CN102865839A - 一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法及装置 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法及装置

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小，振荡器的集电极电流增加以指示共振，测量时记录下两个相邻的共振频率，即可求出工件的厚度。采用共振法的超声波测厚仪可测厚度为0.1mm以上的材料，且精度高，可达0.1%，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0.6～508mm，显示精度0.01mm；美国Panametrics-NDT公司的26MG系列超声波测厚仪，其测量范围是0.5-500mm，显示精度0.01mm；日本AD公司的3253系列超声波测厚仪，其测量范围是0.8-200mm，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0.8-300mm，显示精度0.1mm。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

$P=2P_0\sin \left[\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\sqrt{\frac{D^2}{4}+x^2}-x)\right]\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{kx})---\left(1\right)$

其中x(单位：米)是波源轴线上任意一点距离波源的距离，D是波源直径(单位：米)，λ为超声波长(单位：米)，

称为波数。从（1）式不难看出：在近场范围（

的范围内），声压与距离的关系并非一一对应，声压值存在多个零点（零点个数为

），意味着在近场区域，声压与距离的关系非单调，只有在的远场区域声压与距离的关系才是单调的。也就是说现有的以声波声压特征为主的探测方法中，探头与探测物体之间必须保持有一定的距离。

结合声场特性以及脉冲检测的特点进行分析，以声压为特征的脉冲反射式超声波测厚仪存在以下不足：

（1）存在近场盲区。在声场传播的近场区，声压与距离关系非单调，存在多个零点，发射窄带信号或者单频信号进行测量可能使得回波微弱甚至为0，决定了以声压为特征的脉冲反射法存在测量盲区，必须使用远场区进行测厚。

（2）对噪声敏感，对测量环境有一定的要求。因为脉冲反射式测厚仪是基于声压（即幅度）特征的，在信噪比较低的环境下，容易受噪声干扰，造成回波脉冲信号的误检或者漏检。

（3）对被探测工件有一定的要求，适应性不强。如工件曲率半径太小、检测面与反射底面不平行、材料组织不均匀或晶粒过大时，都会使测量值偏离正常值，造成误检。

发明内容

本发明目的在于克服现有以声压为特征的脉冲反射式超声波测厚仪的不足，提出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，具体技术方案如下。

一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法，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工件内部；

（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工件返回的声信号，并转化成电信号；

（4）根据回波信号参数分析反演调频超声信号在工件中的传播时间，即是将发射信号在时间上延拓得到参考信号，将参考信号与从被测工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一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工件中的传播时间；

（5）对超声波在被测工件内传播的路径进行接收补偿，进而求得被测工件的厚度，由超声波信号的传播时间和预置的声速，求得超声波波束在工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，即能求出被测工件的厚度；

（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）而得到多个工件厚度的测量值，对所有的测量值进行加权平均得到高精度的厚度测量值。

实现所述的超声波测厚方法的装置，包括手持式控制及显示器和阵列式超声波探头组件，所述手持式控制及显示器包括电源、显示器、输入控制单元、微控制器、A/D和D/A转化器及外部接口；微处理器分别与A/D和D/A转换器、输入控制单元、显示器、网络接口、打印机接口、故障诊断接口及电源连接，对输入控制单元及A/D转换器输入的数字信号进行计算，并向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口连接时，实现与外部设备的数据交换；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口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口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；输入控制单元与微处理连接，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结果。

进一步的，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，且布置在四周的每一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。

进一步的，所述外部接口包括超声波换能器接口、网络接口、打印机接口、故障诊断接口中的一种以上，其中网络接口、打印机接口和故障诊断接口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。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）根据声波发射声场的特性，调频信号的频率信息稳定，宽带调频信号可以同时覆盖超声近场区的零点和峰值点，避免近场盲区，能够实现近场和远场的探伤；

（2）发射调频信号，可以有效展宽信号带宽，降低信噪比，即降低信号的发射功率，从而降低探头器件的体积和成本；

（3）由于通过降低信号发射电压，降低了单个探头的成本和体积，在设计探头时可以将多个探头组成阵列，获得更丰富的回波信号；

（4）用频率估计代替现有的声压估计，因为频率参数比声压参数更加稳定，所以根据发射信号和回波信号的频率信息来进行探伤能够提高探伤算法的精度；

（5）抗干扰能力强，能适应各种噪声环境。

附图说明

图1是本发明所述装置的系统框图。

图2a、2b、2c是本发明所述阵列式超声波探头组件结构示意图。

图3a、3b、3c、3d是构造间歇式宽带线性调频超声波信号，并估计该信号在收发两端频率差的仿真截图。

图4是对超声波进行接收补偿的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

如图1所示，是本发明所述基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚装置的系统框图。该装置包括手持式控制及显示器和阵列式超声波探头组件两个部分，其中手持式控制及显示器由电源、显示器、输入控制单元、微控制器、A/D和D/A转化器及外部接口组成，外部接口包括网络接口、打印机接口、故障诊断接口和超声波探头接口等。

微处理器与A/D和D/A转换器、输入控制单元、显示器、网络接口、打印机接口、故障诊断接口及电源连接，对输入控制电路及A/D转换器输入的数字信号进行计算，并向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口连接时，实现与外部设备的数据交换；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口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口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；输入控制单元与微处理连接，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结果；外部接口包括超超声波换能器接口、网络接口、打印机接口、故障诊断接口等，其中网络接口、打印机接口和故障诊断接口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功能。

如图2a、2b、2c所示，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，布置在四周的超声波换能的数量在2个以上，所有的超声波换能器布置在同一平面内，且布置在四周的每一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。工作时，位于中央的超声波换能器向被探测工件发射间歇式的宽带线性调频连续超声波信号，位于四周的超声波换能器接收从被探测工件内部反射的超声波，根据发射和接收的调频信号的频率参数反演该宽带线性调频连续超声信号在工件内部的传播时间，结合预置的声速而求得工件厚度。

如图3a所示，是构造的间歇式宽带线性调频超声波信号频率与时间的关系图，超声波信号的频率在f₀～f_t范围内线性增长,斜率k为事先设定的稳定值，在本仿真实例中超声波信号频率范围是2～6M，采样频率是20M，位于阵列超声波探头中央的超声波换能器将该信号向被测工件内部发射，该信号的时域表达式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_A\left(t\right)=A\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t+2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{kt}}^2)& \mathrm{nT}<t<\mathrm{nT}-t_1(n=\mathrm{0,1,2}......)\\ 0& \mathrm{nT}-t_1<t<(n+1)T(n=\mathrm{0,1,2}......)\end{array}\right.---\left(2\right)$

在（2）式中，T为宽带线性调频信号的周期，t₁为宽带线性调频信号在每一个周期内的发射持续时间，有f_t=f₀+kt₁，即在一个发射周期T内，t₁为发射时间，T- t₁为间歇时间。从Cramer-Rao Bound（CRB）估计理论来看，信号的频率的相对估计精度，与样点数的立方成正比，即：

$E\left[{(\mathrm{\&omega;}-\widehat{\mathrm{\&omega;}})}^2\right]=6/\mathrm{\&gamma;}{M}^3---\left(3\right)$

其中γ为信噪比，M为采样点数。设置间歇时间，通过将发射信号延拓可以增加相干信号的时间，实现频率参数的高精度估计，从而实现高精度的测厚。

如图3b所示，是位于阵列式超声波探头四周的超声波换能器接收到从被测工件内部反射回来的超声波信号频率与时间的关系图，该信号是发射信号在时间上的延时，延时的时间为t_B ,其时域表式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_B\left(t\right)=A\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_0(t+t_B)+2\mathrm{\&pi;}{k(t+t_B)}^2)& \mathrm{nT}+t_B<t<\mathrm{nT}-t_1+t_B(n=\mathrm{0,1,2}......)\\ 0& \mathrm{nT}-t_1+t_B<t<(n+1)T+t_B(n=\mathrm{0,1,2}......)\end{array}\right.---\left(4\right)$

如图3c所示，是间歇式宽带线性调频超声波发射信号在时间上的拓展，拓展后的信号作为回波信号求解参数时的参照信号,拓展的时宽为T- t₁，即拓展的时宽用来填补发射间歇时间，拓展后的信号时域表达式为。

$x_A\left(t\right)=A\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t+2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{kt}}^2)\mathrm{nT}<t<(n+1)T(n=\mathrm{0,1,2}......)---\left(5\right)$

如图3d所示，是将拓展后的信号与回波信号在时域进行互相关运算后的结果，互相关运算后的信号分为高频和低频两个部分，通过低通滤波器滤除高频部分后，滤波后的低频部分是一个频率稳定的单频信号，设该频率为f_AB，根据这部分信号能求解传播时间，这部分信号的物理意义是发射信号与接收信号在同一时刻的频率差与信号在工件内来回传播时间差的对应关系。该低频信号的时域表达式为：

$x_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=A\cos (2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{kt}}_{B}t+2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{kt}}_B^2-2\mathrm{\&pi;}{f}_0{t}_B)\mathrm{nT}<t<\mathrm{nT}+t_B(n=\mathrm{0,1,2}......)---\left(6\right)$

从表达式中可以看出该稳定频率f_AB=kt_B,所以可以求得超声波信号在工件中往返转播的时间：t_B=f_AB/k。

如图4所示，位于中心的超声波换能器发射宽带线性调频超声波波束被四周的超声波换能器接收这段路径与被探测工件的厚度方向有一定的倾角，这个倾角会造成超声波波束的实际传播的单程路径距离大于被探测工件厚度，这是由于发射换能器和接收换能器之间有一定的距离造成的，所以，在计算被探测工件的厚度时，要对传播的单程路径进行补偿，而发射换能器和接收换能器之间的距离是一个确定的值，设为d。令设超声波波束在工件内部传播的速度为c,则波束在被测工件内部传播的单程距离:

$l=\frac{{\mathrm{ct}}_B}{2}=\frac{{\mathrm{cf}}_{\mathrm{AB}}}{2k}---\left(7\right)$

所以利用勾股定理可求得被探测工件的厚度:

$h=\sqrt{l^2-{\left(\frac{d}{2}\right)}^2}=\sqrt{\frac{c^2{f^2}_{\mathrm{AV}}}{4k^2}-\frac{d^2}{4}}---\left(8\right)$

在测量时，位于阵列超声波探头四周的每一个超声波换能器都能够接收到超声波信号，对每一个超声波换能器接收的信号采取同样的计算方法能同时得到多个互相独立的计算结果，对所有计算的结果进行加权平均可以得到高精度的厚度测量值。

Claims (4)

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工件内部；

（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工件返回的声信号，并转化成电信号；

（4）根据回波信号参数分析反演调频超声信号在工件中的传播时间，即是将发射信号在时间上延拓得到参考信号，将参考信号与从被测工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一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工件中的传播时间；

（5）对超声波在被测工件内传播的路径进行接收补偿，进而求得被测工件的厚度，由超声波信号的传播时间和预置的声速，求得超声波波束在工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，即能求出被测工件的厚度；

（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）而得到多个工件厚度的测量值，对所有的测量值进行加权平均得到高精度的厚度测量值。

2.实现权利要求1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、输入控制单元、微控制器、A/D和D/A转化器及外部接口；微处理器分别与A/D和D/A转换器、输入控制单元、显示器、网络接口、打印机接口、故障诊断接口及电源连接，对输入控制单元及A/D转换器输入的数字信号进行计算，并向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口连接时，实现与外部设备的数据交换；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口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口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；输入控制单元与微处理连接，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结果。

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，且布置在四周的每一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口包括超声波换能器接口、网络接口、打印机接口、故障诊断接口中的一种以上，其中网络接口、打印机接口和故障诊断接口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。

Images