CN102109333B - 小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚系统，该系统包括上位机、数字采集单元和显示模块，所述上位机接收数字采集单元的数字信号，所述上位机将接收到的数字信号输出至显示模块显示；所述数字采集单元信号输入端与超声波发射/接收装置连接；所述超声波发射/接收装置发射超声波信号至被测物体，所述超声波发射/接收装置接收被测物体返回的超声波信号；所述数字采集单元将被测物体返回的超声波信号转换为数字信号输出至上位机。该系统通过控制程序实现被测物厚度的自动计算处理及数字显示；本发明采用工业PC，该系统组成结构简单，可靠性高、成本低；且对0.5mm～4mm厚度的被测物测量，测量精度达0.01mm，测量精度高，速度快，大大减少测量人员的投入。

Description

小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚系统

技术领域

本发明涉及计算机数字测量领域，具体说是通过超声波可实现0.5mm～4mm厚度测量的一种小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚系统。

背景技术

超声波检测是无损检测领域的一个重要手段，是目前国内外最常用的检测方法之一。对于被测物厚度的测量，尤其是具有复杂曲面的被测物厚度的测量，采用超声波作为测量手段，是最为有效、精确的。利用该原理制造的超声测厚装置广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域，但国内大多数数显设备测量范围都有限，对于小曲率半径的曲面厚度的测量，测量精度远达不到要求。

发明内容

为了解决以上的不足，本发明的目的是提供一种能够测量小曲率半径曲面厚度，并且通过计算机控制程序对采集波形的分析、处理，确定波形时间值与厚度值对应关系的一种小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚系统，包括上位机、数字采集单元和显示模块，所述上位机接收数字采集单元的数字信号，所述上位机将接收到的数字信号输出至显示模块显示；所述数字采集单元信号输入端与超声波发射/接收装置连接；所述超声波发射/接收装置发射超声波信号至被测物体，所述超声波发射/接收装置接收被测物体返回的超声波信号；所述数字采集单元将被测物体返回的超声波信号转换为数字信号输出至上位机。

所述数字采集单元采用RIGOL公司的VS5062数字虚拟示波器；所述数字虚拟示波器其实时采样率400M sa/s，存储记忆长度1M采样点，单次带宽60MHz，扫速范围为5ns/div～50s/div，触发灵敏度为0.1div～1.0div。所述上位机中存储控制程序。

一种小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚系统，该系统通过上位机控制程序，执行如下测量步骤：

步骤1)启动控制程序初始化模块，对数字采集单元进行基本参数设置，通过上述参数设置最终控制显示模块显示。

步骤2)启动控制程序校准模块，对步骤1中采集的数字信号进行波形筛选；通过校准模块分别对厚度为0.5mm、1mm和4mm的被测物进行校准，得到厚度标尺，可知被测物厚度值与超声波反射波形的时间值成比例关系，计算公式为：

$d=V\×\frac{t}{2}$ 式1

其中d为被测物厚度，V为超声波在被测物中的传播速度，t为超声波在被测物中的传播时间；

步骤3)启动控制程序测量模块，根据步骤2中得到的厚度标尺，对0.5～4mm范围内的被测物进行厚度测量，通过上位机实现实时测量，通过显示模块实现实时数字显示。

步骤4)启动数据管理模块，所述数据管理模块包括测试信息、被测物信息、操作位置、数据表、存储、调出和打印。

所述控制程序初始化模块对数字虚拟示波器进行基本参数的设置，包括触发信源、触发方式、扫描方式、时间档位、电压档位、触发延时、触发电平、触发释抑。

所述波形筛选的目的是准确捕获到有效波形，所述筛选有效波形采用阈值-矫正值的方法进行筛选，

需要分两种情况分别筛选：

(1)当波峰≥阈值时，则波峰后的第一个过0点作为有效波形的捕捉点；

(2)当|波谷|≥阈值时，且当波谷的前一个波峰≥矫正值时，则前一个波峰后的第一个过0点作为有效波形的捕捉点；又当|波谷|≥阈值时，且当波谷的前一个波峰＜矫正值时，则波谷后的第一个下降沿的过0点作为有效波形捕捉点；

根据上述捕获的有效波形，并通过软件平台(LabVIEW)读取超声波在被测物中传播的时间。

所述厚度标尺计算过程如下，首先通过数字采集单元读取超声波在标准量被测物中传播的时间，然后通过超声波在0.5mm和4mm两个标准被测物中传播的时间来确定相对时间零点，计算公式为：

$\frac{0.5-0}{4-0}=\frac{t_{0.5}-t_0}{t_4-t_0}$ 式2

其中t_0.5为0.5mm厚度对应的时间值，t₄为4mm厚度对应的时间值，t₀为相对时间零点；

在厚度标尺中显示数字设置为0.01，确定完时间零点即可根据b＝0.01×(t₁-t₀)来确定步进值，其中t₁为1mm对应的时间值，b为步进值；由上述方法确定t₀时间点对应的位置作为厚度标尺的0点位置，以t₄时间点对应的位置作为厚度标尺的4mm位置；将0～4mm这区间等分4个等份，每等份代表1mm；再将每等份分成100个小等份，而步进值对应的厚度值即为每个小等份的长度；通过以上过程确定厚度标尺；并且得到相应零点位置，步进值的校准结果。

所述测量模块包括波形显示区域、实时厚度显示、系统参数设置和数据表区；波形显示区域：实时显示测试的波形，其波形横坐标代表厚度值，纵坐标代表电压值；实时厚度显示：实时显示测量被测物的厚度值；系统参数设置：设置测量方式，截面和物理量；数据表区：实现测量数据的保存、显示。

所述数据管理模块，其中测试信息：包括测试者和测试时间；被测物信息包括台号和被测物号；操作位置实现选择数据存储文件的路径和文件的命名；数据表测量数据显示在规范数据报表中；存储实现测量数据的保存；调出实现测量数据的查询；打印实现数据报表的打印。

本发明的优点：

1、本发明采用工业PC作为上位机，测量系统组成结构简单，其可靠性高、成本低、性能高。

2、本发明可利用超声波进行0.5mm～4mm范围内的厚度测量，测量精度可达0.01mm，测量精度高，速度快，可大大减少测量人员的投入。

3、本发明利用高能量超声波探头进行测量，最小允许被测物表面曲率半径为5mm。

4、本发明通过计算机控制程序实现数据处理计算，计算精度高，通过数字显示单元准确、直观显示测试结果。

附图说明

图1为本发明测量系统结构框图；

图2为本发明计算机控制程序流程图；

图3为本发明的校准模块流程图；

图4为本发明的测量模块流程图；

图5为本发明的数据管理模块方框图；

图6为本发明显示模块显示的波形图。

具体实施方式

如图1-6所示，一种小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚系统，包括上位机、数字采集单元和显示模块，所述上位机接收数字采集单元的数字信号，所述上位机将接收到的数字信号输出至显示模块显示；所述数字采集单元信号输入端与超声波发射/接收装置连接；所述超声波发射/接收装置通过超声波探头发射超声波信号至被测物体，所述超声波发射/接收装置接收被测物体返回的超声波信号；所述数字采集单元将被测物体返回的超声波信号转换为数字信号输出至上位机。

所述上位机采用研华PT610双核处理器、主频2.8GHz、内存2GB、独立显卡，显存512MB的工业控制机，提高了系统的稳定性、响应速度，为智能超声测厚软件稳定运行提供了必要条件。所述上位机中存储控制程序。所述数字采集单元采用RIGOL公司的VS5062数字虚拟示波器；所述数字虚拟示波器其实时采样率400M sa/s，存储记忆长度1M采样点，单次带宽60MHz，扫速范围为5ns/div～50s/div，触发灵敏度为0.1div～1.0div。超声波发射/接收装置采用YT-603超声波发生器。所述超声波发射/接收装置主要是通过超声波压电传感器发射超声波，并接收被测物体的底面反射回来的反射波。将接收的反射波通过数字采集单元进行数字化处理，通过上位机中的控制程序处理，且通过显示单元显示出来。数字采集单元实质上是一个虚拟数字示波器。该数字采集单元可以实现普通示波器的功能，可以对其进行参数的设置(在测量系统中的初始化模块中设置)。

一种小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚系统，该系统通过上位机控制程序，执行如下测量步骤：

步骤1)启动控制程序初始化模块，对数字采集单元进行基本参数设置，通过上述参数设置最终控制显示模块显示。

步骤2)启动控制程序校准模块，对步骤1中采集的数字信号进行波形筛选；通过校准模块分别对厚度为0.5mm、1mm和4mm的标准量被测物进行校准，得到厚度标尺，可知被测物厚度值与超声波反射波形的时间值成比例关系，计算公式为：

$d=V\×\frac{t}{2}$ 式1

其中d为被测物厚度，V为超声波在被测物中的传播速度，t为超声波在被测物中的传播时间；

步骤3)启动控制程序测量模块，根据步骤2中得到的厚度标尺，对0.5～4mm范围内的被测物进行厚度测量，通过上位机实现实时测量，通过显示模块实现实时数字显示。

步骤4)启动数据管理模块，所述数据管理模块包括测试信息、被测物信息、操作位置、数据表、存储、调出和打印。

所述控制程序初始化模块对数字虚拟示波器进行基本参数的设置，包括触发信源、触发方式、扫描方式、时间档位、电压档位、触发延时、触发电平、触发释抑。所述触发信源包括输入通道(CH1、CH2)、外部触发(EXT、EXT/5)；所述触发方式特定为边沿触发方式(EDGE)，即在输入信号下降沿的触发阈值上触发；所述扫描方式决定示波器在无触发事件情况下的行为方式，示波器在普通触发方式下只有当触发条件满足时才能采样到波形，在没有触发时示波器将显示原有波形而等待触发；所述触发释抑指重新启动触发电路的时间间隔，在释抑期间，示波器不会触发，直至释抑时间结束；所述时间档位指水平方向上时间的最小单位；所述电压档位：指垂直方向上电压的最小单位；所述触发延时指信号触发的延时时间；所述触发电平：指信号的触发电平。

所述波形筛选的目的是准确捕获到有效波形，所述筛选有效波形采用阈值-矫正值的方法进行筛选，

需要分两种情况分别筛选：

(1)当波峰≥阈值时，则波峰后的第一个过0点作为有效波形的捕捉点；

(2)当|波谷|≥阈值时，且当波谷的前一个波峰≥矫正值时，则前一个波峰后的第一个过0点作为有效波形的捕捉点；又当|波谷|≥阈值时，且当波谷的前一个波峰＜矫正值时，则波谷后的第一个下降沿的过0点作为有效波形捕捉点；

根据上述捕获的有效波形，并通过软件平台(LabVIEW)读取超声波在被测物中传播的时间，所述阈值和矫正值可以通过软件平台(LabVIEW)输入，或者执行默认值。

所述厚度标尺计算过程如下，首先通过数字采集单元采集到的回波数据读取超声波在标准量被测物中传播的时间，然后通过超声波在0.5mm和4mm两个标准被测物中传播的时间来确定相对时间零点，计算公式为：

$\frac{0.5-0}{4-0}=\frac{t_{0.5}-t_0}{t_4-t_0}$ 式2

其中t_0.5为0.5mm厚度对应的时间值，t₄为4mm厚度对应的时间值，t₀为相对时间零点；

在厚度标尺中显示数字设置为0.01，确定完时间零点即可根据b＝0.01×(t₁-t₀)来确定步进值，其中t₁为1mm对应的时间值，b为步进值；由上述方法确定t₀时间点对应的位置作为厚度标尺的0点位置，以t₄时间点对应的位置作为厚度标尺的4mm位置；将0～4mm这区间等分4个等份，每等份代表1mm；再将每等份分成100个小等份，而步进值对应的厚度值即为每个小等份的长度；通过以上过程确定厚度标尺；并且得到相应零点位置，步进值的校准结果。

所述测量模块包括波形显示区域、实时厚度显示、系统参数设置和数据表区；波形显示区域：实时显示测试的波形，其波形横坐标代表厚度值，纵坐标代表电压值；实时厚度显示：实时显示测量被测物的厚度值；系统参数设置：设置测量方式，截面和物理量；数据表区：实现测量数据的保存、显示。

所述测量模块是根据校准模块中的厚度标尺对0.5～4mm范围内的被测物进行厚度测量，实时测量，实时数字显示。在测量模块中，处在0.5～4mm范围内任意厚度被测物都可以测量，并通过软件平台(LabVIEW)显示控件将实时的测量数值通过显示单元显示出来，显示精度可达0.000001。

所述测量模块中包括波形显示区域、实时厚度显示、系统参数设置和数据表区。波形显示区域：实时显示测试的波形，其横坐标代表厚度值，单位mm，纵坐标代表电压值，单位V。

实时厚度显示：自动实时显示测量被测物的厚度值；

系统参数设置：设置测量方式，截面和物理量。测量方式有同截面自动，同参数自动和手动三种方式。同截面自动指测量时数据保存按同截面，而参数(参数指物理量)自动的测量顺序保存数据；同参数自动指测量时数据保存按同参数而截面自动的测量顺序保存数据；手动方式指手动选择截面和物理量确定要测量的厚度点；

数据表区：实现测量数据的保存、显示，数据表中的索引与系统设置中截面、物理量一一对应。

所述步骤4中数据管理模块，其中测试信息：包括测试者和测试时间；被测物信息包括台号和被测物号；操作位置实现选择数据存储文件的路径和文件的命名；数据表测量数据显示在规范数据报表中；存储实现测量数据的保存；调出实现测量数据的查询；打印实现数据报表的打印。

Claims (4)

1.一种小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚方法，其特征在于：

小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚系统通过上位机控制程序，执行如下测量步骤：

步骤1)启动控制程序初始化模块，对数字采集单元进行基本参数设置，通过上述参数设置最终控制显示模块显示；

步骤2)启动控制程序校准模块，对数字采集单元采集的数字信号进行波形筛选；通过校准模块分别对厚度为0.5mm、1mm和4mm的被测物进行校准，得到厚度标尺，可知被测物厚度值与超声波反射波形的时间值成比例关系，计算公式为：

$d=V\×\frac{t}{2}$ 式1

其中d为被测物厚度，V为超声波在被测物中的传播速度，t为超声波在被测物中的传播时间；

步骤3)启动控制程序测量模块，根据步骤2中得到的厚度标尺，对0.5～4mm范围内的被测物进行厚度测量，通过上位机实现实时测量，通过显示模块实现实时数字显示；

步骤4)启动数据管理模块，所述数据管理模块包括测试信息、被测物信息、操作位置、数据表、存储、调出和打印；

所述波形筛选的目的是准确捕获到有效波形，所述有效波形的筛选采用阈值-矫正值的方法进行筛选，

需要分两种情况分别筛选：

(1)当波峰≥阈值时，则波峰后的第一个过0点作为有效波形的捕捉点；

(2)当|波谷|≥阈值时，且当波谷的前一个波峰≥矫正值时，则前一个波峰后的第一个过0点作为有效波形的捕捉点；又当|波谷|≥阈值时，且当波谷的前一个波峰＜矫正值时，则波谷后的第一个下降沿的过0点作为有效波形捕捉点；

根据上述捕获的有效波形，并通过软件平台LabVIEW读取超声波在被测物中传播的时间；

所述厚度标尺计算过程如下，首先通过数字采集单元读取超声波在标准量被测物中传播的时间，然后通过超声波在0.5mm和4mm两个标准被测物中传播的时间来确定相对时间零点，计算公式为：

$\frac{0.5-0}{4-0}=\frac{t_{0.5}-t_0}{t_4-t_0}$ 式2

其中t_0.5为0.5mm厚度对应的时间值，t₄为4mm厚度对应的时间值，t₀为相对时间零点；

在厚度标尺中显示数字设置为0.01，确定完时间零点即可根据b＝0.01×(t₁-t₀)来确定步进值，其中t₁为1mm对应的时间值，b为步进值；由上述方法确定t₀时间点对应的位置作为厚度标尺的0点位置，以t₄时间点对应的位置作为厚度标尺的4mm位置；将0～4mm这区间等分4个等份，每等份代表1mm；再将每等份分成100个小等份，而步进值对应的厚度值即为每个小等份的长度；通过以上过程确定厚度标尺；并且得到相应零点位置，步进值的校准结果。

2.按权利要求1所述的小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚方法，其特征在于：

所述控制程序初始化模块对数字采集单元进行基本参数的设置，包括触发信源、触发方式、扫描方式、时间档位、电压档位、触发延时、触发电平、触发释抑。

3.按权利要求1所述的小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚方法，其特征在于：

所述测量模块包括波形显示区域、实时厚度显示、系统参数设置和数据表区；波形显示区域：实时显示测试的波形，其波形横坐标代表厚度值，纵坐标代表电压值；

实时厚度显示：实时显示测量被测物的厚度值；

系统参数设置：设置测量方式，截面和物理量；

数据表区：实现测量数据的保存、显示。

4.按权利要求1所述的小曲率半径复杂曲面智能超声波测厚方法，其特征在于：

所述数据管理模块，其中测试信息：包括测试者和测试时间；被测物信息包括台号和被测物号；操作位置实现选择数据存储文件的路径和文件的命名；数据表测量数据显示在规范数据报表中；存储实现测量数据的保存；调出实现测量数据的查询；打印实现数据报表的打印。

Images