基于动态模板匹配的非接触超声弹体厚度测量方法*

金 永，吴其洲，陈友兴，刘 凯

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051）

基于动态模板匹配的非接触超声弹体厚度测量方法*

金 永，吴其洲，陈友兴，刘 凯

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051）

为了实现某弹体在车削加工过程中弹体厚度的自动测量，采用喷水式的非接触超声检测方法，利用弹体和刀架的匀速旋转和移动，在工控机的控制下实现弹体的全面检测。通过动态模板匹配的超声回波处理方法计算出弹体各检测位置的厚度值。检测结果表明，该检测方法的检测精度可达到0.1 mm。

弹体厚度，非接触超声测量，动态模板匹配

0 引言

某型号的弹体通过浇铸形成弹体坯料，再对弹体坯料通过车床进行多次车削而成。每次车削量要根据弹体的厚度决定，因此，加工前后均要准确测量弹体的厚度分布，以作为指导参数确定下一次的车削量。由于需要辅助工装才能将弹体坯料装卡在车床上，因此，弹体的车削是在同一台车床上分多次进行，期间不进行拆卸。

目前弹体厚度是采用手持式的超声测厚仪，在多个固定位置进行抽点测量，这种方式不能全面反映弹体的厚度分布，并且由于受到人为因素的影响，测量误差较大［1-3］。为了全面准确地测量弹体厚度，本文在不改变现有车削工艺的基础上，利用喷水式的非接触超声检测装置，通过动态模板匹配的超声回波处理方法，实现弹体厚度的全面准确测量。

1 检测方案

图1 非接触式的超声厚度检测示意图

图1所示为检测装置结构示意图。喷水式超声探头盒固定于车床刀架上，且与弹体中心在同一水平面上。检测时，当探头盒跟随刀架匀速移动到弹体被测区时，工控机根据安装在探头盒上侧的光电传感器发出的检测起始信号，控制脉冲卡等间隔输出脉冲，用于触发超声发射接收卡，以实现等间隔采集超声回波信号，并计算出该位置的厚度值。当探头盒跟随刀架移出弹体被测区时，光电传感器输出停止信号，检测结束。

本装置采用车削加工所使用的乳化液作为耦合剂，喷水口喷出的乳化液柱形成了超声波传播进入弹体的介质，并沿着弹体圆周方向流入水槽，水泵再将乳化液泵入探头盒，使得乳化液得到循环利用。

测量时，弹体和刀架分别匀速旋转和水平移动，工控机等间隔采集超声波回波信号，并实时计算出各个检测位置的厚度值，从而实现弹体厚度的全面测量。

本方法所采用非接触的超声波测厚原理如图2所示。

图2 非接触式的超声厚度检测原理图

超声波经过乳化液柱到达弹体的表面，一部分在弹体表面形成第1次界面回波，另一部分则透射到弹体内，并在弹体的底面和表面产生了多次反射和透射，形成紧随第1次界面回波的多次回波。采集的回波波形如图3所示。

图3 第1次界面超声回波信号

图4 为第1次界面回波的展开波形，从图中可以看出，在弹体底面产生了3次明显回波信号，且各回波信号的特征相近，时间间隔相等。因此，根据3次底面回波信号之间的时间间隔即可计算出弹体的厚度值。

如果按照传统的厚度计算方法，即利用寻找到两个底面回波的最大值之间的时间差来计算厚度，会在某些测量点处产生测量误差［4］。图中B1的最大值在T1处，而B2的最大值则出现在T2处，由T1和T2所计算出来的厚度值将出现较大偏差。

图4 展开的第1次界面回波信号

为了避免测量误差，本文采用动态模板匹配法以实现弹体厚度的准确测量。

2 动态模板匹配的厚度测量方法

固定模板匹配法是采用一个固定的模板对波形进行遍历，以寻找到最佳匹配位置，但不同位置的回波特征不同，易造成匹配失败［5-6］。而本文所采用动态模板匹配法是针对每个回波信号，设定阈值并分别提取出一个模板波形，在待测波形中进行遍历，以寻找到最佳匹配位置。

在该算法中，首先设定阈值为底面第1次回波B1最大值的90%，其次在B1中标定第1个幅值大于阈值的点B，如图5所示。

图5 动态模板的确定

从B点向前遍历，标定第1个过零点作为模板起始点，从B点向后遍历，标定第3个过零点C作为模板结束点，计算A点到C点之间的点数N，即确定模板位置及大小。设定模板波形序列为M（i），1≤i≤N，A点所对应幅度值为M（1），C点所对应幅度值为M（N）。

设待匹配的波形幅度序列为P（t，i），1≤i≤N。将待匹配波形序列与模板序列对应的幅度值相减，并将差的绝对值进行累加求和。

如图6所示，纵坐标D（t）为待匹配波形与模板之差的绝对值的累加和，其值越小，匹配程度越高。D（x）和D（y）分别为匹配到的第1和2个波形的起始位置。图7所示为起始位置所对应的匹配的波形。相比于超声回波信号，所确定的起始位置D（x）具有更高的信噪比。

图6 待匹配波形序列与模板序列的幅值差

图7 与幅值差对应的匹配波形

取第1段匹配波形序列的起始点D（x）与模板的起始点M（1）计算厚度。设M（1）对应的回波时间为t1，D（x）对应的回波时间为t2。

在相同测量条件下，根据标准试件测量出超声在弹体中的速度v，可以计算出弹体厚度：

4 检测结果及分析

采用非接触式的自动测量方法，可以得到整个弹体的厚度分布值，大大提高了检测效率。

在测量得到的弹体厚度分布中，以某一轴线的测量值为例，等间隔取出该轴线测量的厚度值，并在对应位置采用人工测量的实际厚度值（22个位置）进行对比，如图8所示。从图中可以看出，自动测量得到的厚度曲线准确反映出弹体厚度的变化趋势，且变化趋势与实际值一致。

图8 某一轴线上测量的弹体厚度曲线

由于位置4、位置14和位置15为弹体的加强段，其厚度值不作精度考核。因此，等间隔测量的19个有效测量点的测量值与实际值之间的对比如表1所示。

从表中可以看出，测量值和实际值之间的最大偏差为0.09 mm。经过多个弹体的测量值与实际值的对比，两者之间的最大偏差均小于0.1 mm，因此，测量结果表明，该方法的检测精度可达到0.1 mm。

表1 19个有效测量点的测量值与实际值的对比

5 结论

本文提出的弹体厚度自动检测方法可以实现弹体厚度的全面测量。该方法在不改变现有车削工艺的基础上，采用喷水式的非接触超声厚度检测方法，利用动态模板匹配的回波信号处理方法，实现了弹体厚度的自动准确测量。检测结果表明，弹体厚度的检测精度可达到0.1 mm。

该方法所实现的非接触的厚度测量方法，避免了探头与被测物体之间的磨损，可应用于现有的车床加工过程中的工件厚度的自动测量。

［1］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［J］.传感器与微系统，2011，30（12）：119-121.

［2］周建民，尹洪妍，徐冬冬.基于超声波的窄缝深度检测系统［J］.仪表技术与传感器，2011，47（9）：50-52.

［3］徐海，何辅云.超声波管材壁厚连续测量系统的研究［J］.无损探伤，2006，30（3）:33-35.

［4］戴波，马明璐.管道腐蚀超声波内检测关闭自动测厚算法［J］.化工学报，2012，63（9）：2981-2989．

［5］倪永州，田跃.一种快速模板匹配的波形识别算法［J］.传感器世界，2006，12（4）：32-34.

［6］江依法，周青，陈伟燕.一种改进的模板匹配算法及其在ECG波形识别中的应用［J］.中国生物医学工程学报，2012，31（5）：775-780.

Non-contact Ultrasonic Measuring Method for Thickness of Missile Body Based on Dynamic Template Matching

JIN Yong，WU Qi-zhou，CHEN You-xin，LIU Kai
（National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

The non-contact ultrasonic method is used to measure the missile body’s thickness in turning process.The measurement of the whole missile body is controlled by industrial personal computer，which utilizes the uniform rotating speed of the projectile body and uniform movement speed of the tool-holder.The thickness of the missile body is calculated by using dynamic template matching to process the ultrasonic echo signal.The result shows that the measuring accuracy of missile body’s thickness can reach 0.1 mm.

thickness of missile body，non-contact ultrasonic measuring，dynamic template matching

TJ41；TP391

A

1002-0640（2015）06-0129-03

2014-04-09

2014-05-27

国家自然科学基金（61201412）；山西省青年科技研究基金资助项目（2012021011-5）

金 永（1977- ），男，辽宁绥中人，博士，副教授。研究方向：信息处理与重建。