CN104792284B - 一种超声波厚度测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波厚度测量的方法，其特点是本方法采用的测量系统包括发射模块、接收模块、输入限幅模块、前置放大模块、压控放大模块、控制电压产生模块、脉冲整形模块，对接收模块采集的回波群信号利用控制电压产生模块控制的压控放大器进行周期性衰减和放大，从而得到只含有第一振荡周期的回波群信号，利用经整形后的两次回波群波形的最大峰值的间隔即可得到待测物体的厚度；优点是所用控制电压产生模块结构设计简单，可以精确得到两次回波群的时间间隔，从而减小厚度测量的误差。

Description

一种超声波厚度测量的方法

技术领域

本发明涉及检测技术，尤其是涉及一种超声波厚度测量的方法。

背景技术

超声波测厚技术不仅广泛应用于对各种板材和各种加工零件的精确测量，而且也可以监测生产设备中各种管道和压力容器在使用过程中受腐蚀后的减薄程度。目前超声波测厚技术广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等众多工业部门的产品检验，对设备安全运行和现代化管理起着重要作用。

脉冲反射法是目前国内外广泛应用的超声波测厚技术，根据超声波脉冲反射原理可以进行厚度测量，当探头发射的超声波脉冲经过水、油等介质到达被测物体表面，超声波的一部分能量会被反射回探头，产生第一次回波，探头发射的超声波的另一部分能量通过被测物体到达材料另一表面时，超声波会再次被反射回来形成第二次回波，通过精确测量超声波在材料中的传播时间可以确定被测材料的厚度。

然而脉冲反射法超声测厚技术在实际应用中存在两方面的问题：1)、在超声波脉冲发射方面，超声波脉冲的产生是靠一定功率的电脉冲激励超声波探头产生机械振动实现的。理想情况下，当向探头施加单个电脉冲信号，探头只产生单个超声波脉冲，产生规则形状的回波信号，从而很容易实现对回波信号的检测。但在实际应用中，任何一个超声波探头产生主振波形的同时总会伴随产生较长时间的余振波形，这些余振波形到达被测件后都会产生回波；2)、在超声波脉冲接收方面，来自探头的超声波信号能量在被测件表面以及内部传播过程中，不仅逐渐衰减，而且受到材料均匀性以及材料颗粒等因素影响，还会产生能量散射等现象，这些都会导致回波产生畸变，从而进一步影响回波波形的洁净程度。所有这些回波全部被探头拾取，使得实际检测到的回波信号不是单一脉冲，而是一群不规则的畸变波形。以上两方面的因素都使得脉冲反射法超声测厚技术无法精确测量回波脉冲时间差，从而造成实际测量中产生较大误差。

已有很多学者对于脉冲反射法超声波测厚技术中回波脉冲时间差的精确提取做了大量工作，主要包括以下两类：1)、对回波波形放大、检波、获得回波包络波形，回波包络经过比较器整形，可以得到一次回波和二次回波间隔的脉冲信号，然后用计数器对该脉冲间隔进行测量，进而得到厚度信息。该方法测量电路简单，然而当被测件厚度、材质等不同时，经放大后的回波信号幅度、形状也不同，经脉冲整形后的信号仍然无法获得稳定的脉冲前沿，从而导致该方法的检测结果误差变大，测量精度降低；2)、采用功率谱估计、线性预测或者神经网络等复杂的信号处理算法完成回波时间估计。采用高级的信号处理算法在一定程度上提高了测量精度，然而这种测量方法不仅需要高速模数转换器对回波信号进行完全采样，而且需要高速数字信号处理器完成复杂算法运行，费用昂贵且设计方法复杂，不利于实时测量，也不利于测量装置的小型化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种系统复杂度低且厚度测量精度高的超声波厚度测量的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种超声波厚度测量的方法，设置一个测量装置，该测量装置包括发射模块、接收模块、输入限幅模块、前置放大模块、压控放大模块、控制电压产生模块、脉冲整形模块，所述的接收模块的输出端与所述的输入限幅模块的输入端连接，所述的输入限幅模块的输出端与所述的前置放大模块的输入端连接，所述的前置放大模块的输出端与所述的压控放大模块的输入端连接，所述的压控放大模块的输出端与所述的脉冲整形模块连接后，与所述的控制电压产生模块的输入端连接，所述的控制电压产生模块的输出端与所述的压控放大模块的电压控制端连接；

测量的具体步骤如下：

①利用发射模块向被测物体发射超声波脉冲信号，所述的超声波脉冲信号经被测物体前表面反射形成第一回波群脉冲，经被测物体后表面反射形成第二回波群脉冲；

②利用接收模块拾取第一回波群脉冲得到第一回波群信号，拾取第二回波群脉冲得到第二回波群信号；

③利用控制电压产生模块控制压控放大模块处于高增益状态，然后执行步骤④；

④将第一回波群信号依次通过输入限幅模块和进前置放大模块行限幅处理和初次放大处理得到第一限幅放大回波群信号，然后将第一限幅放大回波群信号输入到压控放大模块中，对第一限幅放大回波群信号的第一振荡周期波形自动识别并进行放大，然后使压控放大模块处于低增益状态，对第一限幅放大回波群信号的其他振荡周期波形进行衰减，到第一回波群信号结束，得到第一增益放大回波群信号，重新恢复压控放大模块到高增益状态，将第一增益放大回波群信号输入到脉冲整形模块得到第一回波群整形信号；

将第二回波群信号依次通过输入限幅模块和进前置放大模块行限幅处理和初次放大处理得到第二限幅放大回波群信号，然后将第二限幅放大回波群信号输入到压控放大模块中，对第二限幅放大回波群信号的第一振荡周期波形自动识别并进行放大，然后使压控放大模块处于低增益状态，对第二限幅放大回波群信号的其他振荡周期波形进行衰减，到第二回波群信号结束，得到第二增益放大回波群信号，将第二增益放大回波群信号输入到脉冲整形模块得到第二回波群整形信号；

⑤利用第一回波群整形信号最大峰值处与第二回波群整形信号最大峰值处的时间间隔的一半乘以超声波在被测物体中的传播速度得到被测物体的厚度。

所述的控制电压产生模块包括第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一二极管和第一运算放大器，所述的第一电容的一端、所述的第一电阻的一端、所述的第二电阻的一端、所述的第一二极管的负极作为所述的控制电压产生模块的输出端与所述的压控放大模块的电压控制端连接，所述的第一电容的另一端与主电源电路的接地端连接，所述的第一电阻的另一端与所述的由主电源电路产生的-5V电压连接，所述的第二电阻的另一端与所述的主电源电路的接地端连接，所述的第一二极管的正极与所述的第三电阻的一端连接，所述的第三电阻的另一端与所述的第二电容的一端、所述的第一运算放大器的输出端连接，所述的第一运算放大器的同相输入端与所述的压控放大模块的输出端、所述的脉冲整形模块的输入端连接，所述的第一运算放大器的反相输入端与所述的第二电容的另一端，所述的第四电阻的一端连接，所述的第四电阻的另一端与所述的第五电阻的一端、所述的第六电阻的一端、所述的第三电容的一端连接，所述的第六电阻的另一端与所述的由主电源电压正极连接，所述的第五电阻的另一端与所述的第三电容的另一端、所述的主电源电路的接地端连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)根据被测物体的信息不仅包含在两次回波脉冲群的时间差，而且更为精确的是包含在两次回波脉冲群的第一振荡周期中的特点，不采用高速模数转换器对信号采样，也不采用高速数字信号处理器处理复杂算法，通过控制电压产生电路控制压控放大模块的增益状态，然后通过脉冲整形电路后就可以精确得到回波间隔的测量结果，系统复杂度降低。

2)精确恢复相邻两次回波脉冲群的第一振荡周期波形，而对回波脉冲群的其他周期波形不予理睬或者加以衰减，以此得到两次回波信号间隔的精确测量结果，既避免了超声波探头产生的余振波形对回波信号的影响，而且超声波信号不受材料均匀性以及材料颗粒的影响，避免回波信号产生的畸变对测量精度的影响，提高被测物件厚度测量的精确性。

附图说明

图1为本发明一种超声波厚度测量的方法的方框示意图；

图2为本发明控制电压产生模块的电路原理图；

图3为本发明输入限幅模块的电路原理图；

图4为本发明脉冲整形模块的电路原理图；

图5为本发明前置放大模块的电路原理图；

图6为本发明压控放大模块的电路原理图；

图7为本发明方法中压控放大模块信号处理的波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本方法采用的测量系统包括发射模块1、接收模块2、输入限幅模块3、前置放大模块4、压控放大模块5、控制电压产生模块6、脉冲整形模块7，接收模块2的输出端与输入限幅模块3的输入端连接，输入限幅模块3的输出端与前置放大模块4的输入端连接，前置放大模块4的输出端与压控放大模块5的输入端连接，压控放大模块5的输出端与脉冲整形模块7连接后，与控制电压产生模块6的输入端连接，控制电压产生模块6的输出端与压控放大模块5的电压控制端连接。

如图2所示，控制电压产生模块6包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一二极管D1和第一运算放大器U1，第一电容C1的一端、第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端、第一二极管D1的负极作为控制电压产生模块6的输出端与压控放大模块5的电压控制端连接，第一电容C1的另一端与主电源电路的接地端连接，第一电阻R1的另一端与由电源产生的-5V电压连接，第二电阻R2的另一端与由电源产生的5V电压连接，第一二极管D1的正极与第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端与第二电容C2的一端、第一运算放大器U1的输出端，第一运算放大器U1的同相输入端与压控放大模块5的输出端、脉冲整形模块7的输入端连接，第一运算放大器U1的反相输入端与第二电容C2的另一端，第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的一端、第六电阻R6的一端、第三电容C3的一端连接，第六电阻R6的另一端与由电源产生的5V电压连接，第五电阻R5的另一端与第三电容C3的另一端、主电源电路的接地端连接。

本发明方法的具体步骤为：

①利用发射模块1向被测物体发射超声波脉冲信号；所述的超声波脉冲信号经被测物体前表面反射形成第一回波群脉冲，经被测物体后表面反射形成第二回波群脉冲。

在此实施例中，发射模块1的超声波探头采用直径为20mm，工作频率5MHz的单晶水浸聚焦探头，被测件为壁厚约为6.5mm，外径63.5mm的PE塑料管材，目的是用脉冲反射法测量管材的壁厚。

②利用接收模块2拾取第一回波群脉冲得到第一回波群信号，拾取第二回波群脉冲得到第二回波群信号；

③利用控制电压产生模块控制压控放大模块处于高增益状态，然后执行步骤④；

④将第一回波群信号通过输入限幅模块3进行限幅处理，再通过前置放大模块4进行初次放大处理得到第一限幅放大回波群信号，然后将第一限幅放大回波群信号输入到压控放大模块5中得到第一增益放大回波群信号，第一增益放大回波群信号一方面输入到脉冲整形模块7得到第一回波群整形信号，另一方面经控制电压产生模块6处理后作为压控放大模块5的控制电压；

将第二回波群信号依次通过输入限幅模块3进行限幅处理、前置放大模块4进行初次放大处理得到第二限幅放大回波群信号，然后将第二限幅放大回波群信号输入到压控放大模块5中得到第二增益放大回波群信号，所述的第二增益放大回波群信号一方面输入到脉冲整形模块7得到第二回波群整形信号，另一方面经控制电压产生模块6处理后作为压控放大模块5的控制电压；

如图3所示，在此实施例中，输入限幅模块3由二极管D2、D3、D4、D5、D6、D7，电阻R21、R22和电容C4、C5组成，二极管D2、D3、D4、D5和电阻R2、R2组成的桥式保护电路，其中R21、R22的取值都为1K欧姆，电容C4＝10nf，C5＝100nf,二极管D2、D3、D4、D5、D6、D7采用快恢复二极管，电阻R21、R22为二极管D2、D3、D4、D5提供偏置，使二极管处于轻度导通状态，其导通电流设为几个毫安培。D2、D3与C4节点处为0电位，D4、D5与C5节点处也为0电位。当耦合电容C4端出现幅度大于+5V的正极性脉冲时，二极管D3截止，D2导通，D2、D4的阴极电位近似等于正极性大脉冲的幅度，而D4的阳极为0电位，所以该正脉冲无法通过桥式保护电路到达C5端；同理，当耦合电容C4端出现幅度大于-5V的负极性大脉冲时，该脉冲也无法到达C5端，从而实现了后级电路对高能量信号的隔离。当发射模块发射信号时，被测件的回波信号会被探头(接收模块)拾取，该信号幅度大大小于发射信号，因四只二极管处于轻度导通状态，该信号的加入不会影响二极管的导通状态，所以可以通过桥式保护电路到达C5端。二极管D6、D7组成二次保护电路，限定向后级传输的信号不会超过–0.7V-0.7V。

前置放大器4用以将来自输入限幅模块的回波信号进行初步放大，能将第一回波群信号的最大波形幅度放大到电源电压的二分之一左右，采用MAX4104宽带集成运放组成的同相放大器，电路增益为48倍。

压控放大模块5，采用VCA810芯片，该芯片具有±40dB的增益范围，带宽达到35Mhz，其第3脚为电压增益控制引脚，当该引脚电平为0v时增益最小，为-40dB，该引脚电平为-2v时，增益最大，为+40dB。其最大增益足以将第一限幅放大回波群信号和第二限幅放大回波群信号的第一振荡周期的幅度放大到控制电压产生模块6中V2所在点处电压以上。其最小增益足以将第一限幅放大回波群信号和第二限幅放大回波群信号的其余振荡周期的幅度衰减到控制电压产生模块V2所在点处电压以下。

控制电压产生模块6，第一运算放大器U1采用MAX4104集成运放芯片，第六电阻R6＝10k，第五电阻R5＝4.7k，第三电阻R3＝100Ω,第四电阻R4＝100Ω，第二电容C2＝47pf，所以控制电压产生模块6中V2所在点处的电压第一二极管D1为1ss87肖特基二极管，第一电容C1＝1000pf，第二电阻R2＝2.7k，第一电阻R1＝4.7k，所以控制电压产生模块V1所在点处的电压此时VCA810处于高增益状态。

当将第一或第二限幅放大回波群信号到达后，VCA810对其进行放大，当其输出信号幅度大于V2时，U1同相输入端电平大于反相输入端电平V2，U1就会输出高电平，通过第三电阻R3、第一二极管D1向第一电容C1快速充电，使得V1处电压快速升高，从而压控放大模块芯片VCA810的增益快速下降。当回波信号其他振荡周期到达后，因此时放大器处于对信号衰减状态，波形幅度达不到V2，所以在回波群的其他振荡周期期间，U1同相输入端电平小于反相输入端电平V2，所以U1输出低电平，第一二极管D1截止，第一电容C1则通过第一电阻R1和第二电阻R2缓慢放电，V1处电压值缓慢恢复到原始状态，等待下一次回波群的到来。这样放大器完成了对回波信号第一振荡周期的自动识别并进行放大，并对其他振荡周期进行了衰减，得到的就是增益调整输出信号VG_OUT，也就是第一或第二增益放大回波群信号。

如图4所示，脉冲整形模块7由比较器芯片U2，电阻R9、R10、R11、R12和电容C6组成，其中脉冲整形模块7中V3点处的电压为电阻R9和R11的分压值，并作为比较器U2基准电压，并令V3＝V2，C6起到滤波作用，R12为比较器输出端上拉电阻。当增益调整输出信号VG_OUT波形幅度大于V3，U2输出高电平，否则输出低电平，这样在脉冲整形模块7的输出端处就得到了干净的脉冲波形，也就是第一或第二回波群整形信号；

④将被测物体的厚度记为d,其中t为第一回波群整形信号最大峰值处与第二回波群整形信号最大峰值处的时间间隔，c为超声波在被测物体中传播的速度。在此具体实施例中，测得被测物体的厚度为6.40mm。

Claims (2)

1.一种超声波厚度测量的方法，设置一个测量装置，该测量装置包括发射模块、接收模块、前置放大模块和控制电压产生模块，其特征在于还包括压控放大模块、输入限幅模块、脉冲整形模块，所述的接收模块的输出端与所述的输入限幅模块的输入端连接，所述的输入限幅模块的输出端与所述的前置放大模块的输入端连接，所述的前置放大模块的输出端与所述的压控放大模块的输入端连接，所述的压控放大模块的输出端与所述的脉冲整形模块连接后，与所述的控制电压产生模块的输入端连接，所述的控制电压产生模块的输出端与所述的压控放大模块的电压控制端连接；

测量的具体步骤如下：

①利用发射模块向被测物体发射超声波脉冲信号，所述的超声波脉冲信号经被测物体前表面反射形成第一回波群脉冲，经被测物体后表面反射形成第二回波群脉冲；

②利用接收模块拾取第一回波群脉冲得到第一回波群信号，拾取第二回波群脉冲得到第二回波群信号；

③利用控制电压产生模块控制压控放大模块处于高增益状态，然后执行步骤④；

④将第一回波群信号依次通过输入限幅模块和进前置放大模块行限幅处理和初次放大处理得到第一限幅放大回波群信号，然后将第一限幅放大回波群信号输入到压控放大模块中，对第一限幅放大回波群信号的第一振荡周期波形自动识别并进行放大，然后使压控放大模块处于低增益状态，对第一限幅放大回波群信号的其他振荡周期波形进行衰减，到第一回波群信号结束，得到第一增益放大回波群信号，重新恢复压控放大模块到高增益状态，将第一增益放大回波群信号输入到脉冲整形模块得到第一回波群整形信号；

将第二回波群信号依次通过输入限幅模块和进前置放大模块行限幅处理和初次放大处理得到第二限幅放大回波群信号，然后将第二限幅放大回波群信号输入到压控放大模块中，对第二限幅放大回波群信号的第一振荡周期波形自动识别并进行放大，然后使压控放大模块处于低增益状态，对第二限幅放大回波群信号的其他振荡周期波形进行衰减，到第二回波群信号结束，得到第二增益放大回波群信号，将第二增益放大回波群信号输入到脉冲整形模块得到第二回波群整形信号；

⑤利用第一回波群整形信号最大峰值处与第二回波群整形信号最大峰值处的时间间隔的一半乘以超声波在被测物体中的传播速度得到被测物体的厚度。

2.根据权利要求1所述的一种超声波厚度测量的方法，其特征在于所述的控制电压产生模块包括第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一二极管和第一运算放大器，所述的第一电容的一端、所述的第一电阻的一端、所述的第二电阻的一端、所述的第一二极管的负极作为所述的控制电压产生模块的输出端与所述的压控放大模块的电压控制端连接，所述的第一电容的另一端与主电源电路的接地端连接，所述的第一电阻的另一端与所述的由主电源电路产生的-5V电压连接，所述的第二电阻的另一端与所述的主电源电路的接地端连接，所述的第一二极管的正极与所述的第三电阻的一端连接，所述的第三电阻的另一端与所述的第二电容的一端、所述的第一运算放大器的输出端连接，所述的第一运算放大器的同相输入端与所述的压控放大模块的输出端、所述的脉冲整形模块的输入端连接，所述的第一运算放大器的反相输入端与所述的第二电容的另一端，所述的第四电阻的一端连接，所述的第四电阻的另一端与所述的第五电阻的一端、所述的第六电阻的一端、所述的第三电容的一端连接，所述的第六电阻的另一端与所述的由主电源电压正极连接，所述的第五电阻的另一端与所述的第三电容的另一端、所述的主电源电路的接地端连接。