基于超声波的管壁厚测量系统

关键词：无损检测，超声波，测厚，小波分析
Ultrasonic - based wall thickness measurement system
Abstract
With the continuous progress of industrial manufacturing technology in recent years, the demand for fine parts parts is growing rapidly. It is used in oil exploration, iron and steel industry, medical industry, transportation industry, aerospace industry, nuclear industry, machinery manufacturing industry, shipbuilding industry, Manufacturing industry and other fields continue to expand. And the industrial accuracy of the thickness of many parts in the case of non-damage is a very important issue. For example, the ship's shell, various types of high-temperature and high-pressure vessels and pipes in the atomic energy industry and other parts, in the application due to erosion will make the wall thickness changes, so regular inspection to prevent accidents is necessary. In the use of oil pipes, due to the erosion of oil, some parts of the pipeline will become very weak, if the accident occurred, the consequences can not imagine.
（3）筛选研究出处理测厚信号的方法
（4）使用MATLAB，导入收集的数据后进行波形分析，根据推导出的公式和有关参数计算管壁厚度并与实际测量的厚度进行比较，进行误差分析。
2超声波测厚原理及算法
2.1超声波测厚的原理
2.1.1超声波的特性
超声波是一种频率高于两万赫兹的声波，它的产生是由于机械振动。振动是指物体在某特定范围的位置附近的反复运动，振动是波动产生的源泉，波动是振动的传播过程。因而只有高频率的机械振动作为生源配合弹性介质才能产生超声波并传播出去。超声波的传播包括两个方面，一方面是能量的传播，另一方面是振动状态的传播。超声波还具有很多的特性，正是因为这些特性才使得超声波被广泛应用于无损检测等领域，具体特性如下：
In this paper, ultrasonic damage detection method with precise positioning and high sensitivity is adopted, and wavelet transform is used in the study of wall thickness measurement. The main tasks are as follows:
KeyWords：Nondestructive testing，Ultrasonic，Measure the thickness，Wavelet transform
1绪论
1.1本课题的研究背景及意义
1.1.1超声波检测技术的背景
近几年来由于无损检测技术的不断发展使得超声高频反射技术已经引起了各行各业的广泛关注。因为超声波能够穿透非常多的部件，所以可以运用超声波检测技术让这些部件内部构造的特征轻易呈现。超声检测技术其实就是把无形的东西转换成可以识别的图形，进而使部件内部的结构特征信息能够让人们通过图形观察出来。
（1）在液体和固体介质中可以传输相当长的距离（虽然它在气体中衰减很快）；
（2）超声波能量的主要部分在传输时有明确的方向性；
（3）一般，超声波在一定介质中传输时速度不变；
（4）超声波传输通过不同材料界面时，可能会改变其振动模式。
2.1.2超声波的反射、透射和折射特性
超声波的方向性很强，在传播的过程中碰到物体会发生折射和反射现象。恰恰是超声波的这个特性才让他广泛应用于无损检测当中。所以为了能够搞清楚超声波测量厚度的原理，首先应该掌握它的折射、反射和透射性质。
超声波检测的方法目前有许多，主要是通过判断不同的检测材质来选择合适的方法，主要分为穿透法、脉冲反射法和反射板法。除了上述所说的方法，还出现了很多新技术也开始被广泛使用，例如：ALOK成像技术也叫作振幅传输时间轨迹法，颜色效应的液晶显示超声全息法等等，这些方法都可以应用在管壁厚测量中。
虽然方法多种多样，但是无论哪一种方法都是对被测物体进行某种形式的信号作用，然后对回波信号进行分析处理来确定被测物体的各种信息，最重要的步骤就是采集回波信号并进行处理分析。带有被物体特征信息的返回信号波形与众多因素都有关系，最显著的就是波形的大小形状，除外还有实验硬件的影响，例如：耦合剂的性质、换能器的条件与性质、换能器的所处位置等等。所以想直接提取特征信息是十分困难的。随着科技的发展，小波变换、视频变换等技术与新概念的推广和应用，超声检测中对信号的处理也有了无限的可能。
1.2论文的主要任务
研究基于超声波对于管壁厚测量的具体方法，推导出用于计算的公式。进行相关实验操作，测量管壁厚度信息，运用仿真软件对试验所的信号进行处理分析，通过推导出的公式计算厚度并与实际测量的厚度进行比较。基本要求如下：
（1）研究超声波测量管壁厚度的具体措施；
（2）进行具体实验，完成管壁厚信号的收集；
（2）超声波的Leabharlann 射特性超声波在传输过程中非垂直角度射入不同介质分界处时则会发生反射和折射现象，如果第二种介质是固体，则透射波会进行波形变换，分离出折射横波和折射纵波。如图2.1所示，T代表横波，L代表纵波， 代表横波折射角， 代表纵波折射角， 代表纵波反射角， 代表横波反射角， 为纵波入射角。如图2.2。超声波的入射角和折射角满足式（2.1）关系：
The ultrasonic testing technology is researched and explored. Through the experiment of small diameter pipe and the principle of pulse reflection type ultrasonic detection, the specific method of measurement is analyzed and the formula of thickness calculation is deduced. The frequency distribution of the echo signal was determined by using the Matlab7.0 software. The multi-resolution analysis and wavelet singularity detection of the echo signal were carried out by using the wavelet function and wavelet decomposition layer. The signal is calculated to calculate the thickness. Experiments show that the measurement results are consistent with the actual.
超声波是频率 KHz以上的声波，超声波的方向性非常好，波长 比大部分声波短，且能穿透非常多的物质，且在相同均匀介质中的波速是常数。但是在不同介质间传播时分界处会造成反射。正是由于这些特性，超声波被广泛运用于厚度测量、金属损坏检测、距离测量、内腔尺寸测量，并在无损检测与评价、航空业、钢铁铸造业、造船业、运输业、医学诊断等行业发挥着极其重要的作用。超声检测不仅费用低、操作简单而且对人体无害。因而，超声检测技术在世界各国都有广泛应用并且很快发展成为了常规检测技术之一。
对于超声检测技术的研究开始于近代，最早能够追溯到上世纪20年代。前苏联著名科学家萨卡洛夫（S.J.Sokolov）可以称得上是超声检测技术的奠基人，正是由于他世最早做出了非常多的创新与探索，才为超声技术的发展创造了非常好的开端。之后由于混乱的社会因素，超声检测技术一直没有好的发展机会。从上世纪60年代末开始，计算机科学技术以及信号与信息处理技术迎来了一个飞度发展的时期，超声检测技术也进入了黄金发展期。上世纪70年代开始又经过无数科学家的努力又逐渐出现了很多可靠和优良的方法，特别是在医学诊断领域打开了新世界的大门开始担任重要角色，并且在工业材料检测中的应用也开始萌芽。
（1）超声波的反射和透射特性
当超声波在传输过程中垂直射入物质分界面时，会有一部分直接穿透平面继续沿原路线传播，剩下的部分则被反射回去，这就是超声波的反射和透射特性。如图2.1所示。
图2.1声波在平面界面上垂直入射时的反射和透射情况
反射系数决定了反射部分的声强相对大小，透射系数决定了透射部分的声强相对大小。这两个系数共同决定了耦合程度的好坏，透射系数无限接近1的同时反射系数无限接近0时则认为耦合程度好，反过来耦合程度差。例如某种非气体介质在与气体介质相接触时，反射系数几乎为1但是透射系数却几乎为0；通常情况下两种固体物质相接触，其间还会夹杂着一层气体，除非做到了光学精度接触面处理的极其光滑，所以透射系数还是非常接近0。这时就需要运用耦合剂来处理这种情况，使得固体物质间的声波传输能够更为精准[3]。