CN110006996B - 金属复合材料超声波测厚方法及层间界面在超声波测厚中的应用 - Google Patents

金属复合材料超声波测厚方法及层间界面在超声波测厚中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明是针对现有技术中无法测量金属复合材料的各层金属的厚度也无法精确测量金属复合材料整体厚度的问题，提供一种金属复合材料超声波测厚方法，此方法将复合材料的相邻材料之间的层间夹杂的界面物质作为两种金属材料的层间界面，以该层间界面的反射波作为测量时的界面反射波记录超声波的传播时间，而后依据该层间界面的回波时间计算各层材料的厚度，各层材料的厚度求和得到金属复合材料的总厚度，采用此方法可得到各层材料的厚度和金属复合材料的总厚度。

Description

金属复合材料超声波测厚方法及层间界面在超声波测厚中的 应用
技术领域
本发明涉及金属复合材料厚度测量技术领域，特别涉及一种金属复合材料超声波测厚方法及层间界面在超声波测厚中的应用。
背景技术
金属复合材料主要是以碳钢板为基层，抗腐蚀钢板为复层，通过爆炸复合或轧制复合使碳钢和抗腐蚀钢板形成牢固的冶金结合而制成的一种金属复合钢板，其基层主要起承压作用，复层主要起抗腐蚀作用。爆炸金属复合材料分为双层金属复合材料、三层金属复合材料，以双层金属复合材料为主，在市场上所占的比例为95％以上。目前，双层金属复合材料按复层材料的不同大致分成以下四类：一类为不锈钢-钢复合板(如S31603+Q345R)，第二类为镍-钢复合板(如Ni6+Q345R)复合材料，三类为钛-钢复合板(如TA2+Q345R)，第四类为铜-钢复合板(如T2+Q345R)。目前采用如下工艺形成爆炸金属复合材料，在基层金属上方安放复层金属，二者之间有一定间隙，在复层金属上表面安放炸药，在亚声速爆轰压力的作用下，复层金属被加速到每秒数百米的速度，并与基层金属产生高速倾斜碰撞，其碰撞压力高达数千兆帕。由于碰撞表面塑化，产生金属射流，清除表面膜，从而使碰撞点后面的基复层金属在高压和塑型流动作用下实现冶金结合。尽管随着大家对于复合材料的研究越来越深入，发现在进行复合材料的加工时，由于不同的材料的表面不可能做到处理的绝对干净，总是会有少量杂质存在，如灰尘、铁锈、污物等。这些杂质在进行材料复合加工时会形成一层薄薄的界面物质，但因为该界面物质的厚度相比于材料本身非常薄，在测量厚度时均将其看做一个没有厚度的界面，该界面会反射回来有少量声波。在业界，将是否能发现层间界面反射波，作为判断金属复合材料是否合格的标准，当在一定灵敏度下能发现一定幅度的层间界面反射波时，则认为该金属复合材料存在缺陷，是不合格的产品。由于合格产品，界面反射波比较微弱，所以业界一直无法有效利用此界面。
在对复合材料的检验过程中需要准确测定复合材料中每种材质的厚度和复合材料整体的厚度。在单层材料的测量中，目前常采用超声波无损厚度测量仪测量板材的厚度，超声波无损厚度测量是利用超声波在材料底面的反射，根据计算公式
Figure BDA0002035768500000021
计算材料厚度，其中c为声波在材料中传播的速度，对特定材料而言这一数值是确定的且可测的，t为声波在材料中的传播时间，市面上有大量应用此原理制造的超声波厚度测量仪。采用此种超声波厚度测量仪测量复合材料时，超声波在两种材料中传导声速不一样，因此无法准确测量复合材料的厚度，又由于有些复合板材是由超声波声速差别比较小的基层和复层两种板材复合而成，层间界面所形成的反射波不易观测，因此，无法通过现有的测量仪测量各层材料的厚度，从而也就不能测量整体板材的厚度。利用现有的超声波厚度测量仪和测厚方法对金属复合材料进行厚度测量时，不能反映单层材料的厚度，而且在测量时还会因为超声波在不同材料中传导声速不一样，超声波在复合材料中的平均声速无法确定，而造成测量的厚度不准确的情况。所以目前并不以超声波厚度测量的方式对金属复合材料进行精确的厚度测量，而依靠传统的卡尺或千分尺测量边部厚度，但是这样虽然能够保证边部厚度的精确度，却无法测量材料的中间位置，对于材料整体厚度的测量精确度无益，更加无法测量每层金属的厚度，对于金属复合材料的生产者和使用者来说都是十分不便的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术无法测量金属复合材料的各层金属的厚度也无法精确测量金属复合材料整体厚度的问题，提供一种金属复合材料超声波测厚方法，采用此方法可得到各层材料的厚度和金属复合材料的总厚度。
本发明另一个目的是提供金属复合材料层间界面在超声波测厚中的应用。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种金属复合材料超声波测厚方法，将复合材料的相邻材料之间的层间夹杂的界面物质作为两种金属材料的层间界面，以该层间界面的反射波作为测量时的界面反射波记录超声波的传播时间，而后依据该层间界面的回波时间计算各层材料的厚度，各层材料的厚度求和得到金属复合材料的总厚度；
按如下方法测量金属复合材料各层材料的厚度：
A、设定金属复合材料的一表面作为测量面，复合材料的另一表面定义为底面，
B、由测量面朝向底面发射超声波；
C、接收反射波、获取底面反射波的传播时间Tn和各层间界面反射波的传播时间Tk；
D、按公式(1)计算各层材料的厚度，其中Bk为第K层材料的厚度，CK为第K层材料的声速，TK为超声波在第K层材料中的传播时间：
(1)
Figure BDA0002035768500000041
按公式(2)计算金属复合材料的总厚度：
(2)Sn＝B1+B2+···+Bn；
由经降噪、隔离处理、释放掉多余脉冲信号的高压脉冲信号激励产生所述超声波；
将接收到的反射波信号做前置放大处理，再进行滤波处理，滤除与超声波探头的固有频率不同频率的杂波信号后再进行增益放大或衰减，使层间界面反射波信号可被采集到，得到底面反射波的传播时间Tn和各层间界面反射波的传播时间Tk；
利用经降噪处理的200-400V电压产生直流2-4A、200-400V高压脉冲信号，由经隔离、短路处理的所述200-400V高压脉冲信号激励产生超声波发送到所述的金属复合材料，将收到的反射波信号前置放大7-15倍，滤除反射波信号中的与超声波探头的固有频率不同频率的杂波信号得到纯净的底面反射波信号和各层间界面反射波信号，增益放大底面反射波信号和各层间界面反射波信号，增益值为30-80dB，测得底面反射波的传播时间Tn，继续增益放大反射波，增益值为15-30dB，测得各层间界面反射波的传播时间Tk；
据内设的时间闸门自动计算底面反射波的传播时间Tn和各层间界面反射波的传播时间Tk；
按如下方法获取底面反射波的传播时间Tn和各层间界面反射波的传播时间Tk：
设定一个波形高度，根据所述金属复合材料的材质内设捕捉底面反射波所用的初始增益值dB初，使底面反射波进入闸门捕捉范围并使底面反射波到达设定高度，此时底面反射波的增益值为dB′，读取底面反射波的传播时间Tn；上调增益值使层间界面反射波升高，通过闸门捕捉底面反射波一次回波前的各层间界面反射波并将各层间界面反射波调至设定波高，读取底面反射波的传播时间Tk，此时增益值为dBk；
波形高度为60-80％；
在获得底面反射波的传播时间Tn和各层间界面反射波的传播时间Tk时，各层间界面反射波的高度与底面反射波的高度相等；
200-400伏激励高压信号进行限幅处理，限幅到0.7V以下。
金属复合材料的层间界面在超声波测厚中的应用：将所述层间界面作为金属复合材料各层间的超声波的反射界面。
本发明具有以下有益效果：
采用本发明的方法，利用复合材料的结合处也就是复合材料的界面间存在少量杂质，如灰尘、铁锈、污物形成的一层薄薄的界面物质做为相邻材料间的界面，该界面称为层间界面，因形成该层间界面污物的声阻抗与基层或复层的声阻抗不同，超声波传到此界面时，会有少量的声波反射回来，因此利用层间界面作为两种不同材料交界处的异质界面，对层间界面的少量的反射波进行放大捕捉从而得到各层材料的反射波的传播时间，从而计算出金属复合材料各层材料的厚度和金属复合材料的总厚度。
本发明的方法中，捕捉该层间界面的少量微弱的反射波通过增益放大该层间界面的反射波进行厚度测量，可以采用超声波比较精确地测量每层材料的厚度和整个材料的厚度，使测量方便可靠，同时解决了层间界面反射波无法有效利用的难题，根据不同材料间的层间界面的反射波在复合层材料中传播的时间来分别计算各层金属的厚度，并且通过声速的校正避免声速误差，从而实现了精确测量各层金属厚度以及精确测量金属复合材料整体的厚度。此外还能够通过各层金属厚度间接显示出金属复合材料每层材料的均匀程度，可以为保证金属复合材料质量提供更好的测量基础。
采用波形增益的方式，可以实现针对性的处理反射波，便于快速准确的锁定特定的底面反射波或者层间界面反射波的波形，有助于简化测量和计算过程。当然，本发明的方法也可以测量复合材料间的超声波声速差别大的复合材料，此时，两种复合材料的界面反射波比较明显，可以采用该两种材料的界面反射波按本方法进行测量，此界面产生的反射波也可作为界面反射波。
本发明中利用复合材料的结合处也就是复合材料的界面间存在少量杂质，如灰尘、铁锈、污物形成的一层薄薄的界面物质的声阻抗与基层或复层的声阻抗不同会有少量的声波反射回来的特性，将该层间界面做为测量金属复合材料时各层间的反射界面，解决了现有技术中金属复合材料特别是性质相近的金属复合材料无层间反射界面的技术难题，通过对层间介面的少量的反射波进行放大捕捉从而得到各层材料的反射波的传播时间，从而可计算出金属复合材料各层材料的厚度和金属复合材料的总厚度。
附图说明
图1为本发明金属复合材料超声波测厚仪超声波激励电路原理示意图；
图2为本发明金属复合材料超声波测厚仪超声波接收电路原理示意图；
图3为超声波激励控制信号幅度示意图；
图4为超声波激励控制信号频率示意图；
图5为超声波发射短路控制信号示意图；
图6为本发明复合材料超声波测厚仪数据处理系统实施例原理图；
图7为升压模块实施例电路结构示意图；
图8为本发明实施例结构金属复合材料超声波测厚仪实施例原理结构示意图；
图9为本发明实施例结构金属复合材料超声波测厚仪系统框图；
图10为本发明金属复合材料超声波测厚仪实施例回波计算示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1至10所示，一种金属复合材料超声波厚测厚方法，将材料上的灰尘、铁锈、污物等在爆炸复合过程中形成的界面物质作为两种金属材料的层间界面。利用超声波在层间界面的反射波记录超声波在单层材料中传播的时间，以及超声波在各材料中的传播声速分别计算各材料的厚度，根据各层材料的厚度计算复合材料的整体厚度，解决了层间界面反射波无法有效利用的难题。利用层间界面反射波作为精确测量的计算基准，分别计算各层材料的厚度，可以解决由于不同材料间存在声速误差不能测量金属复合材料的单层材料的厚度，也无法测量金属复合材料总厚度的技术问题。
在测量前，选取金属复合材料的一面作为检测面，将金属复合材料的另一面定义为底面。底面是金属复合材料与外界环境相接触的分界面。获取超声波在金属复合材料中的各层材料中的传播速度，并记为ck。
进行测量时，超声波发射探头接收经降噪、隔离和短路处理的高压信号、紧贴检测面朝向复合材料底面方向发射超声波。超声波在接触层间界面和底面时，分别发生反射形成反射波也称回波；
从反射波中获取底面反射波，并获取对应的接收时间Tn，超声波在探头与界面之间来回传播的时间即为各界面反射波的接收时间，从反射波中获取层间界面反射波，并获取各层间界面的反射波的接收时间Tk。
按照计算公式(1)计算各层复合材料的厚度，其中Bk为第K层材料的厚度，CK为第K层材料的声速，TK为超声波在第K层材料中的传播时间。
(1)
Figure BDA0002035768500000091
按照公式(2)计算金属复合材料的总厚度Sn。
(2)Sn＝B1+B2+···+Bn
优选地，通过测厚仪中内设的闸门分别捕捉底面反射波和界面反射波，读取各反射波的接收时间，作为反射波的传播时间。当金属复合材料是二层以上时，不同层的层间界面反射波根据其传播时间的长短进行区分，其中界面反射波的传播时间越短说明与其对应的层间界面与测量面越近，也就是最先捕捉到的层间界面反射波为第一层复合层与第二层复合层间的层间界面的反射波，所对应的反射波的传播时间为在第一层复合材料中的传播时间，依次类推。通过闸门获取所需要波形的传播时间，方法简便，实用性高。
采用闸门获取超声波的传播时间时，设定一个波形高度值及初始dB值dB初，在此初始dB值下由于界面反射波的强度远小于底面反射波，反射波中幅度最高的即为底面反射波，闸门捕捉的最高波即为底面反射波，下调增益即减小dB值到dB′，将底面发射波高度调至设定高度，读取此时底面反射波的传播时间Tn；上调增益即增大dB值到dB′初，随着上调增益，会依次出现各层间界面的反射波，并逐渐升高，依次调整各层间界面的反射波到设定的高度，此时界面反射波的增益为dBk，读取各层间界面反射波的传播时间Tk。即在上调增益前获得底面反射波的传播时间，在上调增益后获得各层间界面反射波的传播时间，此时底面反射波和界面反射波的波形高度一致。反射波的高度一般调整至60-90％，较好地为70-80％。
其中，初始dB值dB初根据仪器指标及材料型号设定，dB′为底面反射波波高调至设定的基准波高时的增益值，它的值为初始dB值减去相应值Δ，dBk为层间界面反射波波高调至设定的基准波高时的增益值，它的值比dB′高15-40。比如如图10所示，在一定灵敏度下，如50dB，数据处理系统自动捕捉底面波的一次回波，即声程内的最高波；捕捉最高波后，自动将最高波调至80％波高，并记录传播时间和dB值；数据处理系统自动将灵敏度升高15-40dB，自动依次捕捉上述底面波一次回波前的界面波，并逐个将界面波调至80％波高，依次记录相应的传播时间和dB值；根据声速换算计算各层材料厚度和总厚度。
可以采用如下实施例结构的金属复合材料测厚仪实现本发明的上述方法：
本发明实施例结构金属复合材料测厚仪包括可调压电源、超声波发射模块，超声波接收模块，数据采集模块，数据处理系统，其中：
一、本发明中的电源采用电压可调电源，其至少在5V-200V连续可调，优选电源的震荡频率为10-40K，开关电源的震荡频率需避开超声波的频率，防止产生谐波分量干扰。
二、超声波发射模块包括超声波激励电路和超声波发射探头。由超声波激励电路将数据处理系统发出的脉冲信号变成激励超声波发射探头的高压脉冲信号，该高压脉冲信号加到超声波探头压电晶片的两端，引起压电晶片的周期性机械变形，从而形成超声波脉冲，一般将高压脉冲为200-400V高压窄脉冲信号加到超声波发射探头压电晶片的两端,当然脉冲电压可以更高，但是会不给济。如图1所示，超声波激励电路包括超声波输入激励控制电路、功放电路、隔离电路、短路电路，数据处理系统发出的脉冲信号经超声波输入控制电路输入到功放电路，由功放电路对脉冲信号进行放大，由隔离电路隔离掉小的脉冲信号得到比较干净纯粹的脉冲信号，以便获得纯的高频超声波，防止余震干扰超声波信号和拖尾，防止接收电路产生微弱信号，造成信号饱和，本发明中的隔离电路隔离效果要尽可能好，本发明的实施例中，它包括二级管和电容，在此隔离电路中，二极管的恢复时间要尽可能快，分布电容要尽可能小，获得比较好的隔离效果，其要据检测的金属复合材料的厚度和复合材料的性质而定，当需要检测的复合材料越薄、复合材料的各层的性质越相近时，要求隔离电路的隔离效果越好，也就要求二极管的恢复时间要更快，分布电容要更小。在发射完高压脉冲信号后，在数据处理系统的控制下连接短路电路，通过短路电路把多余的脉冲信号释放掉，在做短路电路时，导通时间越快越好，导通电流和导通电阻越小越好。
本发明一个较好的实施例中，采用如图7所示的高压产生电路获得高压脉冲信号，由高压产生电路将直流6-15V电源电压升到直流200-400V电压。采用本发明实施例结构的高压产生电路，采用VS信号源电源、ISEN电流检测，采用集成芯片实现低压变成高压，相对于分离逆变电路，电源电压稳定、干扰小。
在本发明的较好的实施例中采用高速开关电路对超声波激励电路进行通断控制，最好采用快速MOSFET开关速率快，开关噪声低，电流大发射功率大。
三、本发明实施例结构的超声波接收模块包括超声波接收探头、限幅电路、放大电路、模拟滤波电路。
由限幅电路对超声波接收探头接收到的200-400伏激励高压信号进行限幅，通常限幅到0.7V以下，最好是0.5-0.7V；设置限幅电路，防止超声波发射探头激励高压输入到接收通道损坏接收通道电路元件，并使接收通道在激励脉冲之后一段时间不能正常接收回波信号，保护放大电路工作器件的安全。
由放大电路将超声波接收探头接收到的幅度十分微弱的反射波信号放大到能够采集到层间界面反射波信号，在对反射波信号进行数据采集之前由模拟滤波电路滤除回波信号中的杂波信号，使采集到的反射波信号为有效信号，也就是采集与超声波探头的固有频率相同频率的信号，滤除存在各种频率成分的杂波信号。
本发明中优选采用由前置放大电路和程控增益放大电路对反射波信号进行两次放大，由前置放大电路对接收到的反射波信号进行预放大后由模拟滤波电路滤除反射波信号中的与超声波探头的固有频率不同频率的杂波信号，保留与超声波探头的固有频率相同频率的有效信号，通过程控放大电路对滤除杂波后的反射波进行程控放大，也就是对滤除杂波后的反射波进行增益(G),使反射波信号被采集到。本发明中，前置放大电路放大7-15倍，比如8倍、10倍、12.5倍、13.7倍，程控增益放大电路的放大倍数不低于30dB，最好为80dB，且是可调整的，最好在0-80dB间可调，两次放大的倍数达到0.7-15万倍，比如0.9万倍、1万倍、5万倍、10万倍、14万倍。设置前置放大电路的目的是将接收到的所有超声波信号均进行放大，这些超声波信号包含底面反射波信号、环境中的微弱的杂波信号和微弱的层间界面反射波信号，在模拟滤波前将所获得的所有反射波信号进行放大，可以将环境中的微弱的杂波滤除排除对界面反射波的干扰，再由程控增益放大电路将底面反射波和层间界面反射波进行增益放大，使层间界面反射波进入到可被采集和测量的范围，以便获得各层间界面反射波的传播时间。
四、数据采集模块包括A/D转换电路和数据存储电路，A/D转换电路亦称“模拟数字转换器”，由A/D转换电路将经滤波处理和放大处理的反射波模拟信号转换为相应的数字信号，并将转化来的超声波数字信号存入到数据存储电路中，通常采用芯片进行数据采集。当放大电路由前置放大电路和程控放大电路组成时，A/D转换电路将经程控放大增益的反射波模拟信号转换成数字信号。
五、数据处理系统包括数据处理模块、人机交互模块、通讯模块，由数据处理模块实现对数据的输入及数据结果的处理，如计算超声波的传输时间、处理反射波波形，还可通过数据处理模块自动计算材料厚度、校正计算结果。
本发明实施例的数据处理模块包括超声波激励控制信号产生模块，超声波发射短路控制信号产生模块，程控增益放大控制调节模块，控制A/D数据转换模块，控制数据存储模块，波形处理、计算模块。由超声波激励控制信号产生模块与超声波激励电路的通断开关电信号连接，由超声波激励控制信号产生模块产生控制信号给超声波激励电路，其中控制信号的频率f可调，信号幅度为0-5V，脉冲个数可调且不少于1个，重复周期T可调。图3示出了超声波激励控制信号幅度示意图，图4示出了超声波激励控制信号频率示意图；由超声波发射短路控制信号产生模块与短路电路的通断开关电信号连接，由超声波发射短路控制模块向短路电路发射一个短路控制信号用于超声波发射探头短路时序，如图5所示，其中宽度可调(TD)，超声波发射探头短路可有效减少发射干扰；由程控增益放大控制调节模块与程控放大电路的通断开关电信号连接，由程控增益放大控制模块对程控放大电路的信号增益进行调节，使信号幅度满足信号处理计算的要求。比如，将反射波信号增益到30％-80％。由控制A/D数据转换模块与A/D转换电路的通断开关电信号连接，由控制A/D数据转换模块控制A/D转换电路把反射波模拟信号转换成数字信号，便于后期数据处理模块存储计算。由控制数据存储模块与数据存储电路的通断开关电信号连接，由存储控制模块控制数据存储电路进行数据预存储和最终数据的存储。由波形处理、计算模块与程控增益放大控制调节模块、数据采集模块分别电信号连接，把预存储的波形数据经过数字滤波、反射波波形信号自相关运算后，根据内设的时间闸门自动计算出底波、界面波的回波时间，并记录存储。根据声速和底波和界面波的回波时间计算出厚度数值，如复合材料各层的厚度值、总厚度值。在对反射波波形进行处理时，由程控增益放大控制调节模块据波形处理、计算模块对反射波波形高度的需要控制程控放大电路进行信号增益或衰减。
人机交互模块包括输入模块和显示模块，通过输入模块输入声速信息、进行材料选择，由显示模块显示相关信息，显示模块包括显示器和显示控制模块，由显示控制模块，控制显示器至少显示底面反射波的传播时间及各层间界面反射波的传播时间，通过该传播时间可自动或人工计算出各层材料的厚度及复合材料的总厚度，最好直接显示各层材料的厚度及复合材料的总厚度，还可显示数据测量时间等信息。由通讯模块实现该仪器的数据与其它设备之间的数据交互。电源、超声波激励电路，超声波接收电路、数据采集模块、数据处理模块、人机交互模块、通讯模块和控制模块均设置在壳体内，探头设置在壳体外。校正块可集成在壳体外，也可以单独设置。
本发明中，当反射波的波高达不到要求，也就是无法被闸门识别套住时，可以通过改变激励电压，来增加反射波的幅度，还可以通过提高增益倍数来增加反射波的幅度。
本发明中数据处理系统可采用CPU、可编程控制器，本发明中采用FPGA+ARM对数据进行控制和处理。由FPGA实现高速数据采集，100M采样，FIR数字滤波器，自相关运算，发射信号控制，短路开关控制，增益调节控制，信号缓存。由ARM实时嵌入式系统，完成实时任务管理，人机交互参数设定和人机交互控制，功能选择，数据存储，对外通信管理，包括回波信号甄别判断在内的波形分析，数学统计，闸门设定、去除虚假的干扰波信号、厚度计算，得到真实可靠的厚度值。
FPGA采集经由A/D数据转换模块的反射波数字信号并进行波形数据预存储，后由波形处理、计算模块把预存储的波形数据经过FIR数字滤波、反射波波形信号自相关运算。优选采用FIR巴特沃斯256阶滤波，提高测厚仪的降噪能力，使抗干扰能力增强。
根据脉冲超声的特性，信号是周期性的波形，采用FPGA高速采集超声波数据，运算、分析超声波信号特性，抑制其他干扰波，相对传统超声测厚设备，可有效提高信噪比20dB以上。本发明中数据处理系统采用数字滤波与自相关运算结合保证了复合材料界面波的有效测量，进而保证了复合材料厚度精确测量。
本发明中，显示查模块中的显示器优先采用工业级3.5寸TFT真彩色、高清液晶屏，>800cd/m2，日光下清晰可见。
采用本发明实施例的测厚仪进行测厚时，采用5-100V范围可调电源直流电源，输出6-15V电压，测厚仪的放大倍数在0-80dB可调，超声波发射探头与被检测面垂直。
以测量双层的金属复合板(S30408+Q345R)—(3+16)为例，
选择基板的任一表面为检测面，比如以基板(Q345R)作为检测面，则(Q345R)为第一层，复板(S30408)为第二层，查得基板声速为5900m/s，复板声速5700m/s。
进行测量时，采用5-200V可调直流电源，输出6-15V电压，由高压产生电路将6-15V电压升到直流200-400V，向整个系统提供直流200-400V高压电源，超声波输入激励控制电路接收数据处理系统产生的脉冲信号将其输入到功放电路，由功放电路将脉冲信号放大得到200-400V高压脉冲信号，此信号一般为窄高压脉冲信号，由隔离电路隔离掉小的脉冲信号得到比较干净纯粹的脉冲信号，由超声波发射短路控制模块向短路电路发射一个短路控制信号用于超声波发射探头短路时序，在发射完脉冲信号后，连接短路电路，通过短路电路把多余的脉冲信号释放掉，经隔离、短路处理的200-400V高压窄脉冲信号加到超声波发射探头压电晶片的两端形成超声波脉冲发射到金属复合材料，超声波发射探头发射的超声波脉冲到达复合材料的底面时，超声波脉冲被底面和层间界面反射回超声波接收探头，形成层间界面反射波和底面发射波，如图10所示，由限幅电路对超声波接收探头接收到的200-400伏激励高压信号进行限幅，限幅到0.5-0.7V，由放大电路将超声波接收探头接收到的反射波信号放大使幅度十分微弱的层间界面反射波信号能被采集，最好是由前置放大电路将接收到的反射波信号放大10倍后，由模拟滤波电路滤除反射波信号中的与超声波探头的固有频率不同频率的杂波信号，保留与超声波探头的固有频率相同频率的有效信号，在程控增益放大控制调节模块的控制下由程控增益放大电路将滤除杂波后的底面反射波和层间界面反射波进行30-80dB增益放大，直到底面反射波波形进入闸门捕捉的范围且波形幅度达到设定的高度如60-90％，最好80％，在控制A/D数据转换模块的控制下由A/D转换电路将经程控放大处理的反射波模拟信号转换为相应数字信号，并在控制数据存储模块的控制下将转化的超声波数字信号预存到数据存储电路中，由波形处理、计算模块把预存储的波形数据经过数字滤波、反射波波形信号自相关运算后，由设定的时间闸门捕捉底面反射波并计算底面反射波的回波时间Tn，并记录存储；程控增益放大控制调节模块控制程控增益放大电路，使基层与复层间的界面反射波出现，并将底面反射波一次回波前的各界面回波波形幅度调至与设定的底面反射波的波幅一致比如60-90％，最好80％，由A/D转换电路将增益放大的超声波模拟信号转换成数字信号并预存储在数据存储电路中，由波形处理、计算模块把预存储的界面反射波波形数据经过数字滤波、反射波波形信号自相关运算后，由设定的时间闸门捕捉层间界面反射波并计算界面反射波的回波时间Tk，由波形处理、计算模块据基板声速计算基板的厚度为16mm，同时自动读取厚度值，得到整板厚度为19.1mm。初步计算复板的厚度为19.1mm-16.0mm＝3.1mm。校正复板厚度
Figure BDA0002035768500000181
校正整板厚度为3.0mm+16.0mm＝19.0mm。上述结果由人机交互控制模块的控制下显示在显示屏上。
最好采用如下公式直接计算各层材料的厚度Bk及总厚度Sn：
(1)第一层材料厚度
Figure BDA0002035768500000182
其中B1为第一层材料的厚度，C1为第一层材料的声速，T1为超声波在第一层材料内的传播时间。
(2)其它各层材料厚度
Figure BDA0002035768500000191
其中Bk为第K层材料的厚度，CK为第K层材料的声速，TK为超声波在第K层材料中的传播时间。
(3)总厚度Sn＝B1+B2+···+Bn。
在对反射波进行波形处理计算的过程中，由程控增益放大控制调节模块据波形处理、计算模块对反射波波的高度的需要控制程控增益放大电路对界面反射波信号、底面反射波信号进行增益或衰减，直到反射波信号达到设定的高度。优选的，在一次测量过程中，超声波发射探头0°放置时捕捉一次反射波，超声波发射探头90°放置时捕捉一次反射波，两者中的最高波作为用于计算(即用于测厚)的反射波。本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种金属复合材料超声波测厚方法，将复合材料的相邻材料之间的层间夹杂的界面物质作为两种金属材料的层间界面，以该层间界面的反射波作为测量时的界面反射波记录超声波的传播时间，而后依据该层间界面的回波时间计算各层材料的厚度，各层材料的厚度求和得到金属复合材料的总厚度；
由经降噪、隔离处理、释放掉多余脉冲信号的高压脉冲信号激励产生所述超声波；
将接收到的反射波信号做前置放大处理，再进行滤波处理，滤除与超声波探头的固有频率不同频率的杂波信号后再进行增益放大或衰减，使层间界面反射波信号可被采集到，得到底面反射波的传播时间Tn和各层间界面反射波的传播时间Tk；
据内设的时间闸门自动计算底面反射波的传播时间Tn和各层间界面反射波的传播时间Tk；
按如下方法获取底面反射波的传播时间Tn和各层间界面反射波的传播时间Tk：设定一个波形高度，根据所述金属复合材料的材质内设捕捉底面反射波所用的初始增益值dB初，使底面反射波进入闸门捕捉范围并使底面反射波到达设定高度，此时底面反射波的增益值为dB′，读取底面反射波的传播时间Tn；上调增益值使层间界面反射波升高，通过闸门捕捉底面反射波一次回波前的各层间界面反射波并将各层间界面反射波调至设定波高，读取底面反射波的传播时间Tk，此时增益值为dBk；所述的波形高度为60-80％；利用经降噪处理的200-400V电压产生直流2-4A、200-400V高压脉冲信号，由经隔离、短路处理的所述200-400V高压脉冲信号激励产生超声波发送到所述的金属复合材料，将收到的反射波信号前置放大7-15倍，滤除反射波信号中的与超声波探头的固有频率不同频率的杂波信号得到纯净的底面反射波信号和各层间界面反射波信号，增益放大底面反射波信号和各层间界面反射波信号，增益值为30-80dB，测得底面反射波的传播时间Tn，继续增益放大反射波，增益值为15-30dB，测得各层间界面反射波的传播时间Tk。
2.根据权利要求1所述的金属复合材料超声波测厚方法，其特征在于，按如下方法测量金属复合材料各层材料的厚度：
A、设定金属复合材料的一表面作为测量面，复合材料的另一表面定义为底面，
B、由测量面朝向底面发射超声波；
C、接收反射波、获取底面反射波的传播时间Tn和各层间界面反射波的传播时间Tk；
D、按公式(1)计算各层材料的厚度，其中Bk为第K层材料的厚度，CK为第K层材料的声速，TK为超声波在第K层材料中的传播时间：
(1)
Figure FDA0003278711410000021
按公式(2)计算金属复合材料的总厚度：
(2) Sn＝B1+B2+…+Bn。
3.根据权利要求1所述的金属复合材料超声波测厚方法，其特征在于：在获得底面反射波的传播时间Tn和各层间界面反射波的传播时间Tk时，各层间界面反射波的高度与底面反射波的高度相等。
4.根据权利要求1所述的金属复合材料超声波测厚方法，其特征在于：200-400伏激励高压脉冲信号进行限幅处理，限幅到0.7V以下。
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