工件尺寸激光超声测量系统设计研究*

单 宁 刘 霞

（①武警工程大学装备运输系，陕西西安710086;②西北工业大学机电学院，陕西西安 710072）

零件的机械加工精度是指零件加工后的实际几何尺寸与理想几何尺寸的符合程度，其符合程度越高，加工精度也就越高。它是零件加工质量的一个重要方面，也是保证机械产品质量的基础。随着科学技术和社会生产力的快速发展，对机械零件的加工质量和生产率提出了越来越高的要求。而工件在加工过程中的尺寸测量则是保证零件加工精度和提高生产率的一个重要手段。目前国内多采用投影测量、线阵CCD测量和立体视觉测量方法用于工件尺寸的测量。这些技术测量系统硬件复杂，且只能测量外形轮廓较为简单的工件，自动化程度低，通用性较差，已无法满足机械加工领域的快速发展［1－3］。

超声测厚技术是一门较为成熟的高新技术，其最大优点是无损、安全、可靠及精度高，且可实现在线实时检测，因而在工件尺寸测量中具有广泛应用前景［4－5］。传统超声测厚多采用压电换能器产生超声信号，需耦合剂，对工件表面要求较高，频带窄，测量精度较低。激光超声技术是通过激光激发超声信号，无需耦合剂，超声信号又可通过光学方法检测，故可实现完全非接触激发和接收，便于在高温、高压、高速旋转等恶劣环境下实现无损检测评估;激光超声的激发和检测都是在瞬间完成的，能够实现快速实时检测;另外激光超声技术适于对大型复杂结构进行检测，而不受工件几何形状约束，因此，更为适合于机械制造领域加工过程的在线监测［6－7］。目前，将激光超声技术应用于工件尺寸测量仍处于初始研究阶段。本文基于超声测厚原理建立激光超声测量实验装置，将激光超声技术应用于工件的尺寸测量，并对工件尺寸进行实验测试。实验结果表明，该系统能很好地用于工件尺寸测量，检测效率高，结构简单，安装、操作容易，且易于实现完全非接触式在线测量。

1 超声测厚原理

超声波是一种频率高于20 kHz的机械波，是由于机械振动在弹性介质中产生的波动。超声波在同一均匀介质中传播时，其波速为一常数。超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上会产生反射。所以超声脉冲自被测工件表面传播到接收面反射脉冲的间隔时间正比于工件厚度，若将这个时间转化为厚度值表示，即为被测工件厚度值。常用的超声测厚方法有共振法、干涉法和脉冲反射法。其中共振法和干涉法测量精度较高，但系统复杂，具有较大的局限性，不易实现自动检测，而脉冲反射法测量装置则相对简单，非常适合于工业生产应用。如图1所示，超声波在工件内部传播，遇到工件边界时返回，得到回波，测量超声波通过被测工件所需的时间间隔，然后根据超声脉冲在被测工件中的传播速度即可得到被测工件厚度。

如果已知试样声速c，则可得其厚度H为

式中，t0为超声脉冲在被测工件两表面往返一次的时间。

2 激光超声测量装置

本文激光超声测量系统采用脉冲反射法原理。当激光脉冲照射在工件表面时，工件表面局部范围吸收光能产生较高温升，这部分材料由于温升会产生热膨胀运动，带动周围介质一起运动从而在其内部产生超声波，然后探测超声波在工件内部传播时的反射波情况，根据反射波在工件内部的渡越时间从而得到工件厚度尺寸等几何参数。

激光超声在线测量工件尺寸实验装置如图2所示。Nd:YAG激光器产生脉宽为15 ns，波长为1.06 μm，单脉冲最大能量为120 mJ的激光，经透镜聚焦为直径约1 mm的光斑，直接照射在工件表面，在工件内部激发出超声波。超声信号在工件内部传播后由粘贴在试样背面，与激光源对心的PVDF传感器接收。PVDF传感器将超声信息以电荷形式输出，经过转换电路即可转换成便于检测的电压信号。再将电压信号进行放大、滤波处理后送入示波器内，其波形在示波器屏幕上实时显示出来。

3 实验研究

当激光脉冲能量为90 mJ/脉冲，照射在尺寸为100 mm×100 mm×25 mm的钢试件上，钢的声速为5 900 m/s。PVDF压电薄膜尺寸大小为30 mm×12 mm，厚度为50 μm。激发出的超声信号如图3所示。

由图3中可以看出，超声信号的第一个峰值出现时间为 45.2 μs，第二个峰值出现时间为 52.5 μs，第三个峰值出现时间为61.7 μs，则超声信号相邻两脉冲的平均峰值时间间隔为8.25 μs。根据体波透射技术和脉冲反射法超声测厚原理可知，采用平均峰值间隔法得到的时间间隔即为超声波在工件中往返一次的时间，将超声脉冲两相邻峰值时间间隔代入式（1）可得钢工件的厚度尺寸为24.34 mm，工件尺寸测量相对误差为2.64%。

4 结语

超声测厚技术具有快速、可靠、精度高等众多优点，在工件尺寸在线监测领域具有广泛的应用前景。本文针对零件加工过程中工件尺寸在线测量问题，提出一种采用激光超声技术进行工件尺寸在线测量的方法，建立了激光超声在线测量工件尺寸的实验系统，并进行了实验研究。实验结果表明，该系统能很好地应用于工件尺寸的在线测量，检测效率高，结构简单，安装调试容易，便于操作，易于实现完全非接触式在线测量，且具有较高精度，实际测量误差为2.64%。

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