一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法及装置，该方法用线性调频的方式来构造一种间歇式宽带线性调频超声波信号，根据发射和接收到的调频信号的频率参数来反演该间歇式宽带线性调频超声波信号在工件内部的传播时间，结合预置的声速求得工件厚度。所述装置包括手持式控制及显示器和阵列式超声波探头组件，所述阵列式超声波探头组件由若干能够激励宽带线性调频超声波的超声波换能器组成，其结构是其中一个超声波换能器布置在，其余超声波换能器布置在四周。本发明能够实现近场和远场的探伤，具有能耗低、体积小、精度高和抗干扰能力强的优点，能适应各种噪声环境。

主权项

一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法，其特征在于包括以下具体步骤：(1)利用线性调频的调制方式构造间歇式宽带线性调频超声波信号，具体是：发射的超声波信号的频率随着时间的变化呈线性增长,调频斜率根据超声换能器物理特性进行设置，调频信号重复发送，两段调频信号之间设置间歇时间；(2)位于阵列式超声波探头组件中央的超声换能器将这种间歇式宽带线性调频超声波信号转化成声信号发送至被探测工件内部；(3)位于阵列式超声波探头组件四周的超声波换能器接收到从被探测工件返回的声信号，并转化成电信号；(4)根据回波信号参数分析反演调频超声信号在工件中的传播时间，即是将发射信号在时间上延拓得到参考信号，将参考信号与从被测工件内部反射回来的超声波信号进行相关得到相干信号，相干信号的低频部分是一个频率稳定的单频信号，这个单频信号反应的是发射信号与接收信号在同一时刻的频率差，再利用线性调频信号频率差和时间差之间的线性关系即能求解超声信号在工件中的传播时间；(5)对超声波在被测工件内传播的路径进行接收补偿，进而求得被测工件的厚度，由超声波信号的传播时间和预置的声速，求得超声波波束在工件内部传播的实际单程距离，另外发射换能器与接收换能器之间的距离是确定值，利用勾股定理，即能求出被测工件的厚度；(6)对布置在外围的每个超声换能器接收的信号同时进行步骤(4)、(5)而得到多个工件厚度的测量值，对所有的测量值进行加权平均得到高精度的厚度测量值；所述间歇式宽带线性调频超声波信号频率与时间的关系中，超声波信号的频率在f₀～f_t范围内线性增长,斜率k为事先设定的稳定值，超声波信号频率范围是2～6M，采样频率是20M，位于阵列超声波探头中央的超声波换能器将该信号向被测工件内部发射，该信号的时域表达式为：$\left\{\begin{array}{ccc}{x}_A\left(t\right)=A\cos (2\pi f_{0}t+2\mathrm{\pi k}{t}^2)& \mathrm{nT}<t<\mathrm{nT}-t_1& (n=\mathrm{0,1,2}······)\\ 0& \mathrm{nT}-t_1<t<(n+1)T& (n=\mathrm{0,1,2}······)\end{array}\right.---\left(2\right)$在(2)式中，T为宽带线性调频信号的周期，t₁为宽带线性调频信号在每一个周期内的发射持续时间，有f_t＝f₀+kt₁，即在一个发射周期T内，t₁为发射时间，T‑t₁为间歇时间；从Cramer‑Rao Bound(CRB)估计理论来看，信号的频率的相对估计精度，与样点数的立方成正比，即：$E\left[{(\omega -\hat{\omega })}^2\right]=6/\gamma M^3---\left(3\right)$其中γ为信噪比，M为采样点数；设置间歇时间，通过将发射信号延拓可以增加相干信号的时间，实现频率参数的高精度估计，从而实现高精度的测厚；位于阵列式超声波探头四周的超声波换能器接收到从被测工件内部反射回来的超声波信号频率与时间的关系中，该信号是发射信号在时间上的延时，延时的时间为t_B,其时域表式为：$\left\{\begin{array}{ccc}{x}_B\left(t\right)=A\cos 2\pi f_0(t+t_B)+2\mathrm{\pi k}{(t+t_B)}^2& \mathrm{nT}+t_B<t<\mathrm{nT}-t_1+t_B& (n=\mathrm{0,1,2}······)\\ 0& \mathrm{nT}-t_1+t_B<t<(n+1)T+t_B& (n=\mathrm{0,1,2}······)\end{array}\right.---\left(4\right);$间歇式宽带线性调频超声波发射信号在时间上拓展后的信号作为回波信号求解参数时的参照信号,拓展的时宽为T‑t₁，即拓展的时宽用来填补发射间歇时间，拓展后的信号时域表达式为：x_A(t)＝Acos(2πf₀t+2πkt²) nT＜t＜(n+1)T (n＝0、1、2……)       (5)；将拓展后的信号与回波信号在时域进行互相关运算后的结果，互相关运算后的信号分为高频和低频两个部分，通过低通滤波器滤除高频部分后，滤波后的低频部分是一个频率稳定的单频信号，设该频率为f_AB，根据这部分信号能求解传播时间，该低频信号的时域表达式为：$\begin{array}{ccc}{x}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=A\cos (2\pi {\mathrm{kt}}_{B}t+2\pi {\mathrm{kt}}_B^2-2\pi f_0{t}_B)& \mathrm{nT}<t<\mathrm{nT}+t_B& (n=\mathrm{0,1,2}······)\end{array}---\left(6\right),$从式中得出该稳定频率f_AB＝kt_B,所以求得超声波信号在工件中往返转播的时间：t_B＝f_AB/k；所述超声波测厚方法通过如下装置实现，该装置包括手持式控制及显示器和阵列式超声波探头组件，所述手持式控制及显示器包括电源、显示器、输入控制单元、微控制器、A/D和D/A转化器及外部接口；微处理器分别与A/D和D/A转换器、输入控制单元、显示器、网络接口、打印机接口、故障诊断接口及电源连接，对输入控制单元及A/D转换器输入的数字信号进行计算，并向D/A转换器和显示器输出数字信号，且当存在外部设备与外部接口连接时，实现与外部设备的数据交换；A/D和D/A转换器与微处理器及超声波探头连接，D/A转换器将微处理器输出的数字信号转化成模拟电信号通过超声波探头接口发送到超声波换能器，A/D转换器将由超声波换能器产生并经超声波探头接口输入的模拟电信号转化成数字信号发送到微处理器，A/D和D/A转换器实现模拟与数字信号之间的转换；输入控制单元与微处理连接，将输入触发信号传化成数字信号输入微处理器，实现人机交互功能；显示器与微处理器连接，显示测厚装置的输入状态和测量结果；所述阵列式超声波探头组件由若干能够激励宽带线性调频超声波的超声波换能器组成，其结构是其中一个超声波换能器布置在中央，其余超声波换能器布置在四周，所有的超声波换能器布置在同一平面内，且布置在四周的每一个超声波换能器与布置在中央的超声波换能器距离保持一致，且布置在四周的超声波换能器在2个以上；所述外部接口包括超声波换能器接口、网络接口、打印机接口、故障诊断接口中的一种以上，其中网络接口、打印机接口和故障诊断接口直接和微处理器连接，实现测厚装置的功能拓展和故障诊断。