CN113188489A - 检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法，包括如下步骤：1)、所述信号处理系统控制滑动水浸双探头并与PC机连接；2)、将待测薄板材料水平浸没在水中；3)、在该待测薄板材料水平位置设置X‑轴；4)、所述信号处理系统发射驱动超声测试信号；5)、所述信号处理系统接收多频发射波信号并做实时频率域计算。本发明在于提供一种检测精度更好、损耗低，安全性强，可靠性高，功能多样的一种检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法。

Description

检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，尤其涉及一种检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法。

背景技术

高精度大型平板材料(金属或非金属，透明或不透明，单层均匀材料或多层复合材料)加工是当今工业生产的一个重要半成品，如何检测这些平板材料的厚度，尤其是非透明，多层而又超薄材料加工的在线精密检测，是工业(LCD，OLED，半导体，PCB，金属或非金属加工等许多生产和制造中)急需解决的一个难题。

现有光学方法，只适于透明物体，而且一般不适合在线检测。现有超声厚度设计没有足够的垂直方向分辨率。即使有，这种方法也不适合多层复合材料，并且昂贵的超声显微镜理论上可以满足要求。但是，要达到高精度要求的时间/厚度分辨率，需要极高频的激励信号和极高频的采样频率，两者都是仪器设计和硬件成本的敌人。

本发明提供一种新超声检测方法，可以解决以上两种超声方法的不足。在频率范围上，本方法只采用现有无损检测仪使用的频率范围(中心频率在15MHz以内)，所以不需昂贵的高频探头和信号采集电路设计。但是，与现有无损检测方法不同，本发明采用频率域稳定态检测。现有的所有无损检测和超声显微镜都是高电压脉冲激励的时间域方法。

本申请人在另一专利中，申请号为：202110015038.6，专利名称为：基于低电压复杂信号的超声检测方法，已公布一种全新的超声激励信号和接收信号处理方法。在这种新方法中，激励信号是连续低电压宽频复杂信号。在接收方面，内部算法检测的是多个频点上的幅度和相位信息，所以，本发明的方法本质上是一种稳定态频率域方法。

在无损检测应用中，本发明将频率域信息转换成了时间域信息，以达到与传统无损检测仪相同的结果展现。而在此超薄材料检测中，本发明将保持内部的反射波频谱信息(幅度和相位随频率的变化信息)，直接利用这些信息来检测被测材料的厚度均匀性(即垂直方向的厚度在水平面方向的变化情况)。

中国专利申请号:201711335799.X，申请日：2017年12月13日，公开日：2018年06月19日，专利名称为：一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法，该发明属于复合材料及无损检测技术领域，涉及一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法。该发明方法利用脉冲超声波在与被检测的混合铺层复合材料层压结构中产生的反射声波行为与其内部微结构及其界面的固有联系，通过高品质超声换能器提取来自混合铺层复合材料层压结构中的反射回波信号，构建缺陷识别与报警域，进行缺陷的判别，进而显著改进了缺陷判别的准确性，为混合铺层复合材料层压结构超声检测提供了一种缺陷判别方法。实际检测应用结果表明，利用该发明，可以显著提高缺陷判别的正确性和准确性，取得了较好的实际检测效果，可用于不同厚度混合铺层复合材料层压结构的超声反射法检测。

上述专利文献虽然公开了一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法，但是，该检测方法检测精度不够高，可靠性不强，也无法开拓更加精密的频率域和相位域检测方法。

发明内容

有鉴于此，本发明在于提供一种检测精度更好、损耗低，安全性强，可靠性高，功能多样的一种检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法。

为了实现本发明目的，可以采取以下技术方案：

一种检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法，包括如下步骤：

步骤1)、所述信号处理系统控制滑动水浸双探头并与PC机连接；

步骤2)、将待测薄板材料水平浸没在水中；

步骤3)、在该待测薄板材料水平位置设置X-轴；

步骤4)、所述信号处理系统发射驱动超声测试信号；

步骤5)、所述信号处理系统接收多频发射波信号并做实时频率域计算。

所述信号处理系统包括信号发射模块和信号接收模块。

所述信号处理系统通过探头滑动控制逻辑和接口控制该滑动水浸双探头。

所述滑动水浸双探头包括发射信号模块和接收信号模块。

所述信号处理系统通过网络通讯接口与PC机连接。

所述步骤2)包括将待测薄板材料水平浸没在水箱中。

所述步骤5)实时频率域计算包括如下步骤：

1)、将待测薄板材料参照X-轴点X0的复频谱为H0(w)；

2)、在待测薄板材料另一X-轴点X1的复频谱为H1(w)；

3)、计算“反卷积”谱R(w)＝H1(w)/H0(w)；

4)、计算R(w)反傅里叶变换，得到其对应的时间域绝对值时间序列|r(t)|；

5)、归一化后，如果H1(w)＝H0(w)，那么|r(0)|＝1,而且|r(0)|是整个序列的最大值；如果H1(w)与H0(w)值不同，那么，|r(t)|序列的峰值不会在t＝0处，并且峰值＜1；

所述H0(w)，其中，w为角频率；所述频谱是复数，包含幅度和相位信息。

本发明的有益效果是：1)本发明将频率域信息转换成了时间域信息，以达到与传统无损检测仪相同的结果展现；而在超薄材料领域检测中，本发明将保持内部的反射波频谱信息(幅度和相位随频率的变化信息)，直接利用这些信息来检测被测材料的厚度均匀性即垂直方向的厚度在水平面方向的变化情况；2)本发明采用频率域稳定态检测超薄材料，稳定性强，可靠性高，是超薄材料检测领域的一次革命性技术升级，适于普遍推广。

附图说明

图1为本发明实施例一种检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法的系统方框图；

图2为本发明实施例一种检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法的流程图；

图3为本发明实施例一种检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法的检测峰线结果图；

图4为本发明实施例一种检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法的在频率域检测峰线结果图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对发明作进一步详细的说明。

实施例1

参看图1，图2，该一种检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法，包括如下步骤：

步骤1)、所述信号处理系统1控制滑动水浸双探头5并与PC机9连接S1；

步骤2)、将待测薄板材料6水平浸没在水中S2；

步骤3)、在该待测薄板材料6水平位置设置X-轴S3；

步骤4)、所述信号处理系统1发射驱动超声测试信号S4；

步骤5)、所述信号处理系统1接收多频发射波信号并做实时频率域计算S5。

本实施例中，所述信号处理系统1包括信号发射模块2和信号接收模块3。所述步骤4)该所述信号处理系统1发射驱动超声测试信号是通过该发射模块2发射信号；所述步骤5)信号处理系统1接收多频发射波信号是通过该信号接收模块3来接收信号的。

优选地，所述信号处理系统1通过探头滑动控制逻辑和接口4控制该滑动水浸双探头5。

本实施例，优选地，所述滑动水浸双探头5包括发射信号模块和接收信号模块。

本实施例，优选地，所述信号处理系统1通过网络通讯接口8与PC机9连接。

本实施例中，优选地，所述PC机9包括用户界面和结果显示的PC机。

本实施例中，进一步，优选地，所述步骤2)包括将待测薄板材料6水平浸没在水箱7中。

所述水也可以是非腐蚀性液体，水箱7也可以是生产线。

本实施例中，所述步骤3)还包括在该待测薄板材料6垂直位置设置Z-轴。

本实施例，优选地，所述步骤5)实时频率域计算包括如下步骤：

1)、将待测薄板材料参照X-轴点X0的复频谱为H0(w)；

2)、在待测薄板材料另一X-轴点X1的复频谱为H1(w)；

3)、计算“反卷积”谱R(w)＝H1(w)/H0(w)；

4)、计算R(w)反傅里叶变换，得到其对应的时间域绝对值时间序列|r(t)|；

5)、归一化后，如果H1(w)＝H0(w)，那么|r(0)|＝1,而且|r(0)|是整个序列的最大值；如果H1(w)与H0(w)值不同，那么，|r(t)|序列的峰值不会在t＝0处，并且峰值＜1；

所述H0(w)，其中，w为角频率；所述频谱是复数，包含幅度和相位信息。

本发明检测原理1：时间域与频率域的“相反”特性：

在该待测薄板材料6每一个水平x-轴位置，本发明的测试结果检测了那一点上对应的垂直Z-轴方向不同超声阻抗界面(该待测薄板材料6上下外表面和内部结构等)引起的反射波。

在频率域，测试结果表明在不同频点上，各层反射波在幅度和相位上的矢量相加。在某些频率上(波长上)，各反射波矢量基本同方向，同相相加成强反射频点；而在另些频点上，各反射波矢量可能相互异相，反相相加成弱反射频点。所以，在发射频谱图上，某些频点对应峰值，某些频点对应谷底。峰值(或谷底)对应的频率值，以及邻近峰值(或谷底)的频率间隔等，都与待测薄板材料6的厚度和内部结构有关。

待测薄板材料6越薄，峰值之间的频率间隔越宽。某种意义上，在时间域(或垂直Z-轴方向)越难分开的反射波，在频率域却越容易分开。

参看图3，图4，本实施例中，图3显示的是所述待测薄板材料6为一薄铝片上的超声无损检测结果。

该超声频率在铝材料中的传播速度较高，所以多个反射波在时间上很难区分，而且复杂。

该图3的结果是用本发明的频率域测试方法转换成时间域后的结果，载波已经被完美地去掉，所以各个反射波还能区分开。如果用市场上现有的脉冲激励法，那么所有反射波将混杂在一起，难以区分，而且它们不能干净地去掉载波，使得结果难以解释，所以传统的脉冲式超声检测不适于薄材料。

参看图4，该图4是图3结果在频率域中的信息。图4中只显示了反射波的幅度谱(即幅度随频率的变化)。

图4是显示说明了反射波在频率域的幅度谱信息。多个发射波在若干频点上的峰值清晰可见，邻近峰值之间的频率间隔也是可利用的信息。并且，在时间域难以区分的峰值在频率域却清晰可辩。

本发明检测原理2，主要说明该待测薄板材料6水平方向的厚度一致性(或均匀性)检测：

在实际工厂加工生产过程中，客户关心的可能只是被加工材料在水平方向上厚度的一致性。在解决一致性问题上，本发明提供了如下最佳方法：

1.假设以某一参照X-轴点X0的复频谱为H0(w)(w为角频率，频谱信息是复数，包含幅度和相位信息)；

2.假设在另一X-轴点X1的复频谱为H1(w)；

3.计算“反卷积”谱R(w)＝H1(w)/H0(w)；在发射频率范围内，物理本质可以保证H0(w)不存在绝对的零值点；

4.计算R(w)反傅里叶变换，得到其对应的时间域绝对值时间序列|r(t)|；

5.归一化后，如果H1(w)＝H0(w)(即，这两点的反射谱完全相同,绝对一致)，那么|r(0)|＝1,而且|r(0)|是整个序列的最大值。但是，如果H1(w)与H0(w)相差甚远(表明这两点的一致性极差)，那么，|r(t)|序列的峰值可能不会在t＝0处，而且峰值会小于1。

这两个信息，就是我们检测一致性的基本参数。

当然，如果本发明用手工方法准确的测量许多的参照点的厚度，并由此在工作条件下获得相应的每个参照点的复频谱为H0(w)，只有有足够多的参照点的不同厚度的复频谱信息，本发明方法也可准确的测量出绝对的厚度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1)、所述信号处理系统控制滑动水浸双探头并与PC机连接；

步骤2)、将待测薄板材料水平浸没在水中；

步骤3)、在该待测薄板材料水平位置设置X-轴；

步骤4)、所述信号处理系统发射驱动超声测试信号；

步骤5)、所述信号处理系统接收多频发射波信号并做实时频率域计算。

2.根据权利要求1所述检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法，其特征在于：所述信号处理系统包括信号发射模块和信号接收模块。

3.根据权利要求1所述检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法，其特征在于：所述信号处理系统通过探头滑动控制逻辑和接口控制该滑动水浸双探头。

4.根据权利要求3所述检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法，其特征在于：所述滑动水浸双探头包括发射信号模块和接收信号模块。

5.根据权利要求1所述检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法，其特征在于：所述信号处理系统通过网络通讯接口与PC机连接。

6.根据权利要求1所述检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法，其特征在于：所述步骤2)包括将待测薄板材料水平浸没在水箱中。

7.根据权利要求1所述检测薄平板材料厚度一致性的超声反射谱方法，其特征在于：所述步骤5)实时频率域计算包括如下步骤：

1)、将待测薄板材料参照X-轴点X0的复频谱为H0(w)；

2)、在待测薄板材料另一X-轴点X1的复频谱为H1(w)；

3)、计算“反卷积”谱R(w)＝H1(w)/H0(w)；

4)、计算R(w)反傅里叶变换，得到其对应的时间域绝对值时间序列|r(t)|；

5)、归一化后，如果H1(w)＝H0(w)，那么|r(0)|＝1,而且|r(0)|是整个序列的最大值；如果H1(w)与H0(w)值不同，那么，|r(t)|序列的峰值不会在t＝0处，并且峰值＜1；

所述H0(w)，其中，w为角频率；所述频谱是复数，包含幅度和相位信息。

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