超声波传感器技术及应用1

超声波(测厚)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：

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。

超声检验：超声波穿透性强的特点，被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术等。

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。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。

二、材料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、Ⅰ型（一次回波型）超声波厚度测试传感器Ⅰ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。以下是典型Ⅰ型超声波传感器的信号测试波形图：Ⅰ型传感器回波波形（1）Ⅰ型传感器回波波形（2）Ⅰ型超声波传感器存在问题：1、终点时刻的准确判定：(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。(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。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。对声速为6000m/s左右的钢材，转换成测量分辨率为0.06mm。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。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”，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。2、回波--回波型超声波传感器（Ⅱ型）超声波传感器与Ⅰ型超声波厚度测试传感器不同，Ⅱ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。工作原理：

作用于Ⅱ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。以下是典型Ⅱ型超声波传感器（多次回波型）的信号波形图：Ⅱ型传感器回波波形（1）Ⅱ型传感器回波波形（2）下面是典型Ⅱ型超声波传感器防护层穿透性能波形图：Ⅱ型超声波传感器防护层穿透性能实测波形图（1）（无防护层）Ⅱ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450μm)Ⅱ型超声波传感器优势：1、由于Ⅱ型超声波传感器测量的是直接反映被测金属材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Ⅱ型超声波传感器测量金属材料厚度的应用场合明显扩大。2、Ⅱ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Ⅰ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。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。3、Ⅱ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Ⅱ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。下图为Ⅱ型超声波传感器信号处理系统参考方案：系统组成示意图电路结构超声波回波信号处理方案

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=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和一个白噪声的叠加即: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

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。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。3、Ⅲ型超声波传感器（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Ⅲ型超声波厚度测试传感器（频移式）的信号测试波形图：从Ⅲ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。Ⅲ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Ⅰ、Ⅱ型超声波传感器相比，Ⅲ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。Ⅲ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Ⅱ型超声波传感器。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

价格：18320.00元运费：8.00元(平邮