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独创性声明
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作者签名: 导师签名:
日期: 年 月 日
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摘要
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
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摘要
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。
关键词:超声测厚、半波共振、超薄材料、时频分析
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ABSTRACT
ABSTRACT
Because of their own limitations of the conventional thickness measurement methods, it is difficult to measure the thickness of the ultra-thin metal material that less than 0.1mm accurately. So these methods can’t be able to meet the requirements of modern industry for nondestructive testing, like high reliability, high precision and high efficiency and so on. With the developm
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