[发明专利]一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及超声波测厚技术，具体涉及一种基于宽带调频及接收补偿的超声波测厚方法及装置。

背景技术

自上世纪四十年代美国GM公司首次推出超声波测厚仪以来，至今已广泛应用于航天、军工、石油、化工、造船、交通等领域。超声波测厚仪由于测量精度高、携带方便、对被测物体表面无损伤等诸多优点而被广泛用于各种壁厚的测量。特别是在航空航天领域用于火箭发动机包覆层和各种高速飞行器头部包裹层厚度的测量、在军工产品的生产线上对炮弹壁厚的测量、在石油工业上对高压油气管道的测量、在化工领域对各种高炉、锅炉、压力容器壁厚的测量上有着高精度、全角度、无损伤等严格要求，使得超声波测厚成为几乎无法替代的方法。

目前，超声测厚仪按测量原理不同可分为共振法、兰姆波法和脉冲发射法三种。共振法测厚的基本原理是当被测量工件的厚度为超声波波长的1/2或其整数倍时，入射波与反射波同相并在工件内部产生驻波引起共振，工件共振时超声波换能器的负载阻抗减小，振荡器的集电极电流增加以指示共振，测量时记录下两个相邻的共振频率，即可求出工件的厚度。采用共振法的超声波测厚仪可测厚度为0.1mm以上的材料，且精度高，可达0.1%，但是该超声波测厚仪对工件两个表面的光洁度要求较高，适应范围窄。兰姆波是一种由超声波纵波和横波在薄板内相互耦合合成的特殊形式的应力波，又称“板波”。兰姆波法测厚的基本原理是当超声波频率及入射角度与工件厚度成一定关系时，方产生兰姆波，因而改变换能器的角度或频率，使显示屏上出现兰姆波，以换能器的角度或频率来度量厚度。采用兰姆波法的超声波测厚仪适用于测厚度小于2mm的板材和薄壁管材，精度高，但是该方法同样对工件表面光洁度要求较高，另外在对兰姆波声场特性的研究上，还有不少问题和困难需要解决，至今没有形成统一的理论，要把它发展成为一项成熟的技术还有很多基础工作尚未完成。相对而言，脉冲反射法原理简单，实现方便，是目前应用最为广泛的一种方法。脉冲发射法的原理是通过测量超声波在工件上、下底面之间往返一次传播的时间来求得工件的厚度。该方法对工件的表面光洁度要求不高，可测粗糙表面、凹面以及带漆面材料的，适用范围广，但是该方法精度不高，且有一定的近场盲区。

目前，国内外基于脉冲反射法的超声波测厚仪产品较多，其中，国外比较典型的有德国K-K公司的DM5E系列超声波测厚仪，其测量范围是0.6～508mm，显示精度0.01mm；美国Panametrics-NDT公司的26MG系列超声波测厚仪，其测量范围是0.5-500mm，显示精度0.01mm；日本AD公司的3253系列超声波测厚仪，其测量范围是0.8-200mm，显示精度0.01mm。国内具有代表性的产品是北京时代仪器公司的TT系列超声波测厚仪，其测量范围是0.8-300mm，显示精度0.1mm。上述超声波测厚仪都是基于脉冲反射法的原理，其给出的指标只是理论范围，在实际中，还会因为多种原因引起测量精度降低甚至数值异常等情况的发生。

脉冲反射式超声测厚仪需要通过硬件检测回波脉冲来确定脉冲信号往返的时间，而回波脉冲的检测是基于声压（即幅度）特征的。根据声波的叠加原理，超声波发射声场波源轴线上任意一点的声压的表达式为

P=2P0sin[πλ(D24+x2-x)]sin(ωt-kx)---(1)]]>