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。