超声测厚技术的试验应用与硬件设计

王 健

（92941部队93分队 辽宁葫芦岛 125001）

0 引言

在飞行试验中，导弹发射后需对发射箱内壁进行检查，测试导弹发射对发射箱的破坏程度；在发射装置维修维护过程中，也需要对机械内部的损坏程度进行测量和分析，以准确了解装备情况。而这些工作很多都无法靠人员直接观察，必须利用某种无损探伤方法对其进行测量。这里我们开展利用超声测厚技术的研究与设计，希冀能够为更加详实地了解发射装置内部情况、评估导弹飞行试验后对设备的损坏程度提供重要的手段。这样能够更加准确地对参试设备进行检验，使得试验鉴定结果更加科学有效。

1 超声测厚方法

超声测厚原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。

1.1 共振法

在用频率在一定范围内连续变化的正弦波电信号激励压电晶片时，晶片向试件内所发射的声波其频率也是连续变化的[4]。如试件厚度为声波半波长的整数倍时，在试件内会形成驻波，试件产生共振，且：

显然在共振时，厚度与共振频率有如下关系：

即：

n=1时，fn=f1称为基波频率。

由上式可见：

所以得知厚度共振的两个相邻的共振频率时（此可用测厚仪测得），即可按下式算出厚度：

共振法的应用要求被测试件上下面较平，腐蚀程度不一致的部位几乎就不能产生共振，而用于维修检查的测厚，要测的正是这种腐蚀不均的部分[5]。

1.2 脉冲反射法

如图1所示，从发射换能器发射的声脉冲T穿过探头延迟块和耦合剂到达试件上表面时，部分能量则穿过试件从下表面反射回探头接收换能器形成界面波S，部分能量则穿过试件从下表面反射形成底反射波B。设超声在试件中往返所用的时间为Δt，则用宽度为Δt的闸门启、闭计数闸门，在确知试件纵波速度的情况下，只要合理选择时钟脉冲的频率，试件厚度即可用数字显示出来。

图1 脉冲反射法超声测厚工作原理图

脉冲超声测厚仪按电路形式又可分为声速预置型和时间放大型两种。

PC板的吊装原则主要就是每一个单元平面端头第一块凸窗为初始点，依照水平的顺序来进行依次连接，依照吊装PCF和凸窗板块，在吊装完成之后，流水来进行相应的加固作业。

1）声速预置型 按常用材料纵波最高速度C1=10 000 m/s计算，当试件厚度δ=1 mm时，超声在试件中往返所用时间Δt为：

在Δt时间让计数门打开，选择时钟脉冲的频率f`为50 MHz（周期为0.02 μs），则送入计数器的脉冲数N为：

利用小数点使显示为1.0即为试件厚度值。显然，只要声速C1和频率f保持恒定，当试验厚度值变化时，显示值始终有相应的变化。对于声速小于10 000 m/s的材料，如声速为5 900 m/s，可将50 MHz的时钟频率先乘以系数0.59再去计数即可，由于系数值是按声速的大小预置的，所以这种电路形式也称为声速预置型。

2）时间放大型

利用频率较低的时间脉冲，而把超声波在试件中往返所用的时间加以放大。对于声波为10 000m/s的材料，若选择时钟频率f=500 kHz，即降为50 MHz的百分之一，但把往返时间Δt放大100倍，这样就使送往计数器的脉冲数N=Δt·f不变，显示值仍然相应于厚度值，对于声速小于10 000 m/s的材料，如声速为5 900 m/s，可通过改变时间放大的增益，把Δt放大59倍，这样显示值就和厚度值相应。

2 超声测厚的硬件设计

图2为超声测厚的硬件设计电路[6]，由于要求的测厚的厚度是mm级的，测试的精度为≤0.05 mm。所用的中心频率为12 MHz。

图2 超声测厚硬件设计图

信号源采用的是PXI的2010PA板卡，它能产生所需要的频率。通过LabWindows/CVI编程可以控制板卡产生所需要的频率。

功率放大器采用的是D类，D类功率放大器具有损耗小、效率高等优点。D类功放的效率可达75%～90%。所以本文采用了D类功放。

运算放大器采用的是OP37，由于声波在材料中传播时，会发生投射和反射。反射的信号会很微弱，所以接收的信号必须经过放大。OP37具有低噪声、低漂移、高速度、低输入偏移电压等优点。OP37能很好地满足本系统的要求。

自动增益控制采用的是AD7111A。为了防止放大的倍数过大防止数据出现出错，所以采用了自动增益控制来控制信号的增益。AD7111A增益动态范围为88.5dB，分辨率为0.5dB，功耗非常低，由DSP检测接收的数据，如果数 据出错则自动控制AD7111A的增益系数，保证接收的数据的正确性。

DSP采用的是TMS320C5446DSP。DSP的哈佛结构、多总线结构、流水线结构、多处理单元、短指令周期、高运算精度等优点使其特别适合于运算。DSP负责数据的接收、控制自动增益、厚度的运算和显示。

3 超声测厚算法的仿真

脉冲测厚法主要是测量声波在材料中的传播时间，然后利用声波在材料中的传播速度计算材料的厚度[7]。计算公式如下：

脉冲测厚法的试验装置如图3所示，图中换能器产生60 MHz的CW脉冲，垂直入射到材料的表面，在界面间会产生反射波。利用脉冲时间间隔可以计算出材料的厚度。入射波在不同介质中传播时，在两介质的界面会产生反射波。胶接层的反射波为sa，材料的反射波为sb。我们采用CW脉冲测厚方法，选用中心频率为12 MHz，FS=120 MHz，时域波形如图4所示。

图3 脉冲测厚法的实验装置示意图

图4 所用CW脉冲的时域波形

由峰值检测算法可得两峰值之间的时间间隔t=3.3×10-6s。材料中的声速为5 100 m/s。由式（1）可得材料的厚度为8.41 mm。误差小于0.5%。满足系统的要求。

4 结论

脉冲回波法测厚简单可行、成本低，在测量1mm厚度以上的材料是精度很高。脉冲测试法主要应用于具有晶体结构的金属材料和非金属材料。不适合粗晶材料和符合材料的测量。在材料厚度小于两倍波长时，容易产生混叠，造成测量无法实现，但是脉冲法测量由于其优点还是具有很高的实用价值。我们应对超声测厚技术展开深入研究，探讨超声测厚在武器装备试验中的可行性，挖掘超声测厚技术在武器装备试验中的潜力，能够为更加科学准确地鉴定武器装备试验工作发挥重大作用。

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[3]徐志辉.基于功率谱分析的表面涂层厚度超声无损测量方法[J].中国表面工程,2004(6):7-14.

[4]唐建.基于功率谱估计的管道超声测厚研究[J].北京石油化工学院学报,2005,13(1):18-22.

[5]杨恒,卢飞成.FPGA/VHDL快速工程实践与提高[M].北京:北京航天航空大学出版社,2003.

[6]贝斯克.Verilog HDL硬件描述语言[M].徐振林 译.北京:机械工业出版社,2000.

[7]李家伟.超声波检测[M].北京:机械工业出版社,2004.