CN117705240B - 一种可实现高精度校准的超声水表工件检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声波换能器技术领域，公开了一种可实现高精度校准的超声水表工件检测系统，包括发送端换能器、接收端换能器、耦合剂、发送与接收电路。圆柱体的发送端、接收端换能器装于待测物下、上方。耦合剂使换能器充分接触待测物。发送与接收电路电连接各换能器。系统校准方法如下：下压接收端换能器，出现大于阈值的接收信号时采存绝对飞行时间与信号幅值；持续下压，绝对飞行时间每减少定值就采存绝对飞行时间与信号幅值；绝对飞行时间减至阈值时停止采集与下压；找到最佳耦合态对应绝对飞行时间，在信号幅值变化率小于阈值的位置开始检测。本发明通过选择换能器与耦合剂组成的系统消除了耦合剂初始涂敷的影响，实现探头高精度校准。
Description
技术领域
本发明涉及超声波换能器技术领域，尤其涉及一种可实现高精度校准的超声水表工件检测系统。
背景技术
超声波在界面的反射率是表征声耦合性能的重要参数，反射率越大，耦合性能越差。对超声波耦合剂而言，界面反射率大小不仅受耦合剂与被测材料之间的声阻抗影响，界面粗糙度和耦合压力也是十分重要的影响因素。耦合剂与被检工件表面直接接触，在压力作用下形成耦合界面。超声波通过界面传入工件实现检测。受界面粗糙度的影响，若所施压力不足以形成理想耦合界面，则界面内将残存少量空气。空气的声阻抗远低于界面声阻抗，将使耦合阻抗严重失配而达不到理想的传声效果，通过控制施加的载荷来控制固态耦合剂的状态，排除掉残留的空气，从而实现良好的耦合，但是初始涂敷的耦合剂厚度很难控制到完全相同，进一步地，即使耦合剂厚度相同，由于不同换能器之间的谐振频率、阻抗相位偏差等因素的影响，也会产生信号强度上的差异。因此设计出一种可实现探头高精度校准的工件监测系统具有非常重要的意义。
发明内容
本发明针对现有超声波固态耦合探头技术中存在的不足，提出了一种可实现高精度校准的超声水表工件检测系统，消除了固态耦合剂初始涂敷对检测精度的影响，可实现探头的高精度校准。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。
一种可实现高精度校准的超声水表工件检测系统，其特征在于，包括发送端超声波换能器、接收端超声波换能器、硅胶固态耦合剂、超声波发送与接收电路4部分。
发送端超声波换能器形状为圆柱体，表面涂敷硅胶固态耦合剂，使用时安装于待测物的下方。
接收端超声波换能器形状为圆柱体，表面涂敷硅胶固态耦合剂，使用时安装于待测物的上方。
硅胶固态耦合剂使超声波换能器与待测物充分接触，采用软硅胶，涂敷厚度为1mm。
超声波发送与接收电路分别与发送端超声波换能器、接收端超声波换能器电连接，用于发送端超声波换能器激励信号的产生、接收端超声波换能器接收信号的处理、绝对飞行时间的计算。
所述工件检测系统的校准方法包括以下步骤。
S1：匀速下压接收端换能器并监控接收信号，在首次出现大于100mV的接收信号时采集并储存对应的绝对飞行时间与接收信号幅值。
S2：持续下压接收端换能器，绝对飞行时间每减少62.5ns就采集并储存一次对应的绝对飞行时间与接收信号幅值。
S3：当绝对飞行时间减小至1000ns时，停止采集与接收端换能器的下压。
S4：对储存的信息进行分析，找到最佳耦合状态所对应的绝对飞行时间，将接收信号幅值变化率小于0.5的位置作为校准后的起始检测位置。
优选地，所述发送端超声波换能器发出的超声波信号穿过发送端超声波换能器硅胶固态耦合剂、待测物、接收端超声波换能器硅胶固态耦合剂到达接收端超声波换能器。
优选地，所述硅胶固态耦合剂的邵氏硬度为25A。
优选地，所述超声波发送与接收电路产生的激励信号频率为2MHz，脉冲数为10；每次检测时，通过超声波发送与接收电路控制发送和接收的超声波信号之间的绝对飞行时间的变化量相同，以保证每次硅胶压缩行程相同，从而使每次检测时施加的机械压力相同，排除掉硅胶固态耦合剂对检测的影响。
优选地，每次检测时均以当前超声波换能器下信号幅值随时间的变化率趋向于稳定时的绝对飞行时间进行计算，以保证每次检测时硅胶下压后的状态都处在最佳的耦合状态。
所述信号幅值随时间的变化率趋向于稳定的标准是在校准后的起始检测位置连续10次接收信号的幅值变化率小于0.5。
本发明的有益效果：通过选择2MHz频率的超声波换能器与硬度为25A、涂敷厚度为1mm的硅胶固态耦合剂组成的系统消除了固态耦合剂初始涂敷对检测精度的影响，可实现探头的高精度校准。
附图说明
图1为本发明的系统主视图。
图2为本发明实施例中接收信号幅值随绝对飞行时间变化的离散曲线。
附图标记：1为发送端超声波换能器，2为接收端超声波换能器，3为硅胶固态耦合剂，4为待测工件，5为超声波发送与接收电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例：如图1所示，一种可实现高精度校准的超声水表工件检测系统，包括接收端超声波换能器2，其作用是接收2MHz的超声波信号，可在垂直方向上上下运动。接收端超声波换能器2受压力向下运动到待测工件4表面时，硅胶固态耦合剂3与待测工件4表面充分接触，并对待测工件4施加向下的压力，该压力使待测工件4与发送端超声波换能器硅胶固态耦合剂3实现充分接触；发送端超声波换能器1，作用是产生2MHz的超声波信号，2MHz属于高频超声波，波长相对较短，反射性能强，具有更高的检测精度。所产生的超声波信号穿过发送端换能器硅胶固态耦合剂、待测工件4、接收端换能器硅胶固态耦合剂到达接收端；硅胶固态耦合剂3，邵氏硬度25A，固化速度快，具备极低的硬度和极好的粘结强度，固化成型后的伸缩性好，可以在受到压力后实现与匹配层之间充分接触。控制涂敷的硅胶厚度为1mm，厚度越大，超声波产生吸收衰减和散射衰减的越多，接收到的声压峰值越小；厚度太小，与匹配层之间的耦合效果差。超声波发送与接收电路5，用来产生发送端超声波换能器1激励信号，激励信号频率为2MHz，脉冲数10个。接收电路对接收到的接收端超声波换能器2的信号进行处理，实现绝对飞行时间的运算，从而实现对施加载荷的控制。
注塑质量检测的原理和过程如下。
S1：通过电信号激励发送端超声波换能器1产生2MHz高频振动，产生超声波信号。
S2：超声波信号经过硅胶固态耦合剂3传播到待测工件4上。
S3：超声波信号遇到由不同的声阻抗介质（气泡）组成的界面时发生散射，使原传播方向上的能量减少，信号强度衰减。
S4：接收端超声波换能器2将接收到的超声波信号转换为电信号后通过超声波发送与接收电路5进行信号处理，通过信号幅值的大小判断待测工件4的注塑质量。
所述换能器固态耦合探头检测时施加载荷的本质是压力改变了硅胶厚度、硅胶与被测物粗糙表面的接触程度，由于待测工件4的厚度是一定的，声速在硅胶和待测工件4中的传播速度是定值，所以声路长度的变化只与硅胶的厚度变化有关。
ΔD=ΔL=（ΔT×V）/2。
其中，ΔD为声路长度的变化量，ΔL为硅胶厚度变化量，ΔT是超声波从发射到接收的绝对飞行时间，V是超声波在物体中的传播的速度。
由于待测工件4的厚度是一定的，声速在硅胶和匹配层中的传播速度是定值，所以声程只与硅胶的厚度有关，硅胶厚度实际上反映了施加载荷的大小。
所述不同的探头初始硅胶的表面粗糙度和内部性质总是存在差异，那么施加载荷的过程中到达最佳耦合状态时的厚度，对应绝对飞行时间不同。下压的过程中，施加载荷逐渐增大，硅胶厚度逐渐减小，绝对飞行时间逐渐减小，信号强度逐渐增大并趋于稳定。为了使每次测量时硅胶下压后的状态都调整到最佳的耦合状态。检测时找到不同探头信号幅值随时间的变化率趋向于稳定时所在的绝对飞行时间T1。
校准步骤如下。
S1：匀速下压接收端超声波换能器2，监控绝对飞行时间与信号强度的变化，从出现信号（>100mV）开始采集。
S2：持续下压上工装，从100mV所在的接收端、发送端超声波换能器之间的绝对飞行时间开始，绝对飞行时间每减少62.5ns采集一次接收换能器信号的幅值，并将下压过程中所有采集到的绝对飞行时间与其对应的信号幅值信息储存。
S3：当绝对飞行时间减小至两个周期（1000ns）后停止采集并停止下压上工装。
S4：将储存的信息进行分析：找到最佳耦合状态所对应的绝对飞行时间，将信号幅值随绝对飞行时间变化离散曲线的曲率小于0.5的位置作为T1。后续的检测从T1开始进行测量，实施例中离散曲线如图2所示。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。
Claims (5)
1.一种可实现高精度校准的超声水表工件检测系统，其特征在于，包括发送端超声波换能器、接收端超声波换能器、硅胶固态耦合剂、超声波发送与接收电路4部分，其中：
发送端超声波换能器形状为圆柱体，表面涂敷硅胶固态耦合剂，使用时安装于待测物的下方；
接收端超声波换能器形状为圆柱体，表面涂敷硅胶固态耦合剂，使用时安装于待测物的上方；
硅胶固态耦合剂使超声波换能器与待测物充分接触，采用软硅胶，涂敷厚度为1mm；
超声波发送与接收电路分别与发送端超声波换能器、接收端超声波换能器电连接，用于发送端超声波换能器激励信号的产生、接收端超声波换能器接收信号的处理、绝对飞行时间的计算；
所述工件检测系统的校准方法包括以下步骤：
S1：匀速下压接收端换能器并监控接收信号，在首次出现大于100mV的接收信号时采集并储存对应的绝对飞行时间与接收信号幅值；
S2：持续下压接收端换能器，绝对飞行时间每减少62.5ns就采集并储存一次对应的绝对飞行时间与接收信号幅值；
S3：当绝对飞行时间减小至1000ns时，停止采集与接收端换能器的下压；
S4：对储存的信息进行分析，找到最佳耦合状态所对应的绝对飞行时间，将接收信号幅值变化率小于0.5的位置作为校准后的起始检测位置。
2.根据权利要求1所述的一种可实现高精度校准的超声水表工件检测系统，其特征在于，所述发送端超声波换能器发出的超声波信号穿过发送端超声波换能器硅胶固态耦合剂、待测物、接收端超声波换能器硅胶固态耦合剂到达接收端超声波换能器。
3.根据权利要求1所述的一种可实现高精度校准的超声水表工件检测系统，其特征在于，所述硅胶固态耦合剂的邵氏硬度为25A。
4.根据权利要求1所述的一种可实现高精度校准的超声水表工件检测系统，其特征在于，所述超声波发送与接收电路产生的激励信号频率为2MHz，脉冲数为10；每次检测时，通过超声波发送与接收电路控制发送和接收的超声波信号之间的绝对飞行时间的变化量相同，以保证每次硅胶压缩行程相同，从而使每次检测时施加的机械压力相同，排除掉硅胶固态耦合剂对检测的影响。
5.根据权利要求1所述的一种可实现高精度校准的超声水表工件检测系统，其特征在于，每次检测时均以当前超声波换能器下信号幅值随时间的变化率趋向于稳定时的绝对飞行时间进行计算，以保证每次检测时硅胶下压后的状态都处在最佳的耦合状态；
所述信号幅值随时间的变化率趋向于稳定的标准是在校准后的起始检测位置连续10次接收信号的幅值变化率小于0.5。
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