柔性防水材料厚度超声测量实验研究

蔡小龙， 何　涛

(1 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068; 2 湖北工业大学现代制造质量工程重点实验室，湖北 武汉 430068)



柔性防水材料厚度超声测量实验研究

蔡小龙1， 何涛2

(1 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068; 2 湖北工业大学现代制造质量工程重点实验室，湖北 武汉 430068)

[摘要]采用超声A扫描成像技术检测柔性防水材料的厚度。从A超测厚仪的原理、组成和实验结果阐述该仪器的测量过程。与传统检测技术的对比实验表明超声A扫描成像技术在柔性防水材料厚度测量时更具有普适性、无损性、先进性

[关键词]柔性防水材料厚度； 超声波； 无损检测

防水层厚度检测是控制防水层质量的一项主要技术指标[1]。传统防水材料厚度测量的手段相对有限，主要通过割开法等直接检测防水层厚度，但割开检测不能很好模拟现场的施工情况，难以反映现场施工质量的优劣，且对所检测的防水材料产生不可恢复的破坏。

1A超测厚仪及其检测原理

柔性防水材料厚度超声测量系统的主要目的是对柔性防水材料进行现场超声检测，其方法在本质上属于脉冲回波法，即通过对反射回波的分析，实时生成所测单元的防水层厚度检测结果，并以报表的形式打印输出，据此来评定所测单元的防水层厚度是否合格。如图1所示，整个测量系统包括：超声检测模块，数据采集、处理模块和显示输出模块。测量系统实物如图2所示。

图 1　系统结构框图

1-水泥基底; 2-单通道探头; 3-柔性防水材料;4-适配器; 5-A超测厚仪; 6-PC机; 7-RS232串口数据线图 2　柔性防水材料测厚系统实物图

1.1超声检测模块

防水材料厚度测量系统超声检测模块由超声探头、超声发射/接收模块和主控计算机组成。在检测软件的控制下发射/接收超声信号，并进行信号的模/数转换，得到数字超声信号。对数字超声信号进行分析、计算和处理，得到防水材料厚度的测量结果，并把该测量结果通过网络传输到主控计算机。

1.2数据采集与处理模块

防水材料厚度测量系统的数据采集与处理模块主要由A/D转换电路、低噪声放大电路、时间增益补偿电路、高压放大电路、数据存储电路等部分组成，其电路框图如图3所示。它除了可以完成回波信息采集工作外，还可做一些改善回波质量方面的工作。

图 3　数字A超数据采集与处理电路框图

1.3显示与输出模块

此模块(图4)既是软件系统的最后一个环节，也是其最直观的部分。一方面，它具有显示方面的功能，即通过友好的人机交互界面完整地显示本系统所有能够实现的功能，还能够实时获取数据采集与处理模块处理好的防水层位置信息和厚度值。另一方面，它又具有输出方面的功能，即可以把所测得的防水层厚度值和含有防水层厚度分布情况信息的A超图像一同生成报表自动传输到Word中进行打印输出。

图 4显示输出模块结构图

1.4防水材料厚度超声测量原理

本文实验采用的是脉冲反射法原理进行测量。发射声波时用有压电效应的晶体材料[2]做的晶片，在高频电压的激励下产生厚度方向的伸缩，产生振动传出就形成超声波。理论上来讲，由于防水材料的介质密度远远大于耦合剂的密度，也与防水基层的介质密度差异较大，当超声波在传播过程中遇到防水层的上、下两个异质界面时，会因界面两侧介质的声阻抗的差异而发生反射，晶片在超声波的声压作用下，在晶片两侧产生电荷，产生一个小的电信号，经放大电路放大后可识别，故而防水材料的厚度值与超声波在两个异质界面的反射情况之间存在着一定的相关性。本文超声波的发射与接收是由同一个超声探头完成的。脉冲反射法的测量原理如图5所示。

图 5　防水材料厚度超声测量原理图

2系统软件

成像测厚软件工作在Windows 7操作系统下，是一个完整的Windows应用程序[3]。采用VC++编程语言编制的超声测厚和成像软件，与用MFC编制的人机交互界面，分别装入主控计算机中。利用RS232通讯协议实现超声测厚仪与主控计算机之间的实时数据传输和通讯控制。该超声测厚系统软件功能主要包括：工作界面显示、超声检测操作、滤波设置、增益参数设置、脉冲宽度设置、防水材料厚度数据和回波信息的存储与显示等。超声测厚和成像程序在仪器和主控计算机中的工作流程见图6所示。

图 6　系统软件流程

3实验部分

3.1实验器材

实验室现有防水材料样品模块11种、游标卡尺、耦合剂、水泥基底、A超测厚仪(江苏赛福探伤设备制造，如图7所示)。

图 7　A超测厚仪

3.2实验步骤

分别用游标卡尺和A超仪对实验室现有的11种防水材料模块进行每种10组数据的厚度测量，然后分别比较这11种防水材料两种测量方式的均值，并进行实验结果分析。

3.3检测标准

采用GB_18242-2000《弹性体改性沥青防水卷材》、GB_18243-2000《塑性体改性沥青防水卷材》，以及《建筑防水工程现场检测技术规范》[3]。

4实验结果与分析

4.1两种方法测量数据对比

为了便于测试，选取公称厚度0.9~3.0 mm的11种不同规格型号、不同品牌的市售柔性防水材料[2]作为研究对象，并分别用游标卡尺和A超测厚仪进行每种10组数据的测量，对每种防水材料两种测量方式所测数据的均值进行比较， 所有厚度数据如表1所示。

表1　两种方法测得防水材料厚度及其偏差数据对比

将表1中11种柔性防水材料共计22组厚度数据按照编号从小到大排序，对超声A扫描测厚仪的测量结果与有经验的咨询师手动割开法的测量结果进行比较，比较统计结果如图8所示。

图 8　仪器测量结果与割开法测量结果对比

4.2结果分析

从表1和图8可以看到，A超测厚仪所测结果与割开法所测结果是基本吻合的。但是为了验证仪器的有效性，在今后的工作中还需要对仪器测量结果和手动测量结果的差异性[4]和相似性进行比较，并且充分考虑超声波测厚示值的影响因素及预防措施。

5影响防水材料超声测厚准确性的因素

5.1声速

由于超声波在不同材料中传播速度不一样，导致其在材料中往返所需的时间也不相同，会造成测厚值不同。再者，测厚时过激的应力和温度也会带来相应的误差。

5.2防水层施工结构的影响

根据防水材料施工现场作业要求，防水材料铺设方法分为湿铺法和干铺法。所谓干铺法，是把防水材料表面上的塑料薄膜撕掉，直接铺在需要防水单元的基上，不做任何其他的辅助铺设；所谓湿铺法，指的是通过水泥砂浆进行防水层与防水基底的粘接，并且在水泥砂浆里添加适量的聚合物乳液以更好地粘接防水层与防水基底。因此，防水层结构会因防水材料现场施工方法的不同而异。

防水层与防水基底介质特性之间(即防水层与防水基底介质之间特性)差异越大，超声波反射效果越好；防水层本身材质均匀、致密，则有利于超声波在其中传播；防水层表面越光滑，超声波的耗能就越小，才能有效地传导入射波及获取反射波。此外，防水层内部存在不连续性及微小的缺陷(气孔、微裂纹等)，都会影响防水材料超声测厚的准确性。

5.3耦合剂

实验发现，耦合剂在柔性防水材料测厚过程中的耦合效果对测厚结果影响非常大，主要表现在两个方面：一是由于耦合层过厚，使得测厚数据偏大，造成误差；二是在不同温度条件下的耦合测厚会存在较大误差，且多数测厚数据大于实际值。

5.4防水材料中的夹杂物

被测防水材料中的非金属、夹杂物也会使声波的方向、速度和传播路径发生变化。例如在防水材料轧制时被碾平的氮化物、硫化物或其他类型夹渣等，容易使超声波产生反射和折射。

5．5测厚探头与材料表面不垂直

在某些特殊柔性防水材料测厚过程中，由于材料表面凹凸不平，不易耦合好，使得工件表面与测厚探头不垂直，这时的测厚数据往往与实际数值有很大偏差。

6结论

超声A扫描成像技术充分利用计算机的分析、运算、处理、自动控制、存储和显示等功能。同时，还可以实时显示波形和波形数据的存储，继而判断材料内部缺陷的分布情况和防水层厚度数据的分析。把这种先进的无损检测技术用于柔性防水材料厚度测量，不仅可满足生产测量精度和速度的要求，同时还可降低设备的研发成本，提高检测稳定性和检测结果的可靠性。超声A扫描成像技术在柔性防水材料厚度测量的成功应用表明，该技术可有效地运用于现场快速测量和检验，满足生产的需求。

[参考文献]

[1]沈春林.防水工程手册 [M]. 第二版.北京：中国建筑工业出版社,2006.

[2]钟冲.轴承腔壁面油膜厚度超声测量实验研究[J].推进技术,2014,35(8):1 110-1 115.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑防水工程现场检测技术规范： JGJ/T 299-2013[S].北京:中国建筑工业出版社，2013.

[4]司春杰.钢板超声波测厚仪测量误差及分析[J].无损检测,2013,35(12):64-66.

[责任编校： 张众]

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

[中图分类号]TU761, TP274

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0022-04

[作者简介]蔡小龙(1989-)， 男， 湖北荆州人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为超声检测技术

[基金项目]广东省大亚湾区2011年科技计划项目(20110121)

[收稿日期]2015-11-20