基于空气耦合超声的导爆索断细药检测

李光亚，王明泉，郑景义

(1.中北大学 山西省动态测试技术重点实验室， 太原 030051;2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051;3.中北大学 信息与通信工程学院， 太原 030051;4.山西北方晋东化工有限公司, 阳泉 045000)



基于空气耦合超声的导爆索断细药检测

李光亚1,2,3，王明泉1,2,3，郑景义4

(1.中北大学 山西省动态测试技术重点实验室， 太原 030051;2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051;3.中北大学 信息与通信工程学院， 太原 030051;4.山西北方晋东化工有限公司, 阳泉 045000)

导爆索断细药的检测方法多为接触式，存在有安全隐患、检测效率较低的问题，提出了一种基于空气耦合超声的导爆索断细药检测方法。通过对药芯的非接触检测实现对断细药情况的快速测量。使用空气耦合超声检测法可有效提高导爆索断细药的检测效率和检测精度。

导爆索;断细药;空气耦合超声;非接触测量

在众多的爆破器材中，由于导爆索具有可靠性好、结构简单等特点而被广泛应用。因为缠绕型导爆索具有较高的生产效率,所以在国内的导爆索产品中占有重要地位，但由于缠绕型导爆索加工工艺导致的装药密度和均匀度都不够理想，容易出现断药和细药的情况，从而影响导爆索的传爆性能[1-2]。如图1所示是缠绕型导爆索药芯的加工工艺，炸药和粘合剂按照一定比例混合后装在装药器中，通过对装药器中施加一定的气压使得混合药向下流出，在装药器下方通过多个编织物锭子旋转缠绕从而形成药芯，编织物一般为天然纤维或人造纤维。成型后的药芯再经过挤塑和增密等工艺,从而成为最终的导爆索成品[3-4]。

图1　缠绕型导爆索药芯加工工艺示意

缠绕型导爆索的断细药情况一般在药芯的生产过程中产生，此时药芯的外径会因为断药和细药出现明显的跳变，而在经过挤塑工艺后会变为外径一致的成品，因此对于此种导爆索断细药的检测必须在药芯的制作过程中完成。考虑到导爆索药芯的生产环境和安全性，对于药芯断细药的检测手段非常有限，目前多采用抽检和成品的接触式检测等，这些方法增加了误检的概率。针对上述情况，笔者设计了一种基于空气耦合超声的断细药非接触测量方法，通过空气耦合超声实现对导爆索药芯的非接触无污染检测，最大程度上满足了安全生产和检测精度的要求[5]。

1　空气耦合超声检测原理

非接触式超声与常规超声检测原理类似，最大的区别是非接触式超声检测不需要耦合剂就能将超声波从发射探头通过空气传播到待测工件中。耦合剂的使用不但会使检测系统更加复杂，而且会在一定程度上污染检测面。与常规超声检测相比，空气耦合超声除了将空气作为耦合剂之外，在声学传播特性方面没有本质区别。由于导爆索生产过程中对于安全的要求是第一位的，接触式检测容易产生静电等不安全因素，水浸法超声检测也不适合编织型导爆索的断细药检测[6]，因此采用空气耦合超声对此种类型导爆索的断细药情况进行检测较合适。

图2　空气耦合超声检测药芯原理示意

空气耦合超声检测原理如图2所示，自发自收的超声波探头固定在导爆索药芯一侧，探头发射面垂直于药芯轴向方向，药芯在制作过程中沿自身轴向方向做直线运动，如果药芯没有出现断细药情况，超声探头的发射波在药芯表皮会发生反射并由探头接收，此时发射波和回波的间距是稳定的；因为药芯的断细药情况会使得药芯的外径发生明显变化，当探头照射到断细药点时，由于超声波的声程增加从而导致发射波和回波信号的间距发生变化，通过此方法可以判断出导爆索药芯的断细药点。

当探头位置固定后，超声波到达药芯表皮并返回探头的时间t可用公式求得:

(1)

式中:h为探头表面到药芯表皮的垂直距离;c为当前温度下超声波在空气中的声速。

因此通过对t的监测，即可完成对该检测点导爆索药芯断细药情况的检测。

2　检测系统模块及测量过程

检测系统主要由超声波发射接收器、空气耦合探头、工控机、机械系统和信号处理软件等构成，检测系统结构示意如图3所示。超声波发射接收器型号为JPR-10CN，完成超声波的发射和回收波型的数据采集；探头同样采用该公司发射频率为1MHz的点聚焦空气耦合探头，焦距为10mm，探头具体实物如图4所示。超声波发射接收器通过空气耦合超声探头发射、接收及采集超声信号，工控机通过运动控制单元控制机械系统，采集到的回波信号通过相应的信号处理软件处理并由工控机显示器显示。

图3　检测系统结构示意

图4　空气耦合超声探头外观

根据缠绕型导爆索药芯的制作工艺，在实际检测过程中可采用单探头模式或双探头模式，其中双探头模式下，两探头轴线夹角为90°，这样的设置也最大程度地避免了两路信号的相互干扰，从而提高检测精度；通过机械系统保证探头轴线和药芯轴线垂直相交。双探头工作模式如图5所示，配合信号采集及分析软件可以实现断细药的在线检测。

图5　双探头工作模式示意

3　检测结果及误差分析

图6　系统检测软件界面

表1　利用游标卡尺和空气耦合超声波设备得到的检测数据　mm

检测数据如表1所示，利用游标卡尺和空气耦合超声波设备分别进行检测，两种检测方法对于同样检测点的检测结果会发生偏差;主要是为了和超声检测法进行比对，利用游标卡尺检测时，其检测结果是利用外径偏差的一半来记录的，而超声法的检测结果仅反映其所在位置一侧的外径偏差，而非整体的外径偏差。

图7　细药段外观

通过计算，采用频率为1MHz的空气耦合超声探头完全可以满足厂家要求的检测精度，其检测结果和游标卡尺测量结果进行比对,发现最大的测量偏差为0.013mm,本组数据的标准偏差为0.003 8mm。细药点在5，6检测点，数据上也出现非常明显的变化，检测结果和样本吻合。通过分批次在两台药芯编织机上安装该检测系统并测试，在总共长达100m的三段药芯检测中，对四处预先设置的细药点都有检出，没有出现漏检和误报的情况，该系统在检测结果的可靠性方面具有一定实用价值。

4　结语

缠绕型导爆索由于具有成本低、生产工艺成熟等特点,依然是产量最大的导爆索类型。目前所采用的断细药检测方法多为对药芯的接触式测量方法，这种方法安全性较差，误判率较高。由于空气耦合超声的波长较短，采用空气耦合超声波对缠绕型导爆索的药芯直接进行非接触测量时，具有安全、检测效率高、误判率低和可在线检测等优点。

[1]雷丽文,缪均达.工业导火索断细药疵病的在线检测[J].爆破器材,1996(2):1-4.

[2]黄寅生,杨贵华,臧小为.铝壳金属导爆索性能研究[J].爆破器材,2008,37(3):22-24.

[3]刘钧,李俊杰,孙安昌,等.火工品管壳内径尺寸检测方法研究[J].火工品,2006(4):37-41.

[4]陈浩,邾继贵,杨学友,等.新型多方向内径尺寸测量方法[J].仪表技术与传感器,2011(1):95-97.

[5]GB9786-1999普通导爆索[S].

[6]李光亚,王明泉,郑景义.基于超声的铅皮导爆索断细药检测方法研究[J].兵工学报,2013,34(8):1037-1040.

DetectionofBrokenandWeakPointsofDetonatingCordBasedonNon-contactAirCoupledUltrasonic

LIGuang-ya1,2,3,WANGMing-quan1,2,3,ZHENGJing-yi4

(1.KeyLaboratoryoftheDynamicTestingTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2.KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;3.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;4.ShanxiNorthEastChemicalIndustryLimitedCompany,Yangquan045000,China)

Thedetonatingcablefaultdetectionmethodsaremostlyofcontacttypeandthesemethodshavehiddendangerandthedetectionefficiencyislow.Inordertosolvetheaboveproblems,thispaperpresentsanewmethodbasedonaircoupledultrasoundforthedetectionofthebrokenandweakpoints,throughthenon-contactdetectionofthedrugcoreofthedetonatingcablethebrokenandweakpointscouldbequicklyfound.Experimentalresultsshowthatthemethodcaneffectivelyimprovethedetectionefficiencyandprecisionofthereal-timedetectionofthebrokenandweakPoints.

Detonatingcord;Brokenandweakpoint;Aircoupledultrasonic;Non-contactdetection

2016-02-02

国家自然科学基金资助项目(6171177);山西省青年科技研究基金资助项目(2015021086)

李光亚(1980-)，男，讲师，博士，主要研究方向为测试计量技术与仪器。

李光亚,E-mail: 40827562@qq.com。

10.11973/wsjc201607011

TQ565;TG115.28A

1000-6656(2016)07-0044-03