CN103075981A - 一种超声波测厚方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波测厚方法,根据回波信号近似正弦波、工件底面回波零点T₀附近近似线性的特点，构建相似三角形，然后，依据相似三角形判定原理，得出零点的计算公式

T为模数转换器（ADC）的采样周期，然后根据该公式计算出被测工件底面回波时间T_j，再代入到厚度计算公式

中，计算出被测工件的厚度d，厚度d的精度由原来的T提高到了

因此，即使模数转换器（ADC）选用的采样频率较低的情况下仍取得较高的测量精度，由于模数转换器（ADC）可选用较低采样频率，模数转换器（ADC）的成本大幅度降低，从而降低了整机的制造成本。

Description

一种超声波测厚方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种超声波测厚方法。

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。国内外现有的超声波测厚仪大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（界面）时发生反射，反射回来的超声波（回波）被超声探头接收，测得发射开始到工件底面（界面）回波时间T_j，超声回波在工件中两次底面（界面）的回波时间间隔ΔT，根据超声波在材料中的传播声速c，通过如下公式即可计算出被测物体的厚度：

$d=\frac{{\mathrm{cT}}_j}{2}$

或

$d=\frac{\mathrm{c\ΔT}}{2}$

如何获得发射开始到工件底面（界面）的回波时间T_j，或超声回波在工件中两次底面（界面）的回波时间间隔ΔT，以及得到的数据的精度，决定了测量结果的精度。

如何获取精度较高的发射开始到工件底面（界面）的回波时间T_j，或超声回波在工件中两次底面（界面）的回波时间间隔ΔT，其中一种常用的方法就是通过模数转换器（ADC）对超声回波进行模数转换，通过数字信号处理的方法，得到发射开始到工件底面（界面）的回波时间T_j，或超声回波在工件中两次底面（界面）的回波时间间隔ΔT，模数转换器（ADC）的采样周期T，即为T_j和ΔT的精度，模数转换器（ADC）的采样周期T越小，T_j和ΔT的精度越高，计算得到的结果精度也就越高。通常，模数转换器（ADC）的采样频率越高，价格越高，功耗越大，如目前一些高端超声波测厚仪，精度为0.01mm，针对声速5920m/s的工件（标准钢材料），要求模数转换器（ADC）的采样周期T约3ns，即采样频率为333MHz，如此高采样率的模数转换器（ADC）价格非常昂贵，而且功耗相当大，不利于实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超声波测厚方法，这种超声波测厚方法能够在采用较低采样频率的模数转换器条件下，获得较高的测厚精度。采用的技术方案如下：

一种超声波测厚方法，包括步骤（1）连续发射及接受超声波，步骤（2）获得工件底面回波时间T_j，步骤（3）根据厚度计算公式

计算出工件的厚度d，其中C为超声波在材料中的传播声速，其特征在于所述步骤（2）中，获得工件底面回波时间T_j包括如下步骤：

（2）-（1）按模数转换器的采样周期T，通过模数转换器将工件表面或底面的模拟回波信号转换为一组代表幅度的回波数据D_i，其中i=1、2、3、…N，D_i对应的时间为T_i，相邻两个回波数据D_i、D_i+1之间的时间间隔为采样周期T；

（2）-（2）将各个回波数据D_i依次进行比较，得出工件底面回波零点T₀的前一个回波数据D_b,以及零点T₀的后一个回波数据D_a,同时获得D_b所对应的时间T_b；

（2）-（3）根据回波信号近似正弦波、零点T₀附近近似线性的特点，构建相似三角形，依据相似三角形判定原理，得出零点

由于在超声波测厚仪上，得到工件底面回波的位置与真实工件底面回波的位置存在一定的误差，这是导致测厚精度难以提高的主要原因。本超声波测厚方法的总体思路是：将模拟超声信号通过模数转换（ADC）转化为数字超声信号，找出工件底面回波零点的前一个回波数据和后一个回波数据，以及前一个回波数据所对应的时间，结合模数转换器的采样周期，以此计算出更加逼近真实工件底面回波位置，再代入厚度计算公式，测得精度更高的厚度。本发明根据回波信号近似正弦波、零点T₀附近近似线性的特点，构建相似三角形，然后，依据相似三角形判定原理，得出零点的计算公式

T为模数转换器（ADC）的采样周期，然后根据该公式计算出被测工件工件底面回波时间T_j，再代入到厚度计算公式中，计算出被测工件的厚度d，厚度d的精度由原来的T提高到了

因此，即使模数转换器（ADC）选用的采样频率较低的情况下仍取得较高的测量精度，由于模数转换器（ADC）可选用较低采样频率，模数转换器（ADC）的成本大幅度降低，从而降低了整机的制造成本。

作为本发明的优选方案，所述步骤（2）-（2）中，通过设置主要包括一组减法电路的信号处理模块，对各个回波数据D_i依次进行比较。厚度测量的实施由硬件实现，保证测量的实时性和准确性，适用于快速测量。

作为本发明进一步的优选方案，所述步骤（2）-（2）中，在两个回波数据D_i、D_i+1相邻，并且在其中一个为正值、另一个为负值的条件下，如果│D_i+D_i+1│最接近于0，则判定这两个回波数据D_i、D_i+1为零点T₀的前一个回波数据D_b和后一个回波数据D_a。这种判定方法较为简单直接，减少计算量，提高测量的实时性。

作为本发明进一步的优选方案，在步骤（2）-（1）之前，采用增益放大器对模拟回波信号进行放大。采用增益放大器对模拟回波信号进行放大处理，使得|D_b|+|D_a|具有较大值，进一步提高测厚精度。

作为本发明更进一步的优选方案，所述增益放大器为可控增益放大器。采用可控增益放大器，在确保精度的情况下，同时保证D_b和D_a的值不会太大，避免超出模数转换器（ADC）的输入范围而出现错误。

附图说明

图1是本发明实施例一的模拟回波信号图形；

图2是取图1中一段波形模拟出正弦波的示意图；

图3是实施例一测量结果的示意图；

图4是实施例二测量结果的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和本发明的优选实施方式做进一步的说明。

实施例一

本实施例中采用的超声波测厚仪，其模数转换器（ADC）的采样频率采用80MHz，即T=12.5ns，采样精度为10位，即|D_b|+|D_a|的最大值为1024。探头采用5M双晶探头，其模拟回波信号的波形如图1所示。

按如下步骤进行测厚：

步骤（1）连续发射及接受超声波；

步骤（2）获得工件底面回波时间T_j；

步骤（3）根据厚度计算公式

计算出工件的厚度d，其中C为超声波在材料中的传播声速。

在上述步骤（2）中，先采用可控增益放大器对模拟回波信号进行放大，然后在获得工件底面回波时间T_j时通过如下步骤：

（2）-（1）按模数转换器的采样周期T，通过模数转换器将工件超声模拟回波信号转换为一组代表幅度的回波数据D_i，其中i=1、2、3、…N，D_i对应的时间为T_i，相邻两个回波数据D_i、D_i+1之间的时间间隔为采样周期T；

（2）-（2）将各个回波数据D_i依次进行比较，得出零点T₀的前一个回波数据D_b,以及零点T₀的后一个回波数据D_a,同时获得D_b所对应的时间T_b；具体做法是通过设置主要包括一组减法电路的信号处理模块，然后在两个回波数据D_i、D_i+1相邻，并且在其中一个为正值、另一个为负值的条件下，如果│D_i+D_i+1│最接近于0，则判定这两个回波数据D_i、D_i+1为零点T₀的前一个回波数据D_b和后一个回波数据D_a；

（2）-（3）如图2所示，根据回波信号近似正弦波、零点T₀附近近似线性的特点，构建相似三角形，依据相似三角形判定原理，得出零点 $T_0=T_b+T\left(\frac{\left|D_b\right|}{\left|D_b\right|+\left|D_a\right|}\right).$

测量前，先采用声速为5920m/s，4.00mm的试块进行校准，再测量声速为5920m/s，厚度分别为3.00mm，10.00mm，200.00mm的试块。由于校准试块，测量的试块厚度均有一定的误差，采用多次测量，求差值的方法验证本发明可达到的精度。测量结果如图3所示，通过测量结果可以看出，3种厚度试块，5次测量的最大，最小测量值误差不超过0.0050mm，而且在测量较薄工件时，精度更高。

实施例二

在其它部分均与实施例一相同的情况下，其区别在于：探头采用20M单晶探头，测量前，同样先采用声速为5920m/s，4.00mm的试块进行校准，再测量声速为5920m/s，厚度分别为1.00mm，3.00mm，10.00mm的试块。测量结果如图4所示，通过测量结果可以看出，3种厚度试块，5次测量的最大，最小测量值误差不超过0.0020mm。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种超声波测厚方法，包括步骤（1）连续发射及接受超声波，步骤（2）获得工件底面回波时间T_j，步骤（3）根据厚度计算公式

计算出工件的厚度d，其中C为超声波在材料中的传播声速，其特征在于所述步骤（2）中，获得工件底面回波时间T_j包括如下步骤：

（2）-（1）按模数转换器的采样周期T，通过模数转换器将工件超声模拟回波信号转换为一组代表幅度的回波数据D_i，其中i=1、2、3、…N，D_i对应的时间为T_i，相邻两个回波数据D_i、D_i+1之间的时间间隔为采样周期T；

（2）-（2）将各个回波数据D_i依次进行比较，得出工件底面回波零点T₀的前一个回波数据D_b,以及零点T₀的后一个回波数据D_a,同时获得D_b所对应的时间T_b；

（2）-（3）根据回波信号近似正弦波、零点T₀附近近似线性的特点，构建相似三角形，依据相似三角形判定原理，得出零点

2.如权利要求1所述的超声波测厚方法，其特征是：所述步骤（2）-（2）中，通过设置主要包括一组减法电路的信号处理模块，对各个回波数据D_i依次进行比较。

3.如权利要求1或2所述的超声波测厚方法，其特征是：所述步骤（2）-（2）中，在两个回波数据D_i、D_i+1相邻，并且在其中一个为正值、另一个为负值的条件下，如果│D_i+D_i+1│最接近于0，则判定这两个回波数据D_i、D_i+1为零点T₀的前一个回波数据D_b和后一个回波数据D_a。

4.如权利要求1或2所述的超声波测厚方法，其特征是：在步骤（2）-（1）之前，采用增益放大器对模拟回波信号进行放大。

5.如权利要求4所述的超声波测厚方法，其特征是：所述增益放大器为可控增益放大器。

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