摘要
随着机械制造技术的不断发展，对具有精密化或小型化的高性能零部件的需求日益增加，而测量零部件的内腔尺寸是检验产品是否合格的关键环节，也是衡量其安全性能的一个重要数据。因此，对该类零部件的内腔尺寸进行高精度测量是十分必要的。目前，测量小径薄壁管内腔尺寸的方法有激光检测、光学检测、射线检测和超声检测等，激光检测存在着仪器复杂、受空间限制等弊端，影响其精密测量；光学检测法受到光线变化的影响，检测精度低；射线检测法存在着成本高、对人体危害大、穿透性差等问题。超声检测法利用超声波的传播特性，可有效表征小径薄壁管内腔尺寸的特征信息，该技术具有精度高、穿透能力强、检测范围广、无损伤等特点，具有很高的实用价值。 本文首先阐述了超声检测的基本理论、探头的选择、最佳检测距离和厚度测量方法。然后依据零部件的工业要求和检测环境需求，利用COMSOL有限元仿真软件设计了水-钢管物理模型，通过设置网格质量大小、边界约束条件、激励信号来模拟超声波在材料中的声场传播规律以及应力情况；设置探头不同检测位置、不同壁厚的物理模型，将采集到的数据进行检验和处理，计算小径薄壁管的壁厚，最后实现内腔尺寸的精密测量。 通过搭建超声检测系统实现了信号的发射、接收、数据采集和回波图形显示等方面功能；采用高频水浸聚焦探头，测定了若干种不同直径的薄壁管样品的壁厚。为了降低测量误差和提高测量精度，本文通过改变超声探头的位置进行多次测量，对其测量结果和实验精度进行了分析，并提出了造成测量误差的原因。结果表明：壁厚测量的平均相对误差和相对标准差均控制在5%以下，体现了较高的准确度和精密度，而内腔尺寸的相对误差范围分布在1%左右，测量精度达到了0.1mm的要求。 通过研究发现，仿真结果和实验结果基本一致，验证了超声共振法的正确性。该测量技术有着更高的测量准确度和精密度，达到了很好的实际应用效果。
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