超声波相控阵黄金检测技术
钟德煌, 徐贝尔，梁茂飞
（通用电气检测控制技术（上海）有限公司，上海，201203）
摘要: 简要介绍了黄金检测的基本方法，重点介绍了黄金检测新技术超声波相控阵检测技术，分析了超声波相控阵技术检测黄金的基本原理与方法。通过实验验证了超声波相控阵技术检测黄金的可行性，可以检测出黄金内部的气孔，块状夹杂与已熔化的夹杂，可以区分出24K与18K黄金。
关键词:黄金检测，超声相控阵，黄金，超声检测，无损检测
Abstract: The basic gold inspection method is introduced simply, the new gold inspection technology ultrasonic phased array technology is focused in this paper. The principle of using phased array technology to inspect gold bar is analyzed . The ultrasonic phased array technology is reliable in gold inspection application which is verified by experiment .The result is that ultrasonic phased array technology could find the gas pore , inclusion defect and distinguish the 24K and 18K gold .
Key words: Gold inspection, ultrasonic phased array , Gold , ultrasonic testing , Non destructive testing
1，前言
近年来，随着全球通货膨胀越来越严重，黄金的价格节节攀高，越来越多的不法份子伪造黄金，或者往黄金中非法添加重金属，本文介绍了超声波相控阵技术如何用于检测黄金。在黄金检测行业，大家主要是为了检测黄金的纯度，检测黄金中是否非法添加了钨，银，铜等金属，在金属加工行业，也需要检测黄金中是否有空气，如黄金中有空气，也将影响黄金的加工。
2，黄金的现状
对于黄金的鉴别，大家积累了一些简便的方法，比如看黄金的颜色，看黄金的硬度，听声音，用火烧等一些简易的方法，然而这些方法只能做非常浅显的检测，做出的判断可靠性差, 对于黄金内部的质量情况，很难进行判断。
目前比较可靠的是X射线荧光分析技术(XRF),该技术能较准确的检测出黄金中各种元素含量，然而对于该技术，也有多种因素影响其检测结果的可靠性，如被测样品与标准物质所含元素组成和含量有较大的差异,被测样品的表面有镀层或经化学处理等都会影响其检测结果[1]。对于该技术对检测人员的素质要求较高，一般需要专业人员才能进行可靠检测。
超声波技术目前在医疗领域有非常广泛的应用，特别是超声波相控阵技术，该技术在医疗的B超中有非常好的应用。超声波检测技术也广泛用于工业无损检测，用于检测工业中的金属与非金属中是否含有缺陷，近几年相控阵技术也开始广泛用于工业检测领域。然而超声波技术在黄金检测中应用较少，这主要是传统超声波检测技术对人员要求较高，需要专业无损检测人员才能分析A扫描波形信号，从A扫描波形中得出黄金质量情况。然而通过超声波相控阵技术，可以通过图像直观地显示检测结果，使其检测复杂程度大大降低，无须专业无损检测人员即可检测。
3，金条超声波相控阵检测原理
3.1 质量完好金条
超声波属于机械波,我们用于黄金检测的超声波属于纵波，纵波能够在固体中和液体中传播，纵波在黄金中传播的速度为3200m/s 。对于黄金金条的检测，如果金条质量完好，其中没有气孔，没有其它金属夹杂, 在显示的图像中只有金条上下表面的信号,在金条内部显示区域将没有深颜色的缺陷信号,如图1所示。
3.2 内部有气孔，夹杂金条
如果金条中有气孔，或者夹了钨，铜等其它金属，超声波将在黄金与气孔分界面或者金条与钨分界面发生反射。超声波在金与空气的界面将发生全反射，即超声波所有能量将反射，因此仪器上能非常清楚地显示气孔反射的信号。如果金条中夹有钨，铜等其它金属，超声波在金与其它金属界面的反射率跟这些金属材质的声阻抗有关系。超声波的反射率
其中，R为反射率，为夹杂金属的声阻抗，为金的声阻抗. 另外声阻抗Z跟材料的声速与密度有关
其中Z为材料的声阻抗，为材料的密度，c为材料的声速。表1中列出了在金中常夹金属的密度，声速，声阻抗及超声在其分界面的反射率，从表中可以看出，由于钨的密度与黄金的密度非常接近，因此钨是最常用于添加到黄金中的材料。超声在金与钨的分界面，其反射率为23.9%, 反射的超声信号能比较清晰地显示出来，从表1中可以看出，如果黄金中夹了表中所列的金属，反射率均在10%以上，反射信号能够较清晰显示出来。如果黄金中夹了气孔或其它金属（如图2所示），检测结果的显示如图3所示，在显示黄金内部的区域将显示气孔或夹杂的信号，同时仪器也能显示缺陷的深度位置信息。
|
材料
|
密度(克/厘米³)
|
纵波声速(米/秒)
|
声阻抗( 克/(秒米2) )
|
反射率(%)
|
|
黄金
|
19.32
|
3200
|
0.061824
|
0
|
|
钢
|
7.85
|
5920
|
0.046472
|
14.17596218
|
|
钨
|
19.35
|
5200
|
0.10062
|
23.88269188
|
|
银
|
10.5
|
3600
|
0.0378
|
24.11467116
|
|
铜
|
8.9
|
4700
|
0.04183
|
19.2891736
|
|
铅
|
11.3
|
2200
|
0.02486
|
42.64224078
|
表1：常见金属在金中的反射率
3.3 黄金内部的夹杂金属已熔化
如果黄金内部的夹杂金属已经跟黄金熔化在一起，这种情况下超声波在黄金内部基本上没有反射信号，也就不能在黄金内部显示区域看到异常信号。由于超声纵波在纯黄金中的声速为3200m/s ,检测仪器可以精确得到超声波在黄金中传播的时间，因此仪器可以计算出所测黄金的厚度。如果黄金不是纯黄金,其声速将不再是3200m/s ，如果夹杂材料的声速比3200m/s大，所测黄金的厚度将比实际黄金的厚度小，如果夹杂材料的声速比3200m/s小，如铅，所测黄金的厚度将比实际黄金的厚度大，因此在检测过程中测量黄金的厚度也能够区分出该黄金是否为纯黄金。如图4 所示,对于20mm厚的黄金，如果显示出来的厚度值不是20mm, 而为图4所示的18.21，则可以判断该黄金不是24K黄金，黄金里面肯定含有其它金属，且金属的材料声速大于黄金声速，通过这种方式可以非常简单区分出24K黄金与18K黄金。
4：黄金检测实验
为了测试超声波相控阵技术在黄金检测中的实际效果，我们做了大量的实验,实验用了24K纯金金条，仪器用了GE检测控制技术的便携式超声相控阵探伤仪Phasor XS，探头用了64晶片，5MHz相控阵探头，如图5所示。
通过实验发现，使用该技术可以很容易区分出质量好的金条与质量差的金条，如图5所示，质量完好的黄金，在黄金内部区域无深颜色缺陷显示，而且金条厚度显示值与实际金条厚度值一致，为44.23mm 。在实验过程中发现一根金条在其内部显示区域有深颜色缺陷显示，并且显示缺陷在黄金内部37.91mm深处（如图6所示），基本可以判断该黄金内部不纯[2][3]。
5 总结:
通过理论分析与实验验证可以发现，超声波相控阵技术可以通过图像的形式非常直观显示黄金内部的质量情况，无须专业人员即可区分内部含有气孔，夹杂的金条，可以很简单地区分出24K黄金与18K黄金。
6 参考文献
作者简介：
姓名：钟德煌
职位：超声技术经理
学位：硕士
性别：男
籍贯：江西
联系方式：
电话：13918182631 固话：02138773962 传真：02138777488
地址：上海市浦东华佗路1号1号楼5楼62号座位 (邮编：201203)
研究方向：主要研究超声波新技术及其应用，重点研究超声波相控阵技术,TOFD及其在各行业中的应用，为各种检测要求提供最佳解决方案。 |
