CN105066918A - 超声水下目标测厚系统及测厚方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声水下目标测厚系统及测厚方法，系统包括超声波发射电路、超声波换能器、超声波接收调理电路、ADC模块、人机交互模块和控制处理器，控制处理器给出触发信号到超声波发射电路，超声波发射电路输出激励信号驱动水中超声波换能器产生高频脉冲信号，水中超声波换能器接收经过水下目标物体上下两表面返回脉冲回波；然后送入超声波接收调理电路，经放大、滤波再经模数转换后送至控制处理器，通过公式计算水中被测物体厚度，送至人机交互模块显示。本发明采用防水型水浸聚焦收发一体式的超声波测厚探头，它同时起到发射和接收超声波的作用，具有较大的测距角度，完成水下目标厚度检测，广泛用于渔业、海下工业领域推广。

Description

超声水下目标测厚系统及测厚方法

技术领域

本发明涉及一种超声测厚技术，特别涉及一种超声水下目标测厚系统及测厚方法。

背景技术

超声波检测是无损检测领域的一个重要手段，从超声波反射波的位置和波形即可得到被测物体内部缺陷以及厚度等性质。目前，超声波无损检测广泛应用于渔业、航海和海下工业等领域。

在渔业领域：传统上渔民是根据个人经验来判断哪个区域是鱼群常常出没的地方，这种方法显然效率很低，并且存在很多不确定性。而利用超声波检测技术，就根据超声反射波滞后的时间和波速，就可以确定鱼群的位置和密度以及海水的深度，这样不仅提高了捕捞效率，还降低了捕捞成本。在海下工业领域：随着我国海洋油田的开发，海底输油管道已越来越多，截至目前，所敷设的各种类型的管道，其种类和数量之多亦已跃居世界前列，如何对在役海底管道实行管内检测，及时发现泄漏问题，采取措施，延长寿命，已成为我国海洋油田降低石油和天然气生产成本的关键所在。

当前，国内许多企业如中科院武汉物理研究所、汕头超声仪器研究所等研究机构均推出了自己的数字式超声测厚仪。其中一些产品的技术水平已接近国外同类产品，超声测厚系统的研制也取得了一定的成绩。而在国外，如美国的PANAMETRICS公司、德国的KrautKramer公司、日本的Olympus公司等，这些公司在超声测厚技术方面都是处于世界领先水平，由于市面上出售的各种超声波测厚仪操作复杂、价格昂贵，并不具备检测水下目标厚度的能力，所以需要研制一种能够检测水下目标厚度的非接触式超声测厚系统。

发明内容

本发明是针对各种超声波测厚仪不具备检测水下目标厚度的能力的问题，提出了一种超声水下目标测厚系统及测厚方法，可以准确测量水下目标的厚度，测量精度高，并实时显示测量结果，便于分析。

本发明的技术方案为：一种超声水下目标测厚系统，其特征在于,该系统包括超声波发射电路、超声波换能器、超声波接收调理电路、ADC模块、人机交互模块和控制处理器，所述的微控制器分别与超声发射电路、ADC模块和人机交互模块相连接，所述超声发射电路连接超声波换能器，所述超声波换能器连接信号调理电路，信号调理电路与ADC模块相连，所述超声波接收调理电路包括放大电路和滤波电路，所述人机交互模块由键盘扫描电路和LCD显示电路构成；由所述的控制处理器给出触发信号到超声波发射电路，超声波发射电路输出激励信号驱动水中超声波换能器产生高频脉冲信号，水中超声波换能器接收经过水下目标物体上下两表面返回脉冲回波；然后送入超声波接收调理电路，依次经过放大、滤波处理；最后超声波接收调理电路输出信号经过ADC模块进行模数转换后送至控制处理器，控制处理器通过公式计算水中被测物体厚度，并输出处理结果送至人机交互模块显示。

所述超声波换能器中采集元件采用水浸聚焦收发一体式探头，起到发射超声波和接收超声波的作用，所述超声波换能器在电脉冲激励下将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处于接收状态时，将声能转换为电能。

所述水浸聚焦收发一体式探头是由平直探头在晶片前加上声透镜构成。

应用以上所述超声水下目标测厚系统的测厚方法，其特征在于该方法具体包括如下步骤：

1)控制处理器通过超声波发射电路驱动水中超声波换能器产生中心频率为2.5MHz的宽带脉冲信号,脉冲信号在水面下经过水下目标物体上下两表面反射回波；

2)超声波换能器接收返回脉冲回波送超声波接收调理电路进行信号放大和滤波：经过接收调理电路处理后的回波信号经过放大电路放大，并经包括高通滤波电路和带通滤波电路的滤波电路滤波；

3)超声波接收调理电路输出信号送ADC模块，与设定好的软件阈值比较，如果ADC采集的电压值大于阈值，判断其为回波；则从开始发射超声波到接收到回波的第一个波为t₁，第二个波为t₂,则渡越时间Δt＝t₂-t₁，为了保证可靠性，可以采用统计平均尽可能消除干扰；

4)ADC模块进行模数转换后送数据至控制处理器，控制处理器通过公式计算水中被测物体厚度，

$d=\frac{1}{2}c\mathrm{\Δ}t$

式中：d为被测物厚度；c为超声波速度；Δt为超声波在水下目标两表面之间的传播时间，即超声波在水下目标两表面之间的传播时间由采集测量的两次底波时间差；

5)微控制器将计算出的厚度信息通过串口通信方式显示在LCD上。

本发明的有益效果在于：本发明超声水下目标测厚系统及测厚方法，采用防水型水浸聚焦收发一体式的超声波测厚探头，收发一体式超声波传感器探头同时起到发射超声波和接收超声波的作用，具有较大的测距角度，该探头可以伸入到水下完成水下目标进行厚度检测，并配合高精度的模数转换芯片，实现水下目标厚度的精确测量，并实时显示。该技术在渔业、海下工业领域推广性较高。

附图说明

图1为水浸聚焦收发一体式探头结构示意图；

图2为本发明超声水下目标测厚系统结构框图。

具体实施方式

超声波水下目标测厚系统是根据超声波脉冲反射式原理来进行厚度测量的。当探头发射的超声波脉冲发射至水下被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间就可以确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。

如图2所示的超声水下目标测厚系统结构框图，该系统包括超声波发射电路9、超声波换能器8、超声波接收调理电路10、ADC模块11、人机交互模块13和控制处理器12。所述的控制处理器12分别与超声发射电路9、ADC模块11和人机交互模块13相连接，所述超声发射电路9连接超声波换能器8，所述超声波换能器8连接信号调理电路10，信号调理电路10与ADC模块11相连，所述超声波接收调理电路10包括放大电路和滤波电路，所述人机交互模块13由键盘扫描电路和LCD显示电路构成；由所述的控制处理器12给出触发信号到超声波发射电路9，超声波发射电路9输出激励信号驱动水中超声波换能器8产生高频脉冲信号，水中超声波换能器8接收经过水下目标物体7上下两表面返回脉冲回波；然后送入超声波接收调理电路10，依次经过放大、滤波处理；最后超声波接收调理电路10输出信号经过ADC模块11进行模数转换后送至控制处理器12，控制处理器12通过公式计算水中被测物体厚度，并输出处理结果送至人机交互模块13显示。

所述控制处理器器12采用ALTERA公司的EP1C3T144C8，其中EP1C3T144C8为核心，协调各部分电路工作，EP1C3T144C8发出频率为2.5MHz的方波，经发射电路9输送给超声波换能器8激励出超声波，超声波在水中传播，遇到障碍物返回，进入超声波接收调理电路10，经放大电路、滤波电路进入ADC模块11中进行模数转换，将转换的数字信号传至控制处理器12的EP1C3T144C8中计算处理，最后通过串口在人机交互模块13的LCD显示电路上显示结果。控制处理器12在软件控制下产生直接作用于超声波发射电路9的触发信号，使超声波发射电路9产生激励信号驱动水中超声波换能器8产生2.5MHz的脉冲信号，脉冲信号在水面下传播至水下目标物体7，并在水下目标物体7上下两表面返回脉冲信号，由同一换能器接收回波信号并传送至超声波接收调理电路10。由于采用了收发一体传感器，因而收发信号之间会产生干扰，发射波和回波同时存在，较大能量的发送信号和较弱的回波直接进入放大电路、滤波电路会使电路工作不稳定，在回波放大电路加入三极管和二极管以保护后面的放大滤波电路，提高系统稳定性。由于经过接收电路处理后的回波信号比较微弱，需经过放大处理。考虑到回波信号中有干扰噪声，故采用高通滤波电路和带通滤波电路两级处理，高通滤波电路主要去除回波中低频的信号，同时具有放大作用，二级带通滤波电路主要是让中心频率为2.5MHz的回波通过，同时具有放大滤波的作用。所采用的控制处理器12的EP1C3T144C8只处理数字信号，故需要将超声回波信号通过ADC模块11进行模数转换。所采用ADC模块11的模数转换芯片为ADS825E。控制处理器12除了给ADC模块11采样电路一个时钟信号外，另外只需提供一个使能信号来控制模数转换器采样数据的输出时间。ADC模块11的ADS825E芯片的OE端为低电平时，芯片开始模数转换，该芯片输出10位数据的数字信号。控制处理器12接收来自模数转换器采样的数字信号后对其进行数字滤波以及超声测厚算法的处理，最终将处理结果送至人机交互模块13进行实时显示与分析。

应用以上所述的超声水下目标测厚系统的测厚方法，其特征在于该方法具体包括如下步骤：

1)控制处理器12通过超声波发射电路9驱动水中超声波换能器8产生中心频率为2.5MHz的宽带脉冲信号,脉冲信号在水面下经过水下目标物体7上下两表面反射回波；

2)超声波换能器8接收返回脉冲回波送超声波接收调理电路10进行信号放大和滤波：经过接收电路处理后的回波信号经过放大电路放大，并经包括高通滤波电路和带通滤波电路的滤波电路滤波；

3)超声波接收调理电路10输出信号送ADC模块11，与设定好的软件阈值比较，如果ADC模块11采集的电压值大于阈值，判断其为回波；则从开始发射超声波到接收到回波的第一个波为t₁，第二个波为t₂,则渡越时间Δt＝t₂-t₁，为了保证可靠性，可以采用统计平均尽可能消除干扰；

4)ADC模块11进行模数转换后送数据至控制处理器12，控制处理器12计算水中被测物体厚度，公式如下

$d=\frac{1}{2}c\mathrm{\Δ}t---\left(1\right)$

式中d为被测物厚度；c为超声波速度；Δt为超声波在水下目标两表面之间的传播时间，即超声波在水下目标两表面之间的传播时间由采集测量的两次底波时间差；

5)控制处理器12将计算出的厚度信息通过串口通信方式显示在LCD上。

由图1所示，超声波换能器中采集元件采用水浸聚焦收发一体式探头，它包括声透镜1、晶片2、阻尼块3、非金属套4、金属壳5和接线端6，它是由平直探头在晶片2前加上声透镜1构成的。

本发明超声水下目标测厚系统的测厚方法，以超声技术为核心，适用于水下试件厚度的测量。本发明采用的水浸聚焦收发一体式探头，具有较大的测距角度，测量效率较高。

在步骤3模拟信号采样之前，为了去除始发波对后续渡越时间的影响，需要延迟一段时间进行采样，本发明中，采用水浸聚焦收发一体式探头，通过具体实验测得该探头的余震时间约为2.5μs，加上界面波获得时间，总共需要延迟5μs左右；

在采样时，若对一个激发周期内的超声信号都进行采样，不仅使得硬件资源剧增，同时也使得后续处理的时间不足。由于实际测厚只需要相邻两次底波的数据，也就是超声信号在水下目标中传播4个厚度值的距离，假设本发明中脉冲反射式超声波水下目标测厚系统的最大测量厚度为70mm，超声波在水下目标中的传播速度为5900m/s,则采样持续的最短时间为

$t=\frac{4\×70\×{10}^{-3}}{5900}=4.75\×{10}^{-5}s=47.5\mathrm{\μ}s---\left(2\right)$

本设计中的采样持续时间设计为50μs。采样后的数据需要实时存储，以便后续运算处理。结合采样时间50μs和模数转换器的采样速率40MSPS，可得需要存储的数据量为

n＝50×10^-6×40×10⁶＝2000(3)

其中每个数据位为10位，因而需在系统中设计了一个2K×10bit的RAM存储器。

本发明中实现超声测厚的关键在于步骤3中渡越时间的确定。传统超声测厚系统多采用闸门定位峰值，其实质就是把回波信号的上升沿或下降沿作为计算点，但测量结果受到回波宽度、闸门高度等影响，误差较大。因此在本发明中，回波信号的识别是通过回波峰值来识别的。渡越时间的计算是通过测量相邻两次底波间时间得到的。一次底波的峰值可以通过寻找整个采样过程中的最大值实现。而寻找二次底波峰值时，由于一次底波信号中的多个采样值均大于二次底波峰值，因而不能通过排序来判断，可以通过越过一次底波后进行第二次最大值的寻找来实现。由于本发明中传播时间的计算是通过(数据量×一次采样时间)实现的。又因为算法的关键在于找出两次相邻底波的峰值，并计算其渡越时间，为正确识别两次底波，因避免其发生重叠，这就要求两次底波间的传播时间至少为2.5μs，因而可以通过RAM中的地址量增量来越过一次底波，地址增量为

n＝2.5×10^-6×40×10⁶＝100(4)

在最后的厚度计算时有两种情况，若已知声速，直接通过厚度计算公式求取；若通过校准试块校准声速后测厚，则其厚度计算如下

而不必求出具体的声速，减少工作量和计算误差。

Claims (4)

1.一种超声水下目标测厚系统，其特征在于，该系统包括超声波发射电路、超声波换能器、超声波接收调理电路、ADC模块、人机交互模块和控制处理器，所述的微控制器分别与超声发射电路、ADC模块和人机交互模块相连接，所述超声发射电路连接超声波换能器，所述超声波换能器连接信号调理电路，信号调理电路与ADC模块相连，所述超声波接收调理电路包括放大电路和滤波电路，所述人机交互模块由键盘扫描电路和LCD显示电路构成；由所述的控制处理器给出触发信号到超声波发射电路，超声波发射电路输出激励信号驱动水中超声波换能器产生高频脉冲信号，水中超声波换能器接收经过水下目标物体上下两表面返回脉冲回波；然后送入超声波接收调理电路，依次经过放大、滤波处理；最后超声波接收调理电路输出信号经过ADC模块进行模数转换后送至控制处理器，控制处理器通过公式计算水中被测物体厚度，并输出处理结果送至人机交互模块显示。

2.根据权利要求1所述的超声水下目标测厚系统，其特征在于，所述超声波换能器中采集元件采用水浸聚焦收发一体式探头，起到发射超声波和接收超声波的作用，所述超声波换能器在电脉冲激励下将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处于接收状态时，将声能转换为电能。

3.根据权利要求2所述的超声水下目标测厚系统，其特征在于，所述水浸聚焦收发一体式探头是由平直探头在晶片前加上声透镜构成。

4.应用权利要求1所述超声水下目标测厚系统的测厚方法，其特征在于该方法具体包括如下步骤：

1)控制处理器通过超声波发射电路驱动水中超声波换能器产生中心频率为2.5MHz的宽带脉冲信号，脉冲信号在水面下经过水下目标物体上下两表面反射回波；

2)超声波换能器接收返回脉冲回波送超声波接收调理电路进行信号放大和滤波：经过接收调理电路处理后的回波信号经过放大电路放大，并经包括高通滤波电路和带通滤波电路的滤波电路滤波；

3)超声波接收调理电路输出信号送ADC模块，与设定好的软件阈值比较，如果ADC采集的电压值大于阈值，判断其为回波；则从开始发射超声波到接收到回波的第一个波为t₁，第二个波为t₂，则渡越时间Δt＝t₂-t₁，为了保证可靠性，可以采用统计平均尽可能消除干扰；

4)ADC模块进行模数转换后送数据至控制处理器，计算水中被测物体厚度d如下

$d=\frac{1}{2}c\mathrm{\Δ}t$

式中c为超声波速度；Δt为超声波在水下目标两表面之间的传播时间，即超声波在水下目标两表面之间的传播时间由采集测量的两次底波时间差；

5)微控制器将计算出的厚度信息通过串口通信方式显示在LCD上。