超聲測厚技術的試驗應用與硬件設計

王 健

（92941部隊93分隊 遼寧葫蘆島 125001）

0 引言

在飛行試驗中，導彈發射后需對發射箱內壁進行檢查，測試導彈發射對發射箱的破壞程度；在發射裝置維修維護過程中，也需要對機械內部的損壞程度進行測量和分析，以準確了解裝備情況。而這些工作很多都無法靠人員直接觀察，必須利用某種無損探傷方法對其進行測量。這里我們開展利用超聲測厚技術的研究與設計，希冀能夠為更加詳實地了解發射裝置內部情況、評估導彈飛行試驗后對設備的損壞程度提供重要的手段。這樣能夠更加準確地對參試設備進行檢驗，使得試驗鑒定結果更加科學有效。

1 超聲測厚方法

超聲測厚原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。

1.1 共振法

在用頻率在一定范圍內連續變化的正弦波電信號激勵壓電晶片時，晶片向試件內所發射的聲波其頻率也是連續變化的[4]。如試件厚度為聲波半波長的整數倍時，在試件內會形成駐波，試件產生共振，且：

顯然在共振時，厚度與共振頻率有如下關系：

即：

n=1時，fn=f1稱為基波頻率。

由上式可見：

所以得知厚度共振的兩個相鄰的共振頻率時（此可用測厚儀測得），即可按下式算出厚度：

共振法的應用要求被測試件上下面較平，腐蝕程度不一致的部位幾乎就不能產生共振，而用于維修檢查的測厚，要測的正是這種腐蝕不均的部分[5]。

1.2 脈沖反射法

如圖1所示，從發射換能器發射的聲脈沖T穿過探頭延遲塊和耦合劑到達試件上表面時，部分能量則穿過試件從下表面反射回探頭接收換能器形成界面波S，部分能量則穿過試件從下表面反射形成底反射波B。設超聲在試件中往返所用的時間為Δt，則用寬度為Δt的閘門啟、閉計數閘門，在確知試件縱波速度的情況下，只要合理選擇時鐘脈沖的頻率，試件厚度即可用數字顯示出來。

圖1 脈沖反射法超聲測厚工作原理圖

脈沖超聲測厚儀按電路形式又可分為聲速預置型和時間放大型兩種。

PC板的吊裝原則主要就是每一個單元平面端頭第一塊凸窗為初始點，依照水平的順序來進行依次連接，依照吊裝PCF和凸窗板塊，在吊裝完成之后，流水來進行相應的加固作業。

1）聲速預置型 按常用材料縱波最高速度C1=10 000 m/s計算，當試件厚度δ=1 mm時，超聲在試件中往返所用時間Δt為：

在Δt時間讓計數門打開，選擇時鐘脈沖的頻率f`為50 MHz（周期為0.02 μs），則送入計數器的脈沖數N為：

利用小數點使顯示為1.0即為試件厚度值。顯然，只要聲速C1和頻率f保持恒定，當試驗厚度值變化時，顯示值始終有相應的變化。對于聲速小于10 000 m/s的材料，如聲速為5 900 m/s，可將50 MHz的時鐘頻率先乘以系數0.59再去計數即可，由于系數值是按聲速的大小預置的，所以這種電路形式也稱為聲速預置型。

2）時間放大型

利用頻率較低的時間脈沖，而把超聲波在試件中往返所用的時間加以放大。對于聲波為10 000m/s的材料，若選擇時鐘頻率f=500 kHz，即降為50 MHz的百分之一，但把往返時間Δt放大100倍，這樣就使送往計數器的脈沖數N=Δt·f不變，顯示值仍然相應于厚度值，對于聲速小于10 000 m/s的材料，如聲速為5 900 m/s，可通過改變時間放大的增益，把Δt放大59倍，這樣顯示值就和厚度值相應。

2 超聲測厚的硬件設計

圖2為超聲測厚的硬件設計電路[6]，由于要求的測厚的厚度是mm級的，測試的精度為≤0.05 mm。所用的中心頻率為12 MHz。

圖2 超聲測厚硬件設計圖

信號源采用的是PXI的2010PA板卡，它能產生所需要的頻率。通過LabWindows/CVI編程可以控制板卡產生所需要的頻率。

功率放大器采用的是D類，D類功率放大器具有損耗小、效率高等優點。D類功放的效率可達75%～90%。所以本文采用了D類功放。

運算放大器采用的是OP37，由于聲波在材料中傳播時，會發生投射和反射。反射的信號會很微弱，所以接收的信號必須經過放大。OP37具有低噪聲、低漂移、高速度、低輸入偏移電壓等優點。OP37能很好地滿足本系統的要求。

自動增益控制采用的是AD7111A。為了防止放大的倍數過大防止數據出現出錯，所以采用了自動增益控制來控制信號的增益。AD7111A增益動態范圍為88.5dB，分辨率為0.5dB，功耗非常低，由DSP檢測接收的數據，如果數 據出錯則自動控制AD7111A的增益系數，保證接收的數據的正確性。

DSP采用的是TMS320C5446DSP。DSP的哈佛結構、多總線結構、流水線結構、多處理單元、短指令周期、高運算精度等優點使其特別適合于運算。DSP負責數據的接收、控制自動增益、厚度的運算和顯示。

3 超聲測厚算法的仿真

脈沖測厚法主要是測量聲波在材料中的傳播時間，然后利用聲波在材料中的傳播速度計算材料的厚度[7]。計算公式如下：

脈沖測厚法的試驗裝置如圖3所示，圖中換能器產生60 MHz的CW脈沖，垂直入射到材料的表面，在界面間會產生反射波。利用脈沖時間間隔可以計算出材料的厚度。入射波在不同介質中傳播時，在兩介質的界面會產生反射波。膠接層的反射波為sa，材料的反射波為sb。我們采用CW脈沖測厚方法，選用中心頻率為12 MHz，FS=120 MHz，時域波形如圖4所示。

圖3 脈沖測厚法的實驗裝置示意圖

圖4 所用CW脈沖的時域波形

由峰值檢測算法可得兩峰值之間的時間間隔t=3.3×10-6s。材料中的聲速為5 100 m/s。由式（1）可得材料的厚度為8.41 mm。誤差小于0.5%。滿足系統的要求。

4 結論

脈沖回波法測厚簡單可行、成本低，在測量1mm厚度以上的材料是精度很高。脈沖測試法主要應用于具有晶體結構的金屬材料和非金屬材料。不適合粗晶材料和符合材料的測量。在材料厚度小于兩倍波長時，容易產生混疊，造成測量無法實現，但是脈沖法測量由于其優點還是具有很高的實用價值。我們應對超聲測厚技術展開深入研究，探討超聲測厚在武器裝備試驗中的可行性，挖掘超聲測厚技術在武器裝備試驗中的潛力，能夠為更加科學準確地鑒定武器裝備試驗工作發揮重大作用。

[1]徐志輝.材料薄層無損測厚方法評述[J].理化檢驗—物理分冊,2004,40(8):407-410.

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[3]徐志輝.基于功率譜分析的表面涂層厚度超聲無損測量方法[J].中國表面工程,2004(6):7-14.

[4]唐建.基于功率譜估計的管道超聲測厚研究[J].北京石油化工學院學報,2005,13(1):18-22.

[5]楊恒,盧飛成.FPGA/VHDL快速工程實踐與提高[M].北京:北京航天航空大學出版社,2003.

[6]貝斯克.Verilog HDL硬件描述語言[M].徐振林 譯.北京:機械工業出版社,2000.

[7]李家偉.超聲波檢測[M].北京:機械工業出版社,2004.