[发明专利]超声测厚中的入射偏角自动辨识与误差补偿方法

摘要

本发明超声测厚中的入射偏角自动辨识与误差补偿方法属于超声检测技术领域，特别涉及一种超声在机测厚中的入射偏角自动辨识与误差补偿方法。该方法中，首先，进行超声入射偏角标定，提取不同标定入射偏角下的超声信号首次回波能量，建立标定入射偏角与首次回波能量间的关联关系。然后，采样获得被测件的实际超声测厚信号，利用所建立的标定入射偏角与首次回波能量间的关联关系自动辨识出入射偏角。最后，基于自相关分析方法计算当前测点回波声时差，利用建立的厚度误差补偿模型，完成入射偏角关联厚度误差补偿，获得精确测厚结果。本发明实现了超声在机测量中的入射偏角自动辨识及其关联厚度误差补偿，算法简单、可靠度高、实时性强。

主权项

1.一种超声测厚中的入射偏角自动辨识与误差补偿方法，其特征是：首先，进行超声入射偏角标定，提取不同标定入射偏角下的超声信号首次回波能量，建立标定入射偏角与首次回波能量间的关联关系；然后，采样获得被测件的实际超声测厚信号，利用所建立的标定入射偏角与首次回波能量间的关联关系自动辨识出入射偏角；最后，基于自相关分析方法计算当前测点回波声时差，利用建立的厚度误差补偿模型，完成入射偏角关联厚度误差补偿，获得精确测厚结果；方法具体步骤如下：第一步超声入射偏角在机标定首先进行标定准备；将超声传感器(1)通过夹具(5)安装在数控机床主轴(4)上，转动平台(8)通过平台螺栓压板组件(9)固定在机床工作台(10)上，水槽(6)由水槽螺栓压板组件(12)固定放置在转动平台(8)上，标定件(7)放置于水槽(6)中央底部，然后向水槽(6)注入耦合剂(2)；主轴(4)拖动超声传感器(1)，使其浸没于耦合剂(2)中，且超声传感器(1)与标定件(7)间保持一定的测量偏置距离；按照固定转角步长增量调整转动平台(8)，在每个增量角度下均进行超声信号采集；设定转动平台(8)水平位置采集获得的超声回波信号作为基准信号s0；首先，对获得超声回波信号序列s(k),k∈[1N]进行小波分解，式中，dj(k)为第j层小波分量，a(k)为剩余分量，r为分解层数，k为序列号；根据传感器频率响应，用第p～q层小波分量表征滤波后超声回波信号g(k)，计算滤波后超声回波信号g(k)的首次回波能量E(θi,z0,Rq)，其中，θi为标定入射偏角，Rq为标定件表面粗糙度，m1为首次回波起始序号位置，m2为首次回波终止序号位置；相对于基准信号s0，即入射无偏角时的超声回波信号，标定入射偏角θi下首次回波信号能量衰减为Ei,dB(θi,z0,Rq)，基于标定过程中获得的入射偏角‑首次回波能量衰减超声测厚信号数据点(θi,Ei,dB(θi,z0,Rq))，i＝1,2,…,M，共M组，采用多项式拟合法建立标定入射偏角与首次回波能量间的关联关系曲线；第二步入射偏角自动辨识将被测件(3)放置在水槽(6)并浸没于耦合剂(2)中，调节机床运动至被测件(3)待测量点上方，驱动主轴(4)向下运动，使得超声传感器(1)与被测件(3)间具有一定的测量偏置距离，采集获得当前测点的超声回波信号序列y(k)；通过公式(1)至公式(4)，计算滤波后当前测点超声回波信号g_y(k)以及首次回波能量衰减E_dB(θ_L,z₀,R_q)；根据入射偏角与首次回波能量间的关联关系曲线，自动辨识出被测件(3)当前测点入射偏角第三步厚度误差补偿对被测件(3)的当前测点处超声回波信号进行自相关分析，并利用回波峰值计算回波时间差；滤波后当前测点处超声回波信号gy(k)自相关函数r(n)，利用自相关函数r(n)曲线中最大峰值对应的序列号n，计算当前测点回波声时差Δt，Δt＝argmaxpeaks(r(n))/fs   (6)其中，fs为采集频率；按如下公式计算被测件(3)当前测点的的厚度测量值d'，其中，cL2为超声波在被测件(3)中的传播速度；考虑超声波斜入射时的界面折射，被测件(3)当前测点的厚度实际值d与厚度测量值d'存在如下关系，d'＝d/cosβL   (8)其中，βL为折射角度；利用超声波在介质中的传播定律，折射角度βL满足如下关系：其中，cL1为超声波在耦合剂(2)中的传播速度；被测件(3)当前测点的厚度实际值d为：将自动辨识出的当前测点入射偏角和回波声时差Δt带入公式(9)和公式(10)，计算获得补偿后的当前测点厚度。