序列相似性检测在超声测厚系统中的应用

刘 凯，王召巴 ,金 永

(中北大学,电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051)



序列相似性检测在超声测厚系统中的应用

刘 凯，王召巴 ,金 永

(中北大学,电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051)

基于脉冲回波法在超声测厚系统中应用十分广泛，文中提出将序列相似性检测应用于基于脉冲回波法的超声测厚系统中，避免了传统的厚度计算方法中存在的严重的波形局限性。在该算法中，通过计算序列的相似程度，寻找底面两次回波中变化趋势最为接近的两段序列，由这两段序列计算超声波在工件中的传播时间，从而计算工件的厚度。通过该算法在实践中的应用，验证了该算法的有效性和准确性。

脉冲回波法；超声测厚系统；序列相似性检测

0 引言

市场上大多数的超声测厚系统采用脉冲回波法原理，通过确定底面两次回波之间时间差来计算被测工件的厚度[1]。 将底面两次回波信号中的最大值作为特征值，通过特征值计算底面两次回波之间的时间差是基于脉冲回波法的超声测厚系统中最常用的计算方法[2]，但该方法存在严重的波形局限性，不能被广泛应用于易出现波形畸变的全自动在线测厚系统中。

本文针对上述方法带来的问题，提出将序列相似性检测应用于对两次回波之间时间差的计算过程中[3]，通过对波形的匹配避免因波形畸变对特征值定位不准的缺点。并通过在实践中对该算法的应用，验证了该算法的有效性和准确性。

1 脉冲回波法及序列相似性检测原理

1.1 脉冲回波法测厚原理

如图1所示，脉冲回波法一般是利用一个超声换能器发射和接收超声波，当发射的超声波在工件中遇到不连续界面时，就会被反射回来，反射回来的超声波被同一换能器接收，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度[4]。

图1 超声探头测厚示意图

如图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。根据超声波在均匀介质中传播时间与工件厚度成正比，可知工件厚度为

(1)

式中:t为B1波与B2波时间差；c为超声波在工件中的传播速度。

图2 脉冲回波法测厚原理图

1.2 序列相似性检测原理

对于两段长度相同的波形序列X(N)和Y(N)，计算两段序列中相同下标采样点的幅度值差，并将差的绝对值累加求和[5]，其和值大小与两段波形序列的匹配程度呈负相关。

(2)

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

2 序列相似性检测在脉冲回波法测厚中的应用

根据脉冲回波法原理及序列相似性检测原理，在底面第一次回波信号中设定一段序列作为模板序列X(N)，在底面第二次回波信号中寻找与模板序列最匹配的序列Y(N)，由Y(N)与X(N)之间的时间差确定超声波在工件中的传播时间。

2.1 底面第一次回波中模板序列的确定

如图3所示，首先设定底面第一次回波信号中最大幅度值的70%作为阈值，其次在底面第一次回波信号中寻找第一个幅度值大于阈值的点，从该点向前遍历，寻找第一个过零点作为模板序列起始点X(1)，从B点向后遍历，寻找第三个过零点作为模板序列结束点X(N)，由X(1)和X(N)确定模板序列X(i),1≤i≤N。

图3 底面第1次回波中模板序列的确定

2.2 序列相似性检测

在模板序列后的信号波形中，以t时刻采样点为待匹配序列起始点Y(1)，从该点向后取N-1个点作为待匹配序列Y(t,i)，1≤i≤N。对Y(t,i)与X(i)相同下标值的幅度值作差，并对所有差的绝对值求和，如式(3)所示：

(3)

式中：MAD(t,X,Y)反映了在以t时刻采样点为起始点的Y序列与X序列的匹配程度，MAD(t,X,Y)值越小，Y序列与X序列匹配程度越高。

2.3 计算厚度

序列相似性检测后，由MAD(t,X,Y)最小值确定匹配程度最高的序列起始点Y(1)，根据Y(1)和模板序列起始点X(1)的时刻值得到厚度计算公式：

(4)

式中v为相同环境条件下在该材料中测量的声速。

3 序列相似性检测应用于在线超声测厚系统中

3.1 检测过程中回波信号的分析

在某工厂对某工件轴线方向厚度进行在线超声测厚过程中，分别使用序列相似性检测法和最大值法，对测量结果进行对比分析如下。

经过多次实验，对所有回波信号进行分析发现，在回波信号中，有两种典型的回波信号：第一种回波信号如图4所示，为标准的回波信号；第二种回波信号如图5所示，为波形畸变的回波信号。

图4 标准的超声回波信号

图5 波形畸变的回波信号

在如图4所示波形中，X(1)为模板序列起始点，B11为底面第1次回波最大值点，B21为底面第2次回波最大值点。图6所示为以t时刻采样点为起始点的待匹配序列与模板序列的匹配程度，Y(1)为匹配程度最高的序列起始点。

图6 以t时刻采样点为起始点的待匹配序列与模板序列匹配程度示意图

通过底面两次回波最大值计算出两次底面回波之间的时间差为

tB21B11=45.23-43.38=1.85 μs

通过序列相似性匹配计算出两次底面回波之间的时间差为

tY1X1=45.18-43.33=1.85 μs

根据计算结果得出，在图4所示波形中，计算底面两次回波信号最大值之间的时间差和通过序列相似性检测计算的两次回波之间时间差结果相等。

如图5所示波形中，X(1)为模板序列起始点，B11为底面第1次回波最大值点，B22为底面第2次回波的最大值点。图7所示为以t时刻采样点为起始点的待匹配序列与模板序列的匹配程度，Y(1)为匹配程度最高序列起始点。

通过底面两次回波最大值计算出两次底面回波之间的时间差为

tB22B11=45.25-43.27=1.98 μs

通过序列相似性匹配计算出两次底面回波之间的时间差为

tY1X1=44.93-43.22=1.71 μs

根据计算结果得出，在图5所示波形中，由于底面第二次回波中，最大值位置偏移，计算底面两次回波中最大值之间的时间差和通过序列相似性检测计算的两次回波之间时间差结果不相等，因此测量出的厚度值也不相等。

3.2 检测结果及分析

在对某工件轴线方向厚度进行在线超声测厚过程中，利用最大值法、序列相似性检测法结果对比如图8所示，图中实线为通过序列相似性匹配计算出的工件轴线方向厚度曲线，虚线为通过最大值法计算出的工件轴线方向厚度曲线，10个黑点为工件轴线上等间隔位置处的准确厚度值。

根据表1所列数据可知，通过序列相似性测量出的弹体厚度与弹体实际厚度偏差值不超过0.1 mm.在某些点处，通过序列相似性测量出的弹体厚度与通过最大值方法测量出的弹体厚度偏差为0.031mm，经过验证，该长度为一个波形的波长。

图8 工件轴线方向两种厚度计算方法测量厚度曲线

表1 等间隔10个点的两种计算方法实测值与准确值对比 mm

4 结束语

相比传统的计算底面两次回波之间时间差的方法，将序列相似性检测应用于对两次回波之间时间差的计算过程中，摆脱了波形局限性的束缚。通过该算法在实践中的应用，验证了该算法的有效性和准确性。

[1] 李福进，费冬妹．基于脉冲反射式的超声测厚系统的设计．仪表技术与传感器，2013(4)：50-52.

[2] 柯细勇，王占元，杨剑峰，等．一种新型便携式超声波测厚仪的设计．传感器与微系统，2011，30(12)：119-121.

[3] 倪永州，田跃.一种快速模板匹配的波形识别算法.传感器世界，2006(4)：32-34.

[4] 吴伏家,赵长瑞,尹晓霞.超声波测厚系统的研究.现代制造工程,2009(11): 40-41，55.

[5] 叶海民,戎蒙恬,邓晓东等.基于绝对值差的归一化波形匹配混合算法.信息技术,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

国家自然科学基金(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

刘凯(1990—)，硕士，研究方向为信息处理与重建。 E-mail：648926378@qq.com 王召巴(1967—)，教授，研究方向为信息处理与重建。