CN108072339A - 一种能够消除自校正超声波测厚系统干扰杂波的技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够消除自校正超声波测厚系统中的干扰杂波技术。传统的自校正超声波测厚系统，由于超声波发出的部分超声波波速不垂直，导致这部分超声波透射进入校正块后会在校正块的圆柱壁和下表面发生镜面反射，最终被超声波探头所接收，形成幅值很高的干扰信号。本发明在校正块上加工了螺距小于超声波波长的螺纹，使倾斜进入校正块的超声波在圆柱壁上发生漫反射，从而使得超声波探头接收到的杂波信号的幅值大幅度减小，非常容易与被测信号区分开来。

Description

一种能够消除自校正超声波测厚系统干扰杂波的技术

技术领域

本发明主要用于提高自校正超声波测厚系统的检测精度。

背景技术

目前石化行业、建筑行业等，都需要对金属管道、大型钢架结构等进行厚度测量，超声波测厚技术是上述行业中广泛使用的一种技术，其工作原理如下：

将超声波探头与被测件紧密接触，探头与被测件之间涂抹有耦合剂，超声波探头激发出的一部分超声波会在被测件上表面发生反射，另一部分超声波会发生透射而进入被测件进行传播，当超声波遇到被测件底面时就会有部分超声波反射回来并被超声波探头所接收，以超声波探头接收到被测件上表面的反射信号作为计时起点，超声波探头接收到被测件下表面的反射信号作为计时终点，两者间的时间差记为T，然后利用超声波的声速V，即可计算出被测件的厚度D，公式如下：

D=VT/2

这个公式同时含有超声波的波速V和超声波在被测件中的传播时间T，为了保证测量精度，需同时保证V和T的准确度。随着技术的发展，目前超声波在被测件中的传播时间T的检测精度很高。但是超声波的波速V极易受到各种因素的影响而发生改变，比如被测材料的不同、被测件温度的不同等。但是传统的超声波测厚仪都采用一个统一的超声波声速V来计算被测件的厚度，显然不能消除超声波波速V发生变化对最终厚度测量引起的误差。

因此一种具有自校正功能的超声波测厚技术应运而生，该技术引入了一个校正块，校正块的材料与被测件的材料一致，校正块的厚度精确加工，将其厚度命名为D ₁ 。校正块的上表面安装超声波探头，下表面与被测件紧密接触，超声波探头激发出的一部分超声波首先在校正块的上表面发生反射，反射的信号被超声波探头所接收；一部分超声波发生透射进入校正块并向下传播，当超声波传播到达校正块的下表面时，一部分超声波会发生反射，一部分超声波会发生透射，反射的超声波向上传播，最终被超声波探头所接收；而发生透射的超声波继续向下传播，并进入被测件，当该部分超声波到达被测件底面时，又有一部分超声波发生反射而向上传播，并最终被超声波探头所接收。以超声波探头接收到校正块上表面的反射信号作为起点开始计时，超声波接收到校正块的下表面的反射信号的时间记为T ₁ ，接收到被测件的下表面的反射信号的时间记为T ₂ ，利用下面的公式即可计算出被测件的厚度D ₂ .

D ₂ =D ₁ （T ₂ -T ₁ ）/T ₁

该公式只需准确测量出校正块的厚度、以及超声波在校正块和被测件中的传播时间即可求出被测件的厚度，不包含波速，也即是该方法避免了超声波波速变化对测量造成的影响，达到了自校正的目的。

但是，在超声波探头激发出的超声波波束中，只有一部分波束是垂直透射进入校正块的，还有一部分波束的传播方向与垂直方向有一定的夹角，这部分超声波倾斜地进入校正块之后，会在校正块的圆周表面和底表面上发生镜面反射，最终被超声波探头所接收，形成杂波干扰信号。而且这部分杂波干扰信号的幅值与被测件底面的反射信号幅值相当，极易影响系统对信号的识别。

为了提高自校正超声波测厚系统的检测精度，本发明提出了一种能够消除掉自校正超声波测厚系统中的干扰杂波的技术。

发明内容

本专利主要是针对自校正超声波测厚系统中存在严重的干扰杂波的现象，提出一种能够有效消除干扰杂波的技术。

为了消除干扰杂波，本发明创造性地对校正块进行了特殊处理，即首先将校正块加工成圆柱体，在校正块圆柱表面沿轴向加工螺纹，使螺纹覆盖整个圆柱表面，螺纹的螺距根据超声波的波长进行加工，螺距必须小于超声波的波长，这样按一定倾斜角进入校正块的超声波就会在圆柱表面上发生漫反射，如果校正块圆柱壁上没有螺纹，或者螺纹的螺距大于超声波的波长，则超声波会在圆柱壁上发生镜面反射。由于漫反射的反射角是非常随机的，因此该部分超声波就被随机地分散开来，最终反射到超声波探头的杂波信号就大幅度减小，而且在时域上也分散了，也即是杂波信号将不再是同一时间被超声波探头所接收到，杂波信号的幅值也明显低于被测件反射信号的幅值，系统就能准确地识别出有用信号和干扰信号；加工的螺纹对牙型没有特殊要求，三角形、梯形、锯齿型等都能够起到消除杂波的功能。

校正块的形状也可加工成立方体，只是相对于圆柱形的校正块而言，立方体式的校正块在加工螺纹上显得不够方便。

本发明的有益效果：自校正超声波测厚系统极易受到杂波的干扰，本发明能够有效消除杂波对测量的影响，提高检测精度。

附图说明

图1 自校正超声波测厚系统的结构

图2 自校正超声波测厚系统接收校正块的反射信号和被测件的反射信号的时间

图3 杂波信号在校正块中的镜面反射，最终被超声波探头所接收，形成干扰信号

图4 校正块加工螺纹后，杂波信号在圆柱壁上发生漫反射

图5 校正块没有加工螺纹，超声波探头接收到的信号幅值很高的杂波信号

图6 校正块加工螺纹后，超声波探头接收到的分散的、信号幅值明显降低的杂波信号。

具体实施方式

本发明的一个实施例详述如下：

本发明是一种具有自校正功能的超声波测厚技术，具体实施步骤如下：

（1）选取一块厚度为10mm的金属平板作为被测对象，该金属平板的材料为20号碳钢。选用20号碳钢加工了一个校正块，该校正块的形状为圆柱形，直径为10mm，厚度为25mm，在校正块圆周上加工螺距为1mm的螺纹。

（2）将超声波探头固定安装在校正块的上表面，该超声波探头产生的超声波的波长为1.2mm。

（3）在校正块的下表面涂抹耦合剂，用于测量金属平板的厚度。

（4）利用加热器加热被测金属平板，用于改变超声波在金属平板中的传播速度，同时由于热传递效应，校正块也同时被加热了，两者的温度一致。

（5）利用本发明中设计的具有杂波消除功能的自校正超声波测厚系统和不具备杂波消除功能的自校正超声波测厚系统分别测量不同温度下的金属平板，测量结果如下：

注：壁厚1为具有杂波消除功能的自校正超声波测厚系统的检测结果，壁厚2为不具有杂波消除功能的自校正超声波测厚系统的检测结果。

Claims (2)

1.一种能够有效消除自校正超声波测厚技术干扰杂波的技术，其特征在于：自校正超声波测厚技术在被测件和超声波压电片之间引入了一个校正块，由于超声波探头激发的超声波波束中，有一部分超声波是垂直透射进入校正块的，但是有一部分超声波的传播方向与垂直方向有一定的夹角，这部分超声波会在校正块的侧表面和底表面发生多次镜面反射，并最终被超声波探头所接收；这部分杂波信号的强度与被测件反射回来的信号幅值相当，会对信号的判别造成很大的不利影响；为了消除这部分干扰杂波，对校正块进行了特殊处理，具体步骤如下：

(1)将校正块加工成圆柱形；

(2)在校正块圆柱表面沿轴向加工螺纹，使螺纹覆盖完整个圆柱表面；

(3)螺纹的螺距根据超声波的波长进行加工，螺距必须小于超声波的波长，这样按一定倾斜角进入校正块的超声波就会在圆柱表面上发生漫反射；如果校正块的圆柱壁上没有螺纹，或者螺纹的螺距大于超声波的波长，则超声波会在圆柱壁上发生镜面反射；由于漫反射的反射角是非常随机的，因此该部分超声波就被随机地分散开来，最终反射到超声波探头的杂波信号就大幅度减小，而且在时域上也分散了，也即是杂波信号不是同一时间被超声波探头所接收到，杂波信号的幅值也明显低于被测件反射信号的幅值，系统就能准确地识别出有用信号和干扰信号；

(4)加工的螺纹对牙型没有特殊要求，三角形、梯形、锯齿型等都能够起到消除杂波的功能。

2.根据权利要求点1，校正块也可加工成立方体，只是相对于圆柱形的校正块，立方体式的校正块在加工螺纹上显得不够方便。