非金属声波检测仪计量校准系统设计与实现

朱木锋，朱 军

（江西省交通工程质量监督站试验检测中心，江西 330000）

目前，桩身完整性的检测方法主要有低应变法、高应变法、声波透射法等，其中广泛应用于交通行业桩身检测的是声波透射法[1]。利用声波透射法进行桩身检测的最主要仪器是非金属声波检测仪，该仪器由主机和换能器两部分组成，通过测定声波在被测介质中的传播时间、振幅、频率等声学参数的变化，经过分析和数据处理后可了解被测介质（非金属）的物理学特性和内部质量，这对保障建筑工程的安全极为重要[2]。目前，交通行业中虽有一些校准装置能够实现非金属声波检测仪的量值溯源，但是都没有引入自动化系统。较之人为改变换能器声程，自动化系统的引入不仅可以提高计量精度，还能够大大简化操作流程。

在综合考虑JJG（交通）027-2015《水运工程 非金属声波检测仪》中技术指标的基础上，本文依据非金属声波检测仪的溯源需求，开展了非金属声波检测仪的计量标准技术研究工作并设计研发了一套非金属声波检测仪自动校准系统。本系统通过程序指令控制直线电机拖动换能器沿水平方向移动，通过采集模块实时采集换能器的水平位移并进行数据处理[3]，从而实现标准声速值的自动修正、标准声时值和相对误差值的计算、判断、历史数据管理及生成原始报告等功能。

1 基本工作原理

超声波在传播过程中，其传播的时间、能量和频率都会因介质的不均匀而受到影响。非金属声波检测仪利用这一特点，通过发射端换能器发出超声波透过非金属介质，由接收端换能器接收超声波后形成波形，系统经过分析计算后能够判断非金属介质的内部缺陷和强度[4]。非金属声波检测仪检测原理如图1 所示。

图1 非金属声波检测仪检测原理图Fig.1 Schematic diagram of non-metallic sound wave detector detection

其工作原理：非金属声波检测仪产生高压脉冲，发射换能器将高压脉冲转换为超声波并由一端传递到被测非金属介质中，接收换能器在介质另一端接收超声波并将其转化为电信号；主机通过放大器自动调整增益，使接收的电信号达到设定状态；通过数据采集和A/D 转换电路将电信号转化为数字信号，最后在声波仪界面呈现出波和声时参量。

2 校准系统总体设计

2.1 系统实现指标

根据非金属声波检测仪的计量需求，该校准系统将按照以下6 点进行设计：

（1）满足发射电压幅值稳定度、幅值准确度、声时值测量准确度的检定要求；

（2）制定专用夹具，用于夹持平面换能器和径向换能器；

（3）确保换能器横向移动时始终保持水平，实现径向换能器高度可调功能；

（4）能够实时采集换能器移动距离，实时修正标准声速值；

（5）可自动生成按照校准规范要求编制的原始记录格式，同时具备自动处理、计算、比较的功能；

（6）具有历史数据管理功能，既可以查看所有的历史检定记录，又可以针对指定检定记录进行查询、删除、预览或打印等操作。

为了解决上述问题，本文设计的非金属声波检测仪校准系统由数字万用表、检定水池及调节装置、信号发生器、声程调节装置、光直尺、温度采集仪、数字示波器及自动化采集分析软件组成。

2.2 系统总体设计

整个校准系统分为3 部分。

2.2.1 发射电压幅值稳定度检定

（1）测量时将声波仪串接一个1 MΩ 1/2 W 的电阻，并将声波仪的发射电压调节到最大值。

（2）用数字示波器测量发射电压幅值，对发射电压的幅值进行测量，并在1 h 内均匀时间间隔中测量5 次电压幅值，记为u1，u2，u3，u4，u5。检定装置示意图如图2 所示。

图2 发射电压幅值稳定度检定装置示意图Fig.2 Schematic diagram of emission voltage amplitude stability verification device

（3）按式（1）计算电压幅值稳定度A：

2.2.2 幅值准确度检定

（1）设定50 kHz 的正弦信号作为声波仪的输入频率值并以稳态方式触发。

（2）开启电源，将声波仪的增益依次设置为4、8、20、40、80 倍。

（3）将信号发生器输出频率选定50 kHz 的正弦信号作为信号源，并通过三通管将信号同时输入到被检声波仪和数字万用表。

（4）调整正弦信号的幅值（该幅值略大于示波器显示量程的1/2），以读取的数字万用表的示值作为标准值，以声波仪读出的信号幅值作为测量值。检定装置示意图如图3 所示。

图3 幅值准确度检定装置示意图Fig.3 Schematic diagram of amplitude accuracy verification device

（5）按式（2）计算增益i 倍时幅值准确度δi：

式中：u0i为增益i 倍时的标准值（V）；ui为增益i 倍时的幅值读数（V）。

2.2.3 平面换能器空气中声时值测量准确度检定

（1）在声程调节装置的平面换能器夹具中放入一对平面换能器并进行固定，确保换能器的两辐射面中心连接线与辐射面垂直并相对而立。

（2）换能器与声波仪发射口及通道口用电缆连接，使声波仪在发射电压最大、触发方式为“连续发射”状态下工作。

（3）使两换能器零距离接触，进行零位清除。在0 mm～1800 mm 测量范围内改变两换能器声程距离5 次，并在每次换能器间距（声程）改变时准确测量声时值。检定装置示意图如图4 所示。

图4 声时值测量准确度检定装置示意图Fig.4 Schematic diagram of accuracy verification device for sound time measurement

（4）标准声速值vc按式（3）计算：

（5）第i 个测点空气中标准声时值tci按式（4）计算：

（6）第i 个测点空气中声时相对误差δti按式（5）计算：

3 系统硬件平台设计

3.1 硬件组成

系统的硬件组成主要包括数字万用表、检定水池、信号发生器、声程调节装置、光直尺、温度采集仪、数字示波器等部分。

3.1.1 标准仪器

根据JJG（交通）027-2015《水运工程 非金属声波检测仪》中对非金属声波检测仪的校准需要，分析可知该系统主要的输出量值有电压、长度和温度。其中，数字万用表最大允许误差是0.02%ACV，优于所规定的0.04%ACV；信号发生器在1 Hz～1 MHz 范围内，最大允许误差是±0.01%，优于所规定的±1%；光直尺量程范围是0～1800 mm，分度值为0.001 mm，优于0.02 mm；温度计最大允许误差为0.11℃，优于0.2℃；其中，光直尺和温度采集仪均配有转USB 串口线[5]。

3.1.2 声程调节装置

声程调节装置包括支架、2 个平面换能器夹具、2 个径向换能器夹具和2 个移动调节结构。其中，支架包括顶部横梁、垂直支撑梁、底部横梁、水平直线导轨和支撑脚；移动调节结构包括直线电机、横向直线导轨、横向滑块、换能器夹具连接框、纵向滑块、横向制动旋钮和纵向制动旋钮。平面换能器夹具包括第一调节螺栓、第一活动板和第一固定板；每个径向换能器夹具包括第二调节螺栓、第二活动板、第二固定板、L 形衔接片和纵向衔接片；支架采用铝型材制成，面换能器夹具和径向换能器夹具采用非磁性材料制成。其中，平面换能器夹具结构图如图5 所示，径向换能器夹具结构如图6 所示，声程调节装置示意图如图7 所示。

图5 平面换能器夹具结构图Fig.5 Structural diagram of planar transducer fixture

图6 径向换能器夹具结构图Fig.6 Structural diagram of radial transducer fixture

图7 声程调节装置示意图Fig.7 Schematic diagram of sound path adjustment device

3.2 硬件系统的搭建

发射电压幅值稳定度检定系统是将被检声波仪接上负载（1 MΩ 1/2 W 电阻），用数字示波器测量发射电压幅值。幅值准确度检定系统是信号发生器通过三通管同时和被检声波仪、数字万用表连接。声时值测量准确度检定系统的硬件整体搭建是被检声波仪的发射端和接收端分别连接发射换能器和接收换能器，换能器通过夹具固定在直线电机上。光直尺和直线电机贴合固定并通过USB 串口线与工控机连接，温度采集仪通过USB 串口线与工控机连接。

4 系统软件平台设计

4.1 软件主要组成部分

软件部分包含5 个功能模块，如图8 所示。软件程序的主界面如图9 所示。

图8 功能模块Fig.8 Functional module

图9 程序主界面Fig.9 Program main interface

4.1.1 参数设置

参数设置包括传感器类型选择、传感器量程、控制方式、等待间隔等基本信息。参数设置中传感器类型选择涵盖平面换能器和径向换能器且量程可调，为开展不同类型、不同量程的传感器校准工作提供便利。

4.1.2 校准程序

首先，通过设备定零按钮控制直线电机，2 个电机带动发射换能器和接收换能器沿直线相对运动，直至换能器相互贴合后停止运动。此时，将发射换能器和接收换能器的相对位置清零后作为此次校准试验的参考零点位置。然后，通过设置测点确定固定步长和测点数。最后，点击开始检定，直线电机按照设定的固定步长带动换能器沿直线导轨开始运动，并实时记录实测距离。

4.1.3 数据处理

系统将JJG（交通）027-2015《水运工程 非金属声波检测仪》 中规定的计算方法写入数据处理程序，并在整个检定过程中实时修正标准声速值。软件采集实测距离和标准声速值后自动计算出标准声时值，人工读取非金属声波检测仪的测量声时。软件通过标准声时值和测量声时值数据计算出相对误差，并自动判断声波仪是否超差。若数据超差，相对误差的计算结果栏会变成红色。

4.1.4 生成记录

系统自动记录设置的参数信息、换能器的移动距离、标准声时值，并自动将数据及处理结果生成原始记录。

4.1.5 数据查询

用户在数据查询界面可根据需要按日期查询，既可以查找历史检定数据，也可以查找历史证书。在历史证书查询结果中，可根据需要修改证书相关信息，如传感器信息、厂家信息和环境条件。系统将保存最后一次修改信息，修改信息的记录具有可追溯性。

5 校准测试验证

校准试验时，用北京智博联科技股份有限公司生产的ZBL-U510 型非金属声波检测仪作为验证仪器。整个试验过程中室温变化不大于1℃、水温变化不大于2℃，室内相对湿度在30%～80%。测试结果中：发射电压幅值稳定度是1%，规程要求每小时优于±5%，符合要求，具体测量结果如表1 所示。幅值准确度是1.6%，规程要求幅值相对误差不大于±3%，符合要求，具体测量结果如表2 所示。空气中声时测量的相对误差为0.84%，规程要求测量误差不大于±1%，符合要求，具体测量结果如表3 所示。水中声时测量的相对误差为0.81%，规程要求测量误差不大于±3%，符合要求，具体测量结果如表4所示。

表1 发射电压幅值稳定度Tab.1 Emission voltage amplitude stability

表2 幅值准确度Tab.2 Amplitude accuracy

表3 空气中声时测量准确度Tab.3 Measurement accuracy of sound time in air

表4 水中声时测量准确度Tab.4 Accuracy of underwater sound measurement

6 结语

根据非金属声波检测仪的测量原理可知，影响非金属声波检测仪计量性能准确性的关键因素之一是声时值测量时能否合理稳定地固定和移动换能器。本文介绍的声时值测量系统，硬件平台能很好地夹持换能器，软件平台通过给出移动距离指令来控制直线电机，直线电机带动换能器移动从而改变声程。过程中没有人为手动干扰，这样既能保证换能器平稳移动，又能提高测量的精度。试验结果显示，发射电压幅值稳定度1%，优于±5%；幅值准确度为1.2%，优于±3%；空气中声时测量误差最大为0.75%，优于±1%；水中声时测量误差最大为0.81%，优于±3%；分析JJG（交通）027-2015《水运工程 非金属声波检测仪》规程后所研制的检定系统为非金属声波检测仪这种专用工程检测仪器设备的量值溯源提供了新的解决方案，对建立非金属声波检测仪交通运输部门最高计量标准有一定的指导意义。