一种高精度超声厚度测量方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种纳米级的高精度超声测厚方法和装置，包括：采用一发一收的形式分别将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面，超声接收探头接收超声信号；确定超声信号中首个表面波信号来临时的时间T0和第n个底面反射的表面波信号来临时的时间Tn；将T0、Tn、n、θ以及声速V代入超声测厚公式求出厚度。通过此发明专利技术，解决现有技术中超声测厚无法与TOFD探伤、超声应力测试采用同样的一发一收的超声探头形式，无法同时进行检测的问题。无法同时进行检测的问题。无法同时进行检测的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度超声厚度测量方法和装置


[0001]本专利技术属于无损超声技术检测领域，具体涉及一种超声波测厚方法和装置。

技术介绍

[0002]目前超声测厚方法是采用超声回波法，利用单个收发一体的超声探头垂直置于材料表面，超声波垂直入射材料表面遇到材料底面后反射回超声信号被超声探头接收，通过测量超声波从发射到接收的传播时间或者测量超声波一次底波与二次底波之间的传播时间来确定被测目标的厚度，具体公式为：传播时间t与超声传播速度V的乘积的一半即为所测材料的厚度。但是这种方法通常采用手持超声探头贴紧材料检测，局限性比较大，精度比较低，精度一般只有0.01mm。
[0003]而常见的压力容器或管道的焊缝检测的过程中通常不仅要进行厚度检测，还要进行超声探伤或进行超声应力检测。在超声检测中，TOFD探伤、超声应力测试是对材料的高精度无损检测，他们都是基于一发一收对称倾斜入射材料表面的形式。而测厚与TOFD探伤或超声应力测试是采用不同的超声探头收发形式，无法同时进行；超声检测多个项目时需要采用不同的设备，目前有企业将超声应力设备中集成了超声测厚功能模块，但两者采用的收发探头形式不同，仍需要更换不同的超声探头及形式，测试过程仍然繁琐、造成非常多的不便，目前在公开资料上仍然没有找到有效的解决方案。
[0004]
技术实现思路

[0005]为了解决现有超声测厚仪器只能使用收发一体式超声探头、精度较低，且无法与其他超声探伤、超声应力检测项目同时进行测试，导致操作过程繁琐的问题，本专利技术提供了一种纳米级的高精度超声测厚方法，包括：采用一发一收的形式分别将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面，超声接收探头接收超声信号；确定超声信号中首个表面波信号来临时的时间T0和第n个底面反射的表面波信号来临时的时间Tn； 将T0、Tn、n、θ以及声速V代入超声测厚公式求出厚度：；其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波在介质中的传播速度，n（n=1，2，3，4...）为测量所选用的超声波入射材料后与底面的第n次反射回上表面产生的表面波序号；其中，该超声测厚公式根据三角函数规律可变换为：
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。
[0006]上述超声发射探头连接有超声脉冲信号发生电路、激励电路，用于激励超声发射探头产生超声波；上述超声接收探头连接有超声信号接收电路、模数转换电路、信号处理电路、通信电路，用于采集来自超声接收探头接收的超声信号；上述连接件上包括对称的斜面，斜面上有螺纹孔分别用于固定一发一收形式的超声发射探头和超声接收探头，使其与材料表面呈θ角，连接件上还包括磁铁或吸附结构，用于贴合吸附在材料表面上；图1所示为一发一收形式下超声探头连接示意图。
[0007] 上述超声探头与材料表面的θ角即超声波在材料中的入射角，其设置满足Snell定律；当所述θ角设置小于第一临界角时，所述超声信号中首个表面波信号来临时对应的时间T0为临界折射纵波信号来临时对应的时间T0，所述声速V为超声在材料中的纵波传播速度；当所述θ角设置大于第一临界角时，所述超声信号中首个表面波信号来临时对应的时间T0为 直通波横波信号来临时对应的时间，声速V为超声在材料中的横波传播速度。
[0008]当θ角≤第一临界角时，超声波入射钢材表面后产生首个波形即临界折射纵波（LCR）后向材料底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声回波信号先后被同样角度设置的超声波接收探头接收，并通过连接的超声采集模块对超声信号进行采集，图2所示为超声探头一发一收形式下临界折射纵波与多个底面波发射示意图，图4所示为一发一收形式下接收到的临界折射纵波与底面反射波超声信号示意图；确定超声信号中临界折射纵波来临时的时间T0和第n个底面反射的表面波信号来临时的时间Tn；将T0、Tn、n、θ以及超声在材料中的纵波传播速度V代入上述超声测厚公式进行厚度的测量。
[0009]当θ角＞第一临界角时，超声波入射钢材表面后不以纵波而以横波传输，产生首个直通波后向材料底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声波信号先后被同样角度设置的超声波接收探头接收，并通过连接的超声采集模块对超声信号进行采集，图3为超声探头一发一收形式下直通波与多个底面波反射示意图，图5所示为一发一收形式下接收到的直通波与底面反射波超声信号示意图；确定超声信号中直通波来临时的时间T0和第n个底面反射的表面波信号来临时的时间Tn；将T0、Tn、n、θ以及超声在材料中的横波传播速度V代入上述超声测厚公式进行厚度的测量。
[0010]该方法还包括处理超声信号中确定临界折射纵波或直通波信号来临时的时间T0、以及第n个底面反射的表面波信号来临时间Tn的方法：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波或直通波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制方法分析所述波形数据段确定临界折射纵波/直通波、以及底面反射的表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制方法包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度超过闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间；图6所示为竖直游标选取波形数据段及水平游标确定选择的波形数据段来临是对应的时间。
[0011]该方法还包括测厚前采用标准厚度的材料测量标定超声在材料中的传播速度的方法：根据超声测厚公式可以推出声速测定公式： ，该公式可根据三角函数规律变换为：、。
[0012]其中，当θ角≤第一临界角时，超声波入射钢材表面后产生首个波形即临界折射纵波（LCR）后向材料底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声回波信号先后被同样角度设置的超声波接收探头接收，并通过连接的超声采集模块对超声信号进行采集，图2所示为超声探头一发一收形式下临界折射纵波与多个底面波发射示意图，图4所示为一发一收形式下接收到的临界折射纵波与底面反射波超声信号示意图；确定超声信号中临界折射纵波来临时的时间T0和第n个底面反射的表面波信号来临时的时间Tn；将标准厚度材料的H、T0、Tn、n、θ代入上述测定声速公式测出超声在材料中的纵波传播速度V。
[0013]当θ角＞第一临界角时，超声波入射钢材表面后不以纵波而以横波传输，产生首个直通波后向材料底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声波信号先后被同样角度设置的超声波接收探头接收，并通过连接的超声采集模块对超声信号进行采集，图3为超声探头一发一收形式下直通波与多个底面波反射示意图，图5所示为一发一收形式下接收到的直通波与底面反射波超声信号示意图；确定超声信号中直通波来临本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度超声厚度测量方法，其特征在于，包括：按一发一收的方式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；超声发射探头产生超声波以θ角倾斜 入射材料表面，超声接收探头接收超声信号；确定超声信号中首个表面波信号来临时的时间T0和第n个底面反射的表面波信号来临时的时间Tn；将T0、Tn、n、θ以及声速V代入超声测厚公式求出厚度：；其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波在介质中的传播速度，n（n=1，2，3，4...）为测量所选用的超声波入射材料后与底面的第n次反射回上表面产生的表面波序号；上述公式中，Tn
‑
T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别；其中，超声测厚公式根据三角函数规律可变换为：
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；其中，测厚前可利用标准厚度材料标定声速，根据超声测厚公式可以推出声速测定公式： 。2.如权利利要求1所述的一种高精度超声测厚方法，其特征在于：所述的超声发射探头连接有超声脉冲信号发生电路、激励电路，用于激励超声发射探头产生超声波；所述超声接收探头连接有超声信号接收电路、模数转换电路、信号处理电路、通信电路，用于采集来自超声接收探头接收的超声信号；所述连接件两侧含有对称的斜面，斜面上垂直钻有螺纹孔分别用于固定一发一收形式的超声发射探头和超声接收探头，使其与材料表面呈θ角，所述入射θ角设置满足Snell定律；当所述θ角设置小于第一临界角时，所述超声信号中首个表面波信号来临时对应的时间T0为临界折射纵波信号来临时对应的时间T0，所述声速V为超声在材料中的纵波传播速度；当所述θ角设置大于第一临界角时，所述超声信号中首个表面波信号来临时对应的时间T0为 直通波横波信号来临时对应的时间，声速V为超声在材料中的横波传播速度。3.如权利要求1所述的一种高精度超声测厚方法，其特征在于：所述确定超声信号中首个表面波信号来临时的时间T0和第n个底面发射的表面波信号来临时的时间Tn的方法包括：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波或直通波横波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度超出闸门阈值时确定为临界折射纵波或直通波横波、以及对应的底面反射的表面波波形来临的时间。4.如权利要求1所述的一种高精度超声测厚方法，其特征在于：所述超声测厚方法采用一发一收形式可以与超声应力检测同时进行：取θ角≤第一临界角，将测试时确定的临界折射纵波对应的T0与无应力标定时临界折射纵波对应的T0'之间的差值
△
T0=T0
‑
T0'，代入超声应力公式：，求出应力值，其中K为声时差
系数，可由标定不同应力与声时差对应的斜率获得；所述超声测厚方法采用一发一收形式可以与超声TOFD探伤同时进行：取θ角＞第一临界角，上述连接件上设置有编码器用来检测材料的位置信息，在每个检查位置上，接收到的回波信号形成对应的A扫图像，映射到B/D扫图像的一行或一列；同时对A扫图像中超声信号的直通波T0与底面反射波RSW1对应的时间T1，将T1
‑
T0代入上述测厚公式，求出工件的厚度；待检查位置扫查结束后，组成完成B/D扫位置与超声回波图像的同时，也形成检查扫描位置与厚度的XY图。5.如权利要求1所述的一种高精度超声测厚方法，其特征在于：所述超声测厚方法采用一发一收形式还可以用于确定涂层或复合层的厚度：通过确定超声信号中首个表面波信号来临时的时间T0和第1个涂层或复合层分界面反射的表面波信号来临时的时间T1，将T0和T1，n=1，θ及超声在涂层或复合层中的传播速度V代入测厚公式，求出涂层或复合层的厚度。6.一种高精度超声厚度测量装置，其特征在于，包括：屏幕；超声探头模块，用于将超声发射探头...

【专利技术属性】
技术研发人员：周冰，
申请(专利权)人：苏州爱思尔提科技有限公司，
类型：发明
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