序列相似性檢測(cè)在超聲測(cè)厚系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 凱，王召巴 ,金 永

(中北大學(xué),電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

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序列相似性檢測(cè)在超聲測(cè)厚系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 凱，王召巴 ,金 永

(中北大學(xué),電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

基于脈沖回波法在超聲測(cè)厚系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，文中提出將序列相似性檢測(cè)應(yīng)用于基于脈沖回波法的超聲測(cè)厚系統(tǒng)中，避免了傳統(tǒng)的厚度計(jì)算方法中存在的嚴(yán)重的波形局限性。在該算法中，通過計(jì)算序列的相似程度，尋找底面兩次回波中變化趨勢(shì)最為接近的兩段序列，由這兩段序列計(jì)算超聲波在工件中的傳播時(shí)間，從而計(jì)算工件的厚度。通過該算法在實(shí)踐中的應(yīng)用，驗(yàn)證了該算法的有效性和準(zhǔn)確性。

脈沖回波法；超聲測(cè)厚系統(tǒng)；序列相似性檢測(cè)

0 引言

市場(chǎng)上大多數(shù)的超聲測(cè)厚系統(tǒng)采用脈沖回波法原理，通過確定底面兩次回波之間時(shí)間差來計(jì)算被測(cè)工件的厚度[1]。 將底面兩次回波信號(hào)中的最大值作為特征值，通過特征值計(jì)算底面兩次回波之間的時(shí)間差是基于脈沖回波法的超聲測(cè)厚系統(tǒng)中最常用的計(jì)算方法[2]，但該方法存在嚴(yán)重的波形局限性，不能被廣泛應(yīng)用于易出現(xiàn)波形畸變的全自動(dòng)在線測(cè)厚系統(tǒng)中。

本文針對(duì)上述方法帶來的問題，提出將序列相似性檢測(cè)應(yīng)用于對(duì)兩次回波之間時(shí)間差的計(jì)算過程中[3]，通過對(duì)波形的匹配避免因波形畸變對(duì)特征值定位不準(zhǔn)的缺點(diǎn)。并通過在實(shí)踐中對(duì)該算法的應(yīng)用，驗(yàn)證了該算法的有效性和準(zhǔn)確性。

1 脈沖回波法及序列相似性檢測(cè)原理

1.1 脈沖回波法測(cè)厚原理

如圖1所示，脈沖回波法一般是利用一個(gè)超聲換能器發(fā)射和接收超聲波，當(dāng)發(fā)射的超聲波在工件中遇到不連續(xù)界面時(shí)，就會(huì)被反射回來，反射回來的超聲波被同一換能器接收，通過精確測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來確定被測(cè)材料的厚度[4]。

圖1 超聲探頭測(cè)厚示意圖

如圖2所示，S表示工件上表面的界面波，B1表示工件反射底面第1次回波，B2表示工件反射底面第2次回波。根據(jù)超聲波在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)間與工件厚度成正比，可知工件厚度為

(1)

式中:t為B1波與B2波時(shí)間差；c為超聲波在工件中的傳播速度。

圖2 脈沖回波法測(cè)厚原理圖

1.2 序列相似性檢測(cè)原理

對(duì)于兩段長度相同的波形序列X(N)和Y(N)，計(jì)算兩段序列中相同下標(biāo)采樣點(diǎn)的幅度值差，并將差的絕對(duì)值累加求和[5]，其和值大小與兩段波形序列的匹配程度呈負(fù)相關(guān)。

(2)

式中：MAD(X,Y)反映了X(N)與Y(N)序列的匹配程度，MAD(X,Y)值越小，匹配程度越高。

2 序列相似性檢測(cè)在脈沖回波法測(cè)厚中的應(yīng)用

根據(jù)脈沖回波法原理及序列相似性檢測(cè)原理，在底面第一次回波信號(hào)中設(shè)定一段序列作為模板序列X(N)，在底面第二次回波信號(hào)中尋找與模板序列最匹配的序列Y(N)，由Y(N)與X(N)之間的時(shí)間差確定超聲波在工件中的傳播時(shí)間。

2.1 底面第一次回波中模板序列的確定

如圖3所示，首先設(shè)定底面第一次回波信號(hào)中最大幅度值的70%作為閾值，其次在底面第一次回波信號(hào)中尋找第一個(gè)幅度值大于閾值的點(diǎn)，從該點(diǎn)向前遍歷，尋找第一個(gè)過零點(diǎn)作為模板序列起始點(diǎn)X(1)，從B點(diǎn)向后遍歷，尋找第三個(gè)過零點(diǎn)作為模板序列結(jié)束點(diǎn)X(N)，由X(1)和X(N)確定模板序列X(i),1≤i≤N。

圖3 底面第1次回波中模板序列的確定

2.2 序列相似性檢測(cè)

在模板序列后的信號(hào)波形中，以t時(shí)刻采樣點(diǎn)為待匹配序列起始點(diǎn)Y(1)，從該點(diǎn)向后取N-1個(gè)點(diǎn)作為待匹配序列Y(t,i)，1≤i≤N。對(duì)Y(t,i)與X(i)相同下標(biāo)值的幅度值作差，并對(duì)所有差的絕對(duì)值求和，如式(3)所示：

(3)

式中：MAD(t,X,Y)反映了在以t時(shí)刻采樣點(diǎn)為起始點(diǎn)的Y序列與X序列的匹配程度，MAD(t,X,Y)值越小，Y序列與X序列匹配程度越高。

2.3 計(jì)算厚度

序列相似性檢測(cè)后，由MAD(t,X,Y)最小值確定匹配程度最高的序列起始點(diǎn)Y(1)，根據(jù)Y(1)和模板序列起始點(diǎn)X(1)的時(shí)刻值得到厚度計(jì)算公式：

(4)

式中v為相同環(huán)境條件下在該材料中測(cè)量的聲速。

3 序列相似性檢測(cè)應(yīng)用于在線超聲測(cè)厚系統(tǒng)中

3.1 檢測(cè)過程中回波信號(hào)的分析

在某工廠對(duì)某工件軸線方向厚度進(jìn)行在線超聲測(cè)厚過程中，分別使用序列相似性檢測(cè)法和最大值法，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析如下。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)所有回波信號(hào)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在回波信號(hào)中，有兩種典型的回波信號(hào)：第一種回波信號(hào)如圖4所示，為標(biāo)準(zhǔn)的回波信號(hào)；第二種回波信號(hào)如圖5所示，為波形畸變的回波信號(hào)。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)的超聲回波信號(hào)

圖5 波形畸變的回波信號(hào)

在如圖4所示波形中，X(1)為模板序列起始點(diǎn)，B11為底面第1次回波最大值點(diǎn)，B21為底面第2次回波最大值點(diǎn)。圖6所示為以t時(shí)刻采樣點(diǎn)為起始點(diǎn)的待匹配序列與模板序列的匹配程度，Y(1)為匹配程度最高的序列起始點(diǎn)。

圖6 以t時(shí)刻采樣點(diǎn)為起始點(diǎn)的待匹配序列與模板序列匹配程度示意圖

通過底面兩次回波最大值計(jì)算出兩次底面回波之間的時(shí)間差為

tB21B11=45.23-43.38=1.85 μs

通過序列相似性匹配計(jì)算出兩次底面回波之間的時(shí)間差為

tY1X1=45.18-43.33=1.85 μs

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，在圖4所示波形中，計(jì)算底面兩次回波信號(hào)最大值之間的時(shí)間差和通過序列相似性檢測(cè)計(jì)算的兩次回波之間時(shí)間差結(jié)果相等。

如圖5所示波形中，X(1)為模板序列起始點(diǎn)，B11為底面第1次回波最大值點(diǎn)，B22為底面第2次回波的最大值點(diǎn)。圖7所示為以t時(shí)刻采樣點(diǎn)為起始點(diǎn)的待匹配序列與模板序列的匹配程度，Y(1)為匹配程度最高序列起始點(diǎn)。

通過底面兩次回波最大值計(jì)算出兩次底面回波之間的時(shí)間差為

tB22B11=45.25-43.27=1.98 μs

通過序列相似性匹配計(jì)算出兩次底面回波之間的時(shí)間差為

tY1X1=44.93-43.22=1.71 μs

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，在圖5所示波形中，由于底面第二次回波中，最大值位置偏移，計(jì)算底面兩次回波中最大值之間的時(shí)間差和通過序列相似性檢測(cè)計(jì)算的兩次回波之間時(shí)間差結(jié)果不相等，因此測(cè)量出的厚度值也不相等。

3.2 檢測(cè)結(jié)果及分析

在對(duì)某工件軸線方向厚度進(jìn)行在線超聲測(cè)厚過程中，利用最大值法、序列相似性檢測(cè)法結(jié)果對(duì)比如圖8所示，圖中實(shí)線為通過序列相似性匹配計(jì)算出的工件軸線方向厚度曲線，虛線為通過最大值法計(jì)算出的工件軸線方向厚度曲線，10個(gè)黑點(diǎn)為工件軸線上等間隔位置處的準(zhǔn)確厚度值。

根據(jù)表1所列數(shù)據(jù)可知，通過序列相似性測(cè)量出的彈體厚度與彈體實(shí)際厚度偏差值不超過0.1 mm.在某些點(diǎn)處，通過序列相似性測(cè)量出的彈體厚度與通過最大值方法測(cè)量出的彈體厚度偏差為0.031mm，經(jīng)過驗(yàn)證，該長度為一個(gè)波形的波長。

圖8 工件軸線方向兩種厚度計(jì)算方法測(cè)量厚度曲線

表1 等間隔10個(gè)點(diǎn)的兩種計(jì)算方法實(shí)測(cè)值與準(zhǔn)確值對(duì)比 mm

4 結(jié)束語

相比傳統(tǒng)的計(jì)算底面兩次回波之間時(shí)間差的方法，將序列相似性檢測(cè)應(yīng)用于對(duì)兩次回波之間時(shí)間差的計(jì)算過程中，擺脫了波形局限性的束縛。通過該算法在實(shí)踐中的應(yīng)用，驗(yàn)證了該算法的有效性和準(zhǔn)確性。

[1] 李福進(jìn)，費(fèi)冬妹．基于脈沖反射式的超聲測(cè)厚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．儀表技術(shù)與傳感器，2013(4)：50-52.

[2] 柯細(xì)勇，王占元，楊劍峰，等．一種新型便攜式超聲波測(cè)厚儀的設(shè)計(jì)．傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(12)：119-121.

[3] 倪永州，田躍.一種快速模板匹配的波形識(shí)別算法.傳感器世界，2006(4)：32-34.

[4] 吳伏家,趙長瑞,尹曉霞.超聲波測(cè)厚系統(tǒng)的研究.現(xiàn)代制造工程,2009(11): 40-41，55.

[5] 葉海民,戎蒙恬,鄧曉東等.基于絕對(duì)值差的歸一化波形匹配混合算法.信息技術(shù),2011(8): 89-93.

Application of Sequence Similarity Detection in UltrasonicThickness Measurement System

LIU Kai,WANG Zhao-ba ,JIN Yong

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051，China)

Ultrasonic pulse-echo method has been widely used in ultrasonic thickness measurement system.In order to avoid the serious waveform limitations of traditional thickness measurement method,a new method based on ultrasonic pulse-echo method and applyied sequence similarity detection to the ultrasonic thickness measurement system was proposed.Through calculating the similarity degree of two sequences,the method looked for the two sequences which had the closest variation tendency in two echoes of the bottom,and calculated the propagation time of ultrasonic wave in workpiece,and then got the thickness of workpiece.Through the application of the algorithm in practice,the effectiveness and accuracy of the algorithm was verified.

ultrasonic pulse-echo method;ultrasonic thickness measurement system;sequence similarity detection

國家自然科學(xué)基金(61201412)；山西省青年科技研究基金(2012021011-5)

2014-02-26 收修改稿日期：2014-10-08

TP391

A

1002-1841(2015)03-0082-03

劉凱(1990—)，碩士，研究方向?yàn)樾畔⑻幚砼c重建。 E-mail：648926378@qq.com 王召巴(1967—)，教授，研究方向?yàn)樾畔⑻幚砼c重建。