劉 凱，王召巴 ,金 永

(中北大學(xué),電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原 030051)

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序列相似性檢測在超聲測厚系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 凱，王召巴 ,金 永

(中北大學(xué),電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原 030051)

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

脈沖回波法；超聲測厚系統(tǒng)；序列相似性檢測

0 引言

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

本文針對上述方法帶來的問題，提出將序列相似性檢測應(yīng)用于對兩次回波之間時間差的計算過程中[3]，通過對波形的匹配避免因波形畸變對特征值定位不準的缺點。并通過在實踐中對該算法的應(yīng)用，驗證了該算法的有效性和準確性。

1 脈沖回波法及序列相似性檢測原理

1.1 脈沖回波法測厚原理

如圖1所示，脈沖回波法一般是利用一個超聲換能器發(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，就會被反射回來，反射回來的超聲波被同一換能器接收，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度[4]。

圖1 超聲探頭測厚示意圖

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波時間差；c為超聲波在工件中的傳播速度。

圖2 脈沖回波法測厚原理圖

1.2 序列相似性檢測原理

對于兩段長度相同的波形序列X(N)和Y(N)，計算兩段序列中相同下標(biāo)采樣點的幅度值差，并將差的絕對值累加求和[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 序列相似性檢測在脈沖回波法測厚中的應(yīng)用

根據(jù)脈沖回波法原理及序列相似性檢測原理，在底面第一次回波信號中設(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)之間的時間差確定超聲波在工件中的傳播時間。

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中最大幅度值的70%作為閾值，其次在底面第一次回波信號中尋找第一個幅度值大于閾值的點，從該點向前遍歷，尋找第一個過零點作為模板序列起始點X(1)，從B點向后遍歷，尋找第三個過零點作為模板序列結(jié)束點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

在模板序列后的信號波形中，以t時刻采樣點為待匹配序列起始點Y(1)，從該點向后取N-1個點作為待匹配序列Y(t,i)，1≤i≤N。對Y(t,i)與X(i)相同下標(biāo)值的幅度值作差，并對所有差的絕對值求和，如式(3)所示：

(3)

式中：MAD(t,X,Y)反映了在以t時刻采樣點為起始點的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 計算厚度

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

(4)

式中v為相同環(huán)境條件下在該材料中測量的聲速。

3 序列相似性檢測應(yīng)用于在線超聲測厚系統(tǒng)中

3.1 檢測過程中回波信號的分析

在某工廠對某工件軸線方向厚度進行在線超聲測厚過程中，分別使用序列相似性檢測法和最大值法，對測量結(jié)果進行對比分析如下。

經(jīng)過多次實驗，對所有回波信號進行分析發(fā)現(xiàn)，在回波信號中，有兩種典型的回波信號：第一種回波信號如圖4所示，為標(biāo)準的回波信號；第二種回波信號如圖5所示，為波形畸變的回波信號。

圖4 標(biāo)準的超聲回波信號

圖5 波形畸變的回波信號

在如圖4所示波形中，X(1)為模板序列起始點，B11為底面第1次回波最大值點，B21為底面第2次回波最大值點。圖6所示為以t時刻采樣點為起始點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。

圖6 以t時刻采樣點為起始點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算出兩次底面回波之間的時間差為

tB21B11=45.23-43.38=1.85 μs

通過序列相似性匹配計算出兩次底面回波之間的時間差為

tY1X1=45.18-43.33=1.85 μs

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

如圖5所示波形中，X(1)為模板序列起始點，B11為底面第1次回波最大值點，B22為底面第2次回波的最大值點。圖7所示為以t時刻采樣點為起始點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。

通過底面兩次回波最大值計算出兩次底面回波之間的時間差為

tB22B11=45.25-43.27=1.98 μs

通過序列相似性匹配計算出兩次底面回波之間的時間差為

tY1X1=44.93-43.22=1.71 μs

根據(jù)計算結(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，計算底面兩次回波中最大值之間的時間差和通過序列相似性檢測計算的兩次回波之間時間差結(jié)果不相等，因此測量出的厚度值也不相等。

3.2 檢測結(jié)果及分析

在對某工件軸線方向厚度進行在線超聲測厚過程中，利用最大值法、序列相似性檢測法結(jié)果對比如圖8所示，圖中實線為通過序列相似性匹配計算出的工件軸線方向厚度曲線，虛線為通過最大值法計算出的工件軸線方向厚度曲線，10個黑點為工件軸線上等間隔位置處的準確厚度值。

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

圖8 工件軸線方向兩種厚度計算方法測量厚度曲線

表1 等間隔10個點的兩種計算方法實測值與準確值對比 mm

4 結(jié)束語

相比傳統(tǒng)的計算底面兩次回波之間時間差的方法，將序列相似性檢測應(yīng)用于對兩次回波之間時間差的計算過程中，擺脫了波形局限性的束縛。通過該算法在實踐中的應(yīng)用，驗證了該算法的有效性和準確性。

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

[2] 柯細勇，王占元，楊劍峰，等．一種新型便攜式超聲波測厚儀的設(shè)計．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，研究方向為信息處理與重建。 E-mail：648926378@qq.com 王召巴(1967—)，教授，研究方向為信息處理與重建。