、ST3HB05型三相步进电机驱动器、深圳智泰WTB-1分辨率为1μm的光栅尺、PC机。

根据本系统的要求，进给伺服系统采用闭环伺服系统。步进电机控制工作台做直线运动，光栅尺作为反馈装置实时检测工作台的位置。控制部分结构图如图9：

1、电机信号输入(-DIR，+DIR，-STEP，+STEP)

步进电机采用的是『脉冲/方向』模式，-DIR，+DIR为步进电机方向信号输入，-STEP，+STEP为步进电机脉冲信号输入。采用50倍细分，对应的脉冲系数是10000/转，丝杆螺距为5mm。故

输出脉冲数＝(10000×输入位移值)/5

2、光栅尺信号

系统使用的光栅尺输出信号为TTL模式，输出的相位A连接到ECAP，相位B连接到ECBP以及伺服系统位移量、进给速度、运动方向的控制。

1)工作台位移量的控制

控制系统发出N个进给脉冲，经驱动线路之后，变成控制步进电机定制绕组通电、断电的电平信号变化次数N次。由步进电机工作原理可知，定子绕组通电状态变化N决定步进电机角位移φ，φ＝Na(a即步距角)。该角位移经丝杠螺母之后转变为工作台位移量L，L＝φt/360(t为螺距)。即进给脉冲的数量N→定子绕组通电状态变化次数N→步进电机的转角φ→工作台位移量L。

本系统加入了光栅尺作为反馈检测元件。当电机控制工作台运动到某指定位置时，系统将会根据光栅尺反馈的位置坐标对工作台的位置进行修正，确保工作台能够精确定位。

2)工作台进给速度的控制

控制系统发出的进给脉冲的频率f，经驱动控制线路之后，表现为步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化频率，也就是定制绕组通电状态变化频率。而定子绕组通电状态的变化频率f决定了步进电机的转速。该转速经丝杠螺母转换之后，体现为工作台的进给速度v。即进给脉冲频率f→定子绕组通电状态的变化频率f→步进电机的转速ω→工作台即进给速度v。

本系统的运行速度有三种模式：低速、中速、高速。在软件中进行频率设置，其对应的频率分别为：10000、30000、50000(PPS)。

3)工作台运动方向的控制

当控制系统发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路，使步进电机的定子各绕组按一定的顺序依次通电、断电；当进给脉冲式负向时，驱动控制线路则使定子各绕组与进给脉冲是正向时相反的顺序通电、断电。

系统软件设计

在Windows平台下，选用的开发工具为VC++，利用模块化的编程思想，根据系统的功能要求，系统功能模块的划分包括：语法检查、参数设置、检测控制、光栅尺反馈、数据处理。

1)语法、语义检查

用户输入的产品信息以及设置的检验参数，可能存在许多不易察觉的错误，首先得经过语法、语义检查，符合规格的信息才能被录入。

2)参数设置

参数设置是整个系统的一个重要模块，它包括产品信息输入和运行参数输入两部分，产品信息包括受检单位、器具名称、型号规格、制造厂、出厂编号和设备编号这些超声仪的基本信息。运行参数则是当测试超声仪时的一些必要参数的设置，这些参数包括测量范围、测量点数、基准声时、温度、湿度。测量范围是工作台的走位范围；测量点数则是在走位范围内用超声仪的测量次数，点数由测量人员自己选择；基准声时是超声仪的相对零声时，在计算声速时应当考虑此值；温度会影响到测量时的空气标准声速，所以也应考虑进去。

3)检测控制

当各项参数输入完，并将超声仪的换能器安装好后，选择运行方式，此时按下“开始”键，工作台就开始自动走位。如果操作人员选择的是手动运行方式，这时每运行一次，工作台会停止，此时操作人员可以将超声仪上的声时值记录到程序中的表格中，然后按下开始键，工作台则继续运行。如果是选择自动运行方式，工作台会在运行一段距离后停顿5秒然后继续运行相同的距离，以便使操作人员在这段时间内录入超声仪上的数据。在运行的过程中如遇到突发情况，可以通过急停按钮急停，及时进行处理。根据检测需要也可选择不同的运动速度，包括高速、中速、低速。

4)光栅尺反馈

为了保证工作台运行距离的精确性，我们用光栅对位移进行实时监测，通过调整步进电机的脉冲进行调节。当光栅值未达到设定值时，系统先得出实际距离与设定值的差值，然后算出运行这段差值所需的脉冲，将脉冲发送给步进电机，通过不断的调整使工作台走动到位，实现反馈功能。

5)数据处理

在运行完毕后，此时系统已经录入了所有的检测数据，这时需要用数据处理进行操作，保存文件功能是将设置参数及检测数据保存成txt形式的文本文件。画回归图功能是对所测的数据进行归一化分析，并得出线性回归图。打印报表功能是将所有的内容以原始记录的形式打印出来。

本一种全自动非金属超声检测仪检定系统的精度验证方法是：采用双频激光干涉仪对系统的重复性和定位精度进行检测，检测设备基本信息见表2.8。根据检测数据对光栅尺进行修正，保证系统修正后的定位精度在300mm范围内优于6μm，重复精度优于2μm。

表1为修正前定位精度检测数据，检测环境：温度：20.3℃，湿度：59％RH。

表1

在300mm点上重复测量10次，测量数据如下：300.082、300.083、300.083、300.083、300.082、300.083、300.082、300.084、300.082、300.082。

根据以上检测数据，定位精度成线性误差，可采用一元线性回归法进行补偿；重复精度满足要求。

根据线性回归计算结果，得出修正系数：a＝-0.00614，b＝1.000299，将修正系数代入程序中，重新检测，表2为修正后定位精度检测数据。

表2

300mm点上重复测量10次，测量数据如下：299.997、299.998、299.997、299.997、299.996、299.998、299.997、299.996、299.997、299.998。

由检测数据可的系统的定位精度和重复精度均满足预先制订的技术指标，可以开展工作。

本发明的非金属超声检测仪的检定系统的检定方法，包括以下步骤：

第一步，将非金属超声检测仪的两个声能转换器固定在检测平台上，并测出仪器的基准声时。

目前，判断零声时有两种方法：

第一、平面测试换能器是将发射换能器T与接收换能器R的辐射面相对，加耦合剂使其紧密接触，如图10，便可由仪器判读出声时值即T0。现有检测方法大多采用该种方法读取零声时，这种方法精度低，对人员操作要求较高。这种方法：在参数设定中，加入基准声时。检定开始前，将两平面换能器相距20mm左右，读出声时，并将其值输入到基准声时。每点测量的实际声时都减去基准声时值后代入公式计算实际空气声速。这种方法简单直观，可得到每点的误差。

第二、采用时距曲线法，即发射换能器T不动，接收换能器R依次移动L距离，如图11，测试相应的声时，再绘制时间——距离曲线如图12，图中曲线与Y轴的截距t就是T0。在数据处理软件中加入时距曲线。以各测点的测距L和对应的声时t求回归直线方程L＝a+bt。回归系数b便是空气中声速实测值v0。这种方法可以消除零声时误差的影响，但无法得到每个测量点的误差，对某点超差的情况无法判定。

本系统将两种方法都在软件中实现，这样可以更好的让检定人员对被检仪器的情况做出判定。

第二步，检测人员通过计算机发出运动指令，通过控制和数据采集卡(伺服电机控制卡)发布给步进电机。步进电机驱动工作台按照规定的步距运动。

第三步，光栅尺检测工作台运动精度，并将信号通过控制和数据采集卡(伺服电机控制卡)反馈给计算机。

最后，将非金属超声检测仪的数据输入计算机进行数据处理，形成原始记录并打印。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：包括用于使非金属超声波检测仪的发射换能器与接收换能器相对运动的运动控制及测量反馈系统，以及用于将使非金属超声波检测仪的发射换能器或接收换能器固定在运动控制及测量反馈系统上的空气声程调节装置。

2.根据权利要求1所述的非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：所述运动控制及测量反馈系统包括一总工作台，在总工作台上设置电动位移台，非金属超声波检测仪的发射换能器或接收换能器的其中一个固定于总工作台上，另一个设置于电动位移台上，电动位移台的驱动装置与控制计算机相连，非金属超声波检测仪的输出至控制计算机，在总工作台上设置有光栅尺，所述光栅尺的输出信号接入控制计算机。

3.根据权利要求2所述的非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：所述电动位移台包括滑动平台，滑动平台通过丝杆与步进电机相连，控制计算机的PCI总线插槽上安装有伺服电机控制卡，伺服电机控制卡与三相步进电机驱动器相连，三相步进电机驱动器与步进电机相连。

4.根据权利要求2所述的非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：还包括空气声程调节装置，所述空气声程调节装置包括用于控制电动位移台的滑动导轨的运动平行度、滑动平台与丝杠运动方向的垂直度的位移定位装置；用于使发射换能器与接收换能器对零位的调零装置；和用于将换能器装夹在电动位移台上的装夹装置。

5.根据权利要求4所述的非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：所述位移定位装置包括一手动移动台，作为调零机构。

6.根据权利要求4所述的非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：所述装夹装置的夹具采用胶木板材料制成，在夹具和换能器之间套有橡胶套。

7.根据权利要求4所述的非金属超声检测仪的检定系统，其特征在于：所述夹具与换能器相接触侧设置有V型槽。

8.根据权利要求1所述的非金属超声检测仪的检定系统的检定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将非金属超声检测仪的两个声能转换器固定在总工作台上，并测出仪器的基准声时；

2)检测人员通过控制计算机发出运动指令，通过伺服电机控制卡发布给步进电机，步进电机驱动工作台按照规定的步距运动；

3)光栅尺检测工作台运动精度，并将信号通过伺服电机控制卡反馈给计算机；

4)将非金属超声检测仪的数据输入计算机进行数据处理，形成原始记录并打印。

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