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多通道连续起声波梭测回波信号的处理 摘要 工业上许多结构和部件的厚度在非破坏的情况下精确测量是极为 重要的问题。目前，国内超声波测量管线厚度设备的测量方法以选取 某一个点进行厚度测量为主。这种设备缺乏对整个管线连续测量的能 力，落后于国外的产品。本课题利用管外检测的方法，使用超声波脉 冲测厚的原理，可以实现八通道连续管材厚度测量。 本文分为两个部分，第一部分主要讨论了八通道管材壁厚连续测量 系统电路。在电路的调试过程中发现了一些问题。针对这些问题，在 论文的第二部分采用了分区并行检测的解决方法。此外，根据国外的 无损检测技术发展方向。文章对改进的系统提出了新的要求，不仅仅 是厚度测量，还要具有管材检测分类的作用。 根据改进的方案，系统会产生大量的数据。为了减少数据量，文章 探讨了数据特征提取方法，不仅可以有效的减少数据量，而且可以提 取数据的主要特征，为课题的下一步展开做了铺垫工作。在特征提取 算法中，主要讨论了a p e x 算法在超声波检测回波信号特征提取中的 应用。 关键字：多通道连续检测特征提取a p e x t h e p r o c e s s i n go f m u l t i - c h a n n e lc o n s e c u t i v eu l t r a s o n i c d e t e c t i n gs i g n a l a b s t r a c t i ti si m p o n 姐tt om e a s u r em em i c l 【t l e s so fm a i e r i a lp r e c i s e i y 、 ，i m o u td e s n d y 血g m e m a t e r i a l 抽i n d u s t n d wm o s tu l t r a s o n i ce q u j p m e n 亡so fm c a s u r i n ga r et a 】( i n g t h em e t h o d o f j u s tm e a s u r i n g ap o i n t t h e s ee q u i p m e n t sc a n tm e a s u r et h e p i p ec o n s e c u t i v e l y ，w h i c ha r eo l d e rt h a nt h ef o r e i g n i nt h i sa r t i c l e ，t h e p i p e sw e r em e a s u r e db yu n r a s o n i ci m p u l s eo u ti t ，a n dc o u l db em e a s u r e d c o n s e c u t i v e l yb y8c h a n n e l sa tt h es a m et i m e i th a st w op a r t s ，o n ei sa b o u tt h es y s t e mo f8c h a n n e l sc o n s e c u t i v e u l t r a s o n i cd e t e c t i n g ，t h eo t h e ri st h e a m e l i o r a t i o n d u r i n gt h ed e b u g g i n g o ft h ec i r c u i t ，s o m el i m “a t i o n sw e r ef o u n d i nt h es e c o n dd a r ta n o t h e r m e t h o do fs u b a r e ad e t e c t i n gw a su s e dt om e n dt h eh m i t a t i o n s t h en e w m e t h o dn o to n l yc o u l dm e a s u r et h et h i c k n e s sb u ta l s oc o u l dd e t e c tt h e f a u l t s ， i tc o u l dc r e a t e m a n yd a t au s i n gt h en e wm e t h o d ，s ot h ee x t r a c t i o n t e c h n o l o g yw a su s e di nt h es e c o n dp a r t t h ee x t r a c t i o nm e t h o dn o to n l y c o u l de x t r a c tt h ed a t ab u tt of i n dt h ep a t t e r nofd a t a a n di tw a su s e f h lt o t h en e x ti nt h ee x t r a c t i o nm e t h o d s t h ea p e xw a ss t u d i e di nt h e u l t r a s o n i cd e t e c t i n gs i g n a l k e y w o r d ：m u l t i c h a n n e l c o n s e c u t i v e d e t e c t i n g e x t r a c t i o na p e x 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：貌盟台蝴勿糊纺糍f 缟工_ 委员： 汤狁乱 湖乡 导煨彬计、之 侍次钳敞 乞，天刮务孜 炙。， 席乙羁掀敞，蹯 图2l 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 一g 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 一1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 一1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图3 2 7 图3 2 8 图3 2 9 图3 3 0 图3 3 1 图3 3 2 图3 3 3 图表清单 纵波的传播过程一 声波在平面界面上垂直入射时的反射和透射情况 压电效应 超声波脉冲反射情况一 高能超声探头的结构和参数一 八通道超声波测厚系统探头分布示意图 水耦合示意图 超声波测厚系统电路框图 2 0 m h z 数字脉冲形成电路一 7 4 【。s 3 9 3 的引脚图 7 4 l s 3 9 ：3 中每个计数器的逻辑图 7 4 l s 3 9 3 连接图 4 0 1 3 管脚图以及真值表 d 触发器分频连接方式 4 0 1 3 连接图 7 4 l s 2 l 的连接图以及各点波形 4 0 l j 连接图以及真值表 4 o l j 中每个寄存器的工作原理 4 0 1 j 连接图以及各点波形 7 4 【，s 1 2 3 各个引脚以及其功能表 输出脉冲宽度控制示意图 定时元件连接法 7 4 l s l 2 3 产生窄脉冲的连接方法 超声波探头激励脉冲产生电路 回波信号放大电路 5 5 3 9 管脚分布 探头回波脉冲 干扰信号切割电路 7 4 l s 7 6 的结构图以及功能表 7 4 l s 2 7 的结构图和功能表 壁厚脉冲形成电路 水程宽度脉冲产生 选择回波次数 水程加壁厚脉冲的形成 壁厚脉冲的形成 4 0 7 8 管脚分布 充放电电路 各个通道壁厚信号混合之后的波形 从脉冲宽度到电压幅值转换示意图 l m l 2 4 的连接图 j 0 一j m mnh”墙体加加甜班控尥弱m巧弘拍”勰凹如”弛弘弘弭弘拍弘弘 正峰值检波电路原理图 峰值检波电路 数据采集卡输入数据 电容放电电路经反相、锚位后工作曲线 壁厚选择示意图 系统改进示意图 改进后的系统工作方式 管材不同状态下的回波信号 o j a 神经网络模型 基于s a n g e r 算法的主分量分析网络 自适应主分量分析网络模型 管材壁厚正常超声波回波信号 管材壁厚过厚超声波回波信号 管材含缺陷超声波回波信号 输入数据的3 个主分量分布图 特征空间的泛化能力 重构输入数据与原始输入数据比较 国内外无损检测文献分类比例 7 4 l s ： 9 3 中每个计数器的功能表 弘鲳诣乱铊一钙钳钞”观弱一舛弱弱：m 弘孙l 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ， 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 争5 5 l 3 图图图图图图图图图图图图图图图图图表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了| 殳- 扣特别加以标志和致谢的地冉外。论文中不包禽其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得宣目巴王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字溺谚字嗍姆弓月户 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目墨至些厶堂有关保留、使j ；1 ；】学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部fj 或机构送变论立的复印作和磁盘允许论文被查阅或借阅。本人授权金 壁工堑盍堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编八有关数据库进行检杂，可以采用影 印、缩印或扫描笛复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文往解密后适 ：| j 本授权书) 学位论文作者签名：栅 辩日期瀚& 月摹 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 翩虢坷升、 签字日期：硝年4 月2 日 电话：口移f 2 f 。f 多9 f 一孑1 7 ，7 赚巧伊百 致谢 时光转瞬即逝，我的研究生生涯即将结束。回顾这段时间， 无硷是做研究还是做人，都是受益非浅。这一切都是在老师 的教诲和同学们的帮助下取得的，在这里我向他们致以深深 的谓十意。 首先，我要感谢我的导师何辅云教授。在这段时间中，何 老师作为个出色的科研人员和优秀的教师，给了我莫大的 帮助和教诲。在科研上，何老师严禁的科研态度、出众的科 研水平使我在学习的每一个过程中都获益颇多；在生活上， 何老师给了我无微不至的关怀使我能够以良好的心情进行 学习。在此，我向何老师表示我最真挚的感谢! 所有这一切 我都将铭记在心。 其次我要感谢我的这些同学在学习中给予我的帮助。首先 是和我一届的朱绢花、胡笑斌，在学习的过程中，对我的帮 助和协作。其次要感谢沈兆鑫、张艳、徐海和刘军师弟师妹 们在我写论文期间给予的帮助。还有2 0 0 4 级的师弟们，感谢 你们对我的帮助! 感谢所有指导过我帮助过我的老师和同学 最后我要特别感谢我的母亲，母亲一个人支撑起了全家的 重任，默默的支持我、激励我进取，我的一切都是我的母亲 给予的。 作者：苏占强 2 0 0 5 年3 月 第一章序言 1 1 引言 工业上许多结构和部件的厚度在非破坏的情况下精确测量是极为重要的 问题。例如：船舶壳体、各种高温高压容器以及原子能工业中的不锈钢管道等 部件，在使用的过程中由于经受腐蚀会使壁厚发生变化，必须定期进行检验以 防止发生事故。又如螺旋桨推进器叶片、导波管、航空及宇航器材等部件的精 度要求很高，在做成品质量检定时也要作厚度方面的检验。 在石油管道使用过程中，由于石油的腐蚀，管道有些地方容易变薄。一 旦发生事故，后果不堪设想。而且输油管线泄漏事故不仅给企业造成经济上的 损失，也给生态环境造成毁灭性的灾难。因此，石油管线需要定期检测。另外， 根据目前美国石油协会a p i 的最新标准( a p is p e c 5 c t ) ，石油管道在投入使 用之前要进行全长厚度测量，以避免事故的发生。 夏天，常常有啤酒瓶爆炸伤人的报道，玻璃酒瓶爆炸的一个原因是在玻 璃酒瓶的生产过程中，由于工艺的原因，易造成壁厚不均匀，当瓶内的压力增 加时，壁薄的地方就容易爆炸。为了减少玻璃酒瓶爆炸伤人的危险，在酒瓶出 厂前也要进行厚度的测量。 目前，国内超声波测量管线厚度设备的测量方法以选取某一个点进行厚度 测量为主。这种设各缺乏对整个管线连续测量的能力，落后于国外的产品。日 本的n k k 公司制作的输油管超声波检测仪，采用从管内测量石油管线厚度的方 法，来判断管线是否有腐蚀情况。其设备可以l o o 的覆盖整个管线，并且可 以高速、连续测量，运行速度可以达到每秒2 米。这超声波检测仪通过管内的 流体提供动力，已经成功的对阿拉斯加北坡到阿拉斯加南坡靠近瓦尔德兹海终 端站的整个横跨阿拉斯加的输油管线成功检测。 本课题利用管外检测的方法，使用超声波脉冲测厚的原理，用以实现八 通道连续管材厚度测量。在课题的研究过程中，发现目前方法的一些不足之处， 针对这些缺陷进而提出了改进的方法。改进的方法能在对管材壁厚进行连续测 量的基础上加快测量速度；能够对管材壁厚的测量实现1 0 0 的覆盖：并增加 了对管材缺陷的检测能力。 1 2 超声波检测技术 无损检测技术( n o nd e s t r u c t i v et e s t i n g 简称n d t ) ，又称为非破坏性检 测技术，是第二次世界大战后迅速发展起来的一门新兴的工程科学旧。5 1 。它是 利用物质中因有缺陷或组织结构上存在的差异，而使其某些物理性质发生变化 的现象，以不使被检查物使用性能及形态受到损伤为前提，通过一定的检测手 段来测量、显示和评估这些变化，从而了解和评价材料、产品、设备构件直至 生物等的性质、状态或内部结构等等。它最突出的特点是“无损伤”。 无损检测方法虽然很多，适用于各种不同场合，但是最常用的还是射线检 测、超声检测、电磁检测、渗透检测等常规方法。其它无损检测方法用得比较 多的有声发射检测、红外检测和激光全息照相检测。目前9 5 以上的无损检测 工作是采用上述几种方法。 目前国外工业发达国家的无损检测技术已经逐步从n d i ( n o n d e s t r u c t i v e i n s p e c t i o n ) 并口n d t ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 向n d e ( n o n d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o n ) 过渡，即用无损评价来代替无损探伤和无损检测。这种发展很容 易理解，因为无损评价已经包含了无损探伤和无损检测的内容，而且其含义还 不止于此。它比无损探伤和无损检测更积极和更综合。它要求无损检测工作者 有更广泛的知识面、更深厚的基础和更高的综合分析能力。 无损检钡4 技术的另一个发展是从n d e 向a n d e 和q n d e 发展，也就是说，从 一般无损评价向自动无损评价和定量无损评价发展。逐步减少人为因素的影 响，改用计算机技术来分析数据，以提高检测的可靠性。 从国内外近年来出版的文献资料中也可以看到无损检测技术的资料发表情 况。今年来，国内外每年大约有3 0 0 0 篇关于无损检测技术的文献，按不同的 检测方法分类，大致比例如表卜1 ： 表卜1国内外无损检测文献分类比例 检测方法百分比( ) 超声检测4 3 4 8 射线检测1 2 1 4 涡流检测9 1 0 渗透检测 6 7 其他方法2 0 2 3 其他内容2 0 2 3 其中有关超声波检测的文献最多，这也说明作为无损检测手段，超声波检 测技术研究的最多。 超声波检测就是利用超声波来对材料和工件进行检验和测量”1 1 。在检验 方面，典型的应用是超声探伤以及材料和工件的物理性能与力学性能检验。在 测量方面，介质的许多非声学特性和某些状态参量，例如液位、流量等都可用 超声波方法来测定。 超声检验与超声测量的关系非常密切，例如超声测量液位和超声探伤只是 检测目的和对象不同，从技术原理上说几乎完全相同。 1 3 本文内容安排 本课题来源于企业委托项目，课题主要分为两个部分：在课题的第一部分， 讨论了超声波连续测量管材厚度的问题。在厚度测量这个课题的研究过程中， 发现了一些现有技术的局限性。针对这些局限性，在课题的第二部分，对问题 的解决方法作了初步探索。为了适应无损检测的发展趋势，实现检测过程的自 动化、缺陷识别的智能化，本文还讨论了数据特征的提取方法，为缺陷信号的 识别做一些前期工作。 第二章超声波测厚原理 2 1 超声波测量基本原理 一、超声波基本概念”1 超声波测量是一种利用超声波在介质中传播的性质来计算工件和材料厚 度的测量方法，因此必须了解超声波的基本性质。 超声波是一种看不见、听不到的弹性波，在自然界和日常生活中普遍存在， 目前已被广泛应用于科学、工程和医学中许多领域。人耳能听到的声音频率为 1 6 h z 2 0 k h z ，而超声装置所发出和接收的频率要比2 0 k h z 高得多，一般为 0 5 m h z 2 5 m h z ，常用频率范围为o 5 m h z 1 0 m h z 。 对于材料测量来说，超声波具有下列特性： 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。 超声波是一种机械振动所产生的波。物体在一定位置附近作来回往复运动 称为振动，振动是波动的产生根源，波动是振动的传播过程。所以超声波的产 生必须依赖于做高频机械振动的声源和弹性介质的传播。超声波的传播过程包 括振动状态和能量的传播。对超声波测量来说，一般用低能量的超声波技术。 一般产生声波的扰动是发生在一段连续的频率范围内的，称之为频带，频 带的宽度有赖于声源的性质及其固定方式。对于连续震动而言，带宽一般很窄 而且是集中在一些离散的频率点附近的，这些离散的频率之间具有简单的数学 关系，最低的那个频率点称为基频，其他的点称之谓谐频或泛频。第二个谐频 的频率值是基频点频率值的二倍。对冲击激励而言，其震动频率的频带是连续 的，而且可能很宽。 对大多数超声波应用的场合来讲，声源的主要成分是一个单频的平面简谐 振动，超声波的振幅很小，而且振动频率很高。如果我们每隔一定时间测量一 次声源离开其平衡位置的位移，则可以得到成正弦变化的位移变化曲线： y = 驯n 夸s i 她) ( 2 - 1 ) 式2 1 中r 为超声波振荡幅值，r 为振荡周期，厂为振荡频率。 声源将振动能量传递给与它相接触的物质时，是先将振动能量传递给与声 源相接触的那部分粒子，之后能量才逐步传入物质内部的，其过程如下所述。 图2 1 ( a ) 所示为两块相互平行放置的平板，中间由导波介质隔开。左边 的这块平板作为声源，做简谐振动，右边的那块平板作为接收板。中间的导波 介质想象可以分作许多厚度均匀的、平行于平板的介质层，并用字母标为a ， 4 b ，c ，x ，y ，及z 层。当声源振动发生位移时，假如其相位是使声源 向右移动一定的距离，则a 层介质首先被向右推动并产生一个与声源同样大 小的位移，然后b 层介质又被推动，声源的位移就这样由一层介质传给与其 相邻的下一层介质，直到z 层，最后由接收板感受到这一位移。随着声源振 动相位的变化，位移的量值亦呈现交替的正负值变化。各层介质及接收板也将 经历同样的过程，如图2 1 ( b ) 所示。 由于能量从某一层传至与其相邻的下一层需要一段很短的时间，这就使得 每层介质的震动相位与同其相邻那层介质的震动相位间存在一个微小的相位 差。声波由声源传至接收板也就需要一定的时间。在一定的物理条件下( 比如 恒温) 、在特定的物质中，声波的传递速度e 是个常数。该常数有物质的弹性 e 模量和密度p 决定，c = ，7 芒。 声传播方向 abcd e fg h i j k lmn0 pqr st uv w x yz 接收板 ( a )导波介质假设为若干层 声传播方向 羔_膨胀压缩 abcde fghi jklm n0pqr stuvwx yz 接收板 ( b ) 导波介质中有纵波传播时的压缩、膨胀 图2 1纵波的传播过程 图2 1 描述了纵波的传播过程，之所以称其为纵波，是因为导波物质中粒 子的振动方向与声波的传播方向相同。在超声学的研究中，一般将相应的纵波 称之为压缩波，这是因为如果把导波物质分层考虑，则每层将交替的受到由于 波动所导致的压力或拉力的作用。 另一种传播方式的声波称为横波。在传播横波时，导波物质中粒子的振动 方向与声波的传播方向相互垂直。这时，各层介质将受到交变的切向应力的作 用，通常用切变波来描述横波。切变波只能经过固体来传播，因为液体与气体 中一般不存在切应力。 图图豳豳 以上我们讲得是平面波，平面波是由一个振动的平面作为声源所发出的， 其波阵面亦为一个平行于声波表面的平面。当声源的尺寸与波长相比较小时， 就认为声波是沿空间各个方向传播的，这时其波阵面是一簇球面，声源则是这 簇球面的公共球心，也就是说此时产生的是球面波。对球面波来讲，当观察点 离开声源较远时，观察点处波阵面的曲率已经很小了，小到足以将其当作平面 波看待，值得注意的是大多数低强度超声应用的场合都要用到平面波。 二、超声波在界面上的反射 当一束平面波碰到两种物 质的交界平面时，一部分声波 能透过平面继续向前传播，剩 下的那部分声波能被反射回去 ( 见图2 2 ) 。反射部分的声强 和透射部分的声强的相对大小 由反射系数和透射系数决定。 当透射系数几乎为1 而反射系 数几乎为o 时，我们认定这两 种物质在传导声波是耦合的很 好的：反之则为耦台的很差。 介质a介质b 入射波透射波 攀两 形钐黝 r 钐钐移钐钐钐杉髟黝 反射波 界面 图2 2 声波在平面界面上垂直入射时的反 射和透射情况 比如固体或液体在与气体接触的情况下，透射系数近乎为0 而反射系数近似为 1 ；当两种物质均为固体时，除非两种固体的接触面均打磨得很平滑，可达光 学精度，否则二者之间将只有很少的一部分相互接触，相当于中间夹着一层气 体层，透射系数几乎为0 。因此，在固体之间发射或接收声波时，采用耦合液 是非常重要的。 2 2 超声波换能器 超声波的发射和接收是通过换能器来完成的，换能器就是那种可以把一种 形式的能量转换为另一种形式的能量的器件。我们所涉及的换能器是那种能将 超声能转换为电能的、机械能或其他一些形式的能量的器件。可逆换能器则是 指可以以相等的效率对两种形式的能量做相互转换的那种换能器。 换能器的种类有： l 、压电振子，它是利用压电效应而工作的，是可逆的。 2 、磁滞伸缩振子，它是利用磁滞伸缩现象而工作的，也是可逆的。 3 、机械换能器，大多数是可逆的，这类换能器主要用于大功率的应用场 合。 4 、电磁换能器，有时用于低频高强度的应用场合，通常是用在可闻频域 内的。这类换能器也是可逆的。 5 、静电换能器，用来作为低强度超声波发生器，频率上限为几百千赫， 6 这类换能器是可逆的。亦可用作高频接收器，作接收器用时，其工作 频率可高达1 0 0 m h z 。 6 、其他种类的换能器，包括热声换能器，化学声换能器及光声换能器。 在本文中，我们需要高频、高灵敏、低强度的可逆换能器，所以压电换能 器是比较合适的换能器。 压电换能器是采用那些能够呈现出压电效应的材料制成的，压电效应天然 地存在于某些具有极轴的单晶体中，诸如石英、电气石、锂、硫酸盐、硫化镉 及氧化锌等晶体。 压力电流 正压电效应 变 形 逆压电效应 图2 3 压电效应 假如我们把具有压电特性的某种晶体材料切成圆片或者方片状，使得该片 状晶体的两个相对的平面与给定的轴相互垂直，并在这两个平面上涂上金属薄 膜作为电极。若有机械压力加在涂有电极的表面上时，就会在两个电极面上分 别引起等量异号的电荷，因而二电极间会产生一个可观测到的电压，这是正向 压电效应。与涂有电极的面相垂直的那个晶轴就是相应的极轴。当在两个电极 面上施加一个电压，使之在晶体内形成一电场时，就会得到逆压电效应，此时 晶体将承受机械应变，如图2 3 所示。 正、逆压电效应均与压应力或切应力有关，但究竟与哪一个有关则要视与 电极面相垂直的极轴的选取而定。 当在晶片的两个电极上施以交变电压时，这个压电换能器将按所施加交变 电压的频率而振动，若施加电压的频率刚好是该换能器的某个共振频率，则幅 值将大大增加。振动可以是纵向的，亦可以是切向的，这有赖于晶体的特性及 切割的方法。 2 3 超声波测厚方法 超声波测厚具有相当多的优点：它的测量精度较高，例如测量几毫米以上 的厚度时，可达o 1 0 ，5 的精度：超声波测量厚度的设备操作安全，不像， 射线测厚那样需要有笨重的防护设各：此外，超声法测量简便，易于读数或进 行连续的自动检测和控制，特别是对只能单面接触的、面很大的部件以及必须 跟随生产流程高速检测和控制的场合，超声法的优点就更为突出。 由于各种待测部件的材料、几何结构以及测试条件等有所不同，所以超声 测厚的方法和设备也相应的有所不同。超声波测厚的方法主要是共振法、干涉 法、脉冲回波法等：使用的声波类型主要是纵波。 2 3 1 共振法测厚 如果用频率可以调节的超声波垂直射入被测试件内，它将在相对的自由端 面上反射。当频率调节到某一数值，以致被测试件的厚度等于超声波半波长的 整数倍时，相向传播的入射波与反射波相互迭加会形成驻波，即在被测试件的 厚度方向会引起共振。在共振时换能器一面总是形成波腹，而在试件的对面也 是一个波腹。 设试件的厚度为d ，在其中传播的超声波波长为五，则在共振时得： d ：生：2 鱼：3 鱼一：n 鱼 ( 2 2 ) 2222 式2 2 中，”为任意整数。如果已知材料的声速c ，根据c = 肛，可以算出发 生厚度共振时的超声波频率为： f ：三：竺 ( 2 3 ) 九 2 d n = l 时，= 若为厚度共振的基波频率。从上式可以看出，任何两个相邻谐 z “ 波频率之差都等于基波频率，即： z 一 一。= 硕一( n 1 ) ；= z 所以，已知厚度共振的两个相邻的谐波频率时，就可以求出厚度为： d ：j 三一 ( 2 4 ) 2 ( 一 一。) 同样，如果已知两个不相邻的谐波频率，埘和 ，则，卅一厶= 一h ) ，由 此也可以求出厚度为： d ：塑二! 丝( 2 5 ) 2 ( ，m 一厶) 由上可知，只要读出共振时的频率数值，就可以求出厚度。 在实际应用中，常采用频率调制电路来自动改变频率，并用高灵敏的、能 够自动指示频率或试件厚度的指示器。带有自动调频的测厚设备具有较高的精 度，通常可达o 1 1 ，其测厚范围一般为1 l o o 毫米，可测的最薄厚度 可达0 ，l 毫米。这种方法的精度与频率测量的精度有密切关系。由于窄频带可 以有较好的选择性和精度，因此调频范围要尽可能的窄，或者划分若干个频带。 共振指示也要非常尖锐，所以换能器的压电晶片适宜在本征共振频率附近工 作，在不同的频带内用不同的压电晶片。 对于一定的被测材料来说，共振法厚度测量范围不但与工作频率范围有 关，而且与采用基波共振或谐波共振的方式等因素有关。如果只用基波共振的 方式，厚度测量范围和频率变化范围的相对宽度相同。如果采用谐波共振方式 时，测厚范围可扩大几倍甚至几十倍，但实际上很少使用高次谐波共振。 共振法测量薄层厚度时精度一般不高，其主要原因是试件厚度不够均匀。 例如在探头的接触面范围内，尽管试件与探头接触的表面是平滑的，但如果内 表面凹凸不平或者试件厚度不等，共振就会减弱。 2 _ 3 2 干涉法测厚 当超声波垂直投射到试件上时，一部分在上表面反射，一部分透射入试件 后在下表面反射，如果试件厚度是超声波半波长的整数倍，那么试件上下两个 表面反射的信号就有1 8 0 。的相位差，因此会相互干涉而抵消。这时接收到的反 射信号中会出现强度显著降低的“零”点，测出“零”点时的频率就可以确定 试件的厚度。 要指出的是，干涉法测厚和共振法测厚是相互密切联系的，在反射信号中 出现“零”点时的频率就是试件共振的频率。它们的主要区别在：共振法的换 能器直接与试件接触，直接耦合，发射波与试件底部反射的波迭加在一起，根 据换能器阻抗变化而引起的输出变化的情况，来判断试件是否共振：而干涉法 中，换能器和试件可以相互独立，并把试件表面上反射的信号从发射信号中分 离出来，直接根据它的振幅变化情况，来判断是否共振。 干涉法测厚时，可以使用连续的超声波，也可以使用脉冲波。使用连续波 时，发射与接收换能器必须分开。使用脉冲波时，发射换能器也可以兼作接收 换能器使用。 一、连续波干涉测厚 连续干涉测厚的原理与共振法类似，这里不再累述。 连续干涉测厚时，由于耦合剂的存在，当试件厚度不均匀或者试件表面不 够平滑时，可以调节耦合剂的厚度从而增强测量精度。用这种方法测量厚度， 精度可以达到6 微米。但这种方法需要手工精确调节，不能满足快速自动测 厚的要求，而只适合于少量试件的精确测量。 二、脉冲干涉测厚 脉冲干涉法测厚保留了连续测厚的原理，同时也具有脉冲技术的一些特 点，在薄板连续测厚或自动控制方面有较大的优势。 用方波脉冲调制可变频振荡器输出的高频超声波时，可以获得超声波载波 脉冲序列，相继的各个脉冲内所含载波的频率是逐步变化的，但每个脉冲内的 载波频率可以认为基本不变。如果脉冲足够宽，即一个脉冲内可以包含载波的 很多个周期，那么它的性质与连续波是相近的。可见，这种载波脉冲从整体上 来看是一系列的脉冲，而从单个脉冲来看，又可以当作是连续波，因此它兼有 脉冲和连续波两个方面的特点。 其工作原理为：受方波调制的扫频振荡器输出载波脉冲序列，其载波频率 从所需范围的低端开始，每隔一个相继的脉冲增加一个不大的数值。从管壁表 9 面反射回来的信号，用同一换能器在发射脉冲的间隙里接收。当载波频率越接 近壁厚共振频率时，反射脉冲信号的振幅越低。当出现“零”点时的频率就是 共振频率，从而确定厚度。 2 3 3 脉冲法测厚 用共振法和干涉法测厚都受到一些具体条件的限制。例如，为了得到可靠 的厚度共振，试件的厚度不能过大，而且需要增加探头和试件的接触面积，使 得有较多的能量能透射入试件；又如当试件表面凹凸不平或厚度变化过大时， 就会破坏试件的共振，严重影响测量精度。因此，在超声测厚技术中，上述方 法并不是普遍使用。目前，对于厚度较大的试件，应用最为广泛的是超声波脉 冲测厚法。 脉冲法测厚的基本原理为：超 声波换能器( 探头) 发出的超声波 一部分在外表面被反射回换能器， 如图2 4 中( a ) 所示；一部分如( b ) 所示，在内表面反射回换能器；还 有一些发生多次反射，如( c ) 所示。 假设超声波在外表面反射回换能 器所用的时间是 ，在内表面反射 回换能器的时间是，超声波在试 图2 4超声波脉冲反射情况 件内的传播速度是c ，那么试件的厚度，为： ，：丢呻：1 ) ：丢c ， ( 2 6 ) 由于超声波在一定条件下在某一种物体中的传播速度为常数，所以只要测量出 超声波在试件中的传播时间r 即可算出试件的厚度。 从上述脉冲法测厚的基本原理可以看出，脉冲法中并不涉及共振机理，因 此，凡是妨碍共振的建立，使共振法或干涉法测厚受到限制的各种因素，对脉 冲法没有影响，这是脉冲法测厚的优点。 2 4 八通道管材壁厚的连续测量系统阳。” 一、采用的探头 由于在实际的测量过程中，管 材的表面状况通常较差，特别是重 复使用的管材有锈蚀和表面麻点 现象，还有的受到油、泥等污染。 这都使得超声波信号在管材表面 受到散射衰减，以至于难以形成稳 定的厚度脉冲。所以我们采用了 1 0 图2 5 高能量超声探头的结构和参数 “高能量超声测厚探头”。图2 5 所示的探头采用专门定做的耐压1 0 0 0 k 频 率为5 m h z 的“锆钛酸铅晶片”纵波聚焦高能量探头阵列，声透镜材料采用树 脂( 声速c 严2 7 3 0 彬劬。根据水耦合( 声速c 产5 0 0 咖) 的原理，透镜焦距，与其 曲率半径，关系为：严o 4 5 ，o 当，为4 2 册时严1 8 9 删。探头接受具有冲击 特性的高能量电脉冲激励，激发其产生高能超声波脉冲，用来弥补表面散射的 能量损失。 图2 6八通道超声波测厚系统探头分布示意图 二、探头的分布 在八通道超声波测厚系统中，我们采用八个探头均匀环绕在管材周围、相 邻的两个探头相隔4 5 。的探头分布方式，如图2 6 所示。工作时八个探头依次 触发，每个探头的激发频率为7 5 h z ，同时管材在传送器的传送下均匀通过探 头的测量区域，如果管材的传送速度为每分钟1 0 米，那么同一个探头两个相 邻的测量点之间的距离为2 2 2 脚m ；整个系统相邻的两个测量点之间的距离为 o 2 7 8 m 研。 在实际应用过程中， 由于管材表面不够平滑， 无法做到探头与管材表 面的真接耦合。由前面介 绍的超声波的性质我们 可以得到，超声波由空气 到固体的透射率非常低， 所以为了保证有一定能 量的超声波透射过管材， 图2 7 水耦合示意图 在探头到管材之间就需要耦合剂。在本系统中，我们采用了喷淋水耦合的方法， 利用水作为耦合剂。图2 7 为超声波耦合示意图。在图2 7 中，超声波探头被 包围在水仓中间，水由水仓喷向管材，超声波借助水柱耦合到管材，在内外壁 上发生反射，再借助水柱耦合进探头。 从管材壁反射回的超声波脉冲经过探头接收后变成电信号，再经过电路分 析，得出壁厚信息。具体的电路分析在第三章介绍。 第三章电路分析 超声波测厚电路的组成主要由以下部分 1 、数字脉冲电路； 2 、移位电路； 3 、超声波探头激励脉冲形成电路； 4 、回波信号放大电路； 5 、干扰信号切割电路 6 、壁厚脉冲形成电路； 7 、脉冲宽度转换电路。 下面是系统电路框图： 数字脉冲发生 器( 2 0 删z ) 数据采集卡 数字分 频电路 网 刨 探头激励脉冲 形成电路 脉冲宽度转换 电路 图3 1超声波测厚系统电路框图 基h 放大电路探头l1 ”“” 壁厚脉冲形成 电路 干扰信号 切割电路 系统电路主要由脉冲发生器、分频电路、探头激励电路、回波信号放 大电路、干扰切割电路、壁厚形成电路、脉冲宽度转换电路组成。 系统由数字脉冲发生器提供2 0 z 脉冲，送给数字分频电路，经过数字 分频电路产生三部分同频率脉冲信号，一部分送移位触发电路，一部分送壁厚 脉冲形成电路，另一部分送数据采集卡：每个探头激励脉冲形成电路产生幅度 为6 4 0p ，的冲击信号用来激发探头；回波信号首先经过放大电路放大，再由一 块高速比较器剔除干扰：由逻辑电路形成壁厚脉冲：壁厚脉冲通过脉冲宽度转 换电路将壁厚信号转换为便于测量的电压幅值信号送数据采集卡。 由于是八通道的测厚系统，所以从探头激励电路、回波信号放大电路、 干扰切割电路到壁厚形成电路，共有八套一样的电路，我们只说明一套。 以下分别详细分析各组成单元电路“”。 3 1 脉冲形成电路 本单元电路由一个晶体震荡器( 2 0 m h z ) ，一块6 反相器7 4 l s 0 4 、两块独 立的四位二进制计数器7 4 l s 3 9 3 、两个双d 触发器c d 4 0 1 3 b c 构成。 3 1 12 0 m h z 数字脉冲形成电路 2 0 m h z 数字脉冲电路由2 0 m h z 的晶体振荡器和6 反相器组成。 ( a ) 图3 22 0 m h z 数字脉冲形成电路 图3 2 中( b ) 图是( a ) 图的直观图，这个电路是晶体稳频的多谐振荡器。 石英晶体的串联谐振频率是2 0 m h z ，在这个频率点的附近，晶体的电抗值迅 速增大。所以，把晶体串入两级正反馈电路的反馈支路中，则振荡器只有在这 个频率点即2 0 m h z 时满足起振条件而起振，晶体产生的振荡波形经过最后一 级反相器整形后输出为矩形脉冲。在( b ) 图中，一与j 之间的电阻、e 与面之 间的电阻、以及j 与e 之间的电容大小决定矩形脉冲的占空比。 3 1 2 数字分频电路 数字分频电路由2 块7 4 l s 3 9 3 和2 块c d 4 叭3 b c 组成。首先介绍一下 7 4 l s 3 9 3 的功能。如图3 3 所示，7 4 l s 3 9 3 有两个独立的四位二进制计数器， 每个计数器有一个清零输入端和一个时钟输入端。每个计数器都有4 个并行输 出端( 岛、鳊、q c 和如) ，不同的输出端可以得到不同的计数值，所以可以 从不同的输出端引出不同的定时信号。为了更清楚的说明7 4 l s 3 9 3 的工作原 理，图3 。4 是每个计数器的逻辑图。 1 4 o u t p u t s 2 7 。，、。一 v o c2 c l e r柏2 0 b2 0 c柏d a c l e a 一 o 1 0 b1 n c1 0 0g 帅 图3 - 37 4 l s 3 9 3 的引脚图 c l e r o u t p o o u t p u t a b o u 刖t a c o u t p u t a d 图3 47 4 l s 3 9 3 每个计数器的逻辑图 由图3 4 可以看出，每个计数器都是由4 级t 触发器构成的异步时序逻辑 电路，7 4 l s 3 9 3 中每个计数器的功能表为表3 1 ： f u n c t i o nt a b i e c o u n t e rs o q u o n ( e a c hc o u n t e r 0 u t p u 恼 c o u n t q dq c q 8q a ollll 1lllh 2llhl 3llhh 矗 lhll 5lhlh 6lhhl 7lhhh 8 h lll ghllh 1 0hlhl 1 1hlhh 1 2hhll 1 3hhlh 1 4hhhl 1 5hhhh h - h i g hl o 口i cl 9 v o i l = l o w l a g kl 0 帕i 表3 17 4 l s 3 9 3 中每个计数器的功能表 根据计数器的逻辑图，在7 4 l s 3 9 3 的a 端输入计数脉冲，计数脉冲的下 跳沿触发t 触发器，使触发器的状态发生翻转，前一级触发器的输出作为后 一级触发器的触发信号。由此可以得出各输出端的状态转移方程： 砑1 = i 五玩+ 秘l 胛山= 旧1 凹毒 鳃“= l 乏磋+ 磁i g l = l 蚕：i 线喜 鲱“= i 正群+ 弛i 如山= l 磋1 绋j ， 甜1 = i 瓦琵+ 秘j 绞山= l 兹i q c 山 由此可见，从不同的输出端( 奶、鳊、q c 或者如) 可以得到输入端( a ) 的不同的分频脉冲( 2 、4 、8 或者1 6 ) 。 分频电路前面部分是利用7 4 l s 3 9 3 的这种分频功能将输入的2 0 m h z 数字 脉冲信号经过若干次分频得到6 0 0 h z 的数字脉冲信号，其连接方式如下图： 6 0 0 h z 脉冲 图3 57 4 l s 3 9 3 连接图 由图3 5 可以看出，每片7 4 l s 3 9 3 内的两个独立的计数器，串接起来使用。 计数器1 的输出脉冲作为计数器2 的输入脉冲。第一片7 4 l s 3 9 3 的脉冲均从q 。 输出，所以每级计数器完成输入信号的1 6 分频。第一片7 4 l s 3 9 3 的第8 管脚 即2q n ，作为第二片7 4 l s 3 9 3 第一个计数器的输入信号源，第二片7 4 l s 3 9 3 的第一个计数器仍然从鳊输出信号，所以仍然是1 6 分频，第二片7 4 l s 3 9 3 的第二个计数器从g 输出，是8 分频。所以，由图3 5 可以看出，2 片7 4 l s 3 9 3 的分频效果为： 2 0 1 0 6 ( 1 6 1 6 1 6 8 ) = 6 1 0 3 5 胁 本系统为8 探头依次触发方式激励超声波探头，回波信号要经过恒流源充 放电电路，由于电子元器件制作工艺以及加工精度的原因，如果8 个通道的信 号分别经过8 个不同的恒流源充放电电路，则元器件之间细微的差别将被放 大，造成8 个通道的信号放大倍数的不同从而影响测量精度。比如：2 个同为 标识为1 卢的电容，可能一个是1 0 0 l 卢。另一个为0 9 9 l ，这个细微的差别将 直接导致系统测量基准的不同。所以为了避免这种情形出现，8 个通道的回波 信号必须通过同一个恒流源充放电电路。然而，恒流源充放电电路是通过对电 容进行充电、放电实现的，如果电路的时间常数选择的过小则影响精度，所以 要保证有一定大的时间常数。但如果时间常数过大，则充放电时间大大增加， 8 个通道的信号又易产生混叠。综合考虑以上因素，探头激励的频率不易太高。 经试验得出，8 0 h z 左右比较合适。我们选择对经过2 片7 4 l s 3 9 3 分频的信号 进一步分频的方式，采用7 5 h z 左右信号频率作为触发频率。 在电路的调试阶段，我们发现，当信号频率低于1 0 0 h z 时，7 4 l s 3 9 3 分频 达不到理想的效果。所以，在从6 0 0 h z 到7 5 h z 的分频过程中，我们采用 c d 4 0 1 3 b c 作为分频器件。下面先介绍一下c d 4 0 1 3 b c 的结构以及分频原理。 t r u l h t a b i e - c ldrsa q ( 培1 】 o 0 0 01 ，l0o1口 、x 0oo 西 x x1001 xx011o xx111i c 嘲 i = d t c n c i