超聲測厚技術(shù)的試驗(yàn)應(yīng)用與硬件設(shè)計(jì)

王 健

（92941部隊(duì)93分隊(duì) 遼寧葫蘆島 125001）

0 引言

在飛行試驗(yàn)中，導(dǎo)彈發(fā)射后需對(duì)發(fā)射箱內(nèi)壁進(jìn)行檢查，測試導(dǎo)彈發(fā)射對(duì)發(fā)射箱的破壞程度；在發(fā)射裝置維修維護(hù)過程中，也需要對(duì)機(jī)械內(nèi)部的損壞程度進(jìn)行測量和分析，以準(zhǔn)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(duì)其進(jìn)行測量。這里我們開展利用超聲測厚技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)，希冀能夠?yàn)楦釉攲?shí)地了解發(fā)射裝置內(nèi)部情況、評(píng)估導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)后對(duì)設(shè)備的損壞程度提供重要的手段。這樣能夠更加準(zhǔn)確地對(duì)參試設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，使得試驗(yàn)鑒定結(jié)果更加科學(xué)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(nèi)連續(xù)變化的正弦波電信號(hào)激勵(lì)壓電晶片時(shí)，晶片向試件內(nèi)所發(fā)射的聲波其頻率也是連續(xù)變化的[4]。如試件厚度為聲波半波長的整數(shù)倍時(shí)，在試件內(nèi)會(huì)形成駐波，試件產(chǎn)生共振，且：

顯然在共振時(shí)，厚度與共振頻率有如下關(guān)系：

即：

n=1時(shí)，fn=f1稱為基波頻率。

由上式可見：

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

共振法的應(yīng)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(chǎn)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(fā)射換能器發(fā)射的聲脈沖T穿過探頭延遲塊和耦合劑到達(dá)試件上表面時(shí)，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(shè)超聲在試件中往返所用的時(shí)間為Δt，則用寬度為Δt的閘門啟、閉計(jì)數(shù)閘門，在確知試件縱波速度的情況下，只要合理選擇時(shí)鐘脈沖的頻率，試件厚度即可用數(shù)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(yù)置型和時(shí)間放大型兩種。

PC板的吊裝原則主要就是每一個(gè)單元平面端頭第一塊凸窗為初始點(diǎn)，依照水平的順序來進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的加固作業(yè)。

1）聲速預(yù)置型 按常用材料縱波最高速度C1=10 000 m/s計(jì)算，當(dāng)試件厚度δ=1 mm時(shí)，超聲在試件中往返所用時(shí)間Δt為：

在Δt時(shí)間讓計(jì)數(shù)門打開，選擇時(shí)鐘脈沖的頻率f`為50 MHz（周期為0.02 μs），則送入計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)N為：

利用小數(shù)點(diǎn)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(dāng)試驗(yàn)厚度值變化時(shí)，顯示值始終有相應(yīng)的變化。對(duì)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(shí)鐘頻率先乘以系數(shù)0.59再去計(jì)數(shù)即可，由于系數(shù)值是按聲速的大小預(yù)置的，所以這種電路形式也稱為聲速預(yù)置型。

2）時(shí)間放大型

利用頻率較低的時(shí)間脈沖，而把超聲波在試件中往返所用的時(shí)間加以放大。對(duì)于聲波為10 000m/s的材料，若選擇時(shí)鐘頻率f=500 kHz，即降為50 MHz的百分之一，但把往返時(shí)間Δt放大100倍，這樣就使送往計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)N=Δt·f不變，顯示值仍然相應(yīng)于厚度值，對(duì)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(shí)間放大的增益，把Δt放大59倍，這樣顯示值就和厚度值相應(yīng)。

2 超聲測厚的硬件設(shè)計(jì)

圖2為超聲測厚的硬件設(shè)計(jì)電路[6]，由于要求的測厚的厚度是mm級(jí)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(shè)計(jì)圖

信號(hào)源采用的是PXI的2010PA板卡，它能產(chǎn)生所需要的頻率。通過LabWindows/CVI編程可以控制板卡產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)。D類功放的效率可達(dá)75%～90%。所以本文采用了D類功放。

運(yùn)算放大器采用的是OP37，由于聲波在材料中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生投射和反射。反射的信號(hào)會(huì)很微弱，所以接收的信號(hào)必須經(jīng)過放大。OP37具有低噪聲、低漂移、高速度、低輸入偏移電壓等優(yōu)點(diǎn)。OP37能很好地滿足本系統(tǒng)的要求。

自動(dòng)增益控制采用的是AD7111A。為了防止放大的倍數(shù)過大防止數(shù)據(jù)出現(xiàn)出錯(cuò)，所以采用了自動(dòng)增益控制來控制信號(hào)的增益。AD7111A增益動(dòng)態(tài)范圍為88.5dB，分辨率為0.5dB，功耗非常低，由DSP檢測接收的數(shù)據(jù)，如果數(shù) 據(jù)出錯(cuò)則自動(dòng)控制AD7111A的增益系數(shù)，保證接收的數(shù)據(jù)的正確性。

DSP采用的是TMS320C5446DSP。DSP的哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)、多處理單元、短指令周期、高運(yùn)算精度等優(yōu)點(diǎn)使其特別適合于運(yùn)算。DSP負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、控制自動(dòng)增益、厚度的運(yùn)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(shí)間，然后利用聲波在材料中的傳播速度計(jì)算材料的厚度[7]。計(jì)算公式如下：

脈沖測厚法的試驗(yàn)裝置如圖3所示，圖中換能器產(chǎn)生60 MHz的CW脈沖，垂直入射到材料的表面，在界面間會(huì)產(chǎn)生反射波。利用脈沖時(shí)間間隔可以計(jì)算出材料的厚度。入射波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，在兩介質(zhì)的界面會(huì)產(chǎn)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，F(xiàn)S=120 MHz，時(shí)域波形如圖4所示。

圖3 脈沖測厚法的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖4 所用CW脈沖的時(shí)域波形

由峰值檢測算法可得兩峰值之間的時(shí)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(tǒng)的要求。

4 結(jié)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(yīng)用于具有晶體結(jié)構(gòu)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(shí)，容易產(chǎn)生混疊，造成測量無法實(shí)現(xiàn)，但是脈沖法測量由于其優(yōu)點(diǎn)還是具有很高的實(shí)用價(jià)值。我們應(yīng)對(duì)超聲測厚技術(shù)展開深入研究，探討超聲測厚在武器裝備試驗(yàn)中的可行性，挖掘超聲測厚技術(shù)在武器裝備試驗(yàn)中的潛力，能夠?yàn)楦涌茖W(xué)準(zhǔn)確地鑒定武器裝備試驗(yàn)工作發(fā)揮重大作用。

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

[2]林莉.超聲無損表征薄層結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J].無損探傷,2006,30(5):1-4.

[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(jì)的管道超聲測厚研究[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,13(1):18-22.

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

[6]貝斯克.Verilog HDL硬件描述語言[M].徐振林 譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[7]李家偉.超聲波檢測[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.