超声检测概述论文

煤矿机械轴类超声检测技术应用论文

1超声检测（UT）

超声检测是无损检测技术的一种，是通过超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，接收器接收反射波，并对反射波进行分析，精确地测出缺陷，并能确定缺陷位置和大小的一种检测技术。超声检测适用于探测被检物内部的面积型缺陷。超声检测的优点是穿透力强、设备轻便、检测成本低、检测效率高，能即时得到检测结果，又能实现自动化检测，在缺陷检测中对危害性较大的裂纹类缺陷特别敏感等。

2煤矿机械运行现况

煤矿采用的大部分机械设备都在粉尘、潮湿、有害气体等恶劣的环境中运行，时常会受到巨大冲击载荷，且长期处于高强度运转状态。高速运行、重载的工作环境所产生的交变载荷，非常容易使材料的内部缺陷或主轴加工过程中因加工工艺产生的缺陷扩大，形成危险性裂纹。还有司机操作不当、设计安装、主轴锻造等带来的缺陷，主轴本身在运行过程中材质强度和刚度发生变化等产生疲劳裂纹，如果这些危险性裂纹不能及时被发现，就有可能导致机械主轴突然断裂，引发重大安全事故，将给矿方带来不必要的损失。

3煤矿需要检测机械主轴

需要检测的主要主轴有：主通风机主轴、提升机滚筒主轴、天轮主轴、输送带机滚筒主轴、罐笼或箕斗提升主轴、架空乘人装置驱动轮与迂回轮主轴等。上述主轴由于受到组装在轴上的结构件约束或覆盖，这些部件所在轴上的部位正是应力集中、易产生表面或内部裂纹的区域，如采用其他无损检测方法检测，需把这些组装部件全部从主轴上分解拆卸下来，这样做不但浪费大量的人力物力财力，而且直接影响煤矿正常生产。为解决这一难题，更好地为煤矿机械设备运行提供条件，采用超声检测对主轴进行不解体检测，效果会更好些。

4机械主轴超声检测技术

准备工作

掌握被检机械主轴现实状况检测人员到达检测现场后，首先与矿方沟通，索要有关机械主轴的基本资料，根据提供的资料掌握主轴采用的材质、热处理状态、几何形状、尺寸、组装件结构及数量、受力状态，现场检测条件及环境等现实状况，为超声检测提供条件。其次，根据掌握的资料情况，与矿方制定检测计划。

超声检测部位的选择根据主轴的传动结构，受力状况，应力集中的程度选择主轴的联轴器变径部位、滚筒与主轴连接部位，主轴与电机固定端的变径部位、键槽的根部等作为重点超声检测部位。

超声检测面清理在选定的检测部位用棉纱清理污染物、用砂纸打磨锈蚀处等。

探头和标准试块选择超声检测时，根据被检主轴的材质晶粒度状态选择探头，一般超声波检测选用的探头即可。标准试块根据被检主轴的形状、长度选用CS-I、CS-2C、CSK-ⅢA、CSK-ⅡA、RB-2等型号标准试块作为超声检测灵敏度校验。

仪器灵敏度调节检测仪器灵敏度通过调节超声波探伤仪上的[增益]、[衰减器]、[发射强度]等旋钮来实现。径向检测时采用直探头检测方法，直探头灵敏度调节有工件底波调节法和对比试块法。当径向主轴长度S≤3N(近场区)时采用试块对比法，S＞3N(近场区)的主轴采用大平底底波调整法调整检测灵敏度。斜探头检测灵敏度调整是利用CSK-IIA或者RB-2试块将检测系统灵敏度调整为2或3水平。

耦合剂的选择超声波检测中常采用机油、变压器油、甘油、水、水玻璃作为耦合剂。

主轴超声检测方法

主轴超声检测采用直探头和斜探头两种探头，直探头主要检测主轴的裸露部位，斜探头主要检测主轴的联轴器变径部位、滚筒与主轴连接部位，主轴与电机固定端的变径部位、主轴与风机扇叶连接部位、键槽的根部等。

直探头扫查

1）径向扫查：让矿方用扳手打开主轴端盖，在主轴端部涂上耦合剂，将纵波直探头放置主轴端面以压力为～1kg、20～50mm/s速度做100%扫查，扫查过程中要用探头呈“W”型重叠扫查。探头扫查的同时，应随时观察仪器屏幕的波形变化并对有关显示的信息逐一判断。

2）周向扫查：在主轴裸露部位涂上耦合剂，用直探头以同样的压力和速度做100%扫查周向的全方位扫查。直探头扫查的同时，并随时观察仪器屏幕的波形变化，对有关显示的信息逐一判断。

斜探头扫查主轴的联轴器变径部位、滚筒与主轴连接部位，主轴与电机固定端的变径部位、键槽的根部等未裸露部位采用横波斜探头检测技术，以～1kg的压力、20～50mm/s的速度沿主轴径向100%扫查。

5缺陷定位、定量、评定

缺陷定位

缺陷定位就是根据探伤仪器示波屏上缺陷回波的水平刻度值与扫描速度来对缺陷进行定位。直探头纵波检测时，仪器时基线扫描线按照1︰n的比例调整好以后，从仪器水平刻度上缺陷波的位置，可以直接得到缺陷离探测面的距离。例如：时基线按声程的1︰2比例调节，主轴底波应在10格出现，当在6格处出现缺陷波时，那么该缺陷离开探测面距离为：2×60=120mm。横波斜探头检测主轴时，缺陷位置可由折射角(β)和声程x来确定（极坐标系），也可由缺陷的水平距离L和深度来确定（直角坐标系）。

缺陷的'定量

缺陷的定量是指在检测中测定的缺陷大小、数量、长短、面积等。缺陷定量的准确与否，直接关系到测试成败。只有准确确定缺陷大小才能让矿方及时采取更换或维修等措施，避免出现重大事故及时消除潜在隐患。目前主轴缺陷的定量法当量法和测长法。主轴横向疲劳裂纹深度的测定采用当量法，对裂纹长度的测定采用测长法。当量法在主轴探伤中常用当量试块比较法和底波高度(dB)相对对比法。

缺陷的评定

检测完成后，根据缺陷波长短、数量、波形特征，按照GB/T6402-2008《钢锻件超声检测方法》、JB/T1581-2014《汽轮机、汽轮发电机转子和主轴锻件超声波探伤方法》等标准要求给出缺陷准确的评定，矿方才能依据缺陷性质，决定是否需要采取措施来解决存在的缺陷，也可以决定在使用过程中密切关注的缺陷发展程度。总之，超声检测技术可以在不破坏构件的条件下，检测机械主轴结构件的内部缺陷，不但可以进行定性评价，还可以对缺陷的大小和位置等进行定量，并给出评价结果，为煤矿机械设备的正常运行提供可靠的保证，也为煤矿企业的安全生产提供了可靠的保障。

摘要]本文主要介绍了超声波的特点,超声波传感器的原理与应用等多个方面。文中阐述了超声波与可听声波的区别,超声波传感器在医疗,工业生产,液位测量,测距系统等多个领域中得到了广泛的应用。因超声波具有的独特的特性,使得超声波传感器越来越在生产生活中体现了其重要性,具有一定的研究价值。 [关键词]超声波 传感器 疾病诊断 测距系统 液位测量 一、超声波传感器概述 1.超声波 声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波,其每秒的振动次数很高,超出了人耳听觉的上限,人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:传播特性──超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,这一特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的。空化作用──当超声波在液体中传播时,由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合,会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用,会使液体的温度骤然升高,从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化,并且加速溶质的溶解,加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。 超声波的特点:(1)超声波在传播时,方向性强,能量易于集中;(2)超声波能在各种不同媒质中传播,且可传播足够远的距离;(3)超声波与传声媒质的相互作用适中,易于携带有关传声媒质状态的信息(诊断或对传声媒质产生效应)。 2.超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送,也能作接收。 超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。二、超声波传感器的应用 1.超声波距离传感器技术的应用 超声波传感器包括三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。 2.超声波传感器在医学上的应用 超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。 3.超声波传感器在测量液位的应用 超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。 4.超声波传感器在测距系统中的应用 超声测距大致有以下方法:①取输出脉冲的平均值电压,该电压 (其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,故被测距离为 S=1/2vt。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。 三、小结 文章主要从超声波与可听声波相比所具有的特性出发,讨论了超声波传感器的原理与特点,并由此总结了超声波传感器在生产生活各个方面的广泛应用。但是,超声波传感器也存在自身的不足,比如反射问题,噪声问题的等等。因此对超声波传感器的更深一步的研究与学习,仍具有很大的价值。 参考文献: [1]单片机原理及其接口技术.清华大学出版社. [2]栗桂凤,周东辉,王光昕.基于超声波传感器的机器人环境探测系统.2005,(04). [3]童敏明,唐守锋.检测与转换技术.中国矿业大学出版社. [4]王松,郑正奇,邹晨祎.超声定位车辆路径监测系统的设计.2006,(10). [5]俞志根,李天真,童炳金.自动检测技术实训教程.清华大学出版社. 转贴于 中国论文下载中心