超声波无损检测技术的理论研究

毕业设计（论文）

题目超声波无损检测技术

的理论研究

系（院）物理与电子科学系

专业电子信息科学与技术

班级2006级4班

学生姓名李荣

学号2006080927

指导教师吴新华

职称讲师

二〇一〇年六月十八日

独创声明

本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:

二〇一〇年六月一十八日

毕业设计（论文）使用授权声明

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（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名:

二〇一〇年六月一十八日

超声波无损检测技术的理论研究

摘要

本文首先针对波无损检测技术进行理论研究，简明扼要的介绍了超声波无损检测技术的研究意义和发展现状,超声波无损检测技术是当前一种较为先进的检测技术,应用领域更广,适用范围更宽。然后细致的分析了超声波无损检测技术的工作原理特性，基于超声波的优良特性，和传播机理，进行器件或工程的无损检测，并分析了超声波无损检测系统的噪声干扰来源，提出了降低噪声的方法。尝试用计算机模拟系统通过仿真软件来处理超声波无损检测过程中的庞大的数据信息。直观准确地定位缺陷的位置和类型。最后介绍了超声波在无损检测领域的两种典型应用，建筑方面，可以通过超声探头，利用声波的反射的折射来检测混凝土路基的厚度，电力系统方面，利用超声波无损检测技术确定次绝缘子的寿命定位绝缘子中缺陷的类型的具体位置，快速有效的解除安全隐患。

关键词：超声波；无损检测；计算机仿真；瓷绝缘子

Nondestructive detection technology ultrasound theory

research

A bstract

This paper according to wave nondestructive testing technology for theoretical study,brief introduction ultrasonic nondestructive testing technology research and development present situation,the ultrasonic nondestructive testing technology is a kind of advanced detection technology, application scope,more extensive more wide.Then a detailed analysis of ultrasonic nondestructive testing technology based on the working principle, characteristics,and the characteristics of ultrasonic wave propagation mechanism,device or engineering nondestructive testing,and analyzes the ultrasonic nondestructive testing system of noise sources,the proposed method of noise reduction.Try to use the computer simulation system by simulation software to handle in the process of ultrasonic nondestructive testing of large data and information.Intuitive to accurately position the location and the type of defect.Finally introduced in ultrasonic nondestructive testing field of two typical application,building,using ultrasound detector,acoustic reflection refraction to detect the thickness of concrete,power systems,using ultrasonic nondestructive testing to determine the location of an insulator times in life the type of defect insulator specific location,effectively remove unsafe.

Keyword

Keywords s：Ultrasonic wave;Nondestructive;Computer Simulation;Porcelain insulator

目录

引言 (1)

第一章超声波无损检测技术的研究意义和发展现状 (2)

1.1研究意义 (2)

1.2发展现状 (2)

1.2.1超声波发展现状 (2)

1.2.2无损检测的发展现状 (3)

1.2.3超声波无损检测技术的发展现状 (4)

第二章无损检测技术的理论研究 (5)

2.1无损检测的分类 (5)

2.1.1射线照相检测原理 (5)

2.1.2涡流无损检测原理 (6)

2.1.3超声波无损检测技术的原理 (6)

2.1.4几种检测技术的优缺点 (7)

2.2超声波无损检测系统的计算机模拟 (8)

2.2.1超声波无损检测的仿真思路 (8)

2.2.2步长的选取 (8)

2.2.3超声波无损检测仿真过程中的脉冲响应 (9)

2.3超声波无损检测系统 (9)

2.3.1超声波无损检测系统构成及其工作原理 (9)

2.3.2超声波无损检测系统的噪声分析 (10)

2.3.3超声波无损检测系统电磁干扰分析 (11)

2.3.4常用抑制噪声的方法 (11)

第三章超声波无损检测应用举例 (13)

3.1利用超声波无损检测技术检测混凝土厚度 (13)

3.1.1声束反射法测量水泥混凝土路面厚度的原理 (13)

3.1.2平面反射法 (14)

3.1.3子波互相关信号处理 (15)

3.1.4测试结果 (15)

3.2超声波探伤技术在石化装置检修中的应用 (16)

3.2.1裂纹的评价方法与实际应用 (16)

3.2.2特种设备的氢腐蚀损伤评价 (17)

3.3超声波技术在支校瓷绝缘子探伤中的应用 (17)

3.3.1支柱瓷绝缘子断裂的原因分析 (17)

3.3.2检测原理 (19)

结论 (22)

参考文献 (23)

谢辞 (24)

引言

随着人类社会的发展，超声波无损检测技术在工业、建筑业以及涉会生活领域中有着广泛的应用。超声波无损检测是一种利用超声波对工程、器件进行无损检测的技术。具有稳定性好，穿透力强，精度高、灵活性大的特点。目前超声波无损检测已经应用到一些领域，在可操作性，准确性放卖弄取得了很好的效果，这为超声波无损检测的广泛应用打下了良好的基础。

超声波无损检测技术是目前较为先进的无损检测技术，它基于超声波的优越特性能，有着广泛的应用领域。应用超声波技术进行无损检测，检测仪器可以不用接触被测物，便于对一些具有腐蚀性的器件或和腐蚀性液体接触的器件进行检测，更安全。核技术工业是当今世界都在积极研究的一个领域，具有高放射性，因此其在役设备的检测要求就相当严格，超声波无损检测技术凭借其准确的定位和远距离的检测特点，能充分发挥其优越的性能。超声波无损检测，可以应用于多种材料的器件的无损检测，包括金属，非金属，以及复合材料，应用范围更广。超声波具有高能量、高汇聚性，检测更精确，超声波无损检测的检测仪器方便携带，适用于户外检测，灵活性更高。

21世纪，是一个飞速发展的时代。人们探知领域和空间在不断地拓展，对于工程器件，尤其精密仪器和航天器材的材质，有着更高的要求，传统的无损检测技术已经不能胜任，我们必须重视超声波无损检测技术的发展并继续扩大其应用领域。

本文主要对超声波无损检测技术的原理和应用进行理论研究。

第一章超声波无损检测技术的研究意义和发展现状

1.1研究意义

随着现代工业的进步，无损检测技术得到了飞速的发展。与此同时，也给其自身提出了更加急迫的要求。发展和应用比较成熟的一些无损检测技术，已经在长期的使用中逐步显现出自身存在的某些局限。为了充分发挥发挥无损检测的自身优势，突破限制，扩展发展空间，必须开发新技术，将无损检测推向新的发展高峰，这是我们当前的首要任务，也是时代赋予我们的历史使命。

超声波无损检测技术是建立在超声波的基础上的高精度检技术，它既有无损检测的优点。超声波是一种弹性波[1]。它的传播机理是超声波探头产生的高频振动引起接触材料的振动，根据惠更斯原理，超声波可以在介质中不断向前传播。超声波具有类似电磁波的性质，如反射，折射和衍射等。超声波检测技术正是利用了它的这些性质。和其他的检测方法相比，超声波无损检测具有更广泛的应用，超声波无损检测的优点是适用范围广，无论是金属、非金属还是复合材料都可以应用超声波进行检测；对人体及环境无害；设备轻便，可以现场检测。因此我们必须重视超声波无损检测在现实中应用的研究，加快产业化进程。

1.2发展现状

1.2.1超声波发展现状

超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。超声波的两个主要参数：频率：F≥20K/Hz；功率密度：p=发射功率(W)/发射面积(cm2);通常p≥0.3w/cm2[2]。

一、国际方面：

自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术

的历史篇章。

1922年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。

1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。

40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。

二、国内方面：

国内在超声治疗领域起步稍晚，于20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗工作，从1950年首先在北京开始用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病，至50年代开始逐步推广，并有了国产仪器。公开的文献报道始见于1957年。到了70年代有了各型国产超声治疗仪，超声疗法普及到全国各大型医院。

40多年来，全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验。特别是20世纪80年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科，是结石症治疗史上的重大突破。如今已在国际范围内推广应用。高强度聚焦超声无创外科，已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置。而在21世纪(HIFU)超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术[3]。

1.2.2无损检测的发展现状

无损检测Nondestructive Testing（缩写NDT）是指在不破坏前提下，检查工件宏观缺陷或测量工件特征的各种技术方法的统称。在工业、铸造、以建筑等行业领域获得了广泛的应用，已成为现代生产生活中不可缺少的检测技术。目前国内外越来越多的公司个人，正在不断研究无损检测相关技术，并取得了很好的成绩，提出了很多的无损检测方案和技术。无损检测方法很多，据美国国家宇航局调研分析，认为可分为六大类约70余种。但在实际应用中比较常见的有以下几种：常规无损检测方法有：超声检测Ultrasonic Testing（缩写UT）；射线检测RadiographicT e s t i n g （缩写RT）；磁粉检测Magnetic particle Testing（缩写MT）；渗透检验Penetrant Testing （缩写PT）；涡流检测Eddy currentTesting（缩写ET）；非常规无损检测技术有：声

发射Acoustic Emission(缩写AE)；泄漏检测Leak Testing（缩写UT）；光全息照相OpticalHolography；红外热成象InfraredThermography；微波检测MicrowaveTesting[5]。

1.2.3超声波无损检测技术的发展现状

在现代无损检测技术中,超声成像技术是一种令人瞩目的新技术。超声图像可以提供直观和大量的信息,直接反映物体的声学和力学性质,有着非常广阔的发展前景。现代超声成像技术都是计算机技术、信号采集技术和图象处理技术相结合的产物。数据采集技术、图象重建技术、自动化和智能化技术以及超声成像系统的性能价格比等发展直接影响超声检测图像化的进程。现代超声成像技术大多有自动化和智能化的特点,因而有许多优点,如检测的一致性好,可靠性、复现性高,存储的检测结果可随时调用,并可以对历次检测的结果自动比较,以对缺陷做动态检测等。

目前已经使用和正在开发的成像技术包括:超声B扫描成像,超声C扫描成像、超声D扫描成像,SAFT(合成孔径聚焦)成像,P扫描成像,超声全息成像,超声CT成像等技术。

第二章无损检测技术的理论研究

2.1无损检测的分类

无损检测（NDT）是指对材料或工件实施的一种在不破坏和影响其未来使用性能和用途的检测手段。通过使用NDT，能发现材料或工件内部和表面所存在的缺欠，能测量工件的几何特征和尺寸，能测定材料或工件的内部组成、结构、物理性能和状态等。

NDT能应用于产品设计、材料选择、加工制造、成品检验、在役检查（维修保养）等多方面，在质量控制与降低成本之间能起最优化作用。NDT还有助于保证产品的安全运行和（或）有效使用。

NDT包含了许多种已可有效应用的方法，最常用的NDT方法是：射线照相检测、超声检测、涡流检测、磁粉检测、渗透检测、目视检测、泄漏检测、声发射检测、射线透视检测等，这里简要介绍。

2.1.1射线照相检测原理

1898年11月8日，伦琴发现了X射线，从此无损检测技术开始发生了质的变革。它使固体内部的缺陷得以直观地显现出来。X射线是从X射线管中产生的，X射线管是一种两极电子管。将阴极灯丝通电使之白炽电子就在真空中放出，如果两极之间加几十千伏以至儿百千伏的电压(叫做管电压)时，电子就从阴极向阳极方向加速飞行、获得很大的动能，当这些高速电子撞击阳极时。与阳极金属原子的核外库仑场作用，放出X射线。电子的动能部分转变为X射线能，其中大部分都转变为热能。电子是从阴极移向阳极的，而电流则相反，是从阳极向阴极流动的，这个电流叫做管电流，要调节管电流，只要调节灯丝加热电流即可，管电压的调节是靠调整X射线装置主变压器的初级电压来实现的。利用射线透过物体时，会发生吸收和散射这一特性，通过测量材料中因缺陷存在影响射线的吸收来探测缺陷的。X射线和γ射线通过物质时，其强度逐渐减弱[6]。

射线还有个重要性质，就是能使胶片感光，当X射线或γ射线照射胶片时，与普通光线一样，能使胶片乳剂层中的卤化银产生潜象中心，经过显影和定影后就黑

化，接收射线越多的部位黑化程度越高，这个作用叫做射线的照相作用。因为X射线或γ射线的使卤化银感光作用比普通光线小得多，所以必须使用特殊的X射线胶片，这种胶片的两面都涂敷了较厚的乳胶，此外，还使用一种能加强感光作用的增感屏，增感屏通常用铅箔做成。把这种曝过光的胶片在暗室中经过显影、定影、水洗和干燥，再将干燥的底片放在观片灯上观察，根据底片上有缺陷部位与无缺陷部位的黑度图象不一样，就可判断出缺陷的种类、数量、大小等。

2.1.2涡流无损检测原理

涡流检测是运用电磁感应原理，将载有正弦波电流的激励线圈,接近金属表面是，线圈周围的交变磁场在金属表面感应电流（此电流成为涡流）。也产生一个与原磁场方向相反的相同频率的磁场。有反射到探头线圈，导致检测线圈阻抗的电阻和电感的变化，改变了线圈的电流大小和相位。因此，探头在金属表面移动，遇到缺陷或材质、尺寸等变化时，使得涡流磁场对线圈的用不同,引起线圈的阻抗变化，通过涡流检测仪器测量出这种变化量就能鉴别金属表面有无缺陷或其他物理性质的变化。涡流检测实际上就是检测线圈阻抗发生变化并加以处理，从而对器件的物理性质作出评价。

2.1.3超声波无损检测技术的原理

超声波无损检测主要是基于超声波在试件中的传播特性。声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件后；超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。超声波无损检测的原理图如下：

图2.1超声无损检测示意图

同步电路：是超声波探伤仪的心脏和指挥中心，它有多谐振荡器产生周期性矩形同步脉冲，经微分电路后变成正负尖脉冲，触发闸流管后同时控制发射电路、时基电路、时标电路等部门进行步调一致的工作。发射电路发出频率一定的超声波脉冲,进行器件检测，检测结果通过放大电路送到示波器的显示屏，根据波形显示来确定器件是否有瑕疵[7]。

2.1.4几种检测技术的优缺点

射线照相检测适用于各类钢材、有色金属材料等，特别适用于检查焊缝的质量。它具有发现缺陷直观、检查结果准确可靠、可将底片保留备查等优点。但是，射线对人体有害，消耗胶片使探伤成本提高、对垂直于射线方向的裂纹发现较为困难等缺点。涡流无损检测技术的检测对象必须是导电材料，且只适用于检测金属表面缺陷。同时，检测深度与检测灵敏度是相互矛盾的，对一种材料进行涡流无损检测时，须根据材质、表面状态、检验标准作综合考虑，然后在确定检测方案与技术参数。第三，采用穿过式线圈进行涡流无损检测时，对缺陷所处圆周上的具体位置无法判定。第四，旋转探头式涡流无损检测技术可定位，但检测速度慢。相比之下，超声波无损检测技术有着其他无损检测技术不能比拟的优点。首先，应用范围广，超声

波无损检测技术适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；其次，由于超声波的穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；另外，超声波无损检测还具有缺陷定位较准确，对面积型缺陷的检出率较高，灵敏度高的优点，可检测试件内部尺寸很小的缺陷。由于其检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便，已经在很多的领域尤其是户外工程中得到了广泛的应用。

2.2超声波无损检测系统的计算机模拟

随着计算机处理数据速度的提高，利用数字技术对自然现象及过程进行仿真的应用范围也越来越广。目前，对超声波波普的分析已有很成熟的理论，对超声波在介质中的传播特性也有很深入的研究，但是这些研究得到的都是大量的数据，技术人员只有在对这些数据进行细致分析后才能了解计算中发生的问题。工程计算的可视化仿真技术使得这一过程形象化，使人们能直观的观察复杂的物理现象个过程，以发现新的规律和现象。超声波在复杂介质中传播过程的计算机可视化仿真分析，对于正确理解波传播过程的特征，发现新问题有重要的应用前景。声线跟踪法是目前普遍采用的方法。

2.2.1超声波无损检测的仿真思路

超声波无损检测的仿真过程总体思路如下：首先，利用计算机建立介质环境模型（这里就是被检测的工件）,然后，利用超声波在介质中引起脉冲响应；最后，将脉冲响应得到的数据进行图像化处理，根据不同的实际需要获得介质区域的能量场分布图，也可以直观的观测超声波在介质区域内当前位置分布图，以及接受器接受特定位置的超声波能量，并通过图形能看到能量随时间的变化情况[8]。

2.2.2步长的选取

单步跟踪法的理论基础时几何学，仅适用于介质比较均匀、各项同性以及边缘没有突变的情况，所能模拟的缺陷仅限于规则的几何缺陷，并假定缺陷表面是足够光滑的，以保证超声波在缺陷表面发生的是镜面发射。对于波现象中的干涉衍射等

问题，还没有很好的解决方法。在具体算法设计时，还存在一些局部缺陷，如步长变化时，在同一接受位置接收到的信号强度应该一直，但是，仿真计算的结果有时会产生差异，甚至会出现接受不到信号的现象。这种缺陷源于算法中携带能量的动点是否到达接受区域的判断方法，即：仅把到达接收点周围一定区域（一般为矩形或球形）内的动点认为是可接受能量的动点，为避免这一缺陷，比较有效地方法是单步跟踪的步长不大于接受范围的最短距离。

2.2.3超声波无损检测仿真过程中的脉冲响应

根据前面的分析，以发射波中某一个携带能量的伯利兹进行示例。跟踪过程的实质就是确定在第i+1步时，波粒子所在位置点1i B +的几何坐标。这里采用向线段的方法来确定动点1i B +的坐标。当点1i B +（1i X +,1i Y +）处于介质区域内是，该点就是

波粒子的下一时刻的位置;若点1i B +（1i X +,1i Y +）处于介质区域外时，说明该粒子在传播过程中遇到了边界面，发生了反射现象，下一时刻，该波粒子的位置必须通过反射定律确定。在仿真计算时，变成处理如下：把波线（两个具有因果关系的波粒子之间的连线）与边界的交点E 坐标值赋予1i A +，反射后得到的反射点坐标值赋予1i B +，这样1i A +点仍可以看做是动波源，所以跟踪过程得以模块化循环运行。用同样的方法跟踪其它点。同时在求解动点1i B +的过程中，对每个点都乘以相对应的边界

衰减系数。挡某点携带的能量小于阈值时，就不在跟踪此点。所有被跟踪的点都计算完毕后，可以得到动点1i B +在介质区域内的分布图，即为超声波传播的波形图。如果1i B +点处于接收器能够接受道德范围内，则记录下当前的时间和该店的能量值，

然后把统一时刻接收到的能量值累加，就可以得到接收器接收到的能量—时间关系图。

2.3超声波无损检测系统

2.3.1超声波无损检测系统构成及其工作原理

超声波无损检测仪显示方式主要有A 、B 、C 三种：A 型显示示波屏横坐标代表超声波传递时间（或距离），纵波代表反射回波的高度，这种显示能给出缺陷的埋藏

深度及缺陷反射信号和幅值、形状；B 型显示示波屏横坐标代表超声波传播时间（或

距离），这类显示得到的是探头扫查深度方向的断面图；C 型显示仪器示波屏代表被

检工件的投影面，这种显示能绘出缺陷的水平投影位置，但不能给出缺陷的埋藏深度[9]。

图2.1A型检测仪单探头工作方式的电路框图

图2.1是A型检测仪单探头工作方式的电路框图，它主要由发射部分、接收部分、时间轴部分和同步部分、示波器、电源等组成。其中发射部分10能产生约500V 以上的高压脉冲，这个电脉冲加到压电晶片上能使晶片发出超声波；接收部分5是由高频放大及衰减器6、检波电路7、视频放大器E组成，它有射频显示(即不检波显示)和视频显示(即检波显示)两种波形显示形式；时间轴部分l能产生使示波管的电子束在水平方向自左向右作等速移动的电压，同步部分9控制发射、时间轴等发生的时间，以协调它们的工作。

它的工作原理是同步电路产生周期性的同步脉冲信号一方面它触发发射电路产生一个持续时间极短的电脉冲加到探头内的压电转换器上，激励脉冲产生脉冲超声波；另一方面，同步脉冲经扫描延迟，在时间上适当延迟后控制扫描发生器产生线性较好的锯齿波，经X轴放大器放大后加到示波管X轴偏转板上是光点从左到右随时间做线性运动。超声波透过耦合剂射入试件，在试件内传播的超声波遇到界面或缺陷时即产生反射，这种超声波可由已停止激振的原探头接收(单探头工作方式)，或由另一接收探头接收(双探头工作方式)转变成电脉冲输入高频放大器，经检波电路再由视频放大器进一步放大后加到示波管的Y轴偏转板上。这时，光点不仅在水平线上按时间做线性移动，而且还要受Y轴偏转板上电压的影响作垂直运行，从而在扫描线上出现波形。根据反射回波在扫描线上的位置，可确定试件中界面或缺陷与换能器间的距离，荧光屏上显示的波高一般与换能器接收到的超声波声压成正比，故可以据此评价反射回波的声压大小。

2.3.2超声波无损检测系统的噪声分析

超声波无损检测系统通过控制超声波探头在被检查对象表面的自动扫查运动来

采集信号,并送至超声波信号采集分析仪中以分析判定被检查对象中缺陷所在的位置和大小。实际检查要求6台电机带动6个机械轴相互协调运动以完成覆盖被检查对象表面的信号采集工作,故系统设计中采用6台直流伺服电动机通过相应机械传动装置带动超声波探头按照预定轨迹作扫查运动[10]。

2.3.3超声波无损检测系统电磁干扰分析

本系统实际应用过程中所面临的一个亟待解决的问题就是超声波信号采集过程中电磁干扰噪声的抑制问题。因为超声波探头对空间中存在的高频电磁场干扰十分敏感,而电磁干扰信号耦合进入超声波探头后在超声信号采集分析仪上引起频率较高的杂乱交变信号,使信噪比大幅下降,严重影响有用信号的读取和分析。针对这个问题,解决方法之一是使现场采集的超声信号先经前置放大器放大后再用屏蔽线长距离传输到超声信号采集分析仪,以提高回路中的信噪比,但仍不能满足判伤要求。考虑可能是驱动电机所用的双极式PWM(脉宽调制)放大器输出电流纹波产生的空间电磁场变化通过耦合介质进入超声波探头。

2.3.4常用抑制噪声的方法

实际系统中,由于所使用的是印制绕组直流电机,电枢电感较小,所以电枢电流波动量相对较大,这时可在电枢回路中串入两个一组的外接补充电感L3、L4(每个容量为3mH25A),注意接线时如图2.2所示,保证电流由电感L3、L4同名端流入,即

增大,从两电感顺向串联。这样将大幅增加电枢回路的总电感量,使电磁时间常数T

L

而

图2.2超声无损检测系统接线图

大大降低电枢电流波动量。图3中还有一个高频隔离单元,原理是将两个小电感L1、L2(容量为0.4mH25A)反向串联构成共模电感输入式滤波电路(因为电流很大,故

仅用电感),加入电枢回路中,这样可抑制PWM放大器对外辐射的高频电磁波。这里所使用的都是高频电感,因为采用普通铁芯制作的电感在频率高达16kHz的脉动电流作用下,电感极易发热烧毁。

速度环、电流环仿真波形实际应用中需保证PWM放大器输出电流先经过高频隔离单元滤除高频分量后,再连接补充大电感,最后送入电机。并且须使高频隔离单元和外接补充电感距离PWM放大器在1ｍ之内,另外所有部分之间的连线均采用接地良好的屏蔽双绞线。这一系列措施的采用可使PWM放大器原理上固有的输出电流波动对外界空间产生的高频电磁干扰影响降低到最小程度,因而得以从根本上解决环境噪声对超声波无损检测系统的干扰,使超声信号采集分析中信噪比大大提高,满足实际工作要求[11]。

第三章超声波无损检测应用举例

3.1利用超声波无损检测技术检测混凝土厚度

3.1.1声束反射法测量水泥混凝土路面厚度的原理

超声波从一种其声阻抗为Z 1=11V ρ介质传播到另一种其声阻抗为Z 2=22V ρ的介质时,在界面上有一部分能量被反射,产生反射波;另有一部分能量将穿过界面,形成折射波[12]。设入射角为α,反射角为α1,折射角为β,反射波声能E 2与入射波声能E 1之比,称为声能反射率γ,透过声能E 3与入射声能E 1之比,称为声能透过率t，下面分别证明之。反射率

12

E E =γ3-(1)γ的大小与入射角、介质声阻抗率及第二介质的厚度有关。当第二介质甚厚时

21212cos cos cos cos ????????+?=βαβαγZ Z Z Z 3-(2)

如果声波垂直于界面入射,即α=β=0°时,上式可写成

21212????????+?=Z Z Z Z γ3-(3)透射率

1

3E E t =

3-(4)当第二介质甚厚时,2122cos cos cos 2????????+=βααZ Z Z t 3-(5)

若为垂直入射，00==βα时，则t=()222121γ?=????????+Z Z Z 3-(6)

根据以上声学现象可知,在路面面层与灰土基层之间的界面上必产生反射波。假定面

层混

凝土声速为4200m/s ,密度为2500kg/m 3,石灰土的声速为3000m/s ,密度为2000kg/m 3

若α=30°,则由(2)式可知反射率为24%,

所以只要能从直达波和反射波混杂的接收波中识别出反射波的叠加起始点,并测出反射波到时值T ,就可由下式计算混凝土的厚度:()221L T V 2

1H ??=3-(7)式中，H为混凝土厚度,V 1为混凝土声速,T为反射波走时,L为两换能器间距。

3.1.2平面反射法

图3.1利用超声波测混凝土厚度示意图

采用上图所示的方式放置换能器。因为混凝土中声能的衰减与频率的4次方成正比,所以要求发射换能器的频率不能太高,否则会影响反射波首波波幅,我们采用150kHz 的换能器作为发射探头(T)。当超声波在底面反射时,其接收频率明显降低,而且降低的程度随反射声程的增长而增加,所以接收换能器(R)的频率应与反射波频率相适应,这样可滤去一部分高频直达波,有利于反射波的识别[13]。