本發(fā)明屬于超聲檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超聲在機(jī)測(cè)厚中的入射偏角自動(dòng)辨識(shí)與誤差補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

超聲法因具有界面反射和材料透射特性，往往是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中零部件厚度檢測(cè)首選方法。將超聲傳感器集成于加工裝備，實(shí)現(xiàn)在機(jī)自動(dòng)測(cè)厚，可有效解決大型薄壁零件高效測(cè)厚難題。

目前，超聲測(cè)厚主要采用脈沖反射原理，其要求傳感器聲束中心線與被測(cè)點(diǎn)處法矢重合，否則存在入射偏角。實(shí)際測(cè)量中，即使入射偏角在超聲傳感器許用域內(nèi)，由于超聲波在工件與耦合劑界面處的反射、折射狀態(tài)發(fā)生變化，會(huì)致使超聲傳播路徑改變，進(jìn)而引起較大的厚度測(cè)量誤差。然而，超聲在機(jī)測(cè)厚中，由于被測(cè)面形復(fù)雜、跟蹤響應(yīng)時(shí)滯等因素影響，傳感器聲束中心線與測(cè)點(diǎn)法矢無(wú)法實(shí)時(shí)保持重合，不可避免地存在入射偏角。為此，如何在超聲在機(jī)測(cè)量過(guò)程中快速、精確、自動(dòng)辨識(shí)出超聲入射偏角，補(bǔ)償其引起的厚度測(cè)量誤差、對(duì)于提高超聲測(cè)厚精度，至關(guān)重要。

2014年，張曉琳等在發(fā)明專利cn201410810870.5中公開(kāi)了一種大型壁板厚度在位測(cè)量方法。將超聲波測(cè)厚儀的探頭通過(guò)裝卡機(jī)構(gòu)安裝在數(shù)控銑床的銑刀位置，機(jī)床控制超聲波測(cè)厚儀探頭運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行逐點(diǎn)接觸測(cè)厚，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸處理模塊分別將超聲波測(cè)厚儀的存儲(chǔ)器中的測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給終端處理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成壁板厚度的在位測(cè)量。2015年，康宜華等人在發(fā)明專利cn201510165390.2中公開(kāi)了一種鋼管超聲測(cè)厚裝置，包括機(jī)架、支撐座、鋼管跟蹤組件和壓管限位組件等。支撐座安裝于機(jī)架上，支撐座滑塊與水槽固定連接帶動(dòng)水槽和超聲測(cè)頭裝置靠近或遠(yuǎn)離壓管限位組件，壓管限位組件與水槽配合夾住鋼管從而對(duì)鋼管限位，鋼管進(jìn)入檢測(cè)位置時(shí)水槽帶動(dòng)超聲測(cè)頭裝置進(jìn)入檢測(cè)工位，實(shí)現(xiàn)鋼管高速移動(dòng)時(shí)的高速檢測(cè)。

然而，上述超聲自動(dòng)測(cè)厚方法均未涉及超聲入射偏角自動(dòng)辨識(shí)及誤差補(bǔ)償方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有方法的不足，針對(duì)超聲在機(jī)自動(dòng)測(cè)厚中，超聲傳感器聲束中心線與測(cè)點(diǎn)法矢無(wú)法保持實(shí)時(shí)重合，導(dǎo)致入射偏角引起的厚度測(cè)量誤差問(wèn)題，發(fā)明了一種超聲在機(jī)測(cè)厚中的入射偏角自動(dòng)辨識(shí)與誤差補(bǔ)償方法。該方法基于超聲波在被測(cè)材料表面的傳播規(guī)律，建立厚度誤差補(bǔ)償模型，實(shí)現(xiàn)零部件厚度的超聲準(zhǔn)確測(cè)量，保證超聲在機(jī)測(cè)量結(jié)果一致性。方法基于標(biāo)定出的入射偏角-回波能量衰減的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)計(jì)算實(shí)際超聲測(cè)厚信號(hào)中的首次反射回波能量，自動(dòng)辨識(shí)超聲波入射偏角，方法可靠性高。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種超聲測(cè)厚中的入射偏角自動(dòng)辨識(shí)與誤差補(bǔ)償方法，其特征是：首先，進(jìn)行超聲入射偏角標(biāo)定，提取不同標(biāo)定入射偏角下的超聲信號(hào)首次回波能量，建立標(biāo)定入射偏角與首次回波能量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；然后，采樣獲得被測(cè)件的實(shí)際超聲測(cè)厚信號(hào)，利用所建立的標(biāo)定入射偏角與首次回波能量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系自動(dòng)辨識(shí)出入射偏角；最后，基于自相關(guān)分析方法計(jì)算當(dāng)前測(cè)點(diǎn)回波聲時(shí)差，利用建立的厚度誤差補(bǔ)償模型，完成入射偏角關(guān)聯(lián)厚度誤差補(bǔ)償，獲得精確測(cè)厚結(jié)果。方法的具體步驟如下：

第一步超聲入射偏角在機(jī)標(biāo)定

首先進(jìn)行標(biāo)定準(zhǔn)備，將超聲傳感器1通過(guò)夾具5安裝在數(shù)控機(jī)床主軸4上，轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)8通過(guò)平臺(tái)螺栓壓板組件9固定在機(jī)床工作臺(tái)10上，水槽6由水槽螺栓壓板組件12固定放置在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)8上，標(biāo)定件7放置于水槽6中央底部，然后向水槽6注入耦合劑2。主軸4帶動(dòng)超聲傳感器1，使其浸沒(méi)于耦合劑2中，且超聲傳感器1與標(biāo)定件7間保持一定的測(cè)量偏置距離。

按照固定轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)增量調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)8，在每個(gè)增量角度下均進(jìn)行超聲信號(hào)采集。設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)8水平位置采集獲得的超聲回波信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)s0。首先，對(duì)獲得超聲回波信號(hào)序列s(k),k∈[1n]進(jìn)行小波分解，

式中，dj(k)為第j層小波分量，a(k)為剩余分量，r為分解層數(shù)，k為序列號(hào)。

根據(jù)傳感器頻率響應(yīng)，用第p～q層小波分量表征濾波后超聲回波信號(hào)g(k)，

計(jì)算濾波后超聲回波信號(hào)g(k)的首次回波能量e(θi,z0,rq)，

其中，θi為標(biāo)定入射偏角，rq為標(biāo)定件表面粗糙度，m1為首次回波起始序號(hào)位置，m2為首次回波終止序號(hào)位置。

相對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)s0，即入射無(wú)偏角時(shí)的超聲回波信號(hào)，標(biāo)定入射偏角θi下首次回波信號(hào)能量衰減為ei,db(θi,z0,rq)，

基于標(biāo)定過(guò)程中獲得的超聲測(cè)厚信號(hào)入射偏角-首次回波能量衰減數(shù)據(jù)點(diǎn)(θi,ei,db(θi,z0,rq))，i＝1,2,…,m，共m組，采用多項(xiàng)式擬合法建立標(biāo)定入射偏角與首次回波能量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系曲線。

第二步入射偏角自動(dòng)辨識(shí)

將被測(cè)件3放置在水槽6并浸沒(méi)于耦合劑2中，調(diào)節(jié)機(jī)床運(yùn)動(dòng)至被測(cè)件3待測(cè)量點(diǎn)上方，驅(qū)動(dòng)主軸4向下運(yùn)動(dòng)，使得超聲傳感器1與被測(cè)件3間具有一定的測(cè)量偏置距離，采集獲得當(dāng)前測(cè)點(diǎn)的超聲回波信號(hào)序列y(k)。通過(guò)公式(1)至公式(4)，計(jì)算濾波后當(dāng)前測(cè)點(diǎn)超聲回波信號(hào)gy(k)以及首次回波能量衰減edb(θl,z0,rq)。根據(jù)入射偏角與首次回波能量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系曲線，自動(dòng)辨識(shí)出被測(cè)件3當(dāng)前測(cè)點(diǎn)入射偏角

第三步厚度誤差補(bǔ)償

對(duì)被測(cè)件3的當(dāng)前測(cè)點(diǎn)處超聲回波信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)分析，并利用回波峰值計(jì)算回波時(shí)間差。濾波后當(dāng)前測(cè)點(diǎn)處超聲回波信號(hào)gy(k)自相關(guān)函數(shù)r(n)，

利用自相關(guān)函數(shù)r(n)曲線中最大峰值對(duì)應(yīng)的序列號(hào)n，計(jì)算當(dāng)前測(cè)點(diǎn)回波聲時(shí)差△t，

△t＝argmaxpeaks(r(n))/fs(6)

其中，fs為采集頻率。

按如下公式計(jì)算被測(cè)件3當(dāng)前測(cè)點(diǎn)的的厚度測(cè)量值d'，

其中，cl2為超聲波在被測(cè)件3中的傳播速度。

考慮超聲波斜入射時(shí)的界面折射，被測(cè)件3當(dāng)前測(cè)點(diǎn)的厚度實(shí)際值d與厚度測(cè)量值d'存在如下關(guān)系，

d'＝d/cosβl(8)

其中，βl為折射角度。

利用超聲波在介質(zhì)中的傳播定律，折射角度βl滿足如下關(guān)系，

其中，cl1為超聲波在耦合劑2中的傳播速度。

則，被測(cè)件3當(dāng)前測(cè)點(diǎn)的厚度實(shí)際值d為，

將自動(dòng)辨識(shí)出的當(dāng)前測(cè)點(diǎn)入射偏角和回波聲時(shí)差△t帶入公式(9)和公式(10)，計(jì)算獲得補(bǔ)償后的當(dāng)前測(cè)點(diǎn)厚度。

本發(fā)明的有益效果是：在機(jī)標(biāo)定了超聲波入射偏角與信號(hào)首次回波能量衰減間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，根據(jù)標(biāo)定曲線自動(dòng)辨識(shí)當(dāng)前測(cè)點(diǎn)入射偏角，運(yùn)算速度快、反算精度高；入射偏角關(guān)聯(lián)厚度誤差補(bǔ)償模型可實(shí)現(xiàn)不同入射角度下厚度的精確補(bǔ)償，方法可靠度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

附圖1-入射偏角在機(jī)標(biāo)定示意圖，附圖2-超聲厚度測(cè)量原理圖，其中：1-超聲傳感器，2-耦合劑，3-被測(cè)件，4-主軸，5-夾具，6-水槽，7-標(biāo)定件，8-轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，9-平臺(tái)螺栓壓板組，10-機(jī)床工作臺(tái)，11-信號(hào)線，12-水槽螺栓壓板組，-當(dāng)前測(cè)點(diǎn)入射偏角，βl-折射角，d'-厚度測(cè)量值，d-厚度實(shí)際值，p-當(dāng)前測(cè)點(diǎn)位置。

附圖3-標(biāo)定入射角度1.8°時(shí)的超聲回波信號(hào)波形。其中，橫坐標(biāo)-序號(hào)k，縱坐標(biāo)-超聲回波信號(hào)序列s(k)。

附圖4-濾波后超聲回波信號(hào)波形，其中：m1-首次回波起始序號(hào)位置，m2-首次回波終止序號(hào)位置。橫坐標(biāo)-序號(hào)k，縱坐標(biāo)-超聲回波信號(hào)g(k)。

附圖5-標(biāo)定入射偏角與首次回波能量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系曲線，其中：l1-標(biāo)定數(shù)據(jù)，l2-擬合曲線，橫坐標(biāo)-標(biāo)定入射角θi⁰，縱坐標(biāo)-回波能量衰減ei,db。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，說(shuō)明超聲在機(jī)測(cè)厚中的入射偏角自動(dòng)辨識(shí)與誤差補(bǔ)償方法。

測(cè)量參數(shù)：標(biāo)定件7，材料45號(hào)鋼、標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)方體量塊、設(shè)計(jì)尺寸為30mm×30mm×5mm；被測(cè)件3，材料45號(hào)鋼、弧形件、設(shè)計(jì)厚度8mm、半徑48mm；水浸式超聲平探頭，脈沖寬度10mhz、晶片直徑6.35mm、采集頻率1.25ghz。

第一步，超聲入射偏角標(biāo)定準(zhǔn)備。入射偏角標(biāo)定示意圖如圖1所示。超聲傳感器1通過(guò)夾具5安裝在主軸4上，轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)8通過(guò)平臺(tái)螺栓壓板組9固定在機(jī)床工作臺(tái)10上，水槽6由水槽螺拴壓板組12固定在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)8上，標(biāo)定件7放置在水槽6中央底部，水槽6注滿耦合劑2。

第二步，在機(jī)標(biāo)定。主軸4拖動(dòng)超聲傳感器1浸沒(méi)于耦合劑2中，且超聲傳感器1與標(biāo)定件7間的測(cè)量偏置距離10mm。調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)8至水平位置，則當(dāng)前位置下的超聲測(cè)量回波信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)s0。然后，控制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)8每次順時(shí)針增量轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)0.2°，采集超聲回波數(shù)據(jù)，直至轉(zhuǎn)角達(dá)到2.8°，即傳感器最大許用角度。標(biāo)定入射角度1.8°時(shí)的超聲回波信號(hào)波形如圖3所示。對(duì)圖3中的超聲回波信心進(jìn)行小波處理，經(jīng)小波分解7次后采用第6、7層高頻分量表征濾波后超聲回波信號(hào)g(k)如圖4所示。針對(duì)不同標(biāo)定入射偏角下的超聲回波信號(hào)，計(jì)算其首次回波能量衰減，進(jìn)一步利用多項(xiàng)式擬合建立θ-edb(θ,z0,rq)標(biāo)定關(guān)系曲線，如圖5所示，其中，l1-標(biāo)定數(shù)據(jù)，l2-擬合曲線。

第三步，入射偏角自動(dòng)辨識(shí)。取下標(biāo)定件7，并將被測(cè)件3放置在水槽6中央底部。機(jī)床控制超聲傳感器1至當(dāng)前測(cè)點(diǎn)p，采集超聲測(cè)量回波信號(hào)，通過(guò)公式(1)～(4)計(jì)算得到edb(θl,z0,rq)，然后利用圖5所示的標(biāo)定曲線，辨識(shí)出當(dāng)前測(cè)點(diǎn)p的入射偏角為1.8°。

第四步，入射偏角關(guān)聯(lián)厚度誤差補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，取相關(guān)函數(shù)峰值的出現(xiàn)時(shí)刻計(jì)算為回波信號(hào)聲時(shí)差，當(dāng)前測(cè)點(diǎn)p處的聲時(shí)差△t＝2.715μs。將△t＝2.715μs、被測(cè)件中超聲傳播速度cl2＝5950m/s代入到公式(7)，計(jì)算當(dāng)前測(cè)點(diǎn)p處的測(cè)量厚度d'＝8.077mm。將標(biāo)定入射偏角耦合劑中的超聲傳播速度cl1＝1493.5m/s、被測(cè)件中超聲傳播速度cl2＝5950m/s，代入公式(9)，得到折射角度βl＝7.75°。最后將d'＝8.077mm與βl＝7.75°代入公式(8)，得到當(dāng)前測(cè)點(diǎn)p補(bǔ)償后的厚度實(shí)際值d＝8.003mm。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了超聲在機(jī)測(cè)量入射偏角自動(dòng)辨識(shí)與誤差補(bǔ)償，補(bǔ)償結(jié)果準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)單、方法可靠。