CN110006997B - 金属复合材料超声波测厚仪 - Google Patents

金属复合材料超声波测厚仪 Download PDF

Info

Publication number
CN110006997B
CN110006997B CN201910325096.1A CN201910325096A CN110006997B CN 110006997 B CN110006997 B CN 110006997B CN 201910325096 A CN201910325096 A CN 201910325096A CN 110006997 B CN110006997 B CN 110006997B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ultrasonic
circuit
reflected wave
signal
module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910325096.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110006997A (zh
Inventor
柏立省
张卫永
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huludao Tangke Technology Co ltd
Original Assignee
Huludao Tangke Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huludao Tangke Technology Co ltd filed Critical Huludao Tangke Technology Co ltd
Priority to CN201910325096.1A priority Critical patent/CN110006997B/zh
Publication of CN110006997A publication Critical patent/CN110006997A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110006997B publication Critical patent/CN110006997B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
    • G01B17/02—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations for measuring thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/07—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/4454—Signal recognition, e.g. specific values or portions, signal events, signatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/01—Indexing codes associated with the measuring variable
    • G01N2291/011—Velocity or travel time
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023—Solids
    • G01N2291/0231—Composite or layered materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023—Solids
    • G01N2291/0234—Metals, e.g. steel
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02854—Length, thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/0289—Internal structure, e.g. defects, grain size, texture

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)

Abstract

本发明是针对现有技术中无法测量金属复合材料的单层金属的厚度也无法测量金属复合材料整体厚度的问题，提供一种能够测量金属复合材料的各层材料厚度的金属复合材料超声波测厚仪，它包括电压可调电源、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,由电源为超声波发射模块、超声波接收模块、数据采集模块、数据处理系统提供电源，采用本发明提供的一种金属复合材料超声波测厚仪，精度和可靠性都能保证，即使在一些耦合不良的情况下仍可以精确测出厚度。

Description

金属复合材料超声波测厚仪
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仪。
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，尽管也会有少量声波反射回来，但由于该反射波比较微弱，业界一直无法有效利用此界面。
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 BDA0002036011050000021
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。如图11所示，常规的超声波测厚仪一般包括模拟接收电路、发射电路、MCU、液晶屏、键盘和系统电源，如图12所示，其中发射模块的高压部分采用LC震荡电路或者变压器升压，然后再整流滤波，电压不稳定，纹波大，对超声接收信号干扰大。模拟接收电路中的滤波器采用模拟滤波器，滤波系数不超过16阶，降噪效果一般，上述结构中，由于发射电路仅采用了LC震荡电路或者变压器升压，而后再整流滤波，因此降噪效果差，噪声干扰大，因此仅能检测出强波信号，不能检测出弱的信号,比如两个相似性质的材料组成金属复合材料的界面反射波。
另外，现有的超声波测厚仪采用普通单片机或者ARM作为处理器，将接收到的模拟信号直接进行计算处理，因此，无法对于弱的回波信号进行精确处理。而且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，同时也不能接收到两种材料间的微弱的反射波，因此无法获得超声波在单层材料中的传播时间，因此无法测量单层材料的厚度及复合材料的厚度。
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单层金属的厚度也无法测量金属复合材料整体厚度的问题，提供一种能够测量金属复合材料的各层材料厚度的金属复合材料超声波测厚仪。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种金属复合材料测厚仪，包括电压可调电源、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,由所述电源为超声波发射模块、超声波接收模块、数据采集模块、数据处理系统提供电源；
由超声波发射模块发射经降噪、隔离处理的高压脉冲信号并将多余的脉冲信号释放掉，由经降噪、隔离、短路处理的高压脉冲信号激励产生超声波脉冲；
由超声波接收模块接收金属复合材料的底面反射波及层间介面反射波，并将接收到的反射波进行放大和滤波处理，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，并对滤除杂波后的反射波进行增益放大或衰减，使层间界面反射波信号可被采集到并达到设定的高度；
由数据采集模块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超声波数字信号，并将转化得到的超声波数字信号存入到数据存储电路中；
由数据处理系统控制超声波发射模块发射高压超声波信号并控制超声波发射模块在发射完高压脉冲信号后释放掉多余的脉冲信号；控制超声波接收模块对反射波进行增益放大或衰减，使反射波信号幅度满足信号处理计算的要求；控制数据采集模块将接收到的反射波模拟信号转换为相应的数字信号，并将转化得到的超声波数字信号预存入数据采集模块中，将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；
由高压产生电路对所述高压可调电源进行升压；
数据处理系统包括数据处理模块、人机交互模块和通讯模块，通过所述人机交互模块输入声速信息、进行材料选择，由所述数据处理模块完成所述的将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，由人机交互模块中的显示模块直接显示各层材料的厚度及复合材料的总厚度等信息；
超声波发射模块包括超声波激励电路和超声波发射探头，所述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，所述数据处理系统产生的脉冲信号经超声波输入激励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得到高压脉冲信号，由隔离电路隔离掉小的脉冲信号得到纯的高压脉冲信号后向超声波发射探头发射高压脉冲信号，激励超声波发射探头发射超声波脉冲信号，发射完高压脉冲信号后由所述短路电路在数据处理模块的控制下把多余的高压脉冲信号释放掉；
超声波接收模块包括超声波接收探头、限幅电路、前置放大电路、模拟滤波电路和程控增益放大电路，由限幅电路对超声波接收探头接收到的纯的高压脉冲信号进行限幅，由前置放大电路对接收到的反射波信号进行预放大，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，在数据处理模块的控制下通过程控增益放大电路对滤除杂波后的反射波进行程控放大使层间界面反射波信号可被采集到；
数据采集模块包括A/D转换电路和数据存储电路，在数据处理系统的控制下由A/D转换电路将经滤波处理和增益放大处理的反射波模拟信号转换为反射波数字信号，并将转得到的反射波数字信号预先存入到数据存储电路中；
电压可调电源在10-200V连续可调，由高压产生电路将直流6-15V电源电压升到直流200-400V电压，功放电路将脉冲信号放大得到200-400V高压脉冲信号，前置放大电路的放大倍数为7-15倍，程控增益放大电路的放大倍数为0.1-1万倍，经限幅后的高压脉冲信号小于等于0.7V；
在用闸门捕捉底面反射波波形时，设定一个波形高度值，根据材料选定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，通过闸门依次捕捉底面反射波一次回波前的层间界面反射波并逐个将各层间界面反射波调至设定波高，逐一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60-90％，层间界面反射波的增益值dBk与底面反射波的增益值dB′间的差值为大于等于15-40；
200-400V高压脉冲信号为窄高压脉冲信号；
数据处理系统包括FPGA和ARM，由FPGA实现信号输入、输出、内部连线和高速运算，分析超声信号特性，抑制干扰波；由所述ARM进行数据处理，完成实时任务管理，人机交互参数设定，功能选择，数据存储，对外通信管理，回波信号甄别判断，数学统计，去除虚假的干扰波信号；
数字滤波为FIR巴特沃斯256阶滤波；
采用高速开关电路对超声波激励电路进行通断控制。
本发明具有以下有益效果：
由于超声波发射模块发射出去的高压脉冲信号已经过隔离和短路处理，除掉了小的脉冲信号得到比较干净纯粹的脉冲信号，将多余的脉冲信号释放掉，因此可获得纯的高频超声波，可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；将接收到的放大后的反射波信号经模拟滤波处理后再经数字滤波处理提高了测厚仪的降噪能力，使抗干扰能力增强，因此使得本测厚仪的灵敏度比现有技术测厚仪的灵敏度提高了至少20倍，能识别微弱的层间界面反射波并读出其传播时间，因此，可以比较精确地测量出金属复合材料各层材料的厚度及金属复合材料的总厚度。
在本发明中，更进一步地改进的方案中，其中高压模块采用集成芯片将低压变成高压，相对于分离逆变升压电路，电源电压稳定，干扰小，纹波小；
采用高速开关电路，快速MOSFET开关速率快，开关噪声低，电流大发射功率大；
数据处理系统采用FPGA实现高速数据采集，100M信号频率采样，FIR数字滤波器，自相关运算；
数字滤波采用FIR巴特沃斯256阶滤波，仪器的抗干扰能力强；
采用FPGA高速运算、分析超声信号特性，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；
采用ARM实时嵌入式系统，完成实时任务管理，人机交互参数设定，功能选择，数据存储，对外通信管理，回波信号甄别判断，进行数学统计，去除虚假的干扰波信号，得到真实可靠的厚度值。利用A/D数据转换模块采用数字信号分析，根据回波幅值特性和回波信号过零点技术来精确计算回波时间，精度和可靠性都能保证，即使在一些耦合不良的情况下仍可以精确测出厚度。
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为本发明复合材料超声波测厚仪实施例回波计算示意图；
图11为传统超声波测厚仪的系统框图；
图12为传统超声波测厚仪的升压电路示意图；
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测厚仪，包括电压可调电源、超声波发射模块，超声波接收模块、数据采集模块、数据处理系统和壳体。由电源为超声波发射模块、超声波接收模块、数据采集模块、数据处理系统提供电源。由超声波发射模块发射经降噪、隔离处理的高压脉冲信号，并在发射完脉冲信号后将多余的脉冲信号释放掉；由超声波接收模块接收金属复合材料的底面反射波及层间介面反射波(为叙述方便将底面射波和层间界面反射波统一称为反射波或回波)，并将接收到的反射波进行放大和滤波处理，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，保留频率与超声波探头的固有频率相同的有效信号，并对滤除杂波后的反射波进行增益放大或衰减，也就是对滤除杂波后的反射波进行增益或衰减(G),使层间界面反射波信号可被采集到并达到设定的高度；由数据采集模块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超声波数字信号，并将转化来的超声波数字信号存入到数据存储电路中；由数据处理系统控制超声波发射模块发射高压超声波信号并控制超声波发射模块释放掉多余的脉冲信号，控制数据采集模块将接收到的反射波模拟信号转换为相应的数字信号，并将转化得到的超声波数字信号预存入数据采集模块中，将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。更好地，自动记录存储底面反射波和各界面反射波的回波时间，更好地，自动计算金属复合材料的厚度和各层材料的厚度。
本发明中采用电压可调电源，综合考虑经济性及实用性，采用20V-100V电压连续可调电源，最好在10-200V连续可调，用于提高激发功率，当然，不考虑经济性的前提下，可采用更宽的调节范围。优选电源的震荡频率为10-40KHz，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。
本发明实施例结构的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产生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。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，数据处理系统产生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得到高压脉冲信号，由隔离电路隔离掉小的脉冲信号(为叙述方便将隔离掉小的脉冲信号后得到的高压脉冲信号称为纯高压脉冲信号)，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，本发明实施例的隔离电路由二级管和电容组成，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所示的集成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。
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，通常使始波限幅到0.7V以下，最好为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，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，通过程控增益放大电路对滤除杂波后的反射波进行程控放大，,使层间界面反射波信号可被采集到。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。
本发明实施例结构的数据采集模块包括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，并将转得到的超声波数字信号预先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增益放大电路组成时，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。
本发明实施例结构的数据处理系统包括数据处理模块、人机交互模块和通讯模块，其中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增益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增益放大电路的信号增益、衰减进行调节，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、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，最后根据声速计算出厚度数值，如复合材料单层的厚度值、总厚度值。
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。本发明的设备通常需要比现有的超声波测厚仪的灵敏度高20dB，才能显示出界面波。
采用本发明设备进行金属复合材料的测量时，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，以该层间界面微弱的反射波为界面反射波计算超声波在金属复合材料中的传播时间及单层材料间的传播时间。
下面以测量双层的金属复合板(S30408+Q345R)—(3+16)为例进行说明。
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反射波，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，由前置放大电路将接收到的反射波信号放大约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 BDA0002036011050000161
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。
也可采用如下公式计算各层材料的厚度Bk及总厚度Sn：
(1)第一层材料厚度
Figure BDA0002036011050000162
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 BDA0002036011050000163
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(其中Sn为金属复合材料的总厚度)。
在对反射波进行处理、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形处理、计算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。
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 (7)

1.一种金属复合材料测厚仪，其特征在于，包括电压可调电源、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,由所述电源为超声波发射模块、超声波接收模块、数据采集模块、数据处理系统提供电源；由所述超声波发射模块发射经降噪、隔离处理的高压脉冲信号并将多余的脉冲信号释放掉，由经降噪、隔离、短路处理的高压脉冲信号激励产生超声波脉冲；所述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,
由所述超声波接收模块接收金属复合材料的底面反射波及层间介面反射波，并将接收到的反射波进行放大和滤波处理，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，并对滤除杂波后的反射波进行增益放大或衰减，使层间界面反射波信号可被采集到并达到设定的高度；
由所述的数据采集模块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超声波数字信号，并将转化得到的超声波数字信号存入到数据存储电路中；
由数据处理系统控制超声波发射模块发射高压超声波信号并控制超声波发射模块在发射完高压脉冲信号后释放掉多余的脉冲信号；控制超声波接收模块对反射波进行增益放大或衰减，使反射波信号幅度满足信号处理计算的要求；控制数据采集模块将接收到的反射波模拟信号转换为相应的数字信号，并将转化得到的超声波数字信号预存入数据采集模块中，将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；在用闸门捕捉底面反射波波形时，设定一个波形高度值，根据材料选定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，通过闸门依次捕捉底面反射波一次回波前的层间界面反射波并逐个将各层间界面反射波调至设定波高，逐一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60-90％，所述层间界面反射波的增益值dBk与所述底面反射波的增益值dB′间的差值为大于等于15-40。
2.如权利要求1所述的一种金属复合材料测厚仪，其特征在于，
由高压产生电路对所述电压可调电源进行升压；
所述的数据处理系统包括数据处理模块、人机交互模块和通讯模块，通过所述人机交互模块输入声速信息、进行材料选择，由所述数据处理模块完成所述的将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，由人机交互模块中的显示模块直接显示各层材料的厚度及复合材料的总厚度信息；
所述的超声波发射模块包括超声波激励电路和超声波发射探头，所述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，所述数据处理系统产生的脉冲信号经超声波输入激励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得到高压脉冲信号，由隔离电路隔离掉小的脉冲信号得到纯的高压脉冲信号后向超声波发射探头发射高压脉冲信号，激励超声波发射探头发射超声波脉冲信号，发射完高压脉冲信号后由所述短路电路在数据处理模块的控制下把多余的高压脉冲信号释放掉；
所述超声波接收模块包括超声波接收探头、限幅电路、前置放大电路、模拟滤波电路和程控增益放大电路，由所述限幅电路对超声波接收探头接收到的纯的高压脉冲信号进行限幅，由所述前置放大电路对接收到的反射波信号进行预放大，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，在所述数据处理模块的控制下通过程控增益放大电路对滤除杂波后的反射波进行程控放大使层间界面反射波信号可被采集到；
所述数据采集模块包括A/D转换电路和数据存储电路，在所述数据处理系统的控制下由A/D转换电路将经滤波处理和增益放大处理的反射波模拟信号转换为反射波数字信号，并将转得到的反射波数字信号预先存入到数据存储电路中。
3.如权利要求2所述的一种金属复合材料测厚仪，其特征在于，所述电压可调电源在10-200V连续可调，由所述高压产生电路将直流6-15V电源电压升到直流200-400V电压，所述功放电路将脉冲信号放大得到200-400V高压脉冲信号，所述前置放大电路的放大倍数为7-15倍，所述程控增益放大电路的放大倍数为0.1-1万倍，经限幅后的高压脉冲信号小于等于0.7V。
4.如权利要求3所述的一种金属复合材料测厚仪，其特征在于，所述的200-400V高压脉冲信号为窄高压脉冲信号。
5.如权利要求1-3各项之一所述的一种金属复合材料测厚仪，其特征在于，所述数据处理系统包括FPGA和ARM，由FPGA实现信号输入、输出、内部连线和高速运算，分析超声信号特性，抑制干扰波；由所述ARM进行数据处理，完成实时任务管理，人机交互参数设定，功能选择，数据存储，对外通信管理，回波信号甄别判断，数学统计，去除虚假的干扰波信号。
6.如权利要求1所述的金属复合材料测厚仪，其特征在于，数字滤波为FIR巴特沃斯256阶滤波。
7.如权利要求2所述的一种金属复合材料测厚仪，其特征在于，采用高速开关电路对超声波激励电路进行通断控制。
CN201910325096.1A 2019-04-22 2019-04-22 金属复合材料超声波测厚仪 Active CN110006997B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910325096.1A CN110006997B (zh) 2019-04-22 2019-04-22 金属复合材料超声波测厚仪

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910325096.1A CN110006997B (zh) 2019-04-22 2019-04-22 金属复合材料超声波测厚仪

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110006997A CN110006997A (zh) 2019-07-12
CN110006997B true CN110006997B (zh) 2022-02-08

Family

ID=67173531

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910325096.1A Active CN110006997B (zh) 2019-04-22 2019-04-22 金属复合材料超声波测厚仪

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110006997B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111181507B (zh) * 2020-01-21 2024-01-30 西安茂德通讯科技有限公司 X波段400w功放
EP4107519A4 (en) * 2020-02-21 2024-04-03 UT Comp Inc. SYSTEMS AND METHODS FOR EVALUATING A MATERIAL SYSTEM
CN111766305A (zh) * 2020-05-14 2020-10-13 北京工业大学 一种用于界面接触状态评价的超声信号相似度分析方法
CN114152226B (zh) * 2021-11-19 2024-04-12 中铁建设集团有限公司 一种快硬高强无机模壳厚度快速无损检测方法及装置
CN115355856B (zh) * 2022-10-21 2023-03-24 东莞市森威电子有限公司 一种超声波测厚仪
CN116086330B (zh) * 2023-02-17 2024-01-12 无锡星微科技有限公司 一种用于大尺寸晶圆的厚度检测平台

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0429854A1 (en) * 1989-11-28 1991-06-05 Nkk Corporation Apparatus for measuring the thickness of clad material
JP2001153849A (ja) * 1999-11-29 2001-06-08 Toshiba Tungaloy Co Ltd 熱可塑性樹脂成形品の不良品判別測定機
JP2005300286A (ja) * 2004-04-09 2005-10-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 超音波探触子及び超音波測定器
US7313959B2 (en) * 2005-05-25 2008-01-01 The Boeing Company Magnetically attracted apparatus, system, and method for remote bondline thickness measurement
CN102865839A (zh) * 2012-09-21 2013-01-09 华南理工大学 一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法及装置
CN104457635A (zh) * 2014-10-10 2015-03-25 北京理工大学 基于Welch法谱估计的超薄涂层厚度均匀性无损检测方法
CN205691081U (zh) * 2016-04-07 2016-11-16 北京声华兴业科技有限公司 一种波形测厚仪
CN106989702A (zh) * 2017-03-31 2017-07-28 中国特种设备检测研究院 脉冲激发式电磁超声检测仪
CN107192356A (zh) * 2017-03-31 2017-09-22 中国特种设备检测研究院 脉冲式差分电磁超声检测仪器

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8806944B2 (en) * 2009-09-18 2014-08-19 Conocophillips Company High precision ultrasonic corrosion rate monitoring
US10444195B2 (en) * 2016-05-05 2019-10-15 The Boeing Company Detection of near surface inconsistencies in structures

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0429854A1 (en) * 1989-11-28 1991-06-05 Nkk Corporation Apparatus for measuring the thickness of clad material
JP2001153849A (ja) * 1999-11-29 2001-06-08 Toshiba Tungaloy Co Ltd 熱可塑性樹脂成形品の不良品判別測定機
JP2005300286A (ja) * 2004-04-09 2005-10-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 超音波探触子及び超音波測定器
US7313959B2 (en) * 2005-05-25 2008-01-01 The Boeing Company Magnetically attracted apparatus, system, and method for remote bondline thickness measurement
CN102865839A (zh) * 2012-09-21 2013-01-09 华南理工大学 一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法及装置
CN104457635A (zh) * 2014-10-10 2015-03-25 北京理工大学 基于Welch法谱估计的超薄涂层厚度均匀性无损检测方法
CN205691081U (zh) * 2016-04-07 2016-11-16 北京声华兴业科技有限公司 一种波形测厚仪
CN106989702A (zh) * 2017-03-31 2017-07-28 中国特种设备检测研究院 脉冲激发式电磁超声检测仪
CN107192356A (zh) * 2017-03-31 2017-09-22 中国特种设备检测研究院 脉冲式差分电磁超声检测仪器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
几种特殊情况下超声测厚技术探讨;刘洪;《特种设备安全技术》;20190215(第1期);第53-54+57页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110006997A (zh) 2019-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110006997B (zh) 金属复合材料超声波测厚仪
JP5993871B2 (ja) 超音波発生装置および超音波を発生させる方法における、またはそれらに関連する改良
CN104215203B (zh) 一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法及系统
CN101496728B (zh) 超声频率复合成像方法与装置
WO2007058926A1 (en) System and method for ultrasonically detecting discontinuous fibers in composite laminates
CN102364336A (zh) 用于桩基超声波检测的超声波传感器
EP0233676B1 (en) Apparatus for ultrasound detection
CN110006996B (zh) 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
CN101839894B (zh) 一种新型数字超声探伤系统和方法
US4445379A (en) Apparatus for receiving reflected ultrasonic waves in ultrasonography
CN115773103B (zh) 一种压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统
US5627320A (en) Apparatus and method for automated non-destructive inspection of integrated circuit packages
CN209727865U (zh) 金属复合材料超声波测厚系统
CN102162795B (zh) 一种全方位在线检测带钢缺陷的方法
JP4795925B2 (ja) 超音波厚さ測定方法および装置
CN101441200B (zh) 一种超声检测方法和系统
CN105676225B (zh) 不透明浑浊液体中的超声测距系统和方法
US20140236500A1 (en) Method for processing an ultrasonic analog signal, digital signal processing unit and ultrasonic inspection device
RU2675217C1 (ru) Способ ультразвуковой томографии
JPH08233788A (ja) 超音波探傷方法及び装置
CN106896161A (zh) 管道防腐层补口粘接质量检测机的信号接收处理电路
WO2020191804A1 (zh) 一种基于低频连续声波峰值捕获的高精度远距离水声测距方法
JPH03135707A (ja) ピーク検出形超音波厚さ計
JP2889661B2 (ja) 超音波物体認識装置
CA3236060A1 (en) Ultrasonic remote condition monitoring system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant