CN202304777U - 一种工件厚度测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种工件厚度测量装置，其特征在于：所述工件厚度测量装置由探头（1）和主机两部分组成，主机部分包括：DSP控制模块（2）、超声波发射电路（3）、超声波信号接收电路（3），信号放大电路（4）、闸门电路（5）、通讯接口（6），液晶显示器（7）和键盘（8）。本实用新型尤其适合于测量超薄大曲率工件厚度也适合于测量普通工件厚度，可实时采集超声回波信号，实时的进行快速傅里叶变换，实时计算和存储管壁厚度，可以实现机械化自动测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及检测设备结构设计技术领域，特别提供了一种工件厚度测量装置。
背景技术
无损检测技术领域中，超声波测厚广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等行业。国内外现有的超声测厚仪都是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量，超声探头发射的超声脉冲波经耦合剂进入被测物体，在被测物体内传播至底面时发生反射，反射回来的超声波（回波）被超声探头接收，超声脉冲在被测物体两表面之间多次往返形成多次回波，测得相邻两次回波之间的时间间隔t，根据超声波在材料中的传播声速c，即可计算出被测物体的厚度d=ct/2。
但是，按回波原理设计的超声测厚仪一般只能测量0.75mm以上的材料厚度，在实际测量过程中，厚度越薄，其测量的准确性越低。而且显示分辨率一般为0.1mm，常常不能满足实际应用中测量精确度的要求。人们期望获得一种技术效果更好的工件厚度测量装置。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种技术效果更好的工件厚度测量装置。
本实用新型一种工件厚度测量装置，其特征在于：所述工件厚度测量装置由探头1和主机两部分组成，主机部分包括：DSP控制模块2、超声波发射电路3、超声波信号接收电路3，信号放大电路4、闸门电路5、通讯接口6，液晶显示器7和键盘8；其中：
下述几部分顺序串接构成封闭的循环：DSP控制模块2、超声波发射电路3、探头1超声波信号接收电路3，信号放大电路4、闸门电路5、DSP控制模块2；
液晶显示器7和键盘8都分别与DSP控制模块2连接。
所述工件厚度测量装置中还设置有通讯接口9，其与DSP控制模块2连接。
本实用新型基于下述能精确测量超薄工件厚度方法使用：
采用信号处理的方法来提取表征工件厚度的超声波信息，既适合于测量超薄大曲率工件厚度也适合于测量普通工件厚度的超声测厚技术，它的核心是对接收到的回波信号进行快速傅里叶变换（FFT）从而获得测量结果；超声脉冲有一定的频谱范围，见图3，当被测物体较薄时，相邻的回波重叠在一起，必然产生干涉现象，某些频率的超声波振动相互加强，而另一些频率的超声波振动相互减弱或完全抵消；通过快速傅里叶变换将接收到的时域信号转换为频域信号，也叫做频谱曲线，此时频域信号就会显示出周期性的峰值和谷值；在频率为基频 
的奇数倍时出现周期性极小值，偶数倍时出现周期性极大值，其中
为被测物体的厚度，
为超声波在被测物体中的传播速度，因此测出频域信号达到极大值的频率
可以计算出被测物体的厚度
， 式中，
是频谱曲线上第
个极大值所对应的频率。
所述的能精确测量超薄工件厚度方法，超声波经被测物体底面反射的一次回波用
表示，二次回波用
表示，
，
；
其中，
为被测物体的厚度，
为超声波在被测物体中的传播速度；根据傅里叶变换的线性性质，函数一次回波与二次回波的叠加信号
的傅里叶变换为
，即：
令
当
，即
时，
有最大值；
当
，即
时，
有最小值；
即干涉信号的幅度谱在频率为基频
的偶数倍时出现周期性极大值点，奇数倍时出现周期性极小值点；当超声波在被测材料中的声速
已知，根据超声波的干涉规律对回波信号进行幅度谱分析， 若
为幅度谱的极大值时，计算出被测物体的厚度为
的偶数倍；若
为幅度谱的极小值时，计算出被测物体的厚度为
的奇数倍，由此计算出被测物体的厚度。
探头1的选择上若采用接触工件的方式测厚始波和界面波重合，同时由于测量薄工件的超声反射回波也淹没在始波中，因此需要将始波与界面波分离开，可选用水浸探头实现信号延迟，或选用直探头前加有机玻璃块将界面波延迟；由于探头的频率特性，不同频率的探头有不同的工作频带，通过对上述测厚方法的分析可知，被测物体的厚度越薄，其峰值频率越高，因此要选用频率高的探头，根据被测物体的厚度范围来选择合适的探头频率。
本实用新型可以对应设计软件功能：具体可以包括超声仪器的控制、信号的采集和处理以及厚度的计算。本实用新型的测厚流程图如图4所示，厚度信息提取子程序的流程图如图2所示。本实用新型的测厚方法首先要对与被测材料同种材质的标准试块的厚度进行测量，并得出线性拟合曲线，然后通过信号处理的方法测量出被测材料的厚度值，根据标定的拟合曲线得出被测材料的厚度校正值。
本实用新型在适合于测量普通工件厚度的同时黑可以测量超薄大曲率工件厚度。其性能稳定，能满足实际应用中测量精确度的要求。本实用新型所述装置在检测时可实时采集超声回波信号，实时进行快速傅里叶变换，实时计算和存储管壁厚度，可以实现机械化自动测量。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：
图1为 本实用新型所述的超声波测厚仪的示意框图 ；
图2为 DSP信号处理软件系统的示意框图；
图3为 5M探头频谱图；
图4为 软件流程图。
具体实施方式
实施例1
一种工件厚度测量装置，所述工件厚度测量装置由探头1和主机两部分组成，主机部分包括：DSP控制模块2、超声波发射电路3、超声波信号接收电路3，信号放大电路4、闸门电路5、通讯接口6，液晶显示器7和键盘8；其中：
下述几部分顺序串接构成封闭的循环：DSP控制模块2、超声波发射电路3、探头1超声波信号接收电路3，信号放大电路4、闸门电路5、DSP控制模块2；液晶显示器7和键盘8都分别与DSP控制模块2连接。
所述工件厚度测量装置中还设置有通讯接口9，其与DSP控制模块2连接。
本实施例基于下述能精确测量超薄工件厚度方法使用：
采用信号处理的方法来提取表征工件厚度的超声波信息，既适合于测量超薄大曲率工件厚度也适合于测量普通工件厚度的超声测厚技术，它的核心是对接收到的回波信号进行快速傅里叶变换（FFT）从而获得测量结果；超声脉冲有一定的频谱范围，见图3，当被测物体较薄时，相邻的回波重叠在一起，必然产生干涉现象，某些频率的超声波振动相互加强，而另一些频率的超声波振动相互减弱或完全抵消；通过快速傅里叶变换将接收到的时域信号转换为频域信号，也叫做频谱曲线，此时频域信号就会显示出周期性的峰值和谷值；在频率为基频
的奇数倍时出现周期性极小值，偶数倍时出现周期性极大值，其中
为被测物体的厚度，
为超声波在被测物体中的传播速度，因此测出频域信号达到极大值的频率
可以计算出被测物体的厚度
，
式中，
是频谱曲线上第个极大值所对应的频率。
所述的能精确测量超薄工件厚度方法，超声波经被测物体底面反射的一次回波用
表示，二次回波用
表示，
，
；
其中，
为被测物体的厚度，
为超声波在被测物体中的传播速度；根据傅里叶变换的线性性质，函数一次回波与二次回波的叠加信号
的傅里叶变换为
，即：
令
当
，即
时， 有最大值；
当
，即
时，
有最小值；
即干涉信号的幅度谱在频率为基频
的偶数倍时出现周期性极大值点，奇数倍时出现周期性极小值点；当超声波在被测材料中的声速
已知，根据超声波的干涉规律对回波信号进行幅度谱分析， 若
为幅度谱的极大值时，计算出被测物体的厚度为的偶数倍；若
为幅度谱的极小值时，计算出被测物体的厚度为
的奇数倍，由此计算出被测物体的厚度。
探头1的选择上若采用接触工件的方式测厚始波和界面波重合，同时由于测量薄工件的超声反射回波也淹没在始波中，因此需要将始波与界面波分离开，可选用水浸探头实现信号延迟，或选用直探头前加有机玻璃块将界面波延迟；由于探头的频率特性，不同频率的探头有不同的工作频带，通过对上述测厚方法的分析可知，被测物体的厚度越薄，其峰值频率
越高，因此要选用频率高的探头，根据被测物体的厚度范围来选择合适的探头频率。
本实施例可以对应设计软件功能：具体可以包括超声仪器的控制、信号的采集和处理以及厚度的计算。本实施例的测厚流程图如图4所示，厚度信息提取子程序的流程图如图2所示。本实施例的测厚方法首先要对与被测材料同种材质的标准试块的厚度进行测量，并得出线性拟合曲线，然后通过信号处理的方法测量出被测材料的厚度值，根据标定的拟合曲线得出被测材料的厚度校正值。
本实施例在适合于测量普通工件厚度的同时黑可以测量超薄大曲率工件厚度。其性能稳定，能满足实际应用中测量精确度的要求。本实施例所述装置在检测时可实时采集超声回波信号，实时进行快速傅里叶变换，实时计算和存储管壁厚度，可以实现机械化自动测量。
Claims (2)
1.一种工件厚度测量装置，其特征在于：所述工件厚度测量装置由探头（1）和主机两部分组成，主机部分包括：DSP控制模块（2）、超声波发射电路（3）、超声波信号接收电路（3），信号放大电路（4）、闸门电路（5）、通讯接口（6），液晶显示器（7）和键盘（8）；其中：
下述几部分顺序串接构成封闭的循环：DSP控制模块（2）、超声波发射电路（3）、探头（1）超声波信号接收电路（3），信号放大电路（4）、闸门电路（5）、DSP控制模块（2）；
液晶显示器（7）和键盘（8）都分别与DSP控制模块（2）连接。
2.按照权利要求1所述工件厚度测量装置，其特征在于：工件厚度测量装置中还设置有通讯接口（9），其与DSP控制模块（2）连接。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN103075981A (zh) * | 2012-12-31 | 2013-05-01 | 汕头市超声仪器研究所有限公司 | 一种超声波测厚方法 |
| CN103486987A (zh) * | 2013-10-14 | 2014-01-01 | 上海电力学院 | 一种利用曲线拟合提高超声测厚精度的方法 |
| CN109781041A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-05-21 | 华中科技大学 | 一种基于频域分析的电磁超声测厚方法 |
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2011
- 2011-10-24 CN CN2011204071578U patent/CN202304777U/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN103075981B (zh) * | 2012-12-31 | 2016-01-20 | 汕头市超声仪器研究所有限公司 | 一种超声波测厚方法 |
| CN103486987A (zh) * | 2013-10-14 | 2014-01-01 | 上海电力学院 | 一种利用曲线拟合提高超声测厚精度的方法 |
| CN103486987B (zh) * | 2013-10-14 | 2016-03-30 | 上海电力学院 | 一种利用曲线拟合提高超声测厚精度的方法 |
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