[发明专利]一种能精确测量超薄工件厚度方法及仪器

权利要求书

1.一种精确测量超薄工件厚度的方法，其特征在于：该方法为采用信 号处理的方法来提取表征工件厚度的超声波信息，是一种既适合于测量超 薄大曲率工件厚度也适合于测量普通工件厚度的超声测厚技术，它的核心 是对接收到的回波信号进行快速傅里叶变换从而获得测量结果；超声脉冲 有一定的频谱范围，当被测物体较薄时，相邻的回波重叠在一起，必然产 生干涉现象，某些频率的超声波振动相互加强，而另一些频率的超声波振 动相互减弱或完全抵消；通过快速傅里叶变换将接收到的时域信号转换为 频域信号，也叫做频谱曲线，此时频域信号就会显示出周期性的峰值和谷 值；在频率为基频f₀＝v/4x的奇数倍时出现周期性极小值，偶数倍时出现周 期性极大值，其中x为被测物体的厚度，v为超声波在被测物体中的传播速 度，因此测出频域信号达到极大值的频率f_n可以计算出被测物体的厚度x， 式中，f_n是频谱曲线上第n个极大值所对应的频率。

2.按照权利要求1所述的精确测量超薄工件厚度的方法，其特征在于： 超声波经被测物体底面反射的一次回波用f₁(t)表示，二次回波用f₂(t)表示，

f2(t)=αf1(t-2xv),α<1;]]>

F1(ω)=∫-∞+∞f1(t)e-iωtdt,]]>

F2(ω)=∫-∞+∞f2(t)e-iωtdt=∫-∞+∞αf1(t-2xv)e-iωtdt=αe-iω2xc∫-∞+∞f1(t)e-iωtdt=αe-iω2xvF1(ω)]]>

其中，x为被测物体的厚度，v为超声波在被测物体中的传播速度；根 据傅里叶变换的线性性质，函数一次回波与二次回波的叠加信号f₁(t)+f₂(t) 的傅里叶变换为F₁(ω)+F₂(ω)，即

F(ω)=F1(ω)+F2(ω)=F1(ω)+αe-iω2xvF1(ω)=F1(ω)·(1+αe-iω2xv),]]>

令ω2xv=β=2πfv2x]]>

F(ω)＝F₁(ω)·(1+αe^-iβ)＝F₁(ω)·(1+αcosβ-iαsinβ)

当β＝2nπ，即f＝2nv/4x(n＝0，1，2…)时，F(ω)＝(1+α)F₁(ω)有最大值；

当β＝(2n+1)π，即f＝(2n+1)v/4x(n＝0，1，2…)时，F(ω)＝1-α有最小值；

即干涉信号的幅度谱在频率为基频f₀＝v/4x的偶数倍时出现周期性极 大值点，奇数倍时出现周期性极小值点；当超声波在被测材料中的声速v已 知，根据超声波的干涉规律对回波信号进行幅度谱分析，若f₀为幅度谱的 极大值时，计算出被测物体的厚度为x＝v/4f₀的偶数倍；若f₀为幅度谱的极 小值时，计算出被测物体的厚度为x＝v/4f₀的奇数倍，由此计算出被测物体 的厚度x。