新昌县泰普莱机电有限公司 浙江绍兴 312500
摘要：超声波检测属于一种无损检测技术，不需要接触机械设备，即可实现机械振动测量检测。在机械振动检测中，通过超声波检测技术，实现被测物体和传感器隔离开来，不干扰被测对象性质基础上进行振动检测，适合应用在表面细微、粗糙和柔性结构的机械设备振动检测。相较于传统接触式检测技术而言，超声波检测技术操作检测、成本低、测量精度高、适用范围广，可以满足强腐蚀、不透明气体和强光环境下的振动检测需要，提升振动检测效果。本文就机械振动中超声波检测技术应用情况，把握检测技术要点，灵活运用到实处。
关键词：超声波检测技术；机械振动；非接触式检测；传感器
科技飞快进步和发展下，机械设备类型逐渐多样化，代替人工进行高强度、风险大的加工生产活动，可以大大提升加工效率，降低加工成本。机械设备运行中，振动是常见现象，无论是高速运动的列车，由于轨道不平顺可能导致车体振动，旋转机械运转中产生振动，或是飞机飞行中受到气流扰动产生振动。振动对仪器设备正常运行威胁较大，如果处理不当，会导致机械设备运行性能与可靠性下降，一定程度上增加事故几率。而超声波检测技术作为一种非接触式振动检测技术，有别于接触式振动检测方法，可以规避传感器对检测结果的影响，降低检测误差，获取丰富的检测信息，提升振动检测质量。
1 超声波检测技术优势特点概述
关于超声波振动检测的研究，多表现在超声波振动检测频率、幅值领域，多数研究中涉及了传感器选型和超声波振动检测相关内容，但未能系统化研究传感器选型、误差来源内容，存在很大的局限性。关于超声波振动信号处理算法，通过对频谱仪、鉴频电路、减频器综合分析，获取振动检测信息。也可以通过对超声波测振信号A/D转换，基于算法对数据解调处理，获取精准的振动信号。前一种方法成本高，电路设计复杂，应用范围狭窄。第二种方法不需要设计复杂信号处理电路，处理信号过程较为灵活、便捷，但是现有的超声波测振信号处理算法仍然存在弊端，亟待完善。
2 超声波传感器选型和声场分析
2.1超声波传感器中心频率
空气介质下，超声波传播中队频率敏感度较高，频率越高，意味着衰减速度越快，频率越低，受外部噪声干扰越大，导致检测偏差增大，检测精度下降。被测物体振动位移最大值不断增加，探头和测点之间的距离也要随之增加，以此来减少信号误差。对于高频超声波，如果探头和被测点距离过大，会呈现出明显的能量衰减现象，降低探头接收的能量。故此，超声波技术在机械振动检测中，载波多多选择40KHz的超声波，机械振动检测效果更为可观。
2.2超声波传感器声场分析
超声波检测技术在机械振动检测中应用，声场分布情况，很大程度上决定了最终的机械振动检测结果精准度，通过分析超声波传感器声场分布特点，便于后续传感器安装参数和尺寸调整获得参考依据。如何了解超声传感器声场分布情况，多是基于声强、声压和质点振动位移等指标进行分析。
2.2.1超声波传感器轴线的声场分布，声源表面选择任意一点，作为单一点声源，各点声源振动相同简谐振动，无论是振幅、频率还是相位均保持一致。将点声源辐射在轴线任意点升压值加在一起，即可计算得到点声源的声压值。空气介质下40KHz超声波传感器探头，随着直径增加，超声波的近场长度越长，近场区声压幅值发生明显的振荡现象。远场区，可以发现超声波声压平缓分布，圆盘声源轴线距离增加反向下降。故此，超声波检测技术实际应用中，多选择远场区进行检测，近场区分布过于纷杂，测量精度不高。
2.2.2超声波传感器声轴界面声场声压分布。在轴向空间选择任意一点，其声压是声源中所有微元到该点源声压的总和，以此来计算远场区声压幅值。通过分析发现，声源声轴截面的声源分布曲线呈现对称状态布设，在声源轴线周围主瓣上聚集了绝大多数的超声声场能量，声源轴线的声压为最高值，伴随与声轴距离延长，超声声压随之下降。对于超声波传播方向，声场主副瓣呈现出声压减小的趋势，同时声场敷设范围进一步扩大。需要注意的是，圆盘声源尺寸不同，声场主瓣敷设范围也不尽相同，直径越大，辐射范围越小。
2.2.3超声波传感器声场指向性。这一特性是由于传感器定向束射和传播超声波性质决定，更加直观的将超声波能量集中度和声场几何边界分布情况呈现出来。作为超声波传感器的一个主要参数，直接关乎到最终的超声波振动检测结果精准度。
3 超声波测振系统设计
超声波测振系统，其中包括示波器、函数发生器、超声发射电路、信号调理电路、超声接收电路、超声发射探头和接收探头等部分构成。其中，调节函数发生器是用于输出40KHz正弦信号，进入到超声发射电路后，与超声发射探头连接在一起发射40KHz频率的超声波。接收探头接收经过被测对象反射后的超声波，对超声波信号调理处理，最终呈现在示波器上，并将信号存储下来。
.png)
图1 超声波测振系统框架图
40KHz正弦信号输入端连接在函数发生器端，而函数发生器输出信号频率同样为40KHz。电源在经过电阻后连接在超声波探头引脚处，可以起到增强发射电路驱动能力的作用，C0可以实现电源进线滤波处理，减少高频电噪声，保证电路正常运行。
超声波接收电路转化后的电信号微弱，后续应对其放大处理。基于OP07型运算放大器放大处理超声波信号，精度高，开环增益高、噪声低以及输入失调电压不高的优势特点，在双电源供电支持下，电路更加稳定、可靠。系统所选择的传感器为TCRT16-40型分体式探头。西通讯则的超声波测距模块为HC-SR04型，测量精度最高为3mm，测距模块测量周期在60ms以上，每次检测间隔周期为100ms，将检测得到的结果在LCD上显示，了解机械振动情况。
.png)
图2 超声波发射电路
.png)
图3 超声波接收电路
超声波技术用于机械振动检测，可以减少空气介质中空气温湿度和气压等因素不良影响，环境适应性较强，降低检测误差，提升振动检测结果精度。
结论：
综上所述，由于超声波检测技术优势突出，有别于以往的接触式检测方式，在机械振动检测中可以用于电极表面振动、柔性梁振动、旋转轴振动等情况检测，振动检测结果较高，可以为后续设备检修和维护提供支持。
参考文献：
[1]卞超，张正东，赵科，树婷.基于有限元的GIS母线不对中机械振动特性研究[J].高压电器，2020，56（06）：72-79.