CN108955589B - 一种钢化玻璃嵌入深度的原位测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声波测量领域。目的是提供一种钢化玻璃嵌入深度的原位测量方法和装置,该方法和装置能准确测量钢化玻璃的嵌入深度，并具有简单方便的特点。技术方案是：一种钢化玻璃嵌入深度的测量方法，其特征在于测量步骤如下：1)测量钢化玻璃的声速；2)计算入射角度；3)校准爬波探头；4)测量钢化玻璃的嵌入深度。

Description

一种钢化玻璃嵌入深度的原位测量方法及装置

技术领域

本发明属于超声波测量领域,涉及一种利用超声爬波测量钢化玻璃嵌入深度的原位测量方法及装置,适用于不锈钢钢化玻璃围栏等工程中钢化玻璃嵌入深度的原位测量。

背景技术

随着经济社会的发展，不锈钢钢化玻璃围栏越来越广泛地用于人们的生活中。不锈钢钢化玻璃护栏主要通过膨胀螺栓将不锈钢立柱固定在基座上，立柱上开有卡槽，钢化玻璃放在立柱的卡槽中固定。钢化玻璃安装的可靠性主要通过钢化玻璃嵌入卡槽的深度保证。为了保证安全，工程验收以及安全检查时，均有必要对钢化玻璃的嵌入深度进行测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢化玻璃嵌入深度的原位测量方法和装置,该方法应能准确测量钢化玻璃的嵌入深度，并具有简单方便的特点，以满足实际需要。

本发明提供的技术方案是：

一种钢化玻璃嵌入深度的测量方法，其特征在于测量步骤如下：

1)测量钢化玻璃的声速

将超声波直探头放在钢化玻璃表面，信号源产生的双极性矩形脉冲信号经过功率放大后作为激励信号；超声波直探头接收到的超声波信号经前置放大后，用数字示波器采集；钢化玻璃声速C_2L由以下公式计算：

C_2L＝2m/T

其中m为钢化玻璃的厚度，T为数字示波器上1次底波和2次底波之间的时间间隔，钢化玻璃声速C_2L为钢化玻璃中纵波传播的速度(爬波的速度与纵波速度相同)；数字示波器采用外触发的工作方式和信号源同步；

2)计算入射角度

根据Snell定律θ＝arcsin(C_1L/C_2L)，计算在钢化玻璃中产生爬波时对应的入射角θ，其中C_1L是楔块中的纵波声速；

3)校准爬波探头

将超声波直探头更换为爬波探头后放在钢化玻璃表面，使探头前沿与钢化玻璃边缘的距离为L₀；在数字示波器上读取钢化玻璃边缘的回波时间t_总，则超声波在与楔块相关路程中传播时间t_相关由以下公式获得：

其中t_无关＝L₀/C_2L；

爬波探头选用激励和接收分开的双晶爬波探头，入射角度θ根据计算数据确定；超声波直探头与爬波探头中的楔块材料相同；

4)测量钢化玻璃的嵌入深度

将爬波探头后再次放在待测嵌入深度的钢化玻璃表面，同时该爬波探头前沿紧挨着不锈钢卡槽边缘进行测量；从数字示波器中读取钢化玻璃边缘的回波时间t′_总；钢化玻璃的嵌入深度L′₀由以下公式获得：

L′₀＝C_2L×t_无关其中：

所述双极性矩形脉冲的重复频率为100HZ。

超声波直探头或爬波探头测量时，利用水或者洗洁精作为耦合剂。

一种原位测量钢化玻璃嵌入深度的测量装置，其特征在于：所述检测装置包括通过逆压电效应产生超声波和通过压电效应接收超声波的检测探头、将产生的电脉冲施加在检测探头上的脉冲发生装置、对检测探头接收的超声波信号进行放大和滤波的接收装置以及对接收装置输出的模拟信号转变为数字信号并显示出超声波传播时间的信号采集显示装置；

所述检测探头为超声波直探头或爬波探头；所述脉冲发生装置由信号源以及对信号源输出的信号进行放大处理后再输至检测探头的功率放大器组成；所述信号采集显示装置还接通信号源以实现与信号源同步的外触发工作模式。

所述信号采集显示装置通过信号线依序接通接收装置以及检测探头，对检测探头接收的信号进行处理。

所述爬波探头为激励和接收分开的双晶爬波探头。

本发明的有益效果是：所提供的方法和装置能够快速有效地测量出钢化玻璃的嵌入深度，具有准确度高、测量效率高、方便实用的特点，受到使用单位的欢迎。

附图说明

图1是本发明测量钢化玻璃声速时各部件的连接关系示意图。

图2是进行声速测量时，示波器显示的波形示意图。

图3是本发明校准爬波探头参数时各部件的连接关系示意图。

图4是爬波产生原理的示意图。

图5是超声波在楔块和钢化玻璃中传播路径示意图。

图6是本发明测量钢化玻璃嵌入深度时各部件的连接关系示意图。

图中：1为信号源，2功率放大器，3为数字示波器，4为前置放大器，5为楔块，6为压电晶片，7为钢化玻璃，8为不锈钢卡槽。

具体实施方式

以下通过本发明所述实施例进一步说明。

爬波的产生：爬波探头由压电晶片6和楔块5组成，压电晶片用于激励和接收超声波，楔块用于保护压电晶片，同时使探头的压电晶片与工件表面形成一个夹角，保证压电晶片发射的超声波按设定的倾斜角入射到楔块与工件界面，从而在界面处产生所需要的波形转换，在工件内形成特定波形和角度的声束。超声波在楔块中传播路径与工件表面法线的夹角θ称为入射角，在工件中的传播路径与工件表面法线的夹角称为折射角。

根据超声波的传播特性，当超声纵波从一种介质倾斜传播到另一种介质界面时，会在另一种介质中产生波形转换。根据Snell定律，楔块中纵波(声速为C_1L，入射角为θ)倾斜入射到固体工件中时，会在固体工件中产生折射纵波(声速为C_2L，折射角为β)和折射横波(声速为C_2s，折射角为α)，入射纵波和折射纵波、折射横波满足以下关系：

当增大入射角，使纵波折射角为90°时，即产生爬波，爬波是折射角为90°的纵波。

本发明利用爬坡进行测量，具体通过以下步骤进行：

1)测量钢化玻璃的爬坡声速

如图1所示，将超声波直探头(由压电晶片6和楔块5组成，其中的入射角θ为零)放在钢化玻璃7上表面，利用水或者洗洁精作为耦合剂。信号源1(通常为超声波发生器)产生双极性矩形脉冲信号(重复频率100Hz)经过功率放大器2后作为激励信号；超声波直探头接收到的超声波信号经前置放大器4放大后，用数字示波器3采集；数字示波器3采用外触发的工作方式和信号源同步。在数字示波器3上读取1次底波11和2次底波12之间的时间间隔T(如图2所示；图中还有3次底波13、4次底波14)，可以根据公式C_2L＝2m/T计算出声速；其中m为钢化玻璃的厚度；所测声速为钢化玻璃中纵波传播的速度，爬波的速度与纵波速度相同。

2)计算入射角度

根据Snell定律θ＝arcsin(C_1L/C_2L)，计算在钢化玻璃中产生爬波时对应的入射角θ；其中C_1L是楔块中的纵波声速，可从资料查得；C_2L是钢化玻璃中的爬波声速。

3)校准爬波探头

将信号源发出的双极性矩形脉冲(脉冲重复频率100Hz)经过功率放大后作为激励信号，接收到的超声波信号，经前置放大后，用数字示波器采集，数字示波器采用外触发的工作方式和信号源同步。

将爬波探头放在钢化玻璃上表面并保持通过计算确定的入射角θ，用水或者洗洁精作为耦合剂，超声波的传播路径(参见图5)为A→O→B→C→B→O→A，超声波以纵波形式在楔块中沿着A→O路径传播，传播至O点时折射产生沿着工件表面传播的爬波；爬波继续沿着路径O→B→C传播，到C处界面时，产生反射回波，沿着C→B→O→A路径传播。

超声波沿着路径A→O→B→C→B→O→A传播的时间，是超声波在楔块和工件中传播的总时间，可从数字示波器中读取，记为t_总；超声波沿着A→O路径传播时间是超声波在楔块中的传播时间，沿着O→B路径传播时间为超声波在楔块下方区域工件中传播的时间，A→O→B路径的传播时间，称为“与楔块相关的超声波传播时间，记为t_相关”，沿着B→C路径传播时间为超声波在楔块外部区域工件中传播的时间，称为“与楔块无关的超声波传播时间，记为t_无关”：

校准时，使探头前沿与钢化玻璃边缘的距离为L₀，t_无关＝L₀/C_2L；利用数字示波器测量出超声波传播时间t_总，可求得t_相关。

4)测量钢化玻璃的嵌入深度(参见图6)

将爬波探头再次放在嵌入深度待测的钢化玻璃上表面，探头前沿紧挨着不锈钢卡槽8边缘，用水或者洗洁精作为耦合剂；从数字示波器3中读取钢化玻璃7边缘的回波时间t′_总，

计算声束沿着路径B→C传播时间t_无关：

计算钢化玻璃嵌入深度L′₀：

L′₀＝C_2L×t_无关。

本发明还提供了原位测量钢化玻璃嵌入深度的测量装置，所述检测装置中，检测探头(由压电晶片6与楔块5组成)可通过压电效应产生超声波，并且通过逆压电效应接收超声波；信号源1与功率放大器2组成的脉冲发生装置，将所产生的电脉冲施加在检测探头上；接收装置4对检测探头接收的超声波信号进行放大和滤波；信号采集显示装置3接受接收装置输出的模拟信号，并将该模拟信号通过数字化采样转变为数字信号，同时显示出超声波传播时间。

所述脉冲发生装置由信号源以及对信号源输出的信号进行放大处理后再输至检测探头的功率放大器2组成；所述信号采集显示装置通过信号线依序接通接收装置以及检测探头，对检测探头接收的信号进行处理，信号采集显示装置还接通信号源以实现与信号源同步的外触发工作模式。

本发明所述超声波直探头、双晶爬波探头、数字示波器、信号源、前置放大器、功率放大器等元器件均可直接外购获得。

实施例1

对某建筑的不锈钢钢化玻璃围栏的钢化玻璃嵌入深度进行测量，步骤如下：

1)测量钢化玻璃的爬波声速C_2L

将超声波直探头放在钢化玻璃上表面，洗洁精作为耦合剂。信号源产生双极性矩形脉冲信号(重复频率100Hz)经过功率放大后作为激励信号，直探头接收到的超声波信号经前置放大后，用数字示波器采集，数字示波器采用外触发的工作方式和信号源同步。

在数字示波器上读取1次底波和2次底波之间的时间间隔T为3.39us，根据公式C_2L＝2m/T计算出钢化玻璃中纵波声速

其中m为钢化玻璃的厚度为10mm；

钢化玻璃中爬波声速与纵波速度相同，故爬波声速为5.9mm/us。

2)选择爬波探头

由于楔块为有机玻璃，从资料查得该楔块的纵波声速C_1L为2.3mm/us；根据公式θ＝arcsin(C_1L/C_2L)，计算得到楔块中的声束入射角θ＝22.94°。

故选择入射角为22.94°、激励和接收分开的双晶爬波探头。

3)校准爬波探头

将爬波探头放在钢化玻璃上表面，使探头前沿与钢化玻璃边缘的距离L₀保持为10mm，并以洗洁精作为耦合剂。从数字示波器中读取超声波在楔块和钢化玻璃中传播总时间t_总＝17.2us，超声波沿着B→C路径传播的时间

则超声沿着A→O→B路径传播时间

4)测量钢化玻璃的嵌入深度

将爬波探头再次放在待测钢化玻璃上表面，并且探头前沿紧挨着不锈钢卡槽边缘，对某钢化玻璃的嵌入深度进行测量；

从数字示波器中读取超声波的传播总时间t′_总＝18.88us；

超声波沿着路径B→C传播时间

钢化玻璃嵌入深度为：L′₀＝C_2L×t_无关＝5.9×2.54＝15mm；

检测完成。

Claims (3)

1.一种钢化玻璃嵌入深度的测量方法，其特征在于测量步骤如下：

1)测量钢化玻璃的声速

将超声波直探头放在钢化玻璃表面，信号源产生的双极性矩形脉冲信号经过功率放大后作为激励信号；超声波直探头接收到的超声波信号经前置放大后，用数字示波器采集；钢化玻璃声速C_2L由以下公式计算：

C_2L＝2m/T

其中m为钢化玻璃的厚度，T为数字示波器上1次底波(11)和2次底波(12)之间的时间间隔，钢化玻璃声速C_2L为钢化玻璃中纵波传播的速度；数字示波器采用外触发的工作方式和信号源同步；

2)计算入射角度

根据Snell定律θ＝arcsin(C_1L/C_2L)，计算在钢化玻璃中产生爬波时对应的入射角度θ，其中C_1L是楔块中的纵波声速，可从资料查得；

3)校准爬波探头

将超声波直探头更换为爬波探头后放在钢化玻璃表面，使探头前沿与钢化玻璃边缘的距离为L₀；在数字示波器上读取钢化玻璃边缘的回波时间t_总，则超声波在与楔块相关路程中传播时间t_相关由以下公式获得：

其中t_无关＝L₀/C_2L；

爬波探头选用激励和接收分开的双晶爬波探头，入射角度θ根据计算数据确定；超声波直探头与爬波探头中的楔块材料相同；

4)测量钢化玻璃的嵌入深度

将爬波探头再次放在待测嵌入深度的钢化玻璃表面，同时该爬波探头前沿紧挨着不锈钢卡槽边缘进行测量；从数字示波器中读取钢化玻璃边缘的回波时间t′_总；钢化玻璃的嵌入深度L′₀由以下公式获得：

L′₀＝C_2L×t_无关其中：

2.根据权利要求1所述的钢化玻璃嵌入深度的测量方法，其特征在于：所述双极性矩形脉冲的重复频率为100HZ。

3.根据权利要求2所述的钢化玻璃嵌入深度的测量方法，其特征在于：超声波直探头或爬波探头测量时，利用水或者洗洁精作为耦合剂。

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