對陶瓷器件超聲識別的算法設(shè)計(jì)及虛擬儀器實(shí)現(xiàn)

劉 昱，賀升平，賀西平，王 杰，周 越

(1.陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西省超聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710119；2.四川省瀘州市116號信箱1分箱,四川 瀘州 646000)

超聲波在多晶材料中傳播，因晶粒而發(fā)生背向散射。背向散射實(shí)際是由單個(gè)晶體反射形成，多個(gè)無規(guī)則取向的晶粒將形成超聲回波中的雜亂無章的草狀信號[1-2]。因此，這些草狀信號也攜帶了它的被反射體材料微觀結(jié)構(gòu)的重要信息。超聲波頻率衰減與多晶材料內(nèi)晶粒分布密切相關(guān)，即使是平均晶粒尺寸一致的兩個(gè)不同形狀晶粒，他們內(nèi)部超聲衰減也會顯著不同[3]。而超聲波的另一個(gè)重要參量——聲速，會因晶粒的不同徑向分布而受到影響，Hirao[4]發(fā)現(xiàn)晶界彈性模量的不同也會引起聲速的差異，超聲波的聲速可以有效表征多晶材料的各向異性成分特征。文獻(xiàn)[5]構(gòu)造了細(xì)長橢球形晶粒的超聲波背向散射的理論模型，得到了晶粒超聲背散信號的頻率與晶粒平均直徑的依賴關(guān)系。文獻(xiàn)[6-7]提出了一種解釋背向散射與微質(zhì)構(gòu)尺寸、取向關(guān)系的解析表達(dá)式，該表達(dá)式的計(jì)算結(jié)果與取向成像顯微鏡(orientation image micros-copy)測量得到的結(jié)果符合較好，對超聲背散系數(shù)的研究工作使得晶粒與超聲間復(fù)雜的相互關(guān)系更加清晰。文獻(xiàn)[8-14]中的研究均表明多晶材料的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)決定了超聲波在材料內(nèi)部傳播的聲速、衰減、背散功率等參數(shù)。反之，超聲波也可以有效表征多晶材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的差異，工業(yè)生產(chǎn)中的每個(gè)成品材料都有其獨(dú)一無二的微結(jié)構(gòu)特征，如同人類的指紋特征，利用超聲指紋技術(shù)對不同材料進(jìn)行防偽識別，是近年來本課題組在超聲檢測領(lǐng)域嘗試提出的一個(gè)新的應(yīng)用[15]。最近幾年我國不斷加強(qiáng)對外交流，一些文物、重要設(shè)備、貴重物品等也經(jīng)常走出國門參與交流，為確保歸還的貴重物品不被偽造替換，防偽識別就顯得尤為重要。

超聲指紋防偽識別的原理是利用聲波在材料內(nèi)傳播時(shí)散射信號所攜帶的細(xì)節(jié)信息的差異進(jìn)行識別。對超聲信號及其特征分析有多種方法，如：背向散射、聲參量、衰減系數(shù)，頻譜分析等。這些方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[16]利用超聲波在物體內(nèi)部傳播時(shí)產(chǎn)生的背向散射信號信息，計(jì)算了待測陶瓷器件的背向散射信號與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷器件的背向散射信號之間的加權(quán)歐式距離，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)信號中歐式加權(quán)距離最大值減最小值的差為閾值，判斷待測信號減標(biāo)準(zhǔn)信號的差是否小于閾值從而完成識別。文獻(xiàn)[17]基于金屬材料散射信號衰減譜的相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法，以相關(guān)系數(shù)最大值減最小值的差的一半為閾值，比較待測相關(guān)系數(shù)減標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)系數(shù)的差與閾值的關(guān)系，成功地對成分相近的金屬材料進(jìn)行了識別。文獻(xiàn)[18]研究了金屬材料的微觀組織對超聲衰減的影響，并利用金屬間超聲衰減譜相關(guān)系數(shù)，對成份相近、熱處理溫度相同以及成份相同但熱處理溫度不同的多個(gè)金屬材料進(jìn)行了識別。以上方法因閾值計(jì)算方法不完善以及探頭定位不準(zhǔn)確等原因，測量結(jié)果會出現(xiàn)誤辨。設(shè)定最大值減最小值為閾值會因操作誤差或系統(tǒng)誤差導(dǎo)致某幾次出現(xiàn)偏大值，導(dǎo)致閾值偏大，將不同識別成相同；或因標(biāo)準(zhǔn)信號采集得到的特征量波動較小導(dǎo)致閾值較小，留給系統(tǒng)誤差和偶然誤差的容錯(cuò)率較低，待測信號稍有波動就將相同識別為不同。

本文提出了一個(gè)超聲指紋的概念用來對貴重物品進(jìn)行防偽防篡改識別，由于每個(gè)物品的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)不同，不同的微結(jié)構(gòu)會影響超聲的衰減、聲速、散射等聲學(xué)參量，因此每個(gè)物品的超聲指紋也各不相同。提取幅值比特征量，結(jié)合閾值算法得到標(biāo)準(zhǔn)超聲指紋，然后采取時(shí)域頻域聯(lián)合決策的算法對超聲指紋進(jìn)行識別分析，因?yàn)闀r(shí)域信號反映的不同時(shí)刻的信號差異，而頻域信號反映的不同頻點(diǎn)的信號差異，二者聯(lián)合判斷結(jié)果更為準(zhǔn)確。本文試驗(yàn)過程中，使用硬質(zhì)塑料板加工成直角型定位器，粘貼在圖1中的陶瓷器件表面，可以準(zhǔn)確固定探頭位置，確保每次采集的信號都是同一采樣點(diǎn)。圖1為4個(gè)形狀材料完全一致的陶瓷盤樣品，直徑175 mm，厚3 mm。

圖1 直角定位器和陶瓷樣品Fig.1 Right angle positioner and simples

1 識別算法

采集需要防偽識別的陶瓷器皿超聲反、散射信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號。當(dāng)外表一致的陶瓷器件混在一起后，

依次對每個(gè)器件樣品采集超聲信號，記作待測信號，虛擬機(jī)采集的信號經(jīng)識別程序處理后，對每個(gè)樣品的標(biāo)準(zhǔn)信號提取特征量進(jìn)而計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)超聲指紋；對待測信號提取特征量進(jìn)而計(jì)算得到待測超聲指紋。將待測指紋信號和標(biāo)準(zhǔn)指紋信號進(jìn)行比較即可完成識別。識別結(jié)果由時(shí)域識別和頻域識別共同組成。當(dāng)待測信號的時(shí)域信號和頻域信號同時(shí)符合要求時(shí)判斷為同個(gè)物品。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)信號特征量提取

首先對采集到的時(shí)域信號用式(1)做歸一化處理，統(tǒng)一信號的比較基準(zhǔn)，且能避免外界影響導(dǎo)致的信號幅值整體升高或降低的誤差影響，提高抗干擾能力。Xmin為信號中最小幅值，Xmax為最大幅值，Xn為每一個(gè)采樣點(diǎn)的幅值，An為歸一化后每個(gè)采樣點(diǎn)的幅值(n=1,2,3，…，N)，N為采樣點(diǎn)總數(shù)。

(1)

然后用式(2)計(jì)算反映每個(gè)采樣點(diǎn)幅值特征的參量記為Pi，i為標(biāo)準(zhǔn)信號采集次數(shù)(i=1,2,3，…，20)。為了減小誤差影響如操作誤差和系統(tǒng)誤差等，每次對標(biāo)準(zhǔn)樣品采集20個(gè)信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號，因此得到20個(gè)Pi。

(2)

對Pi求和取平均得到Pv，再由式(3)求出每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號所對應(yīng)的幅值比Fi。

(3)

其中式(3)取對數(shù)的目的是將信號中的每個(gè)采樣點(diǎn)的幅值的影響壓到一個(gè)量級，使其權(quán)重相同。至此得到每次采集的時(shí)域信號的幅值比。

頻域幅值比算法相同，區(qū)別是歸一化之后增加一步傅里葉變換，得到信號頻譜，之后計(jì)算Pi時(shí)的“An”則變?yōu)轭l譜幅度，后續(xù)計(jì)算不變。將20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號的幅值比求和取平均便可得到一個(gè)時(shí)域幅值比(時(shí)域標(biāo)準(zhǔn)指紋)和一個(gè)頻域幅值比(頻域標(biāo)準(zhǔn)指紋)。

1.2 識別閾值計(jì)算

雖然已經(jīng)得到標(biāo)準(zhǔn)超聲指紋和待測超聲指紋，但由于實(shí)際條件下不可避免的會有一些誤差(如操作誤差、系統(tǒng)底噪等)二者不可能完全相同，因此還需要計(jì)算出閾值，根據(jù)大數(shù)定律和中心極限定理可知[19]，每次采集信號幅值的行為符合高斯分布模型，根據(jù)高斯分布的特性，測量值出現(xiàn)大偏差的概率是很小的，根據(jù)拉伊達(dá)準(zhǔn)則可由式(4)得出正常值偏差小于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的概率P，則偏差大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的概率為1-P，約等于0.002 6，是小概率事件[20]。根據(jù)小概率原理，統(tǒng)計(jì)學(xué)將這個(gè)3倍標(biāo)準(zhǔn)差稱為合理誤差限，超出合理誤差限的測量值即異常值。

P(μ-3σ

0.997 4

(4)

因此由式(5)計(jì)算3倍標(biāo)準(zhǔn)差

(5)

1.3 識別信號

對樣品取若干次標(biāo)準(zhǔn)信號，采樣次數(shù)越多信號分布越穩(wěn)定，識別準(zhǔn)確率越高，本文試驗(yàn)中均為20次。算出時(shí)域、頻域閾值后，取若干次待測信號，同樣是次數(shù)越多越能減小偶然誤差的影響，本文試驗(yàn)每次待測取7次信號，將7次信號分別和閾值做對比，每次時(shí)域頻域均小于閾值則判斷是相同樣品并在“同個(gè)樣品”計(jì)數(shù)器增加1次次數(shù)；若時(shí)域頻域均超出閾值，則在“不同樣品”計(jì)數(shù)器增加1次次數(shù)；若時(shí)域頻域一個(gè)低于閾值，另一個(gè)高于閾值，則判定為信號采集不準(zhǔn)，不參加計(jì)數(shù)。最后比較同個(gè)樣品次數(shù)和不同樣品次數(shù)，那個(gè)次數(shù)多則判斷為哪個(gè)結(jié)果，若二者相等則程序提示為信號采集不準(zhǔn)確，需增加采集次數(shù)或重新采集信號。本文所編寫的識別程序見圖2，該程序識別結(jié)果一欄顯示待測指紋標(biāo)簽的總體識別情況，若指紋標(biāo)簽采集自防偽保護(hù)器件，則識別程序顯示“識別結(jié)果：同個(gè)器件”；若指紋標(biāo)簽采集自其他器件，則識別程序顯示“識別結(jié)果：不同器件”。結(jié)果框下方顯示詳細(xì)識別情況，以便分析該次識別的結(jié)果。

圖2 識別程序Fig.2 Algorithm for ultrasonic identification

2 虛擬機(jī)研制

2.1 超聲檢測卡

課題組與汕頭超聲電子股份有限公司定制開發(fā)了CTS-04PC超聲檢測卡(圖3)。CTS-04PC超聲檢測卡采用標(biāo)準(zhǔn)PCI總線，可安裝在工控機(jī)PCI插槽中級聯(lián)使用。應(yīng)用程序通過讀寫 PCI 超聲檢測卡的寄存器來控制檢測卡工作，設(shè)置探傷卡的工作參數(shù)。寄存器地址采用“基地址+偏移”形式，連接 IO 板繼電器輸出的寄存器GPIO_ OUT基地址為0x0000，偏移為0x0020，因此控制繼電器輸出的讀寫地址為0x0000+0x0020=0x0020。該板卡具有4個(gè)獨(dú)立工作通道，每個(gè)通道對應(yīng)一個(gè)基地址，通過控制基地址的寄存器的讀寫來控制個(gè)通道的工作狀態(tài)。CH1通道控制寄存器基地址為0x0200；CH2通道控制寄存器基地址為0x0300；CH3通道控制寄存器基地址為0x0400；CH4通道控制寄存器基地址為0x0500。每個(gè)通道基地址之下有11個(gè)偏移地址，分別對應(yīng)11個(gè)寄存器：包括2個(gè)通道控制寄存器、6個(gè)閘門控制寄存器、AD采樣校正寄存器、TCG增益值和TCG時(shí)間點(diǎn)寄存器。通過讀寫0x0008 TIMESLICE_TICKS時(shí)間單位長度設(shè)置寄存器設(shè)置發(fā)射時(shí)間單位的長度，以采樣點(diǎn)為單位。默認(rèn)值為 0xC350。此外還有控制系統(tǒng)中斷操作的REG_INTERRUPT中斷控制寄存器、控制系統(tǒng)狀態(tài)的SYSCTRL系統(tǒng)控制寄存器和HIGH_VOTAGE高壓調(diào)節(jié)數(shù)字電位器等。

圖3 CTS-04PC超聲檢測卡Fig.3 CTS-04PC Ultrasonic-testing card

雖然上述寄存器已經(jīng)明確了物理地址和控制功能，但是需要對各個(gè)寄存器進(jìn)行讀寫操作才能實(shí)現(xiàn)各自功能，這個(gè)任務(wù)由EEPROM控制寄存器完成，CPU傳來的控制字通過EEPROM控制寄存器來寫控制位。“01”執(zhí)行寫操作，“10”執(zhí)行讀操作。至此系統(tǒng)CPU命令由HOST/PCI橋通過PIC總線的數(shù)據(jù)引腳控制超聲檢測卡各寄存器的工作狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)超聲檢測卡的各種功能。

超聲檢測卡的軟件編譯語言是C++，用C++編譯.h程序和.cpp等程序以及編譯器得到.exe應(yīng)用程序。首先編譯ReadData函數(shù)讀取一幀波形的數(shù)據(jù)格式，從硬件讀取數(shù)據(jù)時(shí)，每通道返回1K(1024)字節(jié)數(shù)據(jù)，稱為1幀，每塊卡4通道返回4K字節(jié)數(shù)據(jù)。每幀數(shù)據(jù)包含了波形、閘門、旋轉(zhuǎn)編碼器、射頻模式下的負(fù)半波波形數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。由void Outd函數(shù)向PCI超聲檢測卡指定地址寫入一個(gè)32位數(shù)據(jù)；由DWORD Ind函數(shù)從PCI超聲檢測卡指定地址讀取一個(gè)類型為unsigned int的32位數(shù)據(jù)。通過int SetTimeSlice函數(shù)設(shè)置時(shí)間長度。重復(fù)頻率發(fā)生器每隔一個(gè)時(shí)間片產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖，觸發(fā)某個(gè)通道發(fā)射。每個(gè)觸發(fā)脈沖都有一個(gè)從0～59遞增的序號。配合Pulse Sequence函數(shù)，即可設(shè)定哪個(gè)序號要觸發(fā)哪個(gè)通道。經(jīng)過void Pulse Type函數(shù)選擇激勵(lì)脈沖的如方波和尖脈沖，配合void Set Phase Type函數(shù)確定檢波類型：全波；正半波；負(fù)半波和射頻。再由int Gain函數(shù)設(shè)置增益。最后由編譯器和GUI編程將全部函數(shù)編譯為.exe可執(zhí)行文件，最終得到圖4所示的操作界面，圖中通道4正在進(jìn)行信號的檢測工作。

圖4 檢測系統(tǒng)操作界面Fig.4 The control interface of virtual Instrument system

檢測系統(tǒng)采樣頻率100 MHz，檢波包括：全波、正半波、負(fù)半波和射頻。激勵(lì)電壓1～300 V可調(diào)，激勵(lì)波形寬度連續(xù)可調(diào)，增益范圍：0～110 dB可根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)節(jié)，脈沖重復(fù)頻率最高10 kHz?？梢詫?shí)現(xiàn)檢測通道、工作方式、測量方式、探頭類型、檢波方式等的切換，可以實(shí)現(xiàn)超聲檢測卡的發(fā)射電壓、脈沖重復(fù)頻率、激勵(lì)方波寬度、阻尼、波形顯示范圍等參數(shù)的設(shè)置，并嵌入了三個(gè)報(bào)警閘門，便于對波形的觀察和對檢測結(jié)果進(jìn)行快速判斷。

其中，超聲發(fā)射電路主要作用是為超聲探頭(換能器)提供高壓脈沖信號。具體過程是：控制模塊產(chǎn)生開關(guān)脈沖信號，發(fā)射電路接收到觸發(fā)信號之后產(chǎn)生負(fù)高壓脈沖，再由負(fù)高壓脈沖激勵(lì)探頭從而產(chǎn)生超聲波。

圖5為超聲電路原理結(jié)構(gòu)框圖，由超聲波探頭傳回的反射回波信號在未經(jīng)任何處理時(shí)為極弱的電壓信號，大小在毫伏量級。故需實(shí)施回波調(diào)理，其功能單元包括回波限幅及信號衰減、信號放大、檢波、門選及峰值保持幾部分。A/D采樣電路主要功能是將初步處理的超聲回波信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由專用AD轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)，并由控制模塊進(jìn)行調(diào)度控制。

圖5 超聲電路原理結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Principle and structure of ultrasonic circuit

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬儀器系統(tǒng)由工控機(jī)系統(tǒng)及超聲數(shù)據(jù)采集軟件組成。虛擬儀器系統(tǒng)(以下在正文中簡稱為“工控機(jī)”)原理圖如圖6所示。工作時(shí)需使用專用夾具固定超聲波探頭，在探頭與被測材料之間均勻涂抹耦合劑。通過工控機(jī)界面控制超聲波的發(fā)射接收，探頭測得的超聲信號經(jīng)由超聲波檢測卡送入工控機(jī)，再由計(jì)算機(jī)中自編的超聲識別程序?qū)崿F(xiàn)信號預(yù)處理、特征提取和樣品識別等工作。超聲檢測卡與工控機(jī)之間通過PCI總線控制。

圖6 虛擬儀器系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The structure diagram of virtual instrument system

2.3 虛擬儀器樣機(jī)

從外部看，工控機(jī)設(shè)備包括超聲波探頭和工控機(jī)兩部分。其中，超聲波探頭共包含5 MHz和10 MHz兩種頻率。經(jīng)使用標(biāo)準(zhǔn)儀器檢測，探頭均能正常工作，且可以正確識別試驗(yàn)樣品；工控機(jī)采用研華610G型，含8個(gè)PCI插槽，可視情況增加超聲波檢測卡的數(shù)量，具可擴(kuò)充性。工控機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖7，8所示,圖8中顯示器左側(cè)即工控機(jī)主體，為進(jìn)一步提高安全性，工控機(jī)開機(jī)鍵和USB接口由配有鎖孔的安全門保護(hù)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了識別系統(tǒng)的一體化和安全門保護(hù)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了識別系統(tǒng)的一體化和自動化，利用dos下的.bat文件對信號采集程序和識別程序進(jìn)行關(guān)聯(lián)，每次開機(jī)只需一鍵即可啟動完整識別系統(tǒng)，直接進(jìn)行信號采集便可。

圖7 工控機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.7 Internal structure of industrial computer

圖8 工控機(jī)識別系統(tǒng)Fig.8 Identification system of industrial computer

3 識別試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

首先對工控機(jī)設(shè)置參數(shù)，包括根據(jù)材料設(shè)置的聲速，發(fā)射電壓200 V，根據(jù)樣品信號特征調(diào)節(jié)增益，不同材料樣品回波幅值不同所需增益也不同,虛擬機(jī)能記錄的最大幅值為250，所有高于250的幅值均按250保存，要保證峰值低于250且過大增益會放大底噪，使采集的信號失真，但也不能太小，因?yàn)榉从硺悠凡町惖男畔⒅饕嬖谂c各次回波高峰值之間的低峰值細(xì)節(jié)信號中，增益太小會導(dǎo)致細(xì)節(jié)信息被掩蓋，影響識別。然后采集信號，須保證每次采集的信號均在同一位置同一角度，位置和角度的明顯變化會導(dǎo)致超聲掃查的位置范圍變化，材料內(nèi)的散射信號反射信號發(fā)生改變，會不同程度影響識別結(jié)果。

試驗(yàn)所用耦合劑為水，每次采集時(shí)要用膠頭滴管滴相同體積的水3～5滴，重復(fù)以上操作。期間要保持樣品底部干燥，防止超聲通過耦合劑入射到放置樣品的工作面。

3.2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)樣品為4個(gè)外觀完全一樣的陶瓷盤，分別編號為1#、2#、3#、4#，標(biāo)準(zhǔn)信號取20次，待測信號取7次，表1為以1#樣品為例計(jì)算出的20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號的幅值比求得均值F=4.120 3，進(jìn)一步求得標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.676 0故時(shí)域閾值Q=6.148 3，同理可求得頻域閾值，1#樣品待測信號幅值比見表2。

表1 樣品1#的標(biāo)準(zhǔn)信號幅值比Tab.1 Amplitude ratio of standard signals of sample 1#

從表2可以看出1#樣品在識別1#樣品時(shí)有6次待測信號識別為同個(gè)樣品，1次無法識別，即第3次時(shí)域幅值比超出閾值，頻域幅值比低于閾值，說明第3次待測信號采集不夠準(zhǔn)確，但由于其他6次采集正確，故最終結(jié)果為同個(gè)樣品。

表2 樣品1#待測信號幅值比Tab.2 Amplitude ratio of signal to be identified of sample 1#

圖9為1#樣品的標(biāo)準(zhǔn)指紋信號識別2#樣品的待測指紋信號的識別結(jié)果。其他樣品間互相識別試驗(yàn)結(jié)果與本次相似，由于數(shù)據(jù)過多便不一一列出。圖7中待測指紋信號的時(shí)域和頻域幅值比均遠(yuǎn)高于各自閾值，可以看出一個(gè)樣品在識別另一個(gè)樣品時(shí)，待測信號幅值比遠(yuǎn)高于閾值，尤其是頻域部分差異巨大，進(jìn)一步印證了文獻(xiàn)[5]中超聲背散頻率與晶粒尺寸的關(guān)系。

圖9 樣品2#待測指紋標(biāo)簽Fig.9 The fingerprint label to be tested of 2# sample

從表3中可看出4個(gè)樣品均能正確完成互相識別，其中有3個(gè)待測信號結(jié)果為時(shí)域、頻域幅值比一個(gè)高于閾值一個(gè)低于閾值，因此這3個(gè)數(shù)據(jù)被識別程序剔除，不參與決策，故誤辨次數(shù)仍然為0。

表3 樣品互相識別結(jié)果Tab.3 Results of mutual identification of samples

識別信號精度較高，在進(jìn)行自識別時(shí)如果待測信號的采集不夠準(zhǔn)確會導(dǎo)致信號幅值出現(xiàn)差異，超出閾值就會判斷為不同樣品，若一次待測信號所得幅值比明顯高于其他幾次，則可以說明測量不準(zhǔn)確，該次信號應(yīng)舍棄并重新采集一次。

3.3 不確定度分析

測量結(jié)果不確定度一般包含幾個(gè)分量，按其數(shù)值評定方法,這些分量可歸為兩類：A類 (多次重復(fù)測量時(shí)) 用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算的量；B類用(非統(tǒng)計(jì)學(xué))其他方法評定的分量。

A類不確定度由測量數(shù)據(jù)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差表征，按照國家檢定規(guī)范《JJF1059—1999測量不確定度評定與表示》，A類不確定度計(jì)算方法為用式(4)即貝塞爾式計(jì)算得到的是試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，然后由式(5)計(jì)算 A 類評定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。S(x)為標(biāo)準(zhǔn)差，n為測量次數(shù)，uA為A類不確定度，xi為采集的幅值比特征量。

(4)

(5)

以1#陶瓷盤為例，由表1數(shù)據(jù)代入上式可計(jì)算出其時(shí)域不確定度uA=0.151，頻域不確定度uA=0.796；時(shí)域閾值6.148，頻域閾值36.651，可以看出信號采集的不確定度比閾值低了至少1個(gè)數(shù)量級，同時(shí)也比幅值比低了1個(gè)數(shù)量級，說明信號采集的不確定程度對識別結(jié)果的影響很小，工控機(jī)系統(tǒng)采集信號較為穩(wěn)定，結(jié)果可信。同理可以算出其他樣品每次采集信號的不確定度，所得結(jié)果基本與1#樣品一致，不確定程度相比閾值和幅值比都小一個(gè)數(shù)量級，數(shù)據(jù)采集較為穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果可信。

3.4 其他樣品及識別結(jié)果

除上文所用的陶瓷盤樣品外，本文還對陶瓷盒樣品、陶瓷水池樣品和陶瓷罐樣品進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。樣品圖片見圖10～11。

圖10 陶瓷水池Fig.10 Ceramic cistern

圖11 陶瓷盒與陶瓷罐Fig.11 Ceramic box and ceramic jar

其中各類樣品尺寸為：4個(gè)陶瓷水池長約53 cm，寬約38 cm，深53 cm，壁厚約10 mm；3個(gè)陶瓷盒，長53 mm，寬53 mm，底厚度為5 mm；3個(gè)陶瓷罐，直徑58 mm，底厚為3 mm。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，上述陶瓷樣品均可以正確互相識別。

4 影響因素研究

根據(jù)所做試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)，每次信號采集時(shí)探頭位置和角度一旦變化，回波信號將隨變化程度的不同而產(chǎn)生不同程度的改變，對于角度考慮到實(shí)際應(yīng)用難以做到每次角度都保持一致，故進(jìn)行了適應(yīng)性試驗(yàn)，結(jié)果是待測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號采集時(shí)均隨機(jī)旋轉(zhuǎn)±5°后，仍能達(dá)到準(zhǔn)確識別要求，旋轉(zhuǎn)±10°后雖也能準(zhǔn)確識別各種樣品，但其幅值比變化范圍很大，容易發(fā)生誤辯。因此保守起見，采集信號時(shí)要提前規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)方向，探頭可以在此基準(zhǔn)上旋轉(zhuǎn)±5°。圖12為1#樣品測試探頭分別旋轉(zhuǎn)0°、5°和10°的時(shí)域信號圖，前6個(gè)回波信號三者基本一致旋轉(zhuǎn)10°的回波峰值略低于其他兩個(gè)，區(qū)別主要體現(xiàn)在尾波細(xì)節(jié)信息，探頭旋轉(zhuǎn)后掃查區(qū)域也同步旋轉(zhuǎn)，但實(shí)際情況下的掃查區(qū)域并非理想條件下的對稱聲場，因此超聲在樣品中的散射也會因旋轉(zhuǎn)而發(fā)生微小變化，旋轉(zhuǎn)10°后高次回波信號的差別更加明顯。

圖12 不同角度時(shí)域信號Fig.12 Time-domain signal of different angles

位置固定相比于角度固定容易，雖然探頭位置可以有5 mm的偏移框量，但同樣會降低識別準(zhǔn)確度，故規(guī)定基準(zhǔn)位置后探頭應(yīng)盡量準(zhǔn)確的放在基準(zhǔn)位置，稍微有偏差不會影響識別。

探頭上方需加一重物壓住使信號穩(wěn)定，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，信號在200 g，250 g，300 g，400 g的壓力下均一致，因此不小于200 g即可滿足要求，過重的壓塊既不方便攜帶又容易損傷探頭。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)如果物體底面有水，則信號會發(fā)生很大改變，因?yàn)樗邱詈蟿綍r(shí)超聲達(dá)到物體底面時(shí)由于阻抗不匹配，無法穿過空氣達(dá)到放置物體的桌面，而一旦底面有水就會將物體底面與桌面進(jìn)行耦合，使超聲穿過從而改變回波信號。為此本文做模擬了不同放置面的試驗(yàn)，在桌面覆蓋一條干毛巾和濕毛巾，探究不同底面邊界的識別效果。相對于光滑質(zhì)密堅(jiān)硬的桌面邊界條件，干毛巾模擬的是粗糙疏松柔軟的邊界條件。結(jié)果表明物體在干毛巾上試驗(yàn)不影響識別，而在濕毛巾上的試驗(yàn)出現(xiàn)多次誤辯。

5 結(jié) 論

本文介紹了在基于虛擬儀器的陶瓷器件超聲指紋防偽識別技術(shù)研究方面的工作。目前實(shí)現(xiàn)的陶瓷器件超聲防偽識別的虛擬儀器系統(tǒng)，由超聲檢測卡和超聲檢測虛擬儀器軟件構(gòu)成。試驗(yàn)測試表明，該虛擬機(jī)系統(tǒng)可以完成對外觀完全相同的陶瓷器件的識別且效果穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。因此可以認(rèn)為，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)各類型材料和結(jié)構(gòu)的有效識別。同時(shí)，該系統(tǒng)的開發(fā)也為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)超聲防偽識別系統(tǒng)的智能化、自動化、一體化、小型化奠定了良好的基礎(chǔ)。