超声波测尺寸.doc

利用超声波测量精密管材尺寸

摘要：文章阐明了超声波测量管材尺寸的原理，分析了产生测量误差的原因，论述了采用超声波技术对无缝精密管材进行尺寸测量的现实意义。
主题词：超声波 精密管材 尺寸测量
一、 前言
实际应用中对特殊用途精密管材的尺寸一般要求很高。希望管材的尺寸具有较高的一致性和稳定性。目前国内对于精密管材的尺寸测量方法不多，而且都有一定的局限性，不能对管材进行100%地测量，很难找到管材的极值点。并且在测量过程中无法消除人为因素的影响以及测量工具对管材表面的划伤，检验的工作效率非常低，不能满足企业大批量生产检验的要求。目前，国外的管材生产厂家普遍采用超声波测量精密管材的尺寸，即在利用超声波对管材进行无损探伤的同时，测量出管材的直径、内径及壁厚等尺寸值，极大地提高了检验效率和检验质量。
由德国NUKEM公司生产制造的ROTA 25是多通道数字化超声波检测系统，该系统可实现对Ф4——Ф25精密管材的尺寸测量，测量的稳定性可达±0.003mm，成功地应用于特殊用途精密管材的生产检验。
二、 超声波测量管材尺寸的原理
L 2
L1
C
探头1
W2
W1
ID
Lc
OD

REF探头

探头2

图 1
超声波测尺寸采用两探头组合技术，如图1所示，两个点聚焦探头分别置于管材两侧，并且位于管材的中心轴线上。探头到管材表面之间的距离称之为水距L，探头发出的超声波经管材表面反射后再由探头接收，检测系统会测出超声波分别通过水距L1和L2时的传播时间T1、T2，那么传播时间乘以声速就得到水距。即
L1=T1V水 (1)
L2=T2V水 (2)
L1、L2----探头距管材表面的距离
T1 、T2----超声波分别通过水距L1和L2时的传播时间
V水----超声波在水中的传播速度
为了补偿超声波在水中传播时其传播速度受水温的影响，还需要一个声速变化的监控组件，用一个带固定反射体的探头，实时地监测声速在水中的变化。V水=Lc/Tc，如果声速受水温的影响而发生变化，超声波到固定反射体的传播时间Tc也发生变化，从而达到对水温变化的补偿作用。因此水距公式可表示为：
L1=T1 Lc/Tc (3)
L2=T2 Lc/Tc (4)
L1、L2----探头距管材表面的距离
T1 、T2----超声波分别通过水距L1和L2时的传播时间
V----超声波在水中的传播速度

图 2
当探头发出的超声波经过管材表面时会透射到管壁内部，并由管壁内外表面的反射而形成如图2所示的多次反射回波，采用数字脉冲相位法可测出超声波在管壁当中的传播时间T。即系统将反射回波经数字化处理后，用闸门从中选取某次回波，延迟一段时间后就会与下次回波完全重合，那么所延迟的这一段时间就是超声波在管材内壁的传播时间。管材的壁厚也就通过下列计算公式即可得到：
W1=VT1/2 (5)
W2=VT2/2 (6)
W1 、W2----管材的壁厚
V----超声波在金属中的传播速度
T1 、T2----超声波在金属管壁中的传播时间
从上式可知，在进行壁厚测量时必须知道超声波在被测对象中的传播速度V。一般影响材料中声速的因素很多，如化学成份、冶金过程、加工过程、热处理等。通常认为同一批材料或同一种工艺条件生产的材料其声速是相同的。可以用同一工艺条件生产的同样的管材加工制作成为标准试样，来调试仪器，修正超声波的声速值V。
由此可得到管材的内外直径：
OD=C-L1-L2 （7）
ID=C-L1-L2-W1- W2 （8）
在实际使用中，两探头之间的确切距离C需要用一个外径值已知的外径尺寸标准管来校准。即
C=OD0+L1+L2 （9）
OD0----尺寸标准管的外径值。
三、 ROTA 25的系统组成
ROTA25是由德国NUKEM NUTRONIK GmbH 公司生制造的，NUTRONIK独家研发的Utxx数字化声模块，为高速、并行、多通道的超声检测提供了精确与稳定的平台。该设备采用探头旋转、管材直线前进的检测方式，有效地避免了在检测中设备对管材表面的损伤。整体系统由工作台、操作面板、仪器及水、气、电等供应单元组成。工作台包括了旋转头、送进装置、打标装置及润滑装置。旋转头内安装有三个尺寸测量探头和四个探伤探头，其最高转速可达8000rpm，管材的送进速度最高可达12m/min。仪器是由VXI总线框架支持下的UTXX标准化模块组成，可由计算机进行远程控制。为了防止温度和电源波动对仪器的影响，在仪器部分配有专用空调、净化电源及UPS电源，以保证仪器可靠稳定地运行。
四、 超声波测量管材尺寸的应用
通过前面的原理分析，我们知道要用超声波测量管材的尺寸，必须要有一个所有尺寸与名义尺寸小于0.1微米的尺寸标准管，这在实际当中是无法做到的。我们只能寻找一个尺寸相对均匀一致的管材作为标准管，经计量后，利用其某一段的平均值来调校设备。这样，尺寸的测量也就变成了相对的测量系统，即是一个评价被测量管材与所谓的标准管尺寸差别大小的测量系统。
利用超声波测量管材尺寸，其测量的稳定性非常关键。我们用一根带有尺寸极值的管材（极值接近产品工艺所要求的尺寸公差允许值），连续测量20次，求20次测量值的标准偏差（见表1），结果其标准偏差小于0.002 mm。说明系统具有较好的稳定性，这是利用超声波测量管材尺寸的前提条件。
对采用超声波测量管材尺寸的准确性，我们采用如下方法进行验证。将十支3200毫米长的管材先用超声波测量其尺寸，再将管材轴向等分成17个点，用气动量仪测每个点的内、外径，解剖后用壁厚千分尺测其壁厚，将这些测量值进行
表1：
尺寸测量的稳定性

OD
ID
WT1
OV
最大
最小
最大
最小
最大
最小
最大
最小
1
10.050
9.953
8.651
8.550

0.675
0.096

2
10.049
9.953
8.649
8.549

0.674
0.095

3
10.049
9.954
8.649
8.550

0.676
0.094

4
10.050
9.953
8.650
8.547

0.675
0.095

5
10.048
9.953
8.649
8.551

0.675
0.095

6
10.048
9.953
8.649
8.548

0.674
0.096

7
10.049
9.951
8.649
8.547

0.675
0.095

8
10.048
9.953
8.648
8.547

0.675
0.094

9
10.050
9.953
8.649
8.549

0.675
0.095

10
10.050
9.954
8.650
8.551

0.676
0.095

11
10.050
9.953
8.651
8.548

0.675
0.095

12
10.050
9.954
8.651
8.551

0.675
0.094

13
10.049
9.955
8.651
8.550

0.675
0.096

14
10.049
9.953
8.650
8.550

0.676
0.094

15
10.048
9.952
8.649
8.549

0.674
0.097

16
10.049
9.953
8.649
8.551

0.675
0.097

17
10.048
9.953
8.648
8.551

0.675
0.093

18
10.049
9.952
8.648
8.549

0.675
0.094

19
10.049
9.953
8.650
8.549

0.676
0.094

20
10.050
9.954
8.650
8.551

0.675
0.093

平均值
10.049
9.953
8.649
8.549

0.675
0.095

标准偏差
0.0008
0.0008
0.001
0.0014

0.0006
0.0011

表2：
超声波与气动量仪测量值对比

外 径
内 径
最大
最小
最大
最小
超声波
气动量仪
差值
超声波
气动量仪
差值
超声波
气动量仪
差值
超声波
气动量仪
差值
2
6.090
6.078
0.012
6.075
6.076
0.001
5.011
5.002
0.009
4.989
5.001
0.012
3
6.088
6.078
0.010
6.074
6.076
0.002
5.012
5.002
0.010
4.990
5.001
0.011
4
6.090
6.079
0.011
6.071
6.075
0.004
5.014
5.002
0.012
4.992
5.001
0.009
5
6.091
6.080
0.011
6.075
6.078
0.003
5.014
5.002
0.012
4.989
5.001
0.012
6
6.091
6.086
0.005
6.070
6.075
0.005
5.011
5.002
0.012
4.989
5.001
0.012
7
6.090
6.087
0.003
6.069
6.075
0.006
5.013
5.002
0.009
4.991
5.001
0.010
8
6.090
6.087
0.003
6.069
6.076
0.007
5.012
5.001
0.011
4.988
4.999
0.011
9
6.091
6.079
0.012
6.068
6.075
0.007
5.013
5.001
0.012
4.990
4.999
0.009
10
6.090
6.078
0.012
6.070
6.075
0.005
5.011
5.001
0.010
4.991
4.999
0.008
11
6.090
6.079
0.011
6.077
6.079
0.002
5.013
5.001
0.012
4.992
5.000
0.008
12
6.089
6.077
0.012
6.076
6.080
0.004
5.011
5.000
0.011
4.991
5.000
0.009
13
6.090
6.078
0.012
6.075
6.078
0.003
5.012
5.000
0.012
4.990
4.999
0.009
14
6.088
6.078
0.010
6.075
6.077
0.002
5.010
4.999
0.011
4.991
4.997
0.006
15
6.088
6.076
0.012
6.074
6.076
0.002
5.009
4.998
0.011
4.989
4.997
0.008
16
6.088
6.078
0.010
6.075
6.077
0.002
5.010
5.001
0.009
4.989
5.000
0.011
17
6.092
6.084
0.008
6.076
6.082
0.006
5.009
5.001
0.008
4.993
5.000
0.007
平均值
6.090
6.080
0.010
6.074
6.077
0.003
5.012
5.001
0.011
4.990
5.000
0.010

对照比较（见表2），我们发现这么一个规律：在管材每一个点的圆周上，超声波所测的最大值比气动量仪测的最大值要大，测的最小值比气动量仪测的最小值要小，平均偏差在0.003- 0.012mm。说明超声波测尺寸要比其它方法偏严。因而，采用超声波测量管材尺寸实际上是从严探制了管材尺寸。

五、 测量误差分析
影响系统测量精度的原因应有以下几点：
1、 尺寸标准管
由于我们所采用的尺寸标准管并非严格意义上的尺寸标准管，而是一个相对标准的尺寸标准管。我们在校准设备时探头所对的点也无法与计量标准管时所对的点实现完全对应，因此系统测量的精度就要受到一定的影响。
2、 偏心
如果两个尺寸测量探头与被测管材不同心，或管材在移动时产生震动，都会引起测量位置的改变，从而影响到被测时间T。管材规格愈小，偏心所造成的系统误差就愈大。因此，为了得到高精度的测量结果，就必须严格控制所允许的最大偏心量。
3、 温度变化
系统采用的是循环水，随着水的运行，水温会发生变化。而金属随温度变化的线性膨胀系数大约是10-5/℃，同时水温的变化也会影响到声速在金属中的传播速度，这也是造成影响测量精度的原因之一。
4、 仪器的稳定性
仪器采用数字化脉冲相位法测量声波的传播时间，仪器的稳定性将依赖于时钟和电路延时的稳定性。实验表明，晶振的频率波动一般大约为10-7，电路延时的稳定性可达±0.3ns，这样所测的声速波动约为10-4，相当于水温在±0.1℃范围内波动时声速的变化。
总之，在声学测量中，要求：样品具有平行平面，声波垂直入射，工作在近场范围内，材料对声波的吸收要尽可能小。对于管材的尺寸测量，由于管材壁厚很小，我们只能使用极窄的脉冲，并由于管材的曲面使多次反射脉冲的幅度衰减很快（直径越小，衰减越快）。超声的入射角在管材运动的过程中，因管材本身的挠度，很难保持不变（直径越小，变化的可能性越大）。
因此，象超声波这种声学测量方法，它不同于一般的力学测量方法，它虽然具有测量特性，但它不是严格意义上的计量器具。对此，我们应正确看待和利用超声波所测的数据，不能毫无目的地用它的测量结果与其他测量方法所测量的结果进行比较。这是因为不同的测量方法、不同的测量机理，就有各自不同的优势和局限性，因而只有正确地看待和利用不同测量方法的特点，才能有效地利用其优势。
六、 采用超声波测量管材尺寸的现实意义
当前，企业对产品质量的要求，不仅仅只局限于满足用户的需求，而是在满足用户需求的前提下不断追求产品质量的稳定性和一致性，从而最大程度地提高用户对产品的满意度，树立企业的良好形象。特别是对于特殊用途的精密管材，利用超声波测量其尺寸，不仅提高了产品检验的效率和检验质量，同时也可使人通过检测波形图直观地了解管材从头到尾的尺寸变化，能有效地保证产品的均一性。我们利用ROTA 25超声波检测设备已对五万余支特殊用途的精密管材进行了尺寸测量，用户对已交付使用的管材的均一性表示非常满意。
七、 结论
超声波测量精密管材尺寸技术不同于其它的力学测量仪，不是严格意义上的计量器具。我们利用超声波测量管材尺寸的测量特性，可有效地提高检验速度，保证产品的一致性，是当前精密管材尺寸测量方法的发展方向。

参考文献：
1、《Ultrasonic Dimensional Tube Testing Techniques》 J.G.Rumbold
2、《High-Precision Ultrasonic Measurement of Fine Tubing》 Mao Jie, Guo Chengbin, Huang Zhenyan, Zhang Yijun, Yang Xizhen, Lu Yuxiang
3、《再论探伤仪不是计量器具》 冉启芳，吴成南
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