CN101614533A - 一种能精确测量超薄工件厚度方法及仪器 - Google Patents

Abstract

一种能精确测量超薄工件厚度方法，采用信号处理的方法来提取表征工件厚度的超声波信息，既适合于测量超薄大曲率工件厚度也适合于测量普通工件厚度的超声测厚技术，它的核心是对接收到的回波信号进行快速傅里叶变换从而获得测量结果；一种能精确测量超薄工件厚度方法的仪器，由探头和主机两部分组成，主机部分包括DSP控制模块、超声波发射电路、超声波信号接收电路，信号放大电路、闸门电路、通讯接口，液晶显示器和键盘。本发明的优点：既适合于测量超薄大曲率工件厚度也适合于测量普通工件厚度，可实时采集超声回波信号，实时的进行快速傅里叶变换，实时计算和存储管壁厚度，可以实现机械化自动测量。

Description

一种能精确测量超薄工件厚度方法及仪器

技术领域

本发明涉及无损检测领域，特别提供了一种能精确测量超薄工件厚度方法及仪器。

背景技术

超声波测厚技术是无损检测技术领域的重要部分，广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域。国内外现有的超声测厚仪都是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量，超声探头发射的超声脉冲波经耦合剂进入被测物体，在被测物体内传播至底面时发生反射，反射回来的超声波(回波)被超声探头接收，超声脉冲在被测物体两表面之间多次往返形成多次回波，测得相邻两次回波之间的时间间隔t，根据超声波在材料中的传播声速c，即可计算出被测物体的厚度d＝ct/2。国内外按回波原理设计的超声测厚仪一般只能测量0.75mm以上的材料厚度，在实际测量过程中，厚度越薄，其测量的准确性越低。而且显示分辨率一般为0.1mm，常常不能满足实际应用中测量精确度的要求。当被测物体较厚时，相邻两次回波之间的距离宽；当被测物体较薄时，相邻两次回波之间的距离窄。当被测物体的厚度薄到一定程度时，相邻两次回波发生重叠，二者的时间间隔无法测量，也就无法得到被测物体的厚度。大曲率工件由于曲率大，超声反射回波信号弱，不能形成回波系列，工件的厚度无法测量。因此对于超薄工件尤其是大曲率的超薄工件，现有的超声回波仪器无能为力。而这样的工件，例如小口径薄壁管，在现代飞机和核技术中不仅是不可缺少的，而且需要一定的批量。

发明内容

本发明的目的是为了测量超薄工件尤其是大曲率的超薄工件的厚度，提供一种能精确测量超薄工件厚度方法及仪器。

本发明提供了一种能精确测量超薄工件厚度方法，其特征在于：能精确测量超薄工件厚度方法为采用信号处理的方法来提取表征工件厚度的超声波信息，既适合于测量超薄大曲率工件厚度也适合于测量普通工件厚度的超声测厚技术，它的核心是对接收到的回波信号进行快速傅里叶变换(FFT)从而获得测量结果；超声脉冲有一定的频谱范围，见图3，当被测物体较薄时，相邻的回波重叠在一起，必然产生干涉现象，某些频率的超声波振动相互加强，而另一些频率的超声波振动相互减弱或完全抵消；通过快速傅里叶变换将接收到的时域信号转换为频域信号，也叫做频谱曲线，此时频域信号就会显示出周期性的峰值和谷值；在频率为基频f₀＝v/4x的奇数倍时出现周期性极小值，偶数倍时出现周期性极大值，其中x为被测物体的厚度，v为超声波在被测物体中的传播速度，因此测出频域信号达到极大值的频率f_n可以计算出被测物体的厚度x， $x=\frac{\mathrm{nv}}{2f_n}$ n＝1，2，3，Λ式中，f_n是频谱曲线上第n个极大值所对应的频率。

所述的能精确测量超薄工件厚度方法，超声波经被测物体底面反射的一次回波用f₁(t)表示，二次回波用f₂(t)表示， $f_2\left(t\right)=\mathrm{\α}{f}_1(t-\frac{2x}{v}),$ α＜1；

$F_1\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}_1\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt},$

$F_2\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}_2\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}\mathrm{\α}{f}_1(t-\frac{2x}{v})e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}=\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{c}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}_1\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}=\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{v}}{F}_1\left(\mathrm{\ω}\right)$

其中，x为被测物体的厚度，v为超声波在被测物体中的传播速度；根据傅里叶变换的线性性质，函数一次回波与二次回波的叠加信号f₁(t)+f₂(t)的傅里叶变换为F₁(ω)+F₂(ω)，即

$F\left(\mathrm{\ω}\right)=F_1\left(\mathrm{\ω}\right)+F_2\left(\mathrm{\ω}\right)=F_1\left(\mathrm{\ω}\right)+\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{v}}{F}_1\left(\mathrm{\ω}\right)=F_1\left(\mathrm{\ω}\right)\·(1+\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{v}}),$

令 $\mathrm{\ω}\frac{2x}{v}=\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{\πf}}{v}2x$

F(ω)＝F₁(ω)·(1+αe^-iβ)＝F₁(ω)·(1+αcosβ-iαsinβ)

当β＝2nπ，即f＝2nv/4x(n＝0，1，2Λ)时，F(ω)＝(1+α)F₁(ω)有最大值；

当β＝(2n+1)π，即f＝(2n+1)v/4x (n＝0，1，2Λ)时，F(ω)＝1-α有最小值；

即干涉信号的幅度谱在频率为基频f₀＝v/4x的偶数倍时出现周期性极大值点，奇数倍时出现周期性极小值点；当超声波在被测材料中的声速v已知，根据超声波的干涉规律对回波信号进行幅度谱分析，若f₀为幅度谱的极大值时，计算出被测物体的厚度为x＝v/4f₀的偶数倍；若f₀为幅度谱的极小值时，计算出被测物体的厚度为x＝v/4f₀的奇数倍，由此计算出被测物体的厚度x。

一种按权利要求1所述的能精确测量超薄工件厚度方法的仪器，其特征在于：所述的能精确测量超薄工件厚度方法的仪器由探头和主机两部分组成，主机部分包括DSP控制模块、超声波发射电路、超声波信号接收电路，信号放大电路、闸门电路、通讯接口，液晶显示器和键盘。

探头的选择上若采用接触工件的方式测厚始波和界面波重合，同时由于测量薄工件的超声反射回波也淹没在始波中，因此需要将始波与界面波分离开，可选用水浸探头实现信号延迟，或选用直探头前加有机玻璃块将界面波延迟；由于探头的频率特性，不同频率的探头有不同的工作频带，通过对上述测厚方法的分析可知，被测物体的厚度越薄，其峰值频率f_n越高，因此要选用频率高的探头，根据被测物体的厚度范围来选择合适的探头频率。

本发明的软件功能包括超声仪器的控制、信号的采集和处理以及厚度的计算。本发明的测厚流程图如图9所示，厚度信息提取子程序的流程图如图2所示。本发明的测厚方法首先要对与被测材料同种材质的标准试块的厚度进行测量，并得出线性拟合曲线，然后通过信号处理的方法测量出被测材料的厚度值，根据标定的拟合曲线得出被测材料的厚度校正值。

本发明的优点：

本发明的特点是既适合于测量超薄大曲率工件厚度也适合于测量普通工件厚度，性能稳定，能满足实际应用中测量精确度的要求。该仪器在检测时，可实时采集超声回波信号，实时的进行快速傅里叶变换，实时计算和存储管壁厚度，可以实现机械化自动测量。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明所述的超声波测厚仪的示意框图；

图2为DSP信号处理软件系统的示意框图；

图3为5M探头频谱图；

图4为塞尺1.0mm采集波形；

图5为实施例1的FFT波形；

图6为10M探头的频谱图；

图7为Ф6*0.7薄壁管采集波形；

图8为实施例3的FFT波形；

图9为软件流程图。

具体实施方式

实施例1：

本发明提供了一种能精确测量超薄工件厚度方法，其特征在于：能精确测量超薄工件厚度方法为采用信号处理的方法来提取表征工件厚度的超声波信息，既适合于测量超薄大曲率工件厚度也适合于测量普通工件厚度的超声测厚技术，它的核心是对接收到的回波信号进行快速傅里叶变换(FFT)从而获得测量结果；超声脉冲有一定的频谱范围，见图3，当被测物体较薄时，相邻的回波重叠在一起，必然产生干涉现象，某些频率的超声波振动相互加强，而另一些频率的超声波振动相互减弱或完全抵消；通过快速傅里叶变换将接收到的时域信号转换为频域信号，也叫做频谱曲线，此时频域信号就会显示出周期性的峰值和谷值；在频率为基频f₀＝v/4x的奇数倍时出现周期性极小值，偶数倍时出现周期性极大值，其中x为被测物体的厚度，v为超声波在被测物体中的传播速度，因此测出频域信号达到极大值的频率f_n可以计算出被测物体的厚度x， $x=\frac{\mathrm{nv}}{2f_n}$ n＝1，2，3，Λ式中，f_n是频谱曲线上第n个极大值所对应的频率。

所述的能精确测量超薄工件厚度方法，超声波经被测物体底面反射的一次回波用f₁(t)表示，二次回波用f₂(t)表示， $f_2\left(t\right)=\mathrm{\α}{f}_1(t-\frac{2x}{v}),$ α＜1；

$F_1\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}_1\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt},$

$F_2\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}_2\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}\mathrm{\α}{f}_1(t-\frac{2x}{v})e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}=\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{c}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}_1\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}=\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{v}}{F}_1\left(\mathrm{\ω}\right)$

其中，x为被测物体的厚度，v为超声波在被测物体中的传播速度；根据傅里叶变换的线性性质，函数一次回波与二次回波的叠加信号f₁(t)+f₂(t)的傅里叶变换为F₁(ω)+f₂(ω)，即

$F\left(\mathrm{\ω}\right)=F_1\left(\mathrm{\ω}\right)+F_2\left(\mathrm{\ω}\right)=F_1\left(\mathrm{\ω}\right)+\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{v}}{F}_1\left(\mathrm{\ω}\right)=F_1\left(\mathrm{\ω}\right)\·(1+\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{v}}),$

令 $\mathrm{\ω}\frac{2x}{v}=\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{\πf}}{v}2x$

F(ω)＝F₁(ω)·(1+αe^-iβ)＝F₁(ω)·(1+αcosβ-iαsinβ)

当β＝2nπ，即f＝2nv/4x(n＝0，1，2Λ)时，F(ω)＝(1+α)F₁(ω)有最大值；

当β＝(2n+1)π，即f＝(2n+1)v/4x(n＝0，1，2Λ)时，F(ω)＝1-α有最小值；

即干涉信号的幅度谱在频率为基频f₀＝v/4x的偶数倍时出现周期性极大值点，奇数倍时出现周期性极小值点；当超声波在被测材料中的声速v已知，根据超声波的干涉规律对回波信号进行幅度谱分析，  若f₀为幅度谱的极大值时，计算出被测物体的厚度为x＝v/4f₀的偶数倍；若f₀为幅度谱的极小值时，计算出被测物体的厚度为x＝v/4f₀的奇数倍，由此计算出被测物体的厚度x。

所述的能精确测量超薄工件厚度方法首先要对与被测材料同种材质的标准试块的厚度进行测量，并得出线性拟合曲线，然后通过信号处理的方法测量出被测材料的厚度值，根据标定的拟合曲线得出被测材料的厚度校正值。

一种按权利要求1所述的能精确测量超薄工件厚度方法的仪器，其特征在于：所述的能精确测量超薄工件厚度方法的仪器由探头和主机两部分组成，主机部分包括DSP控制模块、超声波发射电路、超声波信号接收电路，信号放大电路、闸门电路、通讯接口，液晶显示器和键盘。

探头的选择上采用MATEC公司5MHz频率水浸聚焦探头，测量塞尺的厚度。

5MHz频率水浸聚焦探头的频谱图如图3所示。从图中可以看出其工作频率有一定的带宽范围。

测量1.0mm塞尺的厚度，通过调节闸门选择超声回波信号需要采集的数据，其波形如图4所示，对采集数据进行快速傅里叶变换如图5所示。从图5可以看出在频率f₁＝2.83203MHz时出现峰值，取超声波在材料中的声速v＝5900m/s，根据公式计算出厚度值x＝1.0417mm。

根据上述方法分别对厚度为0.75mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm塞尺进行测量，测量值如表1所示。

表一5M探头塞尺厚度测量值对比表

实际值(mm)	峰值频率(MHz)	测量值(mm)	拟合值(mm)	偏差(mm)
					1.0	2.83203	1.0417	0.9943	0.0057
0.75	3.71093	0.7949	0.7533	-0.0033
					0.5	5.37109	0.5492	0.5133	-0.0133
0.4	6.83593	0.4315	0.3983	0.0017
					0.3	9.17968	0.3214	0.2908	0.0092

对厚度测量值进行线性拟合处理后得到被测物体厚度的拟合值，与实际值之间的偏差在几十μm数量级。

实施例2：

本发明提供了一种能精确测量超薄工件厚度方法，其特征在于：能精确测量超薄工件厚度方法为采用信号处理的方法来提取表征工件厚度的超声波信息，既适合于测量超薄大曲率工件厚度也适合于测量普通工件厚度的超声测厚技术，它的核心是对接收到的回波信号进行快速傅里叶变换(FFT)从而获得测量结果；超声脉冲有一定的频谱范围，见图1，当被测物体较薄时，相邻的回波重叠在一起，必然产生干涉现象，某些频率的超声波振动相互加强，而另一些频率的超声波振动相互减弱或完全抵消；通过快速傅里叶变换将接收到的时域信号转换为频域信号，也叫做频谱曲线，此时频域信号就会显示出周期性的峰值和谷值；在频率为基频f₀＝v/4x的奇数倍时出现周期性极小值，偶数倍时出现周期性极大值，其中x为被测物体的厚度，v为超声波在被测物体中的传播速度，因此测出频域信号达到极大值的频率f_n可以计算出被测物体的厚度x， $x=\frac{\mathrm{nv}}{2f_n}$ n＝1，2，3，Λ式中，f_n是频谱曲线上第n个极大值所对应的频率。

所述的能精确测量超薄工件厚度方法，超声波经被测物体底面反射的一次回波用f₁(t)表示，二次回波用f₂(t)表示， $f_2\left(t\right)=\mathrm{\α}{f}_1(t-\frac{2x}{v}),$ α＜1；

$F_1\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}_1\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt},$

$F_2\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}_2\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}\mathrm{\α}{f}_1(t-\frac{2x}{v})e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}=\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{c}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}_1\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}=\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{v}}{F}_1\left(\mathrm{\ω}\right)$

其中，x为被测物体的厚度，v为超声波在被测物体中的传播速度；根据傅里叶变换的线性性质，函数一次回波与二次回波的叠加信号f₁(t)+f₂(t)的傅里叶变换为F₁(ω)+F₂(ω)，即

$F\left(\mathrm{\ω}\right)=F_1\left(\mathrm{\ω}\right)+F_2\left(\mathrm{\ω}\right)=F_1\left(\mathrm{\ω}\right)+\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{v}}{F}_1\left(\mathrm{\ω}\right)=F_1\left(\mathrm{\ω}\right)\·(1+\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{v}}),$

令 $\mathrm{\ω}\frac{2x}{v}=\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{\πf}}{v}2x$

F(ω)＝F₁(ω)·(1+αe^-iβ)＝F₁(ω)·(1+αcosβ-iαsinβ)

当β＝2nπ，即f＝2nv/4x (n＝0，1，2Λ)时，F(ω)＝(1+α)F₁(ω)有最大值；

当β＝(2n+1)π，即f＝(2n+1)v/4x (n＝0，1，2Λ)时，F(ω)＝1-α有最小值；

即干涉信号的幅度谱在频率为基频f₀＝v/4x的偶数倍时出现周期性极大值点，奇数倍时出现周期性极小值点；当超声波在被测材料中的声速v已知，根据超声波的干涉规律对回波信号进行幅度谱分析，  若f₀为幅度谱的极大值时，计算出被测物体的厚度为x＝v/4f₀的偶数倍；若f₀为幅度谱的极小值时，计算出被测物体的厚度为x＝v/4f₀的奇数倍，由此计算出被测物体的厚度x。

一种按权利要求1所述的能精确测量超薄工件厚度方法的仪器，其特征在于：所述的能精确测量超薄工件厚度方法的仪器由探头和主机两部分组成，主机部分包括DSP控制模块、超声波发射电路、超声波信号接收电路，信号放大电路、闸门电路、通讯接口，液晶显示器和键盘。

探头的选择上若采用接触工件的方式测厚始波和界面波重合，同时由于测量薄工件的超声反射回波也淹没在始波中，因此需要将始波与界面波分离开，可选用水浸探头实现信号延迟，或选用直探头前加有机玻璃块将界面波延迟；由于探头的频率特性，不同频率的探头有不同的工作频带，通过对上述测厚方法的分析可知，被测物体的厚度越薄，其峰值频率f_n越高，因此要选用频率高的探头，根据被测物体的厚度范围来选择合适的探头频率。

所述的能精确测量超薄工件厚度方法首先要对与被测材料同种材质的标准试块的厚度进行测量，并得出线性拟合曲线，然后通过信号处理的方法测量出被测材料的厚度值，根据标定的拟合曲线得出被测材料的厚度校正值。

根据实施例1和测厚原理可以得出，厚度越薄，其波形的FFT变换的峰值频率越高。若想要测出小于0.3mm的厚度，需要采用10MHz以上的探头。

采用MATEC公司10MHz频率水浸聚焦探头，测量塞尺的厚度。探头的频谱图如图6所示。

采用与实施例1同样的测厚方法得到0.75mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.25mm、0.2mm塞尺的厚度。

表二10M探头塞尺测厚

实际值(mm)	峰值频率(MHz)	测量值(mm)	拟合值(mm)	偏差(mm)
					0.75	3.71093	0.7949	0.7451	0.0049
0.5	5.46875	0.5394	0.5059	-0.0059
					0.4	6.83593	0.4315	0.4049	-0.0049
0.3	9.17969	0.3214	0.3019	-0.0019
					0.25	11.32813	0.2604	0.2448	0.0052
0.2	14.0625	0.2098	0.1974	0.0026

对厚度测量值进行线性拟合处理后得到被测物体厚度的拟合值，与实际值之间的偏差在几个μm数量级。

实施例3：

本发明提供了一种能精确测量超薄工件厚度方法，其特征在于：能精确测量超薄工件厚度方法为采用信号处理的方法来提取表征工件厚度的超声波信息，既适合于测量超薄大曲率工件厚度也适合于测量普通工件厚度的超声测厚技术，它的核心是对接收到的回波信号进行快速傅里叶变换(FFT)从而获得测量结果；超声脉冲有一定的频谱范围，见图1，当被测物体较薄时，相邻的回波重叠在一起，必然产生干涉现象，某些频率的超声波振动相互加强，而另一些频率的超声波振动相互减弱或完全抵消；通过快速傅里叶变换将接收到的时域信号转换为频域信号，也叫做频谱曲线，此时频域信号就会显示出周期性的峰值和谷值；在频率为基频f₀＝v/4x的奇数倍时出现周期性极小值，偶数倍时出现周期性极大值，其中x为被测物体的厚度，v为超声波在被测物体中的传播速度，因此测出频域信号达到极大值的频率f_n可以计算出被测物体的厚度x， $n=\frac{\mathrm{nv}}{2f_n}$ n＝1，2，3，Λ式中，f_n是频谱曲线上第n个极大值所对应的频率。

所述的能精确测量超薄工件厚度方法，超声波经被测物体底面反射的一次回波用f₁(t)表示，二次回波用f₂(t)表示， $f_2\left(t\right)=\mathrm{\α}{f}_1(t-\frac{2x}{v}),$ α＜1；

$F_1\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}_1\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt},$

$F_2\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}_2\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}\mathrm{\α}{f}_1(t-\frac{2x}{v})e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}=\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{c}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}_1\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}=\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{v}}{F}_1\left(\mathrm{\ω}\right)$

其中，x为被测物体的厚度，v为超声波在被测物体中的传播速度；根据傅里叶变换的线性性质，函数一次回波与二次回波的叠加信号f₁(t)+f₂(t)的傅里叶变换为F₁(ω)+F₂(ω)，即

$F\left(\mathrm{\ω}\right)=F_1\left(\mathrm{\ω}\right)+F_2\left(\mathrm{\ω}\right)=F_1\left(\mathrm{\ω}\right)+\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{v}}{F}_1\left(\mathrm{\ω}\right)=F_1\left(\mathrm{\ω}\right)\·(1+\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{i\ω}\frac{2x}{v}}),$

令 $\mathrm{\ω}\frac{2x}{v}=\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{\πf}}{v}2x$

F(ω)＝F₁(ω)·(1+αe^-iβ)＝F₁(ω)·(1+αcosβ-iαsinβ)

当β＝2nπ，即f＝2nv/4x(n＝0，1，2Λ)时，F(ω)＝(1+α)F₁(ω)有最大值；

当β＝(2n+1)π，即f＝(2n+1)v/4x(n＝0，1，2Λ)时，F(ω)＝1-α有最小值；

即干涉信号的幅度谱在频率为基频f₀＝v/4x的偶数倍时出现周期性极大值点，奇数倍时出现周期性极小值点；当超声波在被测材料中的声速v已知，根据超声波的干涉规律对回波信号进行幅度谱分析，  若f₀为幅度谱的极大值时，计算出被测物体的厚度为x＝v/4f₀的偶数倍；若f₀为幅度谱的极小值时，计算出被测物体的厚度为x＝v/4f₀的奇数倍，由此计算出被测物体的厚度x。

所述的能精确测量超薄工件厚度方法首先要对与被测材料同种材质的标准试块的厚度进行测量，并得出线性拟合曲线，然后通过信号处理的方法测量出被测材料的厚度值，根据标定的拟合曲线得出被测材料的厚度校正值。

一种按权利要求1所述的能精确测量超薄工件厚度方法的仪器，其特征在于：所述的能精确测量超薄工件厚度方法的仪器由探头和主机两部分组成，主机部分包括DSP控制模块、超声波发射电路、超声波信号接收电路，信号放大电路、闸门电路、通讯接口，液晶显示器和键盘。

探头的选择上若采用接触工件的方式测厚始波和界面波重合，同时由于测量薄工件的超声反射回波也淹没在始波中，因此需要将始波与界面波分离开，可选用水浸探头实现信号延迟，或选用直探头前加有机玻璃块将界面波延迟；由于探头的频率特性，不同频率的探头有不同的工作频带，通过对上述测厚方法的分析可知，被测物体的厚度越薄，其峰值频率f_n越高，因此要选用频率高的探头，根据被测物体的厚度范围来选择合适的探头频率。

国产超声回波测厚仪对于管子的测量有一定的测量下限值Ф20mm*2.0mm，绝大多数航空或核能用小口径薄壁管的管径和壁厚远小于上述下限值，国外名牌产品测厚的下限值为0.5mm，管径的下限值未见报道。用本专利发明的测厚方法能够精确测量目前航空或核能用的所有的小口径薄壁管的壁厚。

测量Ф6mm*0.7mm的薄壁管，采集的数据波形如图7所示，通过对采集数据进行快速傅里叶变换如图8所示。从图8可以看出在频率f＝3.90625MHz时出现峰值，取超声波在材料中的声速v＝5900m/s，根据公式计算出厚度值x＝0.7552mm。按前述的实施例得出的拟合方程：Y＝A+B*X，A＝-0.001073984，B＝1.068268293，可计算出实际测量的壁厚值X＝(0.7552-0.0011)/1.068268293＝0.7059mm，可见测量的精确度很好。

该仪器在检测时，可实时采集超声回波信号，实时的进行快速傅里叶变换，实时计算和存储管壁厚度，可以实现机械化自动测量。

Claims (5)

1、一种能精确测量超薄工件厚度方法，其特征在于：能精确测量超薄工件厚度方法为采用信号处理的方法来提取表征工件厚度的超声波信息，既适合于测量超薄大曲率工件厚度也适合于测量普通工件厚度的超声测厚技术，它的核心是对接收到的回波信号进行快速傅里叶变换从而获得测量结果；超声脉冲有一定的频谱范围，当被测物体较薄时，相邻的回波重叠在一起，必然产生干涉现象，某些频率的超声波振动相互加强，而另一些频率的超声波振动相互减弱或完全抵消；通过快速傅里叶变换将接收到的时域信号转换为频域信号，也叫做频谱曲线，此时频域信号就会显示出周期性的峰值和谷值；在频率为基频f₀＝v/4x的奇数倍时出现周期性极小值，偶数倍时出现周期性极大值，其中x为被测物体的厚度，v为超声波在被测物体中的传播速度，因此测出频域信号达到极大值的频率f_n可以计算出被测物体的厚度x， $x=\frac{\mathrm{nv}}{2f_n}$ n＝1，2，3，Λ  式中，f_n是频谱曲线上第n个极大值所对应的频率。

2、按照权利要求1所述的能精确测量超薄工件厚度方法，其特征在于：所述的能精确测量超薄工件厚度方法，超声波经被测物体底面反射的一次回波用f₁(t)表示，二次回波用f₂(t)表示， $f_2\left(t\right)=\mathrm{\&alpha;}{f}_1(t-\frac{2x}{v}),\mathrm{\&alpha;}<1;$

$F_1\left(\mathrm{\&omega;}\right)={\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}{f}_1\left(t\right)e^{-\mathrm{i\&omega;t}}\mathrm{dt},$

$F_2\left(\mathrm{\&omega;}\right)={\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}{f}_2\left(t\right)e^{-\mathrm{i\&omega;t}}\mathrm{dt}={\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}\mathrm{\&alpha;}{f}_1(t-\frac{2x}{v})e^{-\mathrm{i\&omega;t}}\mathrm{dt}=\mathrm{\&alpha;}{e}^{-\mathrm{i\&omega;}\frac{2x}{c}}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}{f}_1\left(t\right)e^{-\mathrm{i\&omega;t}}\mathrm{dt}=\mathrm{\&alpha;}{e}^{-\mathrm{i\&omega;}\frac{2x}{v}}{F}_1\left(\mathrm{\&omega;}\right)$

其中，x为被测物体的厚度，v为超声波在被测物体中的传播速度；根据傅里叶变换的线性性质，函数一次回波与二次回波的叠加信号f₁(t)+f₂(t)的傅里叶变换为F₁(ω)+F₂(ω)，即

$F\left(\mathrm{\&omega;}\right)=F_1\left(\mathrm{\&omega;}\right)+F_2\left(\mathrm{\&omega;}\right)=F_1\left(\mathrm{\&omega;}\right)+\mathrm{\&alpha;}{e}^{-\mathrm{i\&omega;}\frac{2x}{v}}{F}_1\left(\mathrm{\&omega;}\right)=F_1\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&CenterDot;(1+\mathrm{\&alpha;}{e}^{-\mathrm{i\&omega;}\frac{2x}{v}}),$

令 $\mathrm{\&omega;}\frac{2x}{v}=\mathrm{\&beta;}=\frac{2\mathrm{\&pi;f}}{v}2x$

F(ω)＝F₁(ω)·(1+αe^-iβ)＝F₁(ω)·(1+αcosβ-iαsinβ)

当β＝2nπ，即f＝2nv/4x(n＝0，1，2Λ)时，F(ω)＝(1+α)F₁(ω)有最大值；

当β＝(2n+1)π，即f＝(2n+1)v/4x(n＝0，1，2Λ)时，F(ω)＝1-α有最小值；

即干涉信号的幅度谱在频率为基频f₀＝v/4x的偶数倍时出现周期性极大值点，奇数倍时出现周期性极小值点；当超声波在被测材料中的声速v已知，根据超声波的干涉规律对回波信号进行幅度谱分析，若f₀为幅度谱的极大值时，计算出被测物体的厚度为x＝v/4f₀的偶数倍；若f₀为幅度谱的极小值时，计算出被测物体的厚度为x＝v/4f₀的奇数倍，由此计算出被测物体的厚度x。

3、按照权利要求1所述的能精确测量超薄工件厚度方法，其特征在于：所述的能精确测量超薄工件厚度方法首先要对与被测材料同种材质的标准试块的厚度进行测量，并得出线性拟合曲线，然后通过信号处理的方法测量出被测材料的厚度值，根据标定的拟合曲线得出被测材料的厚度校正值。

4、一种按权利要求1所述的能精确测量超薄工件厚度方法的仪器，其特征在于：所述的能精确测量超薄工件厚度方法的仪器由探头和主机两部分组成，主机部分包括DSP控制模块、超声波发射电路、超声波信号接收电路，信号放大电路、闸门电路、通讯接口，液晶显示器和键盘。

5、按照权利要求4所述的能精确测量超薄工件厚度方法的仪器，其特征在于：探头的选择上若采用接触工件的方式测厚始波和界面波重合，同时由于测量薄工件的超声反射回波也淹没在始波中，因此需要将始波与界面波分离开，可选用水浸探头实现信号延迟，或选用直探头前加有机玻璃块将界面波延迟；由于探头的频率特性，不同频率的探头有不同的工作频带，通过对上述测厚方法的分析可知，被测物体的厚度越薄，其峰值频率f_n越高，因此要选用频率高的探头，根据被测物体的厚度范围来选择合适的探头频率。

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