专利名称：一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声波测厚技术，具体涉及一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法及装置。
背景技术：
自上世纪四十年代美国GM公司首次推出超声波测厚仪以来，至今已广泛应用于航天、军工、石油、化工、造船、交通等领域。超声波测厚仪由于测量精度高、携带方便、对被测物体表面无损伤等诸多优点而被广泛用于各种壁厚的测量。特别是在航空航天领域用于火箭发动机包覆层和各种高速飞行器头部包裹层厚度的测量、在军工产品的生产线上对炮弹壁厚的测量、在石油工业上对高压油气管道的测量、在化工领域对各种高炉、锅炉、压力容器壁厚的测量上有着高精度、全角度、无损伤等严格要求，使得超声波测厚成为几乎无法替代的方法。 目前，超声测厚仪按测量原理不同可分为共振法、兰姆波法和脉冲发射法三种。共振法测厚的基本原理是当被测量工件的厚度为超声波波长的1/2或其整数倍时，入射波与反射波同相并在工件内部产生驻波引起共振，工件共振时超声波换能器的负载阻抗减�。竦雌鞯募缂缌髟黾右灾甘竟舱瘢饬渴奔锹枷铝礁鱿嗔诘墓舱衿德剩纯汕蟪龉ぜ暮穸�。采用共振法的超声波测厚仪可测厚度为O. Imm以上的材料，且精度高，可达O. 1%，但是该超声波测厚仪对工件两个表面的光洁度要求较高，适应范围窄。兰姆波是一种由超声波纵波和横波在薄板内相互耦合合成的特殊形式的应力波，又称“板波”。兰姆波法测厚的基本原理是当超声波频率及入射角度与工件厚度成一定关系时，方产生兰姆波，因而改变换能器的角度或频率，使显示屏上出现兰姆波，以换能器的角度或频率来度量厚度。采用兰姆波法的超声波测厚仪适用于测厚度小于2mm的板材和薄壁管材，精度高，但是该方法同样对工件表面光洁度要求较高，另外在对兰姆波声场特性的研究上，还有不少问题和困难需要解决，至今没有形成统一的理论，要把它发展成为一项成熟的技术还有很多基础工作尚未完成。相对而言，脉冲反射法原理简单，实现方便，是目前应用最为广泛的一种方法。脉冲发射法的原理是通过测量超声波在工件上、下底面之间往返一次传播的时间来求得工件的厚度。该方法对工件的表面光洁度要求不高，可测粗糙表面、凹面以及带漆面材料的，适用范围广，但是该方法精度不高，且有一定的近场盲区。目前，国内外基于脉冲反射法的超声波测厚仪产品较多，其中，国外比较典型的有德国K-K公司的DM5E系列超声波测厚仪，其测量范围是O. 6 508mm，显示精度O. Olmm ；美国Panametrics-NDT公司的26MG系列超声波测厚仪，其测量范围是O. 5_500mm，显示精度O. Olmm ;日本AD公司的3253系列超声波测厚仪，其测量范围是O. 8-200mm,显示精度0.01mm。国内具有代表性的产品是北京时代仪器公司的TT系列超声波测厚仪，其测量范围是O. 8-300mm,显示精度O. 1mm。上述超声波测厚仪都是基于脉冲反射法的原理，其给出的指标只是理论范围，在实际中，还会因为多种原因引起测量精度降低甚至数值异常等情况的发生。
脉冲反射式超声测厚仪需要通过硬件检测回波脉冲来确定脉冲信号往返的时间，而回波脉冲的检测是基于声压(即幅度)特征的。根据声波的叠加原理，超声波发射声场波源轴线上任意一点的声压的表达式为
权利要求
1.一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法，其特征在于包括以下具体步骤 (1)利用线性调频的调制方式构造间歇式宽带线性调频超声波信号，具体是发射的超声波信号的频率随着时间的变化呈线性增长，调频斜率根据超声换能器物理特性进行设置，调频信号重复发送，两段调频信号之间设置间歇时间； (2)位于阵列式超声波探头组件中央的超声换能器将这种间歇式宽带线性调频超声波信号转化成声信号发送至被探测エ件内部； (3)位于阵列式超声波探头组件四周的超声波换能器接收到从被探测エ件返回的声信号，并转化成电信号； (4)根据回波信号參数分析反演调频超声信号在エ件中的传播时间，即是将发射信号在时间上延拓得到參考信号，将參考信号与从被测エ件内部反射回来的超声波信号进行相关得到相干信号，相干信号的低频部分是ー个频率稳定的单频信号，这个单频信号反应的是发射信号与接收信号在同一时刻的频率差，再利用线性调频信号频率差和时间差之间的线性关系即能求解超声信号在エ件中的传播时间； (5)对超声波在被测エ件内传播的路径进行接收补偿，进而求得被测エ件的厚度，由超声波信号的传播时间和预置的声速，求得超声波波束在エ件内部传播的实际单程距离，另外发射换能器与接收换能器之间的距离是确定值，利用勾股定理，即能求出被测エ件的厚度； (6)对布置在外围的每个超声换能器接收的信号同时进行步骤(4)、(5)而得到多个エ件厚度的测量值，对所有的測量值进行加权平均得到高精度的厚度測量值。
2.实现权利要求I所述的超声波测厚方法的装置，其特征在于包括手持式控制及显示器和阵列式超声波探头组件，所述手持式控制及显示器包括电源、显示器、输入控制単元、微控制器、A/D和D/A转化器及外部接ロ ；微处理器分别与A/D和D/A转换器、输入控制单元、显示器、网络接ロ、打印机接ロ、故障诊断接ロ及电源连接，对输入控制单元及A/D转换器输入的数字信号进行计算，井向D/A转换器和显示器输出数字信号，且当存在外部设备与外部接ロ连接时，实现与外部设备的数据交換；A/D和D/A转换器与微处理器及超声波探头连接，D/A转换器将微处理器输出的数字信号转化成模拟电信号通过超声波探头接ロ发送到超声波换能器，A/D转换器将由超声波换能器产生并经超声波探头接ロ输入的模拟电信号转化成数字信号发送到微处理器，A/D和D/A转换器实现模拟与数字信号之间的转换；输入控制単元与微处理连接，将输入触发信号传化成数字信号输入微处理器，实现人机交互功能；显示器与微处理器连接，显示测厚装置的输入状态和测量結果。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述阵列式超声波探头组件由若干能够激励宽带线性调频超声波的超声波换能器组成，其结构是其中一个超声波换能器布置在中央，其余超声波换能器布置在四周，所有的超声波换能器布置在同一平面内，且布置在四周的每ー个超声波换能器与布置在中央的超声波换能器距离保持一致，且布置在四周的超声波换能器在2个以上。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述外部接ロ包括超声波换能器接ロ、网络接ロ、打印机接ロ、故障诊断接ロ中的ー种以上，其中网络接ロ、打印机接ロ和故障诊断接ロ直接和微处理器连接，实现测厚装置的功能拓展和故障诊断。
全文摘要
本发明公开了一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法及装置，该方法用线性调频的方式来构造一种间歇式宽带线性调频超声波信号，根据发射和接收到的调频信号的频率参数来反演该间歇式宽带线性调频超声波信号在工件内部的传播时间，结合预置的声速求得工件厚度。所述装置包括手持式控制及显示器和阵列式超声波探头组件，所述阵列式超声波探头组件由若干能够激励宽带线性调频超声波的超声波换能器组成，其结构是其中一个超声波换能器布置在中央，其余超声波换能器布置在四周。本发明能够实现近场和远场的探伤，具有能耗低、体积小、精度高和抗干扰能力强的优点，能适应各种噪声环境。
文档编号G01B17/02GK102865839SQ20121035664
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者韦岗, 余业林, 杨萃 申请人:华南理工大学
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