蔡小龍， 何　濤

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068; 2 湖北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點實驗室，湖北 武漢 430068)

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柔性防水材料厚度超聲測量實驗研究

蔡小龍1， 何濤2

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068; 2 湖北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點實驗室，湖北 武漢 430068)

[摘要]采用超聲A掃描成像技術(shù)檢測柔性防水材料的厚度。從A超測厚儀的原理、組成和實驗結(jié)果闡述該儀器的測量過程。與傳統(tǒng)檢測技術(shù)的對比實驗表明超聲A掃描成像技術(shù)在柔性防水材料厚度測量時更具有普適性、無損性、先進(jìn)性

[關(guān)鍵詞]柔性防水材料厚度； 超聲波； 無損檢測

防水層厚度檢測是控制防水層質(zhì)量的一項主要技術(shù)指標(biāo)[1]。傳統(tǒng)防水材料厚度測量的手段相對有限，主要通過割開法等直接檢測防水層厚度，但割開檢測不能很好模擬現(xiàn)場的施工情況，難以反映現(xiàn)場施工質(zhì)量的優(yōu)劣，且對所檢測的防水材料產(chǎn)生不可恢復(fù)的破壞。

1A超測厚儀及其檢測原理

柔性防水材料厚度超聲測量系統(tǒng)的主要目的是對柔性防水材料進(jìn)行現(xiàn)場超聲檢測，其方法在本質(zhì)上屬于脈沖回波法，即通過對反射回波的分析，實時生成所測單元的防水層厚度檢測結(jié)果，并以報表的形式打印輸出，據(jù)此來評定所測單元的防水層厚度是否合格。如圖1所示，整個測量系統(tǒng)包括：超聲檢測模塊，數(shù)據(jù)采集、處理模塊和顯示輸出模塊。測量系統(tǒng)實物如圖2所示。

圖 1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1-水泥基底; 2-單通道探頭; 3-柔性防水材料;4-適配器; 5-A超測厚儀; 6-PC機(jī); 7-RS232串口數(shù)據(jù)線圖 2　柔性防水材料測厚系統(tǒng)實物圖

1.1超聲檢測模塊

防水材料厚度測量系統(tǒng)超聲檢測模塊由超聲探頭、超聲發(fā)射/接收模塊和主控計算機(jī)組成。在檢測軟件的控制下發(fā)射/接收超聲信號，并進(jìn)行信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字超聲信號。對數(shù)字超聲信號進(jìn)行分析、計算和處理，得到防水材料厚度的測量結(jié)果，并把該測量結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺赜嬎銠C(jī)。

1.2數(shù)據(jù)采集與處理模塊

防水材料厚度測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要由A/D轉(zhuǎn)換電路、低噪聲放大電路、時間增益補(bǔ)償電路、高壓放大電路、數(shù)據(jù)存儲電路等部分組成，其電路框圖如圖3所示。它除了可以完成回波信息采集工作外，還可做一些改善回波質(zhì)量方面的工作。

圖 3　數(shù)字A超數(shù)據(jù)采集與處理電路框圖

1.3顯示與輸出模塊

此模塊(圖4)既是軟件系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，也是其最直觀的部分。一方面，它具有顯示方面的功能，即通過友好的人機(jī)交互界面完整地顯示本系統(tǒng)所有能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，還能夠?qū)崟r獲取數(shù)據(jù)采集與處理模塊處理好的防水層位置信息和厚度值。另一方面，它又具有輸出方面的功能，即可以把所測得的防水層厚度值和含有防水層厚度分布情況信息的A超圖像一同生成報表自動傳輸?shù)絎ord中進(jìn)行打印輸出。

圖 4顯示輸出模塊結(jié)構(gòu)圖

1.4防水材料厚度超聲測量原理

本文實驗采用的是脈沖反射法原理進(jìn)行測量。發(fā)射聲波時用有壓電效應(yīng)的晶體材料[2]做的晶片，在高頻電壓的激勵下產(chǎn)生厚度方向的伸縮，產(chǎn)生振動傳出就形成超聲波。理論上來講，由于防水材料的介質(zhì)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耦合劑的密度，也與防水基層的介質(zhì)密度差異較大，當(dāng)超聲波在傳播過程中遇到防水層的上、下兩個異質(zhì)界面時，會因界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗的差異而發(fā)生反射，晶片在超聲波的聲壓作用下，在晶片兩側(cè)產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生一個小的電信號，經(jīng)放大電路放大后可識別，故而防水材料的厚度值與超聲波在兩個異質(zhì)界面的反射情況之間存在著一定的相關(guān)性。本文超聲波的發(fā)射與接收是由同一個超聲探頭完成的。脈沖反射法的測量原理如圖5所示。

圖 5　防水材料厚度超聲測量原理圖

2系統(tǒng)軟件

成像測厚軟件工作在Windows 7操作系統(tǒng)下，是一個完整的Windows應(yīng)用程序[3]。采用VC++編程語言編制的超聲測厚和成像軟件，與用MFC編制的人機(jī)交互界面，分別裝入主控計算機(jī)中。利用RS232通訊協(xié)議實現(xiàn)超聲測厚儀與主控計算機(jī)之間的實時數(shù)據(jù)傳輸和通訊控制。該超聲測厚系統(tǒng)軟件功能主要包括：工作界面顯示、超聲檢測操作、濾波設(shè)置、增益參數(shù)設(shè)置、脈沖寬度設(shè)置、防水材料厚度數(shù)據(jù)和回波信息的存儲與顯示等。超聲測厚和成像程序在儀器和主控計算機(jī)中的工作流程見圖6所示。

圖 6　系統(tǒng)軟件流程

3實驗部分

3.1實驗器材

實驗室現(xiàn)有防水材料樣品模塊11種、游標(biāo)卡尺、耦合劑、水泥基底、A超測厚儀(江蘇賽福探傷設(shè)備制造，如圖7所示)。

圖 7　A超測厚儀

3.2實驗步驟

分別用游標(biāo)卡尺和A超儀對實驗室現(xiàn)有的11種防水材料模塊進(jìn)行每種10組數(shù)據(jù)的厚度測量，然后分別比較這11種防水材料兩種測量方式的均值，并進(jìn)行實驗結(jié)果分析。

3.3檢測標(biāo)準(zhǔn)

采用GB_18242-2000《彈性體改性瀝青防水卷材》、GB_18243-2000《塑性體改性瀝青防水卷材》，以及《建筑防水工程現(xiàn)場檢測技術(shù)規(guī)范》[3]。

4實驗結(jié)果與分析

4.1兩種方法測量數(shù)據(jù)對比

為了便于測試，選取公稱厚度0.9~3.0 mm的11種不同規(guī)格型號、不同品牌的市售柔性防水材料[2]作為研究對象，并分別用游標(biāo)卡尺和A超測厚儀進(jìn)行每種10組數(shù)據(jù)的測量，對每種防水材料兩種測量方式所測數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行比較， 所有厚度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　兩種方法測得防水材料厚度及其偏差數(shù)據(jù)對比

將表1中11種柔性防水材料共計22組厚度數(shù)據(jù)按照編號從小到大排序，對超聲A掃描測厚儀的測量結(jié)果與有經(jīng)驗的咨詢師手動割開法的測量結(jié)果進(jìn)行比較，比較統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。

圖 8　儀器測量結(jié)果與割開法測量結(jié)果對比

4.2結(jié)果分析

從表1和圖8可以看到，A超測厚儀所測結(jié)果與割開法所測結(jié)果是基本吻合的。但是為了驗證儀器的有效性，在今后的工作中還需要對儀器測量結(jié)果和手動測量結(jié)果的差異性[4]和相似性進(jìn)行比較，并且充分考慮超聲波測厚示值的影響因素及預(yù)防措施。

5影響防水材料超聲測厚準(zhǔn)確性的因素

5.1聲速

由于超聲波在不同材料中傳播速度不一樣，導(dǎo)致其在材料中往返所需的時間也不相同，會造成測厚值不同。再者，測厚時過激的應(yīng)力和溫度也會帶來相應(yīng)的誤差。

5.2防水層施工結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)防水材料施工現(xiàn)場作業(yè)要求，防水材料鋪設(shè)方法分為濕鋪法和干鋪法。所謂干鋪法，是把防水材料表面上的塑料薄膜撕掉，直接鋪在需要防水單元的基上，不做任何其他的輔助鋪設(shè)；所謂濕鋪法，指的是通過水泥砂漿進(jìn)行防水層與防水基底的粘接，并且在水泥砂漿里添加適量的聚合物乳液以更好地粘接防水層與防水基底。因此，防水層結(jié)構(gòu)會因防水材料現(xiàn)場施工方法的不同而異。

防水層與防水基底介質(zhì)特性之間(即防水層與防水基底介質(zhì)之間特性)差異越大，超聲波反射效果越好；防水層本身材質(zhì)均勻、致密，則有利于超聲波在其中傳播；防水層表面越光滑，超聲波的耗能就越小，才能有效地傳導(dǎo)入射波及獲取反射波。此外，防水層內(nèi)部存在不連續(xù)性及微小的缺陷(氣孔、微裂紋等)，都會影響防水材料超聲測厚的準(zhǔn)確性。

5.3耦合劑

實驗發(fā)現(xiàn)，耦合劑在柔性防水材料測厚過程中的耦合效果對測厚結(jié)果影響非常大，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是由于耦合層過厚，使得測厚數(shù)據(jù)偏大，造成誤差；二是在不同溫度條件下的耦合測厚會存在較大誤差，且多數(shù)測厚數(shù)據(jù)大于實際值。

5.4防水材料中的夾雜物

被測防水材料中的非金屬、夾雜物也會使聲波的方向、速度和傳播路徑發(fā)生變化。例如在防水材料軋制時被碾平的氮化物、硫化物或其他類型夾渣等，容易使超聲波產(chǎn)生反射和折射。

5．5測厚探頭與材料表面不垂直

在某些特殊柔性防水材料測厚過程中，由于材料表面凹凸不平，不易耦合好，使得工件表面與測厚探頭不垂直，這時的測厚數(shù)據(jù)往往與實際數(shù)值有很大偏差。

6結(jié)論

超聲A掃描成像技術(shù)充分利用計算機(jī)的分析、運(yùn)算、處理、自動控制、存儲和顯示等功能。同時，還可以實時顯示波形和波形數(shù)據(jù)的存儲，繼而判斷材料內(nèi)部缺陷的分布情況和防水層厚度數(shù)據(jù)的分析。把這種先進(jìn)的無損檢測技術(shù)用于柔性防水材料厚度測量，不僅可滿足生產(chǎn)測量精度和速度的要求，同時還可降低設(shè)備的研發(fā)成本，提高檢測穩(wěn)定性和檢測結(jié)果的可靠性。超聲A掃描成像技術(shù)在柔性防水材料厚度測量的成功應(yīng)用表明，該技術(shù)可有效地運(yùn)用于現(xiàn)場快速測量和檢驗，滿足生產(chǎn)的需求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]沈春林.防水工程手冊 [M]. 第二版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[2]鐘沖.軸承腔壁面油膜厚度超聲測量實驗研究[J].推進(jìn)技術(shù),2014,35(8):1 110-1 115.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑防水工程現(xiàn)場檢測技術(shù)規(guī)范： JGJ/T 299-2013[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[4]司春杰.鋼板超聲波測厚儀測量誤差及分析[J].無損檢測,2013,35(12):64-66.

[責(zé)任編校： 張眾]

Experimental Study of Ultrasonic Measurement of Flexible Waterproof Material Thickness

CAI Xiaolong1, HE Tao2

(1SchoolofMechanicalEngin.，HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China;2HubeiKeyLabofModernManufactureQualityEngin.，Wuhan430068，China)

Abstract：This paper introduces a kind of A-Mode ultrasound scanning imaging technology in the application of flexible waterproof material thickness measuring. The thickness measurement system used the technology of single channel probe, PC, software work interface based on the MFC, and USB serial data transmission technology that follows RS232 communication protocol. The paper also discusses the measurement process from composition & principle of A-Mode ultrasound thickness gauge, and experiment result analysis. The experimental results show that A-Mode ultrasound scanning imaging technology is more universal, non-destructive, advanced than traditional methods measuring the flexible waterproof material thickness.

Keywords：flexible waterproof material thickness; ultrasonic; nondestructive testing

[中圖分類號]TU761, TP274

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0022-04

[作者簡介]蔡小龍(1989-)， 男， 湖北荊州人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為超聲檢測技術(shù)

[基金項目]廣東省大亞灣區(qū)2011年科技計劃項目(20110121)

[收稿日期]2015-11-20