CN115561316A - 一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测方法和装置，包括：采用一发一收或一发双收的形式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面，超声接收探头接收超声信号；处理超声信号在不改变超声探头收发形式的条件下同时测量应力和材料厚度。通过此发明解决现有超声应力和超声厚度检测分别采用不同的超声探头形式、无法同时进行测量只能分别操作的问题。

Description

一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声检测方法和装置

技术领域

本发明属于无损超声技术检测领域，具体涉及一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测方法和装置。

背景技术

压力容器和管道广泛应用于现代工业中，随着金属材料使用年限的逐年增长，管道和压力容器会进入一个事故多发阶段，需要测量和监控材料的压力值以及材料使用过程中的减薄程度即需要测量厚度，从而保证其有效而安全的运行。目前所采用的方法是采用超声应力仪以声弹性理论为基础，采用一发一收的探头测量超声临界折射纵波来临的时间的变化进而计算出材料表面的应力大小；测量厚度是采用测厚仪利用收发一体的探头垂直于材料表面发射超声波到达底面时反射回原超声探头，通过测量超声波从发射到接收的传播时间，传播时间与声速乘积的一半就是被测材料的厚度。但是，分别采用测厚仪和超声应力仪对厚度和应力测量，需要使用不同设备和探头，操作麻烦、过程繁琐，效率低下，无法同时检测，野外一些特殊地方甚至需要爬上爬上来回检测，影响体验。另外测厚探头所用收发一体式探头现场检测时通常为手持，固定稳定性差导致测厚精度低，其测厚精度最高只有0.01mm。

为克服超声测厚与超声测应力需要采用不同的设备问题，通过程序开发可以将超声应力采集设备和超声测厚仪器集成，一台设备同时具备超声应力采集功能也具备超声测厚功能；然而，超声应力检测是将超声发射探头和超声接收探头采用一发一收倾斜入射材料并接收超声信号进行处理，超声测厚是采用单个收发一体的超声探头垂直入射材料依靠垂直反射的底面回波信号进行处理。虽然采用一台设备可以集了超声应力与超声测厚功能，但是超声应力采用一发一收倾斜入射的形式，超声测厚采用的仍然是收发一体的超声探头对垂直入射的形式，因此两种不同超声探头的形式导致检测时仍然需要重新更换连接不同超声探头、重新设置设备参数，重复操作检测、仍然无法便捷的同时测量超声应力和厚度，而且测厚仍然是采用手持收发一体探头其精度不准的问题仍然无法改善。

针对现有技术中即使超声检测设备集成了测厚与测应力功能，由于两者测试原理不同、超声探头收发形式不同，测量超声应力和测量厚度仍然无法同时进行测量，需要重新更换连接不同的超声探头形式、使用不同的参数设置、只能单独对超声应力、超声测厚分别进行操作，而且超声测量厚度精度不够准确，目前尚未提出有效的解决方案.

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测方法和装置，为了实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测方法，包括：采用一发一收或一发双收的形式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面，超声接收探头接收超声信号；处理超声信号在不改变超声探头收发形式的条件下同时测量应力和材料厚度。

进一步地，超声发射探头和超声接收探头以特定的角度固定在连接件上，使其与材料表面角度为θ，保证超声波的倾斜入射角≤第一临界角，入射角度：0<θ<45°。

进一步地，实施一发一收形式时，连接件上有与底面成θ角的斜面，垂直斜面有安装超声发射探头和超声接收探头的螺纹孔道，分别将超声发射探头和接收探头固定到连接件上，连接件上还设置有磁铁，涂上耦合剂后，固定或吸附在工件材料的表面；图1所示为一发一收形式下超声发射探头和超声接收探头连接示意图；实施一发双收的形式时，连接件除包括两个对称的与底面成θ角的斜面以及垂直斜面有安装超声发射探头和超声接收探头的螺纹孔道之外，在超声接收探头一侧还多设置了一个与底面成θ角的斜面以及垂直斜面设置有安装第二个超声接收探头的螺纹孔道，分别将超声发射探头和连个超声接收探头固定到连接件上，连接件上还设置有磁铁，涂上耦合剂后，固定或吸附在工件材料的表面；图2所示为一发双收形式下超声发射探头和超声接收探头连接示意图。

进一步地，所述超声发射探头接收超声波发射电路发射的脉冲激励波形产生超声波，产生的超声波从有机玻璃入射到材料表面，符合Snell定律；超声波以倾斜入射角θ入射到厚度为H的工件表面，产生临界折射纵波（LCR）后向介质底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声波信号回先后被同样角度的超声波接收探头接收，并通过连接的超声采集模块对超声信号进行采集；如果是一发双收形式，则先后被第一和第二超声接收探头接收，图3所示为一发一收形式下超声波信号在材料中所经历的路程示意图，图4所示为一发一收形式下超声波信号中的临界折射纵波及底面反射波示意图。

进一步地，上述超声测量厚度处理超声信号的方法包括：确定采集的超声信号中 临界折射纵波信号来临时的时间T0和第n个底面反射的表面波信号来临时的时间Tn，将T0、 Tn代入超声测厚公式：

，测出材料的厚度，其中，H为工件材料的厚 度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波在介质中的传播速度，n（n=1，2，3，4...）为测量所 选用的超声波入射材料后与底面的第n次反射回上表面产生的表面波序号；上述公式中， Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别。

其中，上述超声测厚公式根据三角函数规律可变换为：

。

上述测厚公式在已知工件材料准确厚度H的条件下可以变化测出超声波在介质中 精确的传播速度:

。

进一步地，上述超声探头一发一收倾斜入射形式下超声测量应力处理超声信号的 方法包括：确定无应力标定时临界折射纵波对应的T0'与有应力测试时临界折射纵波对应 的T0之间的差值△T0= T0' -T0，将△T0代入超声应力公式：

，求出应力值， 其中K为声时差系数，可由标定不同应力与声时差对应的斜率获得。

进一步地，上述超声探头一发双收倾斜入射检测超声应力处理超声信号的方法包 括：确定无应力标定时第二超声接收探头接收的超声信号中的临界折射纵波与第一超声接 收探头接收的超声信号中的临界折射纵波之间的差值作为标定初始值T0'；确定有应力测 试时第二超声接收探头的超声信号中的临界折射纵波与第一超声探头的超声信号中的临 界折射纵波之间的差值作为测试值T0；一发双收测量应力时确定无应力标定时临界折射纵 波对应的T0'与有应力测试时临界折射纵波对应的T0之间的差值△T0= T0' -T0，将△T0代 入超声应力公式：

，求出应力值，其中K为声时差系数，可由标定不同应力与 声时差对应的斜率获得。

进一步地，处理超声信号中确定临界折射纵波和/或底面反射的表面波来临时间的方法包括：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制方法分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制方法包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度超过闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间；如图5所示为竖直游标选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图，图6所示为方框选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图。

通过上述方法可以单独进行工件材料厚度的测量，可以不改变超声探头收发形式的条件下分别测量应力和材料的厚度， 也可以不改变超声探头收发形式的条件下同时进行材料应力和厚度的测量。上述不改变超声探头收发形式是指保持超声测厚与超声应力相同的探头收发和位置保持的形式。

进一步可以通过重复采集取平均的方式提高应力和厚度测量的精确性，所述重复采集既包括重复采集超声信号取平均再求应力和厚度测量，也包括多次重复测定应力和厚度后取平均。

进一步地，确定测试时与无应力标定时LCR波来临时对应的时间差值△T0，可以将无应力标定时LCR波与测试时LCR波置于同一图形内，利用水平移动游标作为阀门阈值，当波形数值超出阈值范围则认为是LCR波来临时的时间，两个波形的差值即为△T0。

为了实现上述目的，根据本发明实施例的另一方面，提供了一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测装置。根据本发明提供一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测装置包括：屏幕；超声探头模块，采用一发一收或一发双收的形式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；超声发射模块，用于连接超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面；超声接收模块，用于连接超声接收探头接收超声信号；信号处理模块，用于处理超声信号在不改变超声探头收发形式的条件下同时测量应力和材料厚度。

进一步地，超声发射探头和超声接收探头以特定的角度固定在连接件上，使其与材料表面角度为θ，保证超声波的倾斜入射角≤第一临界角，入射角度：0<θ<45°。

进一步地，实施一发一收形式时，连接件上有与底面成θ角的斜面，垂直斜面有安装超声发射探头和超声接收探头的螺纹孔道，分别将超声发射探头和接收探头固定到连接件上，连接件上还设置有磁铁，涂上耦合剂后，固定或吸附在工件材料的表面；如图1所示为一发一收形式下超声发射探头和超声接收探头连接示意图；实施一发双收的形式时，连接件除包括两个对称的与底面成θ角的斜面以及垂直斜面有安装超声发射探头和超声接收探头的螺纹孔道之外，在超声接收探头一侧还多设置了一个与底面成θ角的斜面以及垂直斜面设置有安装第二个超声接收探头的螺纹孔道，分别将超声发射探头和连个超声接收探头固定到连接件上，连接件上还设置有磁铁，涂上耦合剂后，固定或吸附在工件材料的表面；图2所示为一发双收形式下超声发射探头和超声接收探头连接示意图。

进一步地，所述超声发射探头接收超声波发射电路发射的脉冲激励波形产生超声波，产生的超声波从有机玻璃入射到材料表面，符合Snell定律；超声波以倾斜入射角θ入射到厚度为H的工件表面，产生临界折射纵波（LCR）后向介质底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声波信号回先后被同样角度的超声波接收探头接收，并通过连接的超声采集模块对超声信号进行采集；如果是一发双收形式，则先后被第一和第二超声接收探头接收，图3所示为一发一收形式下超声波信号在材料中所经历的路程示意图，图4所示为一发一收形式下超声波信号中的临界折射纵波及底面反射波示意图。

进一步地，上述一发一收或一发双收倾斜入射形式下超声测量厚度处理超声信号 的模块包括：确定采集的超声信号中临界折射纵波信号来临时的时间T0和第n个底面反射 的表面波信号来临时的时间Tn，将T0、Tn代入超声测厚公式：

，测出 材料的厚度；其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波在介质中的 传播速度，n（n=1，2，3，4...）为测量所选用的超声波入射材料后与底面的第n次反射回上表 面产生的表面波序号；上述公式中，Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级 别。

其中，上述超声测厚公式根据三角函数规律可变换为：

。

上述测厚公式在已知工件材料准确厚度H的条件下可以变化测出超声波在介质中 精确的传播速度:

。

进一步地，上述超声探头一发一收倾斜入射形式下超声测量应力处理超声信号的模块包括：确定无应力标定时临界折射纵波对应的T0'与有应力测试时临界折射纵波对应的T0之间的差值△T0= T0' -T0，将△T0代入超声应力公式：

，求出应力值，其中K为声时差系数，可由标定不同应力与声时差对应的斜率获得。

进一步地，上述超声探头一发双收倾斜入射检测超声应力处理超声信号的模块包括：确定无应力标定时第二超声接收探头接收的超声信号中的临界折射纵波与第一超声接收探头接收的超声信号中的临界折射纵波之间的差值作为标定初始值T0'；确定有应力测试时第二超声接收探头的超声信号中的临界折射纵波与第一超声探头的超声信号中的临界折射纵波之间的差值作为测试值T0；一发双收测量应力时确定无应力标定时临界折射纵波对应的T0'与有应力测试时临界折射纵波对应的T0之间的差值△T0= T0' -T0，将△T0代入超声应力公式：

，求出应力值，其中K为声时差系数，可由标定不同应力与声时差对应的斜率获得。

进一步地，所述处理超声信号模块中确定临界折射纵波或底面发射的表面波来临时间的模块包括：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制模块分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制模块包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度大于闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间；如图5所示为竖直游标选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图，图6所示为方框选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图。

通过上述模块可以单独进行工件材料厚度的测量，也可以不改变超声探头收发形式的条件下分别测量应力和材料的厚度， 也可以不改变超声探头收发形式的条件下同时进行材料应力和厚度的测量。上述不改变超声探头收发形式是指保持超声测厚与超声应力相同的探头收发和位置保持的形式。

进一步可以通过重复采集取平均的功能模块提高应力和厚度测量的精确性，所述重复采集既包括重复采集超声信号取平均再求应力和厚度测量，也包括多次重复测定应力和厚度后取平均。

进一步地，确定测试时与无应力标定时LCR波来临时对应的时间差值△T0的功能模块，可以将无应力标定时LCR波与测试时LCR波置于同一图形内，利用水平移动游标作为阀门阈值，当波形数值超出阈值范围则认为是LCR波来临时的时间，两个波形的差值即为△T0。

相对于目前收发一体垂直入射材料表面的超声测厚方法，本发明还提供了一种全新的一发一收倾斜入射测量材料厚度的方法，包括：采用一发一收的形式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面，超声接收探头接收超声信号；处理超声信号测量材料的厚度。

超声发射探头和超声接收探头以特定的角度固定在连接件上，使其与材料表面角度为θ，保证超声波的倾斜入射角≤第一临界角，入射角度：0<θ<45°；连接件上有与底面成θ角的斜面，垂直斜面有安装超声发射探头和超声接收探头的螺纹孔道，分别将超声发射探头和接收探头固定到连接件上，连接件上还设置有磁铁，涂上耦合剂后，固定或吸附在工件材料的表面。

进一步地，上述超声发射探头接收超声波发射电路发射的脉冲激励波形产生超声波，产生的超声波从有机玻璃入射到材料表面，符合Snell定律；超声波以倾斜入射角θ入射到厚度为H的工件表面，产生临界折射纵波（LCR）后向介质底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声回波信号回先后被同样角度的超声波接收探头接收，并通过连接的超声采集模块对超声信号进行采集；图3所示为一发一收形式下超声波信号在材料中所经历的路程示意图。

进一步地，上述超声测量厚度处理超声信号的方法，包括：确定采集的超声信号中 临界折射纵波信号来临时的时间T0和第n个底面反射的表面波信号来临时的时间Tn，将T0、 Tn代入超声测厚公式：

，测出材料的厚度，其中，H为工件材料的厚 度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波在介质中的传播速度，n（n=1，2，3，4...）为测量所 选用的超声波入射材料后与底面的第n次反射回上表面产生的表面波序号；上述公式中， Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别。

其中，上述超声测厚公式根据三角函数规律可变换为：

。

上述测厚公式在已知工件材料准确厚度H的条件下可以变化测出超声波在介质中 精确的传播速度:

。

进一步地，处理超声信号中确定临界折射纵波或底面反射的表面波来临时间的方法包括：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制方法分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制方法包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度大于闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间；如图5所示为竖直游标选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图，图6所示为方框选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图。

进一步可以通过重复采集取平均的方式提高应力和厚度测量的精确性，所述重复采集既包括重复采集超声信号取平均再求应力和厚度测量，也包括多次重复测定应力和厚度后取平均。

为了实现上述目的，本发明还公开了一种相对于收发一体的单个超声探头垂直入射材料表面进行超声测厚装置完全不同的超声测厚装置。

本发明提供了一种全新的一发一收倾斜入射测量材料厚度的装置，包括：屏幕；超声探头模块，采用一发一收或一发双收的形式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；超声发射模块，用于连接超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面；超声接收模块，用于连接超声接收探头接收超声信号；信号处理模块，用于处理超声信号在不改变超声探头收发形式的条件下同时测量应力和材料厚度。

超声探头模块中超声发射探头和超声接收探头以特定的角度固定在连接件上，使其与材料表面角度为θ，保证超声波的倾斜入射角≤第一临界角，入射角度：0<θ<45°；上述连接件上有与底面成θ角的斜面，垂直斜面有安装超声发射探头和超声接收探头的螺纹孔道，分别将超声发射探头和接收探头固定到连接件上，连接件上还设置有磁铁，涂上耦合剂后，固定或吸附在工件材料的表面。

进一步地，上述超声发射探头接收超声波发射电路发射的脉冲激励波形产生超声波，产生的超声波从有机玻璃入射到材料表面，符合Snell定律；超声波以倾斜入射角θ入射到厚度为H的工件表面，产生临界折射纵波（LCR）后向介质底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声回波信号回先后被同样角度的超声波接收探头接收，并通过连接的超声采集模块对超声信号进行采集；图3所示为一发一收形式下超声波信号在材料中所经历的路程示意图。

进一步地，上述一发一收或一发双收倾斜入射形式下超声测量厚度装置中处理超 声信号模块功能包括：确定临界折射纵波信号来临时的时间T0和第n个底面反射的表面波 信号来临时的时间Tn，将T0、Tn代入超声测厚公式：

，测出材料的厚 度，上述超声测厚公式根据三角函数规律可变换为：

。

上述测厚模块在已知工件材料准确厚度H的条件下可以变化测出超声波在介质中 精确的传播速度:

。

其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波传播速度，n（n=1，2，3，4...）为超声波入射材料表面产生临界折射纵波后与底面多次反射回上表面产生的表面波的序号；上述模块中，Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别。

进一步地，上述处理超声信号模块中确定临界折射纵波或底面发射的表面波来临时间的模块包括：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制模块分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制模块包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度大于闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间；如图5所示为竖直游标选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图，图6所示为方框选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图。

进一步可以通过重复采集取平均的方式提高厚度测量的精确性，所述重复采集既包括重复采集超声信号取平均再求厚度测量，也包括多次重复测定厚度后取平均。

本发明同时还提供了一种一发一收形式下超声倾斜入射测量材料厚度的公式，其 特征在于：

；式中，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波传播速度， n（n=1，2，3，4...）为所选择的超声波入射材料后与底面反射回上表面产生的第n个表面波 的序号；式子可根据三角函数规律可变换为：

。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1所示为一发一收形式下超声发射探头和超声接收探头连接示意图。

图2所示为一发双收形式下超声发射探头和超声接收探头连接示意图。

图3所示为一发一收形式下超声波信号在材料中所经历的路程示意图。

图4所示为一发一收形式下超声波信号中的临界折射纵波及底面反射波示意图。

图5所示为竖直游标选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图。

图6所示为方框选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第

二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用

的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例提供了一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测方法，包括：采用一发一收或一发双收的形式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面，超声接收探头接收超声信号；处理超声信号在不改变超声探头收发形式的条件下同时测量应力和材料厚度。

超声发射探头和超声接收探头以特定的角度固定在连接件上，使其与材料表面角度为θ，其满足Snell定律，保证超声波的倾斜入射角≤第一临界角，入射角度：0<θ<45°。

实施一发一收的形式时，连接件包括两个对称的与底面成θ角的斜面，垂直斜面有安装超声发射探头和超声接收探头的螺纹孔道，分别将超声发射探头和接收探头固定到连接件上，连接件上还设置有磁铁，涂上耦合剂后，固定或吸附在工件材料的表面；超声波发射电路发射脉冲波形，经过激励后由超声发射探头产生超声波；产生的超声波从有机玻璃入射到材料表面，符合Snell定律；超声波以倾斜入射角θ入射到厚度为H的工件表面，产生临界折射纵波（LCR）后向介质底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声回波信号回先后被同样角度的超声波接收探头接收，并通过连接的超声采集模块对超声信号进行采集；图1所示为一发一收形式下超声发射探头和超声接收探头连接示意图，图4所示为一发一收形式下超声波信号中的临界折射纵波及底面反射波示意图。

目前现有超声测厚方法和设备都是采用收发一体的单个超声探头垂直入射材料表面，通过计时底面回波信号的时间，计算底面回波信号与超声声速的乘积的一半就是工件材料的厚度。目前公开资料当中还没有查到一发一收倾斜入射形式的超声测厚的相关原理和方法介绍。

本发明提供了一种全新的一发一收倾斜入射形式下超声测量厚度处理超声信号 的方法，包括：确定临界折射纵波信号来临时的时间T0和第n个底面反射的表面波信号来临 时的时间Tn，将T0、Tn代入超声测厚公式：

，根据三角函数规律可 变换为：

。

上述测厚公式在已知工件材料准确厚度H的条件下可以变化测出超声波在介质中 精确的传播速度:

。

其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波传播速度，n（n=1，2，3，4...）为超声波入射材料表面产生临界折射纵波后与底面多次反射回上表面产生的表面波的序号；上述公式中，Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别。

超声测量应力处理超声信号的方法包括：确定无应力标定时临界折射纵波与有应 力测试时临界折射纵波对应的T0之间的差值△T0，将△T0代入超声应力公式：

，求出应力值，其中K为声时差系数，可由标定不同应力与声时差对应的斜 率获得。

处理超声信号中确定临界折射纵波或底面反射的表面波来临时间的方法包括：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制方法分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制方法包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度大于闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间；如图5所示为竖直游标选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图，图6所示为方框选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图。

例如测试时，采用两对可移动的竖直游标线，第一组游标线选中临界折射纵波所 在的波形数据段，第二组游标线选中第1个底面反射的表面波数据段，超声波在工件材料内 经历了一个“V”型的历程，此时n=1，采用峰值比例闸门分别确定第一组游标线选中的LCR波 以及第二组游标线选中的底面发射的表面波RSW1波形来临对应的时间T0，T1，将其代入超 声测厚公式

，求出H；若第二组游标选中第二个底面反射的表 面波数据段，超声波在工件材料内经历了两个“V”型的历程，此时n=2，将其代入超声测厚公 式

，求出H；将测试时第一组LCR波来临时对应的T0与无应力标定 时LCR波来临时对应的T0之间的差值△T0，代入超声应力公式：

，求出应力 值，其中K为声时差系数，可由标定不同应力与声时差对应的斜率获得。

通过上述方法可以单独进行工件材料厚度的测量，可以不改变超声探头收发形式的条件下分别测量应力和材料的厚度， 也可以不改变超声探头收发形式的条件下同时进行材料应力和厚度的测量。

进一步可以通过重复采集取平均的方式提高应力和厚度测量的精确性，所述重复采集既包括重复采集超声信号取平均再求应力和厚度测量，也包括多次重复测定应力和厚度后取平均。

上述不改变超声探头收发形式是指保持超声测厚与超声应力相同的探头收发和位置保持的形式。

上述确定测试时与无应力标定时LCR波来临时对应的时间差值△T0，可以将无应力标定时LCR波与测试时LCR波置于同一图形内，利用水平移动游标作为阀门阈值，当波形数值超出阈值范围则认为是LCR波来临时的时间，两个波形的差值即为△T0。

进一步的实施举例测厚和测应力，超声收发探头采用5MHZ，连接件斜面的角度都保持与底面25°，采用2GHz采集板卡采集超声信号，分别确定采集的超声信号的LCR波与RSW1波来临时的时间T0、T1，V取超声在钢中的纵波传播速度，将其代入上述测厚公式求出材料厚度；同时确定上述测试时的T0值与无应力标定时的T0之间的差值△T0，以及标定的K声时差系数值，代入上述超声应力公式，求出应力值。

进一步的实施举例采用标准厚度工件对超声传播速度进行标定，一发一收形式下超声收发探头采用5MHZ，连接件斜面的角度都保持与底面25°，采用2GHz采集板卡采集超声信号，确定采集的超声信号的LCR波与RSW1波的时间T1-T0，代入上述测厚公式转化的测声速公式，求出超声在工件材料中的纵波传播速度。

本发明实施一发双收的形式时，连接件除包括两个对称的与底面成θ角的斜面以及垂直斜面有安装超声发射探头和超声接收探头的螺纹孔道之外，在超声接收探头一侧还多设置了一个与底面成θ角的斜面以及垂直斜面设置有安装第二个超声接收探头的螺纹孔道，分别将超声发射探头和连个超声接收探头固定到连接件上，连接件上还设置有磁铁，涂上耦合剂后，固定或吸附在工件材料的表面；图2所示为一发双收形式下超声发射探头和超声接收探头连接示意图。

超声波发射电路发射脉冲波形，经过激励后由超声发射探头产生超声波；产生的超声波从有机玻璃入射到材料表面，符合Snell定律；超声波以倾斜入射角θ入射到厚度为H的工件表面，产生临界折射纵波（LCR）后向介质底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声回波信号回先后被同样角度的两个超声波接收探头分别接收到，并通过连接的两通道超声采集模块对超声信号进行采集；两者的区别是第一个超声接收探头连接的第一个通道的超声波信号提前接收到临界折射纵波和后续的多个底面发射波产生的表面波信号，第二个超声接收探头连接的第二个通道接收超声信号有所延后，其临界折射纵波和后续的多个底面反射波产生的表面波信号都比第一通道时间晚。

针对两通道中任意一个通道接收的超声信号中的临界折射纵波和底面反射的表面波信号对应的来临时的时间进行确定，采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制方法分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制方法包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度大于闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间。

在上述一发双收形式下确定临界折射纵波信号来临时的时间T0和第n个底面发射 的表面波信号来临时的时间Tn，将T0、Tn代入超声测厚公式：

，根 据三角函数规律可变换为：

。

上述测厚公式在已知工件材料准确厚度H的条件下可以变化测出超声波在介质中 精确的传播速度:

。

其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波传播速度，n（n=1，2，3，4...）为超声波入射材料表面产生临界折射纵波后与底面多次反射回上表面产生的表面波的序号；上述公式中，Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别。

针对一发双收检测的超声测量应力处理超声信号的方法包括：确定无应力标定时 第二超声接收探头的超声信号中的临界折射纵波与第一超声探头的超声信号中的临界折 射纵波之间的差值作为标定初始值T0；确定有应力测试时第二超声接收探头的超声信号中 的临界折射纵波与第一超声探头的超声信号中的临界折射纵波之间的差值作为测试值T0； 一发双收测量应力时临界折射纵波对应的测试值T0与标定初始值T0之间的差值△T0，将△ T0代入超声应力公式：

，求出应力值，其中K为声时差系数，可由标定不同应 力与声时差对应的斜率获得。

通过上述方法可以单独进行工件材料厚度的测量，可以不改变超声探头收发形式的条件下分别测量应力和材料的厚度， 也可以不改变超声探头收发形式的条件下同时进行材料应力和厚度的测量。

进一步可以通过重复采集取平均的方式提高应力和厚度测量的精确性，所述重复采集既包括重复采集超声信号取平均再求应力和厚度测量，也包括多次重复测定应力和厚度后取平均。

上述不改变超声探头收发形式是指保持超声测厚与超声应力相同的探头收发和位置保持的形式。

上述确定一发双收测量应力时临界折射纵波对应的测试值T0与标定初始值T0之间的差值△T0包括：将无应力标定时第一通道的超声信号与第二通道的超声信号置于同一图形或置于两个图形分别显示，利用一个或两个水平移动游标作为阀门阈值，分别确定当临界折射纵波的波形数值超出阈值范围则认为是LCR波来临时的时间，两个波形的差值即为标定初始值T0；测试时将第一通道的超声信号与第二通道的超声信号置于同一图形或置于两个图形分别显示，利用一个或两个水平移动游标作为阀门阈值，分别确定当临界折射纵波的波形数值超出阈值范围则认为是LCR波来临时的时间，两个波形的差值即为测试值T0。

进一步的实施举例测厚和测应力，超声收发探头采用5MHZ，连接件斜面的角度都 保持与底面25°，采用2GHz采集板卡采集超声信号，确定其中一个通道采集的超声信号的 LCR波与RSW2波的时间T2-T0，n取2，V取超声在钢中的纵波传播速度，将其代入上述测厚公 式求出材料厚度；一发双收测量应力时两个通道超声信号的临界折射纵波之间的差值测试 值T0与标定时两个通道超声信号的临界折射纵波之间的差值初始值T0之间的差值△T0（测 试值T0-初始值T0），将△T0代入超声应力公式：

，求出应力值，其中K为声时 差系数，可由标定不同应力与声时差对应的斜率获得。

进一步的实施举例采用标准厚度工件对超声传播速度进行标定，一发一收形式下超声收发探头采用5MHZ，连接件斜面的角度都保持与底面25°，采用2GHz采集板卡采集超声信号，确定采集的超声信号的LCR波与RSW2波的时间T2-T0，取n=2，代入上述测厚公式转化的测声速公式，求出超声在工件材料中精确的纵波传播速度。

为了实现上述目的，根据本发明实施例的另一方面，提供了一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测装置，根据本发明处理超声信号中波形数据的装置包括：屏幕；

超声探头模块，采用一发一收或一发双收的形式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；超声发射模块，用于连接超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面；超声接收模块，用于连接超声接收探头接收超声信号；信号处理模块，用于处理超声信号在不改变超声探头收发形式的条件下同时测量应力和材料厚度。

超声发射探头和超声接收探头以特定的角度固定在连接件上，使其与材料表面角度为θ，保证超声波的倾斜入射角≤第一临界角，入射角度：0<θ<45°。

实施一发一收的超声探头模块形式时，连接件包括两个对称的与底面成θ角的斜面，垂直斜面有安装超声发射探头和超声接收探头的螺纹孔道，分别将超声发射探头和接收探头固定到连接件上，连接件上还设置有磁铁，涂上耦合剂后，固定或吸附在工件材料的表面；超声波发射模块发射脉冲波形，经过激励后由超声发射探头产生超声波；产生的超声波从有机玻璃入射到材料表面，符合Snell定律；超声波以倾斜入射角θ入射到厚度为H的工件表面，产生临界折射纵波（LCR）后向介质底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声回波信号回先后被同样角度的超声波接收探头接收，并通过连接的超声采集模块对超声信号进行采集；如图1所示为一发一收形式下超声发射探头和超声接收探头连接示意图。

目前现有的超声测厚方法和设备都是采用收发一体的单个超声探头垂直入射材料表面，通过计时底面回波信号的时间，计算底面回波信号与超声声速的乘积的一半就是工件材料的厚度。

目前公开资料当中还没有查到一发一收倾斜入射形式超声探头模块的超声测厚 的相关方法和设备介绍。本发明提供了一种全新的一发一收倾斜入射超声探头模块形式下 超声测量厚度处理超声信号的模块，包括：确定临界折射纵波信号来临时的时间T0和第n个 底面反射的表面波信号来临时的时间Tn，将T0、Tn代入超声测厚公式：

，根据三角函数规律可变换为：

。

上述测厚公式在已知工件材料准确厚度H的条件下可以变化测出超声波在介质中 精确的传播速度:

。

其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波传播速度，n（n=1，2，3，4...）为超声波入射材料表面产生临界折射纵波后与底面多次反射回上表面产生的表面波的序号；上述公式中，Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别。

超声测量应力处理超声信号的模块包括：确定无应力标定时临界折射纵波与有应 力测试时临界折射纵波对应的T0之间的差值△T0，将△T0代入超声应力公式：

，求出应力值，其中K为声时差系数，可由标定不同应力与声时差对应的斜 率获得。

处理超声信号中确定临界折射纵波或底面发射的表面波来临时间的模块包括：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制模块分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制模块包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度大于闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间；如图5所示为竖直游标选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图，图6所示为方框选取波形数据段及水平游标确定波形来临时间的方法示意图。

例如测试时，该模块采用两对可移动的竖直游标线，第一组游标线选中临界折射 纵波所在的波形数据段，第二组游标线选中第1个底面反射的表面波数据段，超声波在工件 材料内经历了一个“V”型的历程，此时n=1，采用峰值比例闸门分别确定第一组游标线选中 的LCR波以及第二组游标线选中的底面发射的表面波RSW1波形来临对应的时间T0，T1，将其 代入超声测厚模块

，求出H；若第二组游标选中第二个底面反射的表 面波数据段，超声波在工件材料内经历了两个“V”型的历程，此时n=2，将其代入超声测厚模 块

，求出H；将测试时第一组LCR波来临时对应的T0与无应力标定 时LCR波来临时对应的T0之间的差值△T0，代入超声应力模块：

，求出应力 值，其中K为声时差系数，可由标定不同应力与声时差对应的斜率获得。

通过上述模块可以单独进行工件材料厚度的测量，可以不改变超声探头收发形式的条件下分别测量应力和材料的厚度， 也可以不改变超声探头收发形式的条件下同时进行材料应力和厚度的测量。

进一步可以通过重复采集取平均的方式提高应力和厚度测量的精确性，所述重复采集既包括重复采集超声信号取平均再求应力和厚度测量，也包括多次重复测定应力和厚度后取平均。

上述不改变超声探头收发形式是指保持超声测厚与超声应力相同的探头收发和位置保持的形式。

上述处理模块中确定测试时与无应力标定时LCR波来临时对应的时间差值△T0，可以将无应力标定时LCR波与测试时LCR波置于同一图形内，利用水平移动游标作为阀门阈值，当波形数值超出阈值范围则认为是LCR波来临时的时间，两个波形的差值即为△T0。

进一步的实施举例同时测厚和测应力，超声收发探头采用10MHZ，连接件斜面的角度都保持与底面28°，采用2.7GHz采集板卡采集超声信号，分别确定采集的超声信号的LCR波与RSW1波来临时的时间T0、T1，V取超声在钢中的纵波传播速度，将其代入上述测厚公式求出材料厚度；同时确定上述测试时的T0值与无应力标定时的T0之间的差值△T0，以及标定的K声时差系数值，代入上述超声应力公式，求出应力值。

进一步的实施举例采用标准厚度工件对超声传播速度进行标定，一发一收超声探头模块形式下超声收发探头采用10MHZ，连接件斜面的角度都保持与底面28°，采用2.7GHz采集板卡采集超声信号，确定采集的超声信号的LCR波与RSW1波的时间T1-T0，代入上述测厚公式转化的测声速公式，求出超声在工件材料中的纵波传播速度。

本发明实施一发双收超声探头模块的形式时，连接件除包括两个对称的与底面成θ角的斜面以及垂直斜面有安装超声发射探头和超声接收探头的螺纹孔道之外，在超声接收探头一侧还多设置了一个与底面成θ角的斜面以及垂直斜面设置有安装第二个超声接收探头的螺纹孔道，分别将超声发射探头和连个超声接收探头固定到连接件上，连接件上还设置有磁铁，涂上耦合剂后，固定或吸附在工件材料的表面；超声波发射模块发射脉冲波形，经过激励后由超声发射探头产生超声波；产生的超声波从有机玻璃入射到材料表面，符合Snell定律；超声波以倾斜入射角θ入射到厚度为H的工件表面，产生临界折射纵波（LCR）后向介质底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声回波信号回先后被同样角度的两个超声波接收探头分别接收到，并通过连接的两通道超声采集模块对超声信号进行采集；两者的区别是第一个超声接收探头连接的第一个通道的超声波信号提前接收到临界折射纵波和后续的多个底面发射波产生的表面波信号，第二个超声接收探头连接的第二个通道接收超声信号有所延后，其临界折射纵波和后续的多个底面反射波产生的表面波信号都比第一通道时间晚。图2所示为一发双收形式下超声发射探头和超声接收探头连接示意图。

针对处理超声信号模块中两通道中任意一个通道接收的超声信号中的临界折射纵波和底面反射的表面波信号对应的来临时的时间进行确定，采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制模块分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制模块包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度大于闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间。

在上述一发双收超声探头模块形式下确定临界折射纵波信号来临时的时间T0和 第n个底面发射的表面波信号来临时的时间Tn，将T0、Tn代入超声测厚模块：

，根据三角函数规律可变换为：

。

上述测厚模块在已知工件材料准确厚度H的条件下可以变化测出超声波在介质中 精确的传播速度:

。

其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波传播速度，n（n=1，2，3，4...）为超声波入射材料表面产生临界折射纵波后与底面多次反射回上表面产生的表面波的序号；上述公式中，Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别。

针对一发双收检测的超声测量应力处理超声信号模块进一步包括：确定无应力标 定时第二超声接收探头的超声信号中的临界折射纵波与第一超声探头的超声信号中的临 界折射纵波之间的差值作为标定初始值T0；确定有应力测试时第二超声接收探头的超声信 号中的临界折射纵波与第一超声探头的超声信号中的临界折射纵波之间的差值作为测试 值T0；一发双收测量应力时临界折射纵波对应的测试值T0与标定初始值T0之间的差值△ T0，将△T0代入超声应力公式：

，求出应力值，其中K为声时差系数，可由标 定不同应力与声时差对应的斜率获得。

通过上述模块可以单独进行工件材料厚度的测量，可以不改变超声探头收发形式的条件下分别测量应力和材料的厚度， 也可以不改变超声探头收发形式的条件下同时进行材料应力和厚度的测量；进一步可以通过重复采集取平均的方式提高应力和厚度测量的精确性，所述重复采集既包括重复采集超声信号取平均再求应力和厚度测量，也包括多次重复测定应力和厚度后取平均。

上述不改变超声探头模块收发形式是指保持超声测厚与超声应力相同的探头收发和位置保持的形式。

上述确定一发双收超声探头模块测量应力时临界折射纵波对应的测试值T0与标定初始值T0之间的差值△T0包括：将无应力标定时第一通道的超声信号与第二通道的超声信号置于同一图形或置于两个图形分别显示，利用一个或两个水平移动游标作为阀门阈值，分别确定当临界折射纵波的波形数值超出阈值范围则认为是LCR波来临时的时间，两个波形的差值即为标定初始值T0；测试时将第一通道的超声信号与第二通道的超声信号置于同一图形或置于两个图形分别显示，利用一个或两个水平移动游标作为阀门阈值，分别确定当临界折射纵波的波形数值超出阈值范围则认为是LCR波来临时的时间，两个波形的差值即为测试值T0。

进一步的实施举例同时进行测厚和测应力模块，超声收发探头采用5MHZ，连接件 斜面的角度都保持与底面25°，采用2GHz采集板卡采集超声信号，确定其中一个通道采集的 超声信号的LCR波与RSW2波的时间T2-T0，n取2，V取超声在钢中的纵波传播速度，将其代入 上述测厚公式求出材料厚度；一发双收测量应力时两个通道超声信号的临界折射纵波之间 的差值测试值T0与标定时两个通道超声信号的临界折射纵波之间的差值初始值T0之间的 差值△T0（测试值T0-初始值T0），将△T0代入超声应力公式：

，求出应力值， 其中K为声时差系数，可由标定不同应力与声时差对应的斜率获得。

进一步的实施举例采用标准厚度工件对超声传播速度进行标定，一发一收形式下超声收发探头采用5MHZ，连接件斜面的角度都保持与底面25°，采用2GHz采集板卡采集超声信号，确定采集的超声信号的LCR波与RSW2波的时间T2-T0，取n=2，代入上述测厚公式转化的测声速公式，求出超声在工件材料中精确的纵波传播速度。

同时的实施例还公开了一种相对于收发一体的单个超声探头垂直入射材料表面进行超声测厚方法完全不同的超声测厚方法。

本发明提供了一种全新的一发一收倾斜入射测量材料厚度的方法，包括：采用一发一收的形式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面，超声接收探头接收超声信号；处理超声信号测量材料的厚度。

超声发射探头和超声接收探头以特定的角度固定在连接件上，使其与材料表面角度为θ，保证超声波的倾斜入射角≤第一临界角，入射角度：0<θ<45°。

实施一发一收的形式时，连接件包括两个对称的与底面成θ角的斜面，垂直斜面有安装超声发射探头和超声接收探头的螺纹孔道，分别将超声发射探头和接收探头固定到连接件上，连接件上还设置有磁铁，涂上耦合剂后，固定或吸附在工件材料的表面；超声波发射电路发射脉冲波形，经过激励后由超声发射探头产生超声波；产生的超声波从有机玻璃入射到材料表面，符合Snell定律；超声波以倾斜入射角θ入射到厚度为H的工件表面，产生临界折射纵波（LCR）后向介质底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声回波信号回先后被同样角度的超声波接收探头接收，并通过连接的超声采集模块对超声信号进行采集；图3所示为一发一收形式下超声波信号在材料中所经历的路程示意图。

处理超声信号的方法 包括：确定临界折射纵波信号来临时的时间T0和第n个底 面反射的表面波信号来临时的时间Tn，将T0、Tn代入超声测厚公式：

，根据三角函数规律可变换为：

。

上述测厚公式在已知工件材料准确厚度H的条件下可以变化测出超声波在介质中 精确的传播速度:

。

其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波传播速度，n（n=1，2，3，4...）为超声波入射材料表面产生临界折射纵波后与底面多次反射回上表面产生的表面波的序号；上述公式中，Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别。

处理超声信号中确定临界折射纵波或底面反射的表面波来临时间的方法包括：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制方法分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制方法包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度大于闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间；如图5、图6。

测试时，采用两组可移动的方框，第一组方框选中临界折射纵波所在的波形数据 段，第二组方框选中第1个底面反射的表面波数据段，超声波在工件材料内经历了一个“V” 型的历程，此时n=1，采用移动游标或峰值比例闸门分别确定第一组方框选中的LCR波以及 第二组方框选中的底面发射的表面波RSW1波形来临对应的时间T0，T1，将其代入超声测厚 公式

，求出H；若第二组方框选中第二个底面反射的表面波数据段， 超声波在工件材料内经历了两个“V”型的历程，此时n=2，将其代入超声测厚公式

，求出H。

进一步可以通过重复采集取平均的方式提高厚度测量的精确性，所述重复采集既包括重复采集超声信号取平均再求厚度测量，也包括多次重复测定厚度后取平均。

进一步的实施举例测厚，超声收发探头采用5MHZ，连接件斜面的角度都保持与底面23°，采用1GHz采集板卡采集超声信号，分别确定采集的超声信号的LCR波与RSW1波来临时的时间T0、T1，V取超声在钢中的纵波传播速度，将其代入上述测厚公式求出材料厚度。

进一步的实施举例采用标准厚度工件对超声传播速度进行标定，一发一收形式下超声收发探头采用5MHZ，连接件斜面的角度都保持与底面23°，采用1GHz采集板卡采集超声信号，确定采集的超声信号的LCR波与RSW1波的时间T1-T0，代入上述测厚公式转化的测声速公式，求出超声在工件材料中的纵波传播速度。

为了实现上述目的，本实施例还公开了一种相对于收发一体的单个超声探头垂直入射材料表面进行超声测厚装置完全不同的超声测厚装置。

本发明提供了一种全新的一发一收倾斜入射测量材料厚度的装置，包括：屏幕；超声探头模块，采用一发一收或一发双收的形式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；超声发射模块，用于连接超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面；超声接收模块，用于连接超声接收探头接收超声信号；信号处理模块，用于处理超声信号在不改变超声探头收发形式的条件下同时测量应力和材料厚度。

超声发射探头和超声接收探头以特定的角度固定在连接件上，使其与材料表面角度为θ，保证超声波的倾斜入射角≤第一临界角，入射角度：0<θ<45°。

实施一发一收的超声探头模块形式时，连接件包括两个对称的与底面成θ角的斜面，垂直斜面有安装超声发射探头和超声接收探头的螺纹孔道，分别将超声发射探头和接收探头固定到连接件上，连接件上还设置有磁铁，涂上耦合剂后，固定或吸附在工件材料的表面；超声波发射模块发射脉冲波形，经过激励后由超声发射探头产生超声波；产生的超声波从有机玻璃入射到材料表面，符合Snell定律；超声波以倾斜入射角θ入射到厚度为H的工件表面，产生临界折射纵波（LCR）后向介质底部传播，并在底面和上表面之间发生多次反射，且每次反射到上表面时都产生表面波信号（RSW1，RSW2，RSW3），这些沿材料表面传播的超声回波信号回先后被同样角度的超声波接收探头接收，并通过连接的超声采集模块对超声信号进行采集；图3所示为一发一收形式下超声波信号在材料中所经历的路程示意图。

其中，实施一发一收倾斜入射超声探头模块形式下超声测量厚度装置中处理超声 信号模块功能包括：确定临界折射纵波信号来临时的时间T0和第n个底面反射的表面波信 号来临时的时间Tn，将T0、Tn代入超声测厚公式：

，根据三角函数规 律可变换为：

。

上述测厚模块在已知工件材料准确厚度H的条件下可以变化测出超声波在介质中 精确的传播速度:

。

其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波传播速度，n（n=1，2，3，4...）为超声波入射材料表面产生临界折射纵波后与底面多次反射回上表面产生的表面波的序号；上述模块中，Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别。

处理超声信号模块中确定临界折射纵波或底面发射的表面波来临时间的模块包括：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制模块分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制模块包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度大于闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间；如图5图6。

例如测试时，该模块采用两对可移动的竖直游标线，第一组游标线选中临界折射 纵波所在的波形数据段，第二组游标线选中第1个底面反射的表面波数据段，超声波在工件 材料内经历了一个“V”型的历程，此时n=1，采用峰值比例闸门分别确定第一组游标线选中 的LCR波以及第二组游标线选中的底面发射的表面波RSW1波形来临对应的时间T0，T1，将其 代入超声测厚模块

，求出H；若第二组游标选中第二个底面反射的表 面波数据段，超声波在工件材料内经历了两个“V”型的历程，此时n=2，将其代入超声测厚模 块

，求出H。

进一步可以通过重复采集取平均的方式提高厚度测量的精确性，所述重复采集既包括重复采集超声信号取平均再求厚度测量，也包括多次重复测定厚度后取平均。

进一步的实施举例超声测厚，超声收发探头采用5MHZ，连接件斜面的角度都保持与底面20°，采用1GHz采集板卡采集超声信号，分别确定采集的超声信号的LCR波与RSW3波来临时的时间T0、T3，n=3，V取超声在钢中的纵波传播速度，将其代入上述测厚公式求出材料厚度。

进一步的实施举例采用标准厚度工件对超声传播速度进行标定，一发一收超声探头模块形式下超声收发探头采用5MHZ，连接件斜面的角度都保持与底面20°，采用1GHz采集板卡采集超声信号，确定采集的超声信号的LCR波与RSW3波的时间T1-T0，n=3，代入上述测厚公式转化的测声速公式，求出超声在工件材料中的纵波传播速度。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、移动终端、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测方法，其特征在于，包括：

采用一发一收或一发双收的形式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；

超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面，超声接收探头接收超声信号；

处理超声信号在不改变超声探头收发形式的条件下同时测量应力和材料厚度。

2.如权利要求1所述一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测方法，其特征在于， 所述超声测量厚度处理超声信号的方法包括：确定临界折射纵波信号来临时的时间T0和第n个底面反射的表面波信号来临时的时间Tn，

将T0、Tn代入超声测厚公式：

；

所述超声测量应力处理超声信号的方包括：确定无应力标定时临界折射纵波对应的 T0'与有应力测试时临界折射纵波对应的T0之间的差值△T0= T0' -T0，将△T0代入超声应 力公式：

，求出应力值，其中K为声时差系数，可由标定不同应力与声时差对应 的斜率获得；

所述测厚公式在已知工件材料准确厚度H的条件下可以变化测出超声波在介质中精确 的传播速度:

；

其中，超声测厚公式根据三角函数规律可变换为：

；

其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波传播速度，n（n=1，2，3，4...）为测量所选用的超声波入射材料后与底面的第n次反射回上表面产生的表面波序号；其中，Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别。

3.如权利要求1所述的一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测方法，其特征在于：所述超声发射探头和超声接收探头以特定的角度固定在连接件上，使其与材料表面角度为θ，保证超声波的倾斜入射角θ≤第一临界角；

所述处理超声信号包括确定超声信号中临界折射纵波和/或底面反射的表面波来临时间的方法：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制方法分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制方法包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度大于闸门阈值时认为是波形来临时对应的时间；

所述不改变超声探头收发形式的条件下同时测量应力和材料厚度既包括单次（或重复取平均）采集超声信号对应力和厚度同时进行测量、也包括单次（或重复取平均）采集超声信号分别对应力和厚度进行测量；

所述不改变超声探头收发形式是指保持超声测厚与超声应力相同的探头收发形式。

4.一种超声倾斜入射收发测量材料厚度的方法，其特征在于，包括：

采用一发一收的形式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；

超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面，超声接收探头接收超声信号；

处理超声信号测量材料的厚度。

5.如权利要求4所述的一种超声倾斜入射收发测量材料厚度的方法，其特征在于：

所述测量厚度处理超声信号的方法包括：确定临界折射纵波信号来临时的时间T0和第 n个底面发射的表面波信号来临时的时间Tn，将T0、Tn代入超声测厚公式求出厚度：

；其中，超声测厚公式根据三角函数规律可变换为：

；

其中，所述测厚公式在已知工件材料准确厚度H的条件下可以变化测出超声波在介质 中精确的传播速度:

；

其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波传播速度，n（n=1，2，3，4...）为测量所选用的超声波入射材料后与底面的第n次反射回上表面产生的表面波序号；其中，Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别。

6.如权利要求4所述的一种超声倾斜入射收发测量材料厚度的方法，其特征在于：

所述超声发射探头和超声接收探头以特定的角度固定在连接件上，使其与材料表面角度为θ，保证超声波的倾斜入射角≤第一临界角；

所述处理超声信号包括确定临界折射纵波或底面发射的表面波的方法：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制方法分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制方法包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度大于闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间。

7.一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测装置，其特征在于，包括：

屏幕；

超声探头模块，采用一发一收或一发双收的形式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；

超声发射模块，用于连接超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面；

超声接收模块，用于连接超声接收探头接收超声信号；

信号处理模块，用于处理超声信号在不改变超声探头收发形式的条件下同时测量应力和材料厚度。

8.如权利要求7所述的一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测装置，其 特征在于：所述超声测量厚度信号处理模块功能包括：确定临界折射纵波信号来临时的时 间T0和第n个底面发射的表面波信号来临时的时间Tn，将T0、Tn代入超声测厚公式：

；

所述超声测量应力信号处理模块功能包括：确定无应力标定时临界折射纵波与有应力 测试时临界折射纵波对应的T0之间的差值△T0、将△T0代入超声应力公式：

， 求出应力值，其中K为声时差系数，可由标定不同应力与声时差对应的斜率获得；其中，超声 测厚公式根据三角函数规律可变换为：

；

其中，所述测厚公式在已知工件材料准确厚度H的条件下可以变化测出超声波在介质 中精确的传播速度:

；

其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波传播速度，n（n=1，2，3，4...）为测量所选用的超声波入射材料后与底面的第n次反射回上表面产生的表面波序号；其中，Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别。

9.如权利要求7所述的一种同时进行高精度应力和厚度测量的超声无损检测装置，其特征在于：所述超声发射探头和超声接收探头以特定的角度固定在连接件上，使其与材料表面角度为θ，保证超声波的倾斜入射角≤第一临界角；

所述处理超声模块包括确定超声信号中临界折射纵波和/或底面反射的表面波来临时间的模块：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制模块分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制模块包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度大于闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间；

所述不改变超声探头收发形式的条件下同时测量应力和材料厚度既包括单次（或重复取平均）采集超声信号对应力和厚度同时进行测量、也包括单次（或重复取平均）采集超声信号分别对应力和厚度进行单次测量；

所述不改变超声探头收发形式是指保持超声测厚与超声应力相同的探头收发形式。

10.一种超声倾斜入射收发测量材料厚度的装置，其特征在于，包括：

屏幕；

超声探头模块，采用一发一收的形式将超声发射探头和超声接收探头以特定角度固定在连接件上；

超声发射模块，用于连接超声发射探头产生超声波倾斜入射材料表面；

超声接收模块，用于连接超声接收探头接收超声信号；

信号处理模块，用于处理超声信号测量材料的厚度。

11.如权利要求10所述的一种超声倾斜入射收发测量材料厚度的装置，其特征在于：

所述超声测量厚度信号处理模块包括：确定临界折射纵波信号来临时的时间T0和第n 个底面发射的表面波信号来临时的时间Tn，将T0、Tn代入超声测厚公式求出厚度：

；其中，超声测厚公式根据三角函数规律可变换为：

；其中，所述测厚公式在已知工件材料准确厚度H 的条件下可以变化测出超声波在介质中精确的传播速度:

；

其中，H为工件材料的厚度，θ为超声波的倾斜入射角； V为超声波传播速度，n（n=1，2，3，4...）为测量所选用的超声波入射材料后与底面的第n次反射回上表面产生的表面波序号；其中，Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别。

12.如权利要求10所述的一种超声倾斜入射收发测量材料厚度的装置，其特征在于：

所述超声发射探头和超声接收探头以特定的角度固定在连接件上，使其与材料表面角度为θ，保证超声波的倾斜入射角≤第一临界角；

所述处理超声模块包括确定超声信号中临界折射纵波和/或底面反射的表面波来临时间的模块：采用可移动的竖直游标线、方框、或数值输入或鼠标框选来确定选择要同时分析的临界折射纵波、以及至少一个底面反射的表面波形所处的波形数据段；采用闸门控制模块分析所述波形数据段确定临界折射纵波和表面波对应的波形来临时间；所述闸门控制模块包括采用至少一个可移动的水平游标或峰值比例闸门作为阈值，当波形数据段中的峰强度大于闸门阈值时认为时波形来临时对应的时间。

13. 一种一发一收形式下超声倾斜入射测量材料厚度的公式，其特征在于：

； 式中，θ为超声波的倾斜入射角， V为超声波传播速度，T0为临界折 射纵波信号来临时的时间，Tn为第n个底面发射的表面波信号来临时的时间，n（n=1，2，3， 4...）为测量所选用的超声波入射材料后与底面的第n次反射回上表面产生的表面波序号， 其中，Tn-T0可精确到纳秒级别，所以H测厚也可精确到纳米级别；式子可根据三角函数规律 可变换为：

。

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