焊缝跟踪中的非接触式超声波传感器的研究

    1　前言

    焊缝自动跟踪是焊接自动化领域的重要研究课题,而检测焊缝位置的传感器又是焊缝跟踪研究中的关键。由于电弧焊产生的弧光、高温辐射和强磁场、电场以及金属飞溅、烟尘等严重干扰,致使目前研究较多的光学和电磁传感器以及电视摄像等焊缝跟踪系统在实际焊接生产中的应用得不到满意的结果。随着超声波技术的发展,人们发现,超声传感器对电弧焊产生的强光、电、磁场等干扰不敏感,因此,开发、研制新型的非接触式超声波传感器对推动焊缝跟踪系统的研究及应用是非常有意义的。

    2　超声波的传播及特点

    超声波是质点的机械振动在媒质中传播的一种机械波,其频率高于20kHz,超声波在媒质中的传播有纵波、横波、表面波等形式。根据媒质不同,超声波的传播方式不同,在固体中既能传播纵波,又能传播横波。但在液体和气体媒质中只能传播纵波。因此,在非接触式超声传感焊缝跟踪中,超声波也只能以纵波形式传播。

    超声波之所以能用于焊缝跟踪主要因为它具有以下特点:

    (1)超声波的波长都很短,而超声波的声源尺寸都大于波长的数倍以上,因此超声波都具有良好的指向性。而且,超声波的频率越高,其指向性越好。

    (2)超声波在固体、气体介面发生全反射。超声波焊缝跟踪正是利用了超声波在异质界面上的反射特性来实现的。

    3　焊缝跟踪中的非接触式超声波传感器

    利用非接触式超声波传感器进行焊缝跟踪,必须解决以下两个关键问题:

    (1)超声波传输损耗　非接触超声波传感器发收检测超声波信息需通过气体媒质传输,在气体媒质中超声波传输损耗大,这是声学物理特性不易改变。为了使超声波传感器具有高灵敏度,必须尽量减少其传输损耗。这就不仅要求传感器在声电、电声二次转换中损耗尽量小,而且根据超声波在介质分界面的传播规律,通过加入匹配层,使传感器与气体介质达到声阻匹配从而减少超声波的传输损耗。

    (2)超声波聚焦　超声传感器的横向分辨率与声束直径密切相关,而圆形压电晶体厚度模式,发收纵波超声传感器的近声场声束直径约等于晶片直径,远声场是扩散的。为了获得细声束,提高传感器的分辨率,必须采用声聚焦。而且在焦点附近声能密度高,反射回波信号强,利于整个系统稳定工作。

    3.1　声阻抗匹配层的设计

    在超声波传播中,当声波遇到声阻抗相差很大的界面时,一部分声波被界面反射,一部分透过界面继续向前传播。反射量的大小与两种介质的声阻抗有关。假设介质的声阻抗为: