非金属声波检测仪是利用超声波技术对混凝土内部缺陷进行无损检测的一种仪器。混凝土在浇铸过程中，其内部不允许产生空隙，在施工过程中如果发生断裂，破损将会大大影响混凝土构件的强度和质量，甚至会产生灾难性的后果。这些存在于混凝土内部的空隙以及在施工过程中地下产生的断裂肉眼是无法观测到的，只能靠非金属声波检测仪来检测，该仪器主要由主机和换能器组成，通过声波测试的方法测定被测介质中的声波传播时间、速度、振幅、频率和波形等声学参数的变化，从而了解被测介质(非金属)的物理学特性，经过分析、计算、处理后即可判断出非金属构件的内部质量。非金属声波检测仪检定装置是用于校核声波仪质量的设备，测定被检仪器各项技术指标是否达到规程要求，其检测的技术性能包括：发射电压幅值的稳定度和准确度；声时值测量的准确度。声时测量在空气中使用平面换能器，在水中则使用径向换能器。长期以来对径向换能器的检定/校准在国内尚属空白，近几年使用专用水池将换能器入水以水为介质才解决了径向换能器的校准工作。

对平面换能器的校准目前国内使用3种方法：(1)以标准测试棒为介质作为计量标准直接比对。该方法具有操作简单、快捷的优点，但温度变化引起在测试棒内声速的变化不得而知；(2)用手动或电动方式调节两换能器间距，使用游标卡尺测量间距(常用于平面换能器)；(3)将两种换能器组合联动并分别置于空气中和水中，以光栅尺作为计量标准器，配合电脑操作使检定/校准工作的自动化水平大大提升，本文将以该方式表述。

1 基本工作原理

1.1 声时测量工作原理

非金属声波检测仪除主机外尚配备一对平面换能器和一对径向换能器，在工程测量中主要观测超声波从发射换能器发出首波最先到达接受换能器的时间[1]。众所周知超声波在传播过程中遇到介质改变将会在介面产生折射或反射，其安装使用情况如图1所示。

图1-a为平面换能器安装图，发射面和接收面紧贴混凝土构件。图1-b为径向换能器安装图，换能器置于桩两侧水管中沿水管巡检。超声波从发射换能器发射后直线运行经过d1距离以恒速用S1时间首波最先到达接收换能器，当混凝土构件内部出现断裂破损形成空隙，超声波将会沿路径d2以同样速度用S2时间抵达[2]，显然d2>d1、S2>S1，差距越大说明构件内部空隙越大，破损越严重。

1-a 平面换能器安装图 1-b 径向换能器安装图图1 声时测量安装图Fig.1 Installation diagram of acoustic time measurement

1.2 计量检定装置组成与工作原理

1.2.1 幅值准确度检定

声波幅值准确度是声波仪的重要参数，其检测方框图如图2所示。检定采用电压比对的方法，信号发生器产生50 kHz的正弦波作为输入信号源输入声波仪输入通道和6位半数字多用表，观察声波仪显示屏显示的正弦波形失真情况及电压示值与6位半数字多用表精确电压值比对[3]，即可计算出幅值相对误差。

图2 幅值准确度检定框图Fig.2 Verification block diagram of amplitude accuracy

1.2.2 发射电压幅值稳定度测定

声波仪发射电压稳定度是又一重要技术指标，其检测方框图如图3所示。从声波仪发射端口接上负载电阻)，将发射电压置于最大，直接用数字示波器测量声波仪发射电压幅值，并在1 h内以均匀时间间隔测量5次，观测其数值变化计算误差。

图3 发射电压幅值稳定度测定框图Fig.3 Measurement block diagram of transmitting voltage amplitude stability

1.2.3 声时准确度检定

图4是最新的声波仪声时值计量检定装置，该装置是将平面换能器与径向换能器组成统一运动体，安置于水池上方轨道上的同一滑块平台上，分别以空气和水作为介质，利用计算机控制伺服电机调节两换能器间距并保持单轴直线运动，通过光栅位移尺精准定位与声波仪示值比对[4]。运动控制系统由硬件和软件两部分组成，微机控制单元设定滑动平台上的换能器移动支架，控制其移动距离和速度并做直线位移[5]。光栅尺作为计量标准器，其最高定位精准标称值可达0.5 μm。

图4 声时值计量检定装置框图Fig.4 Block diagram of acoustic time measurement verification device

2 检定装置主要技术指标与计算

2.1 标准声时值计算

众所周知，声音在不同的介质中传播速度差异甚大，即便在同一介质中不同的时间都不相同，这主要是受温度的影响。声波仪平面换能器以空气为介质，受环境温度影响，其标准声时为t01；径向换能器以水为介质，超声波在水中传播同样距离内其标准声时为t02，则

文章来源：《中国计量》 网址: http://www.zgjlzz.cn/qikandaodu/2021/0706/570.html