小直徑管殼零件內(nèi)徑尺寸的超聲檢測(cè)

李光亞 ，王明泉 ，鄭景義 ，王 鵬

（1.中北大學(xué)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原，030051；2.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原，030051；3.山西北方晉東化工有限公司，山西 陽(yáng)泉，045000）

內(nèi)徑尺寸小于 15mm的管殼類零件是火工品裝填火工藥劑的常用零件，其內(nèi)徑尺寸的精度直接影響裝藥量。目前國(guó)內(nèi)主要采用接觸和非接觸測(cè)量方法，接觸式測(cè)量一般采用塞規(guī)等測(cè)量工具，但由于測(cè)量工具磨損、人為因素等原因造成測(cè)量誤差較大，不能滿足快速、精確的內(nèi)徑尺寸檢測(cè)要求。非接觸測(cè)量主要采用光電測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量精度高，但是由于測(cè)量設(shè)備需要進(jìn)入被測(cè)件內(nèi)部，對(duì)于內(nèi)徑尺寸小于15mm深孔管殼類零件的內(nèi)徑尺寸測(cè)量仍有困難，測(cè)量速度也較緩慢?；谏鲜隹紤]，筆者研究了一種基于超聲波的檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)，并能夠準(zhǔn)確地得到測(cè)量結(jié)果，滿足對(duì)此類管殼零件的內(nèi)徑測(cè)量要求。

1 小內(nèi)徑管殼的特征及測(cè)量原理

零件實(shí)物如圖1所示。此類零件一般外表面均勻，軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，內(nèi)徑因?yàn)樾枰患庸こ刹煌叽纾o測(cè)量帶來(lái)諸多不便。

圖1 某小內(nèi)徑管類零件實(shí)物圖Fig.1 Real figure of the detection ports

測(cè)量原理如圖2所示，發(fā)射電路產(chǎn)生的高壓沖擊波激勵(lì)探頭，產(chǎn)生超聲發(fā)射脈沖波，脈沖波經(jīng)介質(zhì)介面反射后被探頭接收并由接收電路采集。

圖2 超聲檢測(cè)內(nèi)徑原理示意圖Fig.2 The principle of ultrasonic testing internal diameter

借助耦合劑耦合超聲波會(huì)穿過(guò)被測(cè)件外壁進(jìn)入其內(nèi)部，超聲波在不同介質(zhì)表面會(huì)發(fā)生反射，當(dāng)超聲波從介質(zhì)1（耦合劑）中垂直入射到介質(zhì)1和介質(zhì)2（被測(cè)件外壁）的界面上時(shí)， 一部分聲能被反射，另一部分透射到介質(zhì)2中；當(dāng)透射的聲波到達(dá)介質(zhì)2和介質(zhì)3（內(nèi)腔或其他填充藥）的界面時(shí)，再次發(fā)生反射與透射，其反射波部分在介質(zhì)2中傳播至介質(zhì)2與介質(zhì)1的界面，則又會(huì)發(fā)生同樣的過(guò)程。如此不斷地繼續(xù)下去，則在兩個(gè)界面的兩側(cè)，產(chǎn)生一系列的反射波與透射波。所以按照時(shí)間關(guān)系，依次采集到的反射波應(yīng)該是試件表面反射波和被測(cè)件外壁內(nèi)表面N次（N=1,2,3…）反射波。

利用波形可測(cè)得超聲波穿越被測(cè)件外壁并返回探頭的時(shí)間t，被測(cè)件一側(cè)外壁壁厚h可用外壁面反射波與內(nèi)壁面反射波的時(shí)間間隔t計(jì)算得出，兩者之間的換算關(guān)系為：

式（1）中c為超聲波在被測(cè)件外壁材質(zhì)中的聲速。兩側(cè)壁厚都測(cè)出之后，由試件截面直徑尺寸D減去兩壁厚尺寸即可得試件內(nèi)腔此處尺寸d，即：

式（2）中h1、h2分別為兩側(cè)超聲探頭位置的被測(cè)件外壁厚度。

2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測(cè)量過(guò)程

基于超聲的內(nèi)徑尺寸非接觸測(cè)量系統(tǒng)如圖 3所示。這套測(cè)量系統(tǒng)主要由超聲發(fā)射接收裝置（包括探頭和超聲發(fā)射接收卡）、機(jī)械系統(tǒng)（包含系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制單元）、計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（包括工控機(jī)、顯示設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件等）等組成，發(fā)射接收卡和電機(jī)控制卡安裝在工控機(jī)內(nèi)。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure diagram of detection system

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.4 The principle diagram of detection system

系統(tǒng)開始檢測(cè)時(shí)，被測(cè)件被水平裝夾在試驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)探頭盒上兩端小孔穿過(guò)探頭盒。本測(cè)量系統(tǒng)采用的超聲探頭為水浸聚焦探頭，將探頭水平對(duì)置固定在探頭盒前后兩端面上，這樣兩探頭就位于被測(cè)件兩側(cè)，超聲探頭的軸線要求始終與被測(cè)件軸線保持同一平面并垂直，兩探頭軸線在同一直線上。在探頭盒內(nèi)充滿水，達(dá)到耦合劑的作用。測(cè)量開始時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)和測(cè)量過(guò)程的控制，使探頭盒沿導(dǎo)軌相對(duì)被測(cè)件軸線做平行的直線運(yùn)動(dòng)，來(lái)完成對(duì)內(nèi)徑尺寸的一次測(cè)量，也可往復(fù)運(yùn)動(dòng)多次測(cè)量；同時(shí)，被測(cè)件裝夾裝置也可以帶動(dòng)被測(cè)件繞自身軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)一定角度后再次讓探頭盒沿被測(cè)件軸線做直線運(yùn)動(dòng)測(cè)量，可獲得被測(cè)件外壁多個(gè)部位厚度數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)超聲回波信號(hào)經(jīng)超聲發(fā)射接收卡接收，并采集傳送給計(jì)算機(jī)處理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理軟件界面Fig.5 The software’s interface

利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以綜合評(píng)判被測(cè)件內(nèi)徑尺寸信息。超聲多探頭數(shù)據(jù)融合技術(shù)是指利用來(lái)自多個(gè)探頭不同角度、不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算被測(cè)件內(nèi)徑尺寸，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常軟件報(bào)警，同時(shí)在數(shù)據(jù)處理軟件界面上利用計(jì)算出的內(nèi)徑尺寸實(shí)時(shí)顯示被測(cè)件軸向全剖視圖，使被測(cè)件內(nèi)徑信息顯示更加直觀。在數(shù)據(jù)處理軟件界面上同時(shí)以A型顯示實(shí)時(shí)采集到的超聲回波波形，A型顯示是一種波形顯示，屏幕的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間（或距離），縱坐標(biāo)代表反射波的聲壓幅度?？梢哉J(rèn)為該方式顯示的是沿探頭發(fā)射聲束方向上一條線上的不同點(diǎn)的回波信息。軟件可以記錄并輸出檢測(cè)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

本測(cè)量系統(tǒng)的被測(cè)件為一個(gè)圓柱形管件，內(nèi)腔為兩段內(nèi)徑不等的圓柱型空腔，外壁和內(nèi)腔橫截面為同心圓。在實(shí)驗(yàn)開始前先利用內(nèi)徑千分尺和游標(biāo)卡尺等測(cè)量工具測(cè)得了被測(cè)件的一些數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 被測(cè)件尺寸示意圖Fig.6 The diagram of tested part size

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data (mm)

表1中DAi、DBi(i=1～10)分別表示在第i次測(cè)量測(cè)得的A段和B段的內(nèi)徑尺寸，δAi、δBi分別表示A段和B段在第i次測(cè)量時(shí)的測(cè)量誤差，δAmax、δBmax分別為A段和B段的最大測(cè)量誤差，δD為系統(tǒng)測(cè)量極限誤差，S為系統(tǒng)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，則有：

實(shí)測(cè)的結(jié)果如表1所示，分辨率可達(dá)0.01 mm，測(cè)量最大標(biāo)準(zhǔn)偏差0.024，測(cè)量極限誤差不大于0.05。實(shí)際測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣本基本吻合，而且實(shí)時(shí)性也滿足要求。精度0.01mm完全滿足廠家給出的0.1mm要求。如果對(duì)時(shí)域信號(hào)取1 024個(gè)點(diǎn)運(yùn)算時(shí)間不會(huì)超過(guò)10ms，該速度可滿足絕大多數(shù)的工程在線檢測(cè)需要。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)小內(nèi)徑管殼類火工品零件的內(nèi)徑尺寸的測(cè)量方法和測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了論述，該測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和控制等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量方法是可行的。測(cè)量系統(tǒng)還可用于孔錐度、內(nèi)腔表面粗糙度等參數(shù)的測(cè)量，具備一定的通用性和功能擴(kuò)展能力。

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