專利名稱：一種基于寬帶調(diào)頻及接收補(bǔ)償?shù)某暡y厚方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波測厚技術(shù)，具體涉及一種基于寬帶調(diào)頻及接收補(bǔ)償?shù)某暡y厚方法及裝置。
背景技術(shù)：
自上世紀(jì)四十年代美國GM公司首次推出超聲波測厚儀以來，至今已廣泛應(yīng)用于航天、軍工、石油、化工、造船、交通等領(lǐng)域。超聲波測厚儀由于測量精度高、攜帶方便、對(duì)被測物體表面無損傷等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于各種壁厚的測量。特別是在航空航天領(lǐng)域用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包覆層和各種高速飛行器頭部包裹層厚度的測量、在軍工產(chǎn)品的生產(chǎn)線上對(duì)炮彈壁厚的測量、在石油工業(yè)上對(duì)高壓油氣管道的測量、在化工領(lǐng)域?qū)Ω鞣N高爐、鍋爐、壓力容器壁厚的測量上有著高精度、全角度、無損傷等嚴(yán)格要求，使得超聲波測厚成為幾乎無法替代的方法。 目前，超聲測厚儀按測量原理不同可分為共振法、蘭姆波法和脈沖發(fā)射法三種。共振法測厚的基本原理是當(dāng)被測量工件的厚度為超聲波波長的1/2或其整數(shù)倍時(shí)，入射波與反射波同相并在工件內(nèi)部產(chǎn)生駐波引起共振，工件共振時(shí)超聲波換能器的負(fù)載阻抗減小，振蕩器的集電極電流增加以指示共振，測量時(shí)記錄下兩個(gè)相鄰的共振頻率，即可求出工件的厚度。采用共振法的超聲波測厚儀可測厚度為O. Imm以上的材料，且精度高，可達(dá)O. 1%，但是該超聲波測厚儀對(duì)工件兩個(gè)表面的光潔度要求較高，適應(yīng)范圍窄。蘭姆波是一種由超聲波縱波和橫波在薄板內(nèi)相互耦合合成的特殊形式的應(yīng)力波，又稱“板波”。蘭姆波法測厚的基本原理是當(dāng)超聲波頻率及入射角度與工件厚度成一定關(guān)系時(shí)，方產(chǎn)生蘭姆波，因而改變換能器的角度或頻率，使顯示屏上出現(xiàn)蘭姆波，以換能器的角度或頻率來度量厚度。采用蘭姆波法的超聲波測厚儀適用于測厚度小于2mm的板材和薄壁管材，精度高，但是該方法同樣對(duì)工件表面光潔度要求較高，另外在對(duì)蘭姆波聲場特性的研究上，還有不少問題和困難需要解決，至今沒有形成統(tǒng)一的理論，要把它發(fā)展成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)還有很多基礎(chǔ)工作尚未完成。相對(duì)而言，脈沖反射法原理簡單，實(shí)現(xiàn)方便，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種方法。脈沖發(fā)射法的原理是通過測量超聲波在工件上、下底面之間往返一次傳播的時(shí)間來求得工件的厚度。該方法對(duì)工件的表面光潔度要求不高，可測粗糙表面、凹面以及帶漆面材料的，適用范圍廣，但是該方法精度不高，且有一定的近場盲區(qū)。目前，國內(nèi)外基于脈沖反射法的超聲波測厚儀產(chǎn)品較多，其中，國外比較典型的有德國K-K公司的DM5E系列超聲波測厚儀，其測量范圍是O. 6 508mm，顯示精度O. Olmm ；美國Panametrics-NDT公司的26MG系列超聲波測厚儀，其測量范圍是O. 5_500mm，顯示精度O. Olmm ;日本AD公司的3253系列超聲波測厚儀，其測量范圍是O. 8-200mm,顯示精度0.01mm。國內(nèi)具有代表性的產(chǎn)品是北京時(shí)代儀器公司的TT系列超聲波測厚儀，其測量范圍是O. 8-300mm,顯示精度O. 1mm。上述超聲波測厚儀都是基于脈沖反射法的原理，其給出的指標(biāo)只是理論范圍，在實(shí)際中，還會(huì)因?yàn)槎喾N原因引起測量精度降低甚至數(shù)值異常等情況的發(fā)生。
脈沖反射式超聲測厚儀需要通過硬件檢測回波脈沖來確定脈沖信號(hào)往返的時(shí)間，而回波脈沖的檢測是基于聲壓(即幅度)特征的。根據(jù)聲波的疊加原理，超聲波發(fā)射聲場波源軸線上任意一點(diǎn)的聲壓的表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種基于寬帶調(diào)頻及接收補(bǔ)償?shù)某暡y厚方法，其特征在于包括以下具體步驟 (1)利用線性調(diào)頻的調(diào)制方式構(gòu)造間歇式寬帶線性調(diào)頻超聲波信號(hào)，具體是發(fā)射的超聲波信號(hào)的頻率隨著時(shí)間的變化呈線性增長，調(diào)頻斜率根據(jù)超聲換能器物理特性進(jìn)行設(shè)置，調(diào)頻信號(hào)重復(fù)發(fā)送，兩段調(diào)頻信號(hào)之間設(shè)置間歇時(shí)間； (2)位于陣列式超聲波探頭組件中央的超聲換能器將這種間歇式寬帶線性調(diào)頻超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲信號(hào)發(fā)送至被探測エ件內(nèi)部； (3)位于陣列式超聲波探頭組件四周的超聲波換能器接收到從被探測エ件返回的聲信號(hào)，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)； (4)根據(jù)回波信號(hào)參數(shù)分析反演調(diào)頻超聲信號(hào)在エ件中的傳播時(shí)間，即是將發(fā)射信號(hào)在時(shí)間上延拓得到參考信號(hào)，將參考信號(hào)與從被測エ件內(nèi)部反射回來的超聲波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)得到相干信號(hào)，相干信號(hào)的低頻部分是ー個(gè)頻率穩(wěn)定的單頻信號(hào)，這個(gè)單頻信號(hào)反應(yīng)的是發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)在同一時(shí)刻的頻率差，再利用線性調(diào)頻信號(hào)頻率差和時(shí)間差之間的線性關(guān)系即能求解超聲信號(hào)在エ件中的傳播時(shí)間； (5)對(duì)超聲波在被測エ件內(nèi)傳播的路徑進(jìn)行接收補(bǔ)償，進(jìn)而求得被測エ件的厚度，由超聲波信號(hào)的傳播時(shí)間和預(yù)置的聲速，求得超聲波波束在エ件內(nèi)部傳播的實(shí)際單程距離，另外發(fā)射換能器與接收換能器之間的距離是確定值，利用勾股定理，即能求出被測エ件的厚度； (6)對(duì)布置在外圍的每個(gè)超聲換能器接收的信號(hào)同時(shí)進(jìn)行步驟(4)、(5)而得到多個(gè)エ件厚度的測量值，對(duì)所有的測量值進(jìn)行加權(quán)平均得到高精度的厚度測量值。
2.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述的超聲波測厚方法的裝置，其特征在于包括手持式控制及顯示器和陣列式超聲波探頭組件，所述手持式控制及顯示器包括電源、顯示器、輸入控制単元、微控制器、A/D和D/A轉(zhuǎn)化器及外部接ロ ；微處理器分別與A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、輸入控制單元、顯示器、網(wǎng)絡(luò)接ロ、打印機(jī)接ロ、故障診斷接ロ及電源連接，對(duì)輸入控制單元及A/D轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，井向D/A轉(zhuǎn)換器和顯示器輸出數(shù)字信號(hào)，且當(dāng)存在外部設(shè)備與外部接ロ連接時(shí)，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換；A/D和D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器及超聲波探頭連接，D/A轉(zhuǎn)換器將微處理器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬電信號(hào)通過超聲波探頭接ロ發(fā)送到超聲波換能器，A/D轉(zhuǎn)換器將由超聲波換能器產(chǎn)生并經(jīng)超聲波探頭接ロ輸入的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)發(fā)送到微處理器，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換；輸入控制単元與微處理連接，將輸入觸發(fā)信號(hào)傳化成數(shù)字信號(hào)輸入微處理器，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；顯示器與微處理器連接，顯示測厚裝置的輸入狀態(tài)和測量結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述陣列式超聲波探頭組件由若干能夠激勵(lì)寬帶線性調(diào)頻超聲波的超聲波換能器組成，其結(jié)構(gòu)是其中一個(gè)超聲波換能器布置在中央，其余超聲波換能器布置在四周，所有的超聲波換能器布置在同一平面內(nèi)，且布置在四周的每ー個(gè)超聲波換能器與布置在中央的超聲波換能器距離保持一致，且布置在四周的超聲波換能器在2個(gè)以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述外部接ロ包括超聲波換能器接ロ、網(wǎng)絡(luò)接ロ、打印機(jī)接ロ、故障診斷接ロ中的ー種以上，其中網(wǎng)絡(luò)接ロ、打印機(jī)接ロ和故障診斷接ロ直接和微處理器連接，實(shí)現(xiàn)測厚裝置的功能拓展和故障診斷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于寬帶調(diào)頻及接收補(bǔ)償?shù)某暡y厚方法及裝置，該方法用線性調(diào)頻的方式來構(gòu)造一種間歇式寬帶線性調(diào)頻超聲波信號(hào)，根據(jù)發(fā)射和接收到的調(diào)頻信號(hào)的頻率參數(shù)來反演該間歇式寬帶線性調(diào)頻超聲波信號(hào)在工件內(nèi)部的傳播時(shí)間，結(jié)合預(yù)置的聲速求得工件厚度。所述裝置包括手持式控制及顯示器和陣列式超聲波探頭組件，所述陣列式超聲波探頭組件由若干能夠激勵(lì)寬帶線性調(diào)頻超聲波的超聲波換能器組成，其結(jié)構(gòu)是其中一個(gè)超聲波換能器布置在中央，其余超聲波換能器布置在四周。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)近場和遠(yuǎn)場的探傷，具有能耗低、體積小、精度高和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)各種噪聲環(huán)境。
文檔編號(hào)G01B17/02GK102865839SQ20121035664
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者韋崗, 余業(yè)林, 楊萃 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)