基于時(shí)頻分析的超薄材料超聲共振精確測厚系統(tǒng).pdf

1、傳統(tǒng)超聲測厚方法因其自身的局限性,很難精確測量0.1mm以下厚度的超薄材料,已無法滿足現(xiàn)代化工業(yè)中對無損檢測的高可靠性、高精度、高效率等要求。隨著嵌入式系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用FPGA、DSP和ARM等芯片實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化超聲測厚系統(tǒng),可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確的傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。現(xiàn)代超聲檢測中許多信號(hào)屬于非平穩(wěn)信號(hào),僅僅通過簡單的傅里葉變換,不能準(zhǔn)確刻畫檢測數(shù)據(jù)的時(shí)頻特性,還需要借助時(shí)頻分析技術(shù)作進(jìn)一步處理。
　　本論文中,主要涉及半波

2、共振法、硬件電路設(shè)計(jì)以及時(shí)頻分析技術(shù)三個(gè)方面的內(nèi)容。
　　第一,本論文主要研究對象是0.02mm~1mm的金屬薄板。傳統(tǒng)超聲測厚方法存在測量盲區(qū),無法完成測量工作。
　　因此在傳統(tǒng)超聲測厚方法的基礎(chǔ)上,通過實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證,應(yīng)用半波共振法測量該系列金屬薄板厚度。半波共振法是共振法測厚理論的延伸應(yīng)用?？梢栽谳^低頻率的超聲激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)對超薄材料的測厚實(shí)驗(yàn)。同時(shí),在待測厚度范圍內(nèi),激勵(lì)波形頻率越高,測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果越準(zhǔn)確。
　　本次

3、設(shè)計(jì)中,使用到的掃頻脈沖頻率范圍在5MHz~15MHz。選用合適的由新型復(fù)合材料制造的超聲換能器,頻率可以滿足實(shí)驗(yàn)的需求。
　　第二,設(shè)計(jì)硬件電路采集測厚實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。針對5MHz~15MHz的超聲信號(hào),選用采樣速率為80MSPS的A/D芯片,確保采集信號(hào)的完整性。
　　為實(shí)現(xiàn)快速高效的信號(hào)采集系統(tǒng),采用FPGA和ARM綜合設(shè)計(jì)。二者各具優(yōu)勢,相互配合,以FPGA為核心處理器,ARM輔助控制A/D采集和以太網(wǎng)通訊。與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)

4、傳輸通過RJ45接口和網(wǎng)線來實(shí)現(xiàn)。另外,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)接收電路,放大微弱的超聲信號(hào),削弱其中摻雜的噪聲干擾。信號(hào)接收電路中還包括限幅保護(hù)電路和偏置電路,確保電路的安全性以及與后續(xù)電路的匹配。
　　在硬件電路設(shè)計(jì)中,還注意到每級電路之間的相互作用。因?yàn)橥瑫r(shí)包含模擬電路與數(shù)字電路,而且工作頻率較高,在電路設(shè)計(jì)與PCB繪制過程中,采取適當(dāng)?shù)拇胧?將元器件帶來的干擾降低。
　　第三,在MATLAB上觀察測厚實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)域波形和其傅

5、里葉變換,不能準(zhǔn)確確定共振中心頻率的位置。因此對比常用的時(shí)頻分析方法,短時(shí)傅里葉變換、小波分析和Wigner-Ville分布后,采用時(shí)頻聚集性最佳的Wigner-Ville分布處理測厚數(shù)據(jù)。
　　從時(shí)域上可以清晰看到掃描頻率隨時(shí)間的線性變化趨勢。同時(shí)根據(jù)能量值的大小,繪制三維 WV分布圖,在其中準(zhǔn)確定位最大能量值,即共振中心頻率點(diǎn)。由此,可以準(zhǔn)確確定中心頻率,得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。
　　最后,通過對不同厚度金屬薄片的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)