基于超声波的管壁厚测量系统

中北大学 2017 届毕业设计说明书基于超声波的管壁厚测量系统摘要随着近几年制造工艺的持续进步，对精细零部件的需求也在快速增长，其应用在石油探测、钢铁铸造业、医疗、运输业、航天工业、核工业、机械制造业、造船业、武器制造工业等领域不断扩大。而工业上对许多部件的厚度在非损坏情况下的准确测量是个非常重要的问题。例如:船舶的外壳、各种类型的高温高压容器和原子能产业里的管道等部件，在应用的时候由于遭受侵蚀会让壁厚产生变化，所以定期对其进行检查防止发生意外非常有必要。在石油管道使用时，由于石油的侵蚀，管道中的某些地方会变得十分薄弱，若是发生了意外，后果难以想象。本论文使用了拥有灵敏度高、识别精确等优点的超声无损检测方法,并将小波变换用于管壁厚度测量研究中，主要进行了如下任务:对超声波检测技术进行研究和探索，通过对小径管进行实验，配合脉冲反射式超声波检测原理设计分析出了测量的具体方法，并推导出了厚度计算公式。使用 Matlab7.0软件，使用功率谱分析法确定回波信号的频率分布状况，选取符合的小波函数和小波分解层数对回波信号进行多分辨率分析和小波奇异性检测，分析管壁回波的信号，分析计算出厚度。实验表明测量结果与实际相符。关键词：无损检测，超声波，测厚，小波分析中北大学 2017 届毕业设计说明书Ultrasonic - based wall thickness measurement systemAbstractWith the continuous progress of industrial manufacturing technology in recent years, the demand for fine parts parts is growing rapidly. It is used in oil exploration, iron and steel industry, medical industry, transportation industry, aerospace industry, nuclear industry, machinery manufacturing industry, shipbuilding industry, Manufacturing industry and other fields continue to expand. And the industrial accuracy of the thickness of many parts in the case of non-damage is a very important issue. For example, the ships shell, various types of high-temperature and high-pressure vessels and pipes in the atomic energy industry and other parts, in the application due to erosion will make the wall thickness changes, so regular inspection to prevent accidents is necessary. In the use of oil pipes, due to the erosion of oil, some parts of the pipeline will become very weak, if the accident occurred, the consequences can not imagine.In this paper, ultrasonic damage detection method with precise positioning and high sensitivity is adopted, and wavelet transform is used in the study of wall thickness measurement. The main tasks are as follows:The ultrasonic testing technology is researched and explored. Through the experiment of small diameter pipe and the principle of pulse reflection type ultrasonic detection, the specific method of measurement is analyzed and the formula of thickness calculation is deduced. The frequency distribution of the echo signal was determined by using the Matlab7.0 software. The multi-resolution analysis and wavelet singularity detection of the echo signal were carried out by using the wavelet function and wavelet decomposition layer. The signal is calculated to calculate the thickness. Experiments show that the measurement results are consistent with the actual.Key Words：Nondestructive testing，Ultrasonic，Measure the thickness，Wavelet transform中北大学 2017 届毕业设计说明书目 录1 绪 论 .11.1 本课题的研究背景及意义 .11.1.1 超声波检测技术的背景 .11.1.2 超声无损检测技术应用现状 .11.2 论文的主要任务 .22 超声波测厚原理及算法 .32.1 超声波测厚的原理 .32.1.1 超声波的特性 .32.1.2 超声波的反射、透射和折射特性 .32.1.3 超声场的有关参量 .42.1.4 超声波的衰减特性 .52.1.5 超声波测厚方法选择 .73.超声波测厚实验 .103.1 试件及实验设备简介 .103.1.1 实验设备介绍 .103.1.2 超声波探头的选择 .113.2 超声波测厚实验 .123.2.1 2.5M 斜探头测厚实验 .123.2.2 5M 直探头测厚实验 .133.2.3 实验结果分析 .144 小波变换原理 .164.1 小波变换简介 .164.2 小波变换的基本原理 .174.2.1 小波变换的定义 .174.2.2 连续小波变换 .174.2.3 离散小波变换 .184.2.4 多分辨率分析 .19中北大学 2017 届毕业设计说明书4.2.5 小波分解与重构 .204.2.6 小波奇异性检测原理 .214.2.7 常用的小波基函数 .224.2.8 小波变换在 Matlab 中的实现 .235 超声波测厚信号的分析与处理 .265.1 超声波测厚信号分析方案 .265.2 超声波测厚信号的功率谱分析 .265.2.1 功率谱分析原理 .265.2.2 超声波测厚信号的功率谱分析 .275.3 超声波测厚信号的小波分析 .295.3.1 选取小波函数类型 .295.3.2 小波分解层数的确定 .315.3.3 厚度的确定 .325.3.4 误差分析 .336 总结 .34参考文献 .35谢 辞 .37中北大学 2017 届毕业设计说明书第 1 页 共 37 页1 绪 论1.1 本课题的研究背景及意义1.1.1 超声波检测技术的背景近几年来由于无损检测技术的不断发展使得超声高频反射技术已经引起了各行各业的广泛关注。因为超声波能够穿透非常多的部件，所以可以运用超声波检测技术让这些部件内部构造的特征轻易呈现。超声检测技术其实就是把无形的东西转换成可以识别的图形，进而使部件内部的结构特征信息能够让人们通过图形观察出来。对于超声检测技术的研究开始于近代，最早能够追溯到上世纪 20 年代。前苏联著名科学家萨卡洛夫（S.J.Sokolov）可以称得上是超声检测技术的奠基人，正是由于他世最早做出了非常多的创新与探索，才为超声技术的发展创造了非常好的开端。之后由于混乱的社会因素，超声检测技术一直没有好的发展机会。从上世纪 60 年代末开始，计算机科学技术以及信号与信息处理技术迎来了一个飞度发展的时期，超声检测技术也进入了黄金发展期。上世纪 70 年代开始又经过无数科学家的努力又逐渐出现了很多可靠和优良的方法，特别是在医学诊断领域打开了新世界的大门开始担任重要角色，并且在工业材料检测中的应用也开始萌芽。超声波是频率 KHz 以上的声波，超声波的方向性非常好，波长 比大部分20f 声波短，且能穿透非常多的物质，且在相同均匀介质中的波速是常数。但是在不同介质间传播时分界处会造成反射。正是由于这些特性，超声波被广泛运用于厚度测量、金属损坏检测、距离测量、内腔尺寸测量，并在无损检测与评价、航空业、钢铁铸造业、造船业、运输业、医学诊断等行业发挥着极其重要的作用。超声检测不仅费用低、操作简单而且对人体无害。因而，超声检测技术在世界各国都有广泛应用并且很快发展成为了常规检测技术之一。1.1.2 超声无损检测技术应用现状由于现代工业制造的快速进步，社会越来越关注无损检测技术。无损检测技术的应用也因为层出不穷的检测技术和物理材料科学的不断发展产生了更多的可能性。无损检测可以提高生产效率，确保产品和零件在生产中的精确程度。无损检测技术对于提高经济效益也有非常重要的作用，例如，日本的汽车行业开始普遍运用无损检测后质量逐渐赶超美国；德国奔驰公司汽车的数以千计的零部件经中北大学 2017 届毕业设计说明书第 2 页 共 37 页过无损检测后，整车行车距离显著增加。正是如此，无损检测才能成为机械制造业的支柱，好不夸张的说，无损检测是现代机械制造的基石。当前世界各国全都注意到了无损检测的应用所带来的经济社会效益，特别是以工业为主的国家。虽然我们国家在无损检测方面还比较落后，但是也在拼命追赶。超声波检测的方法目前有许多，主要是通过判断不同的检测材质来选择合适的方法，主要分为穿透法、脉冲反射法和反射板法。除了上述所说的方法，还出现了很多新技术也开始被广泛使用，例如：ALOK 成像技术也叫作振幅传输时间轨迹法，颜色效应的液晶显示超声全息法等等，这些方法都可以应用在管壁厚测量中。虽然方法多种多样，但是无论哪一种方法都是对被测物体进行某种形式的信号作用，然后对回波信号进行分析处理来确定被测物体的各种信息，最重要的步骤就是采集回波信号并进行处理分析。带有被物体特征信息的返回信号波形与众多因素都有关系，最显著的就是波形的大小形状，除外还有实验硬件的影响，例如：耦合剂的性质、换能器的条件与性质、换能器的所处位置等等。所以想直接提取特征信息是十分困难的。随着科技的发展，小波变换、视频变换等技术与新概念的推广和应用，超声检测中对信号的处理也有了无限的可能。1.2 论文的主要任务研究基于超声波对于管壁厚测量的具体方法，推导出用于计算的公式。进行相关实验操作，测量管壁厚度信息，运用仿真软件对试验所的信号进行处理分析，通过推导出的公式计算厚度并与实际测量的厚度进行比较。基本要求如下：（1）研究超声波测量管壁厚度的具体措施；（2）进行具体实验，完成管壁厚信号的收集；（3）筛选研究出处理测厚信号的方法（4）使用 MATLAB，导入收集的数据后进行波形分析，根据推导出的公式和有关参数计算管壁厚度并与实际测量的厚度进行比较，进行误差分析。中北大学 2017 届毕业设计说明书第 3 页 共 37 页2 超声波测厚原理及算法2.1 超声波测厚的原理2.1.1 超声波的特性超声波是一种频率高于两万赫兹的声波，它的产生是由于机械振动。振动是指物体在某特定范围的位置附近的反复运动，振动是波动产生的源泉，波动是振动的传播过程。因而只有高频率的机械振动作为生源配合弹性介质才能产生超声波并传播出去。超声波的传播包括两个方面，一方面是能量的传播，另一方面是振动状态的传播。超声波还具有很多的特性，正是因为这些特性才使得超声波被广泛应用于无损检测等领域，具体特性如下：（1）在液体和固体介质中可以传输相当长的距离（虽然它在气体中衰减很快） ；（2）超声波能量的主要部分在传输时有明确的方向性；（3）一般，超声波在一定介质中传输时速度不变；（4）超声波传输通过不同材料界面时，可能会改变其振动模式。2.1.2 超声波的反射、透射和折射特性超声波的方向性很强，在传播的过程中碰到物体会发生折射和反射现象。恰恰是超声波的这个特性才让他广泛应用于无损检测当中。所以为了能够搞清楚超声波测量厚度的原理，首先应该掌握它的折射、反射和透射性质。（1）超声波的反射和透射特性当超声波在传输过程中垂直射入物质分界面时，会有一部分直接穿透平面继续沿原路线传播，剩下的部分则被反射回去，这就是超声波的反射和透射特性。如图 2.1 所示。图 2.1 声波在平面界面上垂直入射时