超声波传感器技术及应用

1、超声波传感器技术及应用 超声波(测厚)传感器技术及应用 超声波传感器技术及应用 一、概述 超声波是指振动频率大于20KHz以上，人 类仅靠听觉通常不能感受到的声波。 超声波具有如下特性： 超声波传感器技术及应用 1） 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中 有效传播。 2） 超声波可传递很强的能量。 3） 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4） 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强 烈的冲击和空化现象。 5） 超声波对某些生物、植物具有已知的和未知的生 理效应，对治病、美容、生产等有益。 超声波传感器技术及应用 超声检验： 超声波穿透性强的特点，被广泛用于超声 波探伤、测厚、

2、测距、遥控和超声成像技 术等。 超声波传感器技术及应用 超声波测厚是根据超声波脉冲反射原理来 进行厚度测量的，当超声波探头发射的超 声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时， 脉冲被反射回超声波探头，通过精确测量 超声波在材料中传播的时间来确定被测材 料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在 其内部传播的各种材料均可采用此原理测 量。 超声波传感器技术及应用 按此原理设计的测厚仪可对各种板材和 各种加工零件作精确测量，也可以对生产 设备中各种管道和压力容器进行监测，监 测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度。 可广泛应用于石油、化工、冶金、造船、 航空、航天等各个领域。 超声波传感器技术及应用 二、材料

3、厚度测试超声波传感器分类及 信号处理分析 (按回波信号类型) 1、 型（一次回波型）超声波厚度测试传感器 型（一次回波型）超声波传感器是根据所检测 到的金属底层（纵波）一次回波到达时刻，扣除 声波在超声波传感器中的固定时延，再根据被测 金属材料的声速及现场温度、考虑传感器结构所 确定的声波在被测金属材料中传输过程中的折射 角和反射角等因素，即可得到被测金属材料的厚 度数据。 超声波传感器技术及应用 以下是典型型超声波传感器的信号测试 波形图： 超声波传感器技术及应用 型传感器回波波形（1） 超声波传感器技术及应用 型传感器回波波形（2） 超声波传感器技术及应用 型超声波传感器存在问题： 1、终

4、点时刻的准确判定： (1)幅值判定 极限状态下存在1/4信号周期误差。例如声 波基频为5MHZ的超声波传感器, 1/4信号周 期为50ns,对声速为6000m/s左右的钢材而 言，转换成测量误差为约0.3mm左右。不 能适应精密测量的场合。 超声波传感器技术及应用 (2)相位判定 技术上实现比较复杂，效果也有待于进一 步检验。 超声波传感器技术及应用 2、在提高测量超声波往返时间的时间分辨 力方面手段单一： 时间分辨力是指检测系统能够分辨的最小 时间单位。 例如，采用高速（高频脉冲信号发生器） 计数器“记录”超声波往返时间，假定高 频脉冲频率为100MHZ，那么检测系统的时 间分辨力为10nS

5、。对声速为6000m/s左右的 钢材，转换成测量分辨率为0.06mm。 超声波传感器技术及应用 尽管对100MHZ的高速计数器计量也非易事， 但0.06mm的测量精度在一些精密测量场合 还是不能满足生产需求。 有的专家和学者提出了降（分）频测量的 思路和做法，但前提是不能扩大测量误差， 同时也应当兼顾系统成本。 超声波传感器技术及应用 3、很难处理被测金属材料防护层（油漆层、 绝缘层以及生锈表皮等）存在、以及超声 波传感器与被测金属材料表层耦合程度对 测量结果的影响。 由于（一次回波型）超声波测量材料厚度 的基本方法是做“减法”，即认为超声波 传感器与被测金属材料是“无缝接触”， 超声波传感器

6、技术及应用 通过扣除声波在超声波传感器中的固定时 延得到回波信号的行程时间获得材料厚度 信息。 综上所述（一次回波型）超声波传感器在 普通、常规测量材料厚度方面得到应用， 而在一些特殊、精密测量方面受到限制。 超声波传感器技术及应用 2、回波-回波型超声波传感器（ 型）超声波传感器 与型超声波厚度测试传感器不同， 型 超声波传感器通过检测超声波在被测金属 材料中多次反射所形成的信号测量材料厚 度。 超声波传感器技术及应用 工作原理： 作用于型超声波传感器的超声波信 号穿过防护层与并从金属材料底部反射。 反射波在部分透射、损耗的同时在金属材 料内部往复反射，每次只有一小部分回波 穿过涂层返回。两

7、个回波之间的时间即是 声波在金属中的传播时间，与金属厚度参 数相对应。 超声波传感器技术及应用 以下是典型型超声波传感器（多次回波 型）的信号波形图： 超声波传感器技术及应用 型传感器回波波形（1） 超声波传感器技术及应用 型传感器回波波形（2） 超声波传感器技术及应用 下面是典型型超声波传感器防护层穿透 性能波形图： 超声波传感器技术及应用 型超声波传感器防护层穿透性能 实测波形图（1）（无防护层） 超声波传感器技术及应用 型超声波传感器防护层穿透性能 实测波形图（2）（防护层厚度为 450m) 超声波传感器技术及应用 型超声波传感器优势： 1、由于型超声波传感器测量的是直接反 映被测金属材

8、料厚度的多回波信息，与传 感器超声波传感器与被测金属材料表面接 触层的耦合程度无关，也不受防护层影响 （在一定范围内）使得型超声波传感器 测量金属材料厚度的应用场合明显扩大。 超声波传感器技术及应用 2、 型超声波传感器接收的双回波（回波 -回波）信号，可以通过信号复原技术对信 号进行复原，然后采用样条插值等数据处 理技术精确测量双回波时延数据，从而不 仅避免了型超声波传感器靠提高计数器 频率或采样率精确测量回波延时的问题， 同时也避免了回波终点时刻的判定问题。 前着不仅提高了测量精度，同时也降低了 系统成本。 超声波传感器技术及应用 在设计超声检测系统的信号处理系统时， 应当通过优化A/D转

9、换器的转化速度来优化 系统的数据处理量,从而在提高系统的时间 分辨力的同时尽可能提高系统的数据处理 速度。 信号复原的具体方案有SINC函数法、倍频 抽样法和抽样点位置调整法等。 SINC函数 法属于无偏差的信号复原方案，是较理想 的选择方案之一。 超声波传感器技术及应用 3、型超声波传感器应用的关键技术： （1）设计与制造具备令人满意的信噪比及 灵敏度指标的超声波传感器。 （2）由于型超声波传感器的回波信号中 包含较复杂的噪声信号，信号处理（如滤 波器性能、插值算法等）的效果将直接影 响测试精度。 （3）如果传感器设计不当，在个别测量区 域存在信号回波特性指标下降等问题。 超声波传感器技术及

10、应用 下图为型超声波传感器信号处理系统参 考方案： 超声波传感器技术及应用 系统组成示意图 超声波传感器技术及应用 sin( ) t ( )sin()( )S tAtN t ( )(sin( )S tTtsin()( )AtN t 超声波回波信号处理方案超声波回波信号处理方案 信号分析：信号分析： 假设超声波发生器产生声波信号是一正弦波 此信号通过被测物被超声波传感器转换为电信号： 即 = 超声波传感器技术及应用 1 ()St sin()At ( )Nt T为声波信号通过被测物被超声波传感器转换为电信号 的数学变换，且 即T使信号的频率改变很小。 对采集的回波信号进行分析,回波信号 属于正弦波

11、 和一个白噪声 的叠加即: 超声波传感器技术及应用 ( )S dt ( )( ( )sin()Sd tBP S tAt ( )S dt 其频谱表现为,频率分布很广， 能量有用信号 可以设计一个窄带带通滤波器BP 使得 从而分离出有用信号 超声波传感器技术及应用 算法设计算法设计1 采用带通数字滤波技术，按1/2周期对 信号进行分割归一化信号处理， 运用LM+RANSA算法和模型 对离散信号进行拟合或加权最小二乘法 拟合。 超声波传感器技术及应用 算法设计算法设计2 采用带通数字滤波技术， 按1/2周期对信号进行分割， 3次b样条对离散信号进行插值。 超声波传感器技术及应用 3、型超声波传感器（

12、频移式） 通过回波频率偏移效应反映被测金属材料 厚度的超声波传感器 以下是型超声波厚度测试传感器（频移 式）的信号测试波形图： 超声波传感器技术及应用 从型超声波厚度测试传感器（频移式） 的信号波形图可以看出，信号基本上具有 “准正弦波”的特征，除一些高频杂波干 扰信号以外，正弦信号的基本特征比较清 晰。 超声波传感器技术及应用 型超声波传感器（频移式）的优势： 频率测量是电子学的基本测量，无论在理 论研究和工程实现方面都比较成熟。尤其 在一些特殊测量场合优势明显。因此，与 、 型超声波传感器相比，型超声波 传感器无论在特种测量、信号处理，降低 系统成本等方面将更有发展前景。 超声波传感器技术

13、及应用 型超声波传感器（频移式）存在的问题： 测量范围较小； 信噪比、灵敏度以及防护层穿透性等指标 目前不如型超声波传感器。 超声波传感器技术及应用 3、当前市场典型产品分析 （1）国产典型产品分析 TT900超声波测厚仪超声波测厚仪 价格： 18320.00元 运费： 8.00元(平邮)15.00元(快递)20.00元 (EMS) 超声波传感器技术及应用 产品实物图 超声波传感器技术及应用 性能指标概述 TT900/EHC-09是最具适用性的超声测厚产 品；使用特制的防水防油高密度塑料外壳 和橡胶按键，包含了超声波测厚仪的所有 常用功能；该仪器还具备回波回波测量 功能，可以在不去除涂层的情况

14、下准确测 量基体厚度。可升级到更高版本，以获得 数据传输、A/B扫描等功能。 超声波传感器技术及应用 回波-回波功能便于透过涂层测量基体厚度 对各种板材和加工零件作精确测量 对设备中各种管道和压力容器进行监测 监测使用过程中受腐蚀后的减薄程度 产泛应用于油气田装备、石化炼化设施 管道压力容器、特检、新材料的无损检测 超声波传感器技术及应用 超声波测厚仪功能特点超声波测厚仪功能特点 厚度范围：0.2mm-508mm 延迟线零点测量：非常适合于高温条件下，自动 矫正延迟线弯曲及传感器声波漂移 扫描模式：显示每秒20次测量中的最小或最大厚 度值 单位：英制/公制/微秒 增益：低/标准/高，供改变检测

15、条件选择 差值模式：显示实际测量值与健入标准值的差值 超声波传感器技术及应用 报警方式：极值报警、振动报警、嘟嘟声 报警、显示屏闪烁及键盘发亮报警 探头磨损自动批示器：自动告知操作者更 换传感器（专利） 回波-回波模式：只测量金属厚度（不考虑 油漆及涂层的影响） 超声波传感器技术及应用 超声波测厚仪技术参数超声波测厚仪技术参数 测厚范围：0.20mm-508mm，根据待检材 料、温度及选择的传感器而定 声速范围：508-18699m/S 温度：测厚仪工作温度：-2050 待检材料的表面温度：-20至537(取决 于使用探头) 超声波传感器技术及应用 显示信息： 信号衰减、最大值、最小值，同时显

16、示大读数 与最小值，测量速率、零点、校准、单位 冻结模式、非冻结模式、剩入电量、增益-低/ 标准/高、回波-回波测量模式 分辨率：0.01mm，0.1mm 频率带宽：0.5-20MHz（-3dB） 超声波传感器技术及应用 开始时间：开始时间：2009年06月14日 22点38分21 秒 最后编辑时间：最后编辑时间：2009年06月14日 22点38 分21秒 超声波传感器技术及应用 （2）国外典型产品分析 德国KK公司的DM4系列超声波测厚仪指标 德国K.K公司超声波测厚仪DM4系列，小巧轻便， 操作简单，功能卓越。其中DM4和DM4DL特有的 DUAL-MULTI模式-即测量穿过涂层的操作模式， 在被测物表面有油漆时，无需去除油漆而测量材 料的净厚度。 DM4