基于时频分析的超薄材料超声共振精确测厚系统

摘要

传统超声测厚方法因其自身的局限性,很难精确测量0.1mm以下厚度的超薄材料,已无法满足现代化工业中对无损检测的高可靠性、高精度、高效率等要求。随着嵌入式系统及计算机技术的发展,应用FPGA、DSP和ARM等芯片实现的数字化超声测厚系统,可以将实验数据快速准确的传输到计算机。现代超声检测中许多信号属于非平稳信号,仅仅通过简单的傅里叶变换,不能准确刻画检测数据的时频特性,还需要借助时频分析技术作进一步处理。
　　本论文中,主要涉及半波共振法、硬件电路设计以及时频分析技术三个方面的内容。
　　第一,本论文主要研究对象是0.02mm~1mm的金属薄板。传统超声测厚方法存在测量盲区,无法完成测量工作。
　　因此在传统超声测厚方法的基础上,通过实验分析与验证,应用半波共振法测量该系列金属薄板厚度。半波共振法是共振法测厚理论的延伸应用。可以在较低频率的超声激励下实现对超薄材料的测厚实验。同时,在待测厚度范围内,激励波形频率越高,测量实验结果越准确。
　　本次设计中,使用到的扫频脉冲频率范围在5MHz~15MHz。选用合适的由新型复合材料制造的超声换能器,频率可以满足实验的需求。
　　第二,设计硬件电路采集测厚实验数据。针对5MHz~15MHz的超声信号,选用采样速率为80MSPS的A/D芯片,确保采集信号的完整性。
　　为实现快速高效的信号采集系统,采用FPGA和ARM综合设计。二者各具优势,相互配合,以FPGA为核心处理器,ARM辅助控制A/D采集和以太网通讯。与计算机的数据传输通过RJ45接口和网线来实现。另外,设计了相应的信号接收电路,放大微弱的超声信号,削弱其中掺杂的噪声干扰。信号接收电路中还包括限幅保护电路和偏置电路,确保电路的安全性以及与后续电路的匹配。
　　在硬件电路设计中,还注意到每级电路之间的相互作用。因为同时包含模拟电路与数字电路,而且工作频率较高,在电路设计与PCB绘制过程中,采取适当的措施,将元器件带来的干扰降低。
　　第三,在MATLAB上观察测厚实验数据的时域波形和其傅里叶变换,不能准确确定共振中心频率的位置。因此对比常用的时频分析方法,短时傅里叶变换、小波分析和Wigner-Ville分布后,采用时频聚集性最佳的Wigner-Ville分布处理测厚数据。
　　从时域上可以清晰看到扫描频率随时间的线性变化趋势。同时根据能量值的大小,绘制三维 WV分布图,在其中准确定位最大能量值,即共振中心频率点。由此,可以准确确定中心频率,得到更为准确的结果。
　　最后,通过对不同厚度金属薄片的实验数据进行分析,可以较为准确的得到测量厚度,验证了硬件电路系统以及半波共振法的可行性。而且材料越薄,其绝对误差越小。

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第一章 绪 论

1.1研究背景和意义

1.2超声检测的发展及研究现状

1.3研究内容

第二章 超声测厚理论及方法

2.1超声波检测

2.2超声波测厚

2.3半波共振

2.4本章小结

第三章 基于FPGA与ARM的超声测厚系统

3.1超声换能器模块

3.2信号调理模块

3.3信号采集模块

3.4本章小结

第四章 超声测厚硬件电路设计

4.1信号接收电路

4.2信号采集电路

4.3电源模块

4.4抗干扰设计

4.5实验电路板介绍

4.6本章小结

第五章 基于时频分析技术的精确测厚计算

5.1 PC界面

5.2时频分析

5.3基于WV分布分析数据

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文总结

6.2论文展望

致谢

参考文献

在学期间取得的研究成果