超声测厚中的入射偏角自动辨识与误差补偿方法与流程

本发明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。

背景技术：

超声法因具有界面反射和材料透射特性，往往是生产现场中零部件厚度检测首选方法。将超声传感器集成于加工装备，实现在机自动测厚，可有效解决大型薄壁零件高效测厚难题。

目前，超声测厚主要采用脉冲反射原理，其要求传感器声束中心线与被测点处法矢重合，否则存在入射偏角。实际测量中，即使入射偏角在超声传感器许用域内，由于超声波在工件与耦合剂界面处的反射、折射状态发生变化，会致使超声传播路径改变，进而引起较大的厚度测量误差。然而，超声在机测厚中，由于被测面形复杂、跟踪响应时滞等因素影响，传感器声束中心线与测点法矢无法实时保持重合，不可避免地存在入射偏角。为此，如何在超声在机测量过程中快速、精确、自动辨识出超声入射偏角，补偿其引起的厚度测量误差、对于提高超声测厚精度，至关重要。

2014年，张晓琳等在发明专利cn201410810870.5中公开了一种大型壁板厚度在位测量方法。将超声波测厚仪的探头通过装卡机构安装在数控铣床的铣刀位置，机床控制超声波测厚仪探头运动，进行逐点接触测厚，通过数据传输处理模块分别将超声波测厚仪的存储器中的测量数据反馈给终端处理设备进行数据处理，完成壁板厚度的在位测量。2015年，康宜华等人在发明专利cn201510165390.2中公开了一种钢管超声测厚装置，包括机架、支撑座、钢管跟踪组件和压管限位组件等。支撑座安装于机架上，支撑座滑块与水槽固定连接带动水槽和超声测头装置靠近或远离压管限位组件，压管限位组件与水槽配合夹住钢管从而对钢管限位，钢管进入检测位置时水槽带动超声测头装置进入检测工位，实现钢管高速移动时的高速检测。

然而，上述超声自动测厚方法均未涉及超声入射偏角自动辨识及误差补偿方法。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是克服现有方法的不足，针对超声在机自动测厚中，超声传感器声束中心线与测点法矢无法保持实时重合，导致入射偏角引起的厚度测量误差问题，发明了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。该方法基于超声波在被测材料表面的传播规律，建立厚度误差补偿模型，实现零部件厚度的超声准确测量，保证超声在机测量结果一致性。方法基于标定出的入射偏角-回波能量衰减的关联关系，通过计算实际超声测厚信号中的首次反射回波能量，自动辨识超声波入射偏角，方法可靠性高。

本发明采用的技术方案是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。方法的具体步骤如下：

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带动超声传感器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超声测厚信号入射偏角-首次回波能量衰减数据点(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gy(k)以及首次回波能量衰减edb(θl,z0,rq)。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△t，

△t＝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。

则，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△t带入公式(9)和公式(10)，计算获得补偿后的当前测点厚度。

本发明的有益效果是：在机标定了超声波入射偏角与信号首次回波能量衰减间的关联关系，根据标定曲线自动辨识当前测点入射偏角，运算速度快、反算精度高；入射偏角关联厚度误差补偿模型可实现不同入射角度下厚度的精确补偿，方法可靠度高，实时性强。

附图说明

附图1-入射偏角在机标定示意图，附图2-超声厚度测量原理图，其中：1-超声传感器，2-耦合剂，3-被测件，4-主轴，5-夹具，6-水槽，7-标定件，8-转动平台，9-平台螺栓压板组，10-机床工作台，11-信号线，12-水槽螺栓压板组，-当前测点入射偏角，βl-折射角，d'-厚度测量值，d-厚度实际值，p-当前测点位置。

附图3-标定入射角度1.8°时的超声回波信号波形。其中，横坐标-序号k，纵坐标-超声回波信号序列s(k)。

附图4-滤波后超声回波信号波形，其中：m1-首次回波起始序号位置，m2-首次回波终止序号位置。横坐标-序号k，纵坐标-超声回波信号g(k)。

附图5-标定入射偏角与首次回波能量间的关联关系曲线，其中：l1-标定数据，l2-拟合曲线，横坐标-标定入射角θi⁰，纵坐标-回波能量衰减ei,db。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式，说明超声在机测厚中的入射偏角自动辨识与误差补偿方法。

测量参数：标定件7，材料45号钢、标准长方体量块、设计尺寸为30mm×30mm×5mm；被测件3，材料45号钢、弧形件、设计厚度8mm、半径48mm；水浸式超声平探头，脉冲宽度10mhz、晶片直径6.35mm、采集频率1.25ghz。

第一步，超声入射偏角标定准备。入射偏角标定示意图如图1所示。超声传感器1通过夹具5安装在主轴4上，转动平台8通过平台螺栓压板组9固定在机床工作台10上，水槽6由水槽螺拴压板组12固定在转动平台8上，标定件7放置在水槽6中央底部，水槽6注满耦合剂2。

第二步，在机标定。主轴4拖动超声传感器1浸没于耦合剂2中，且超声传感器1与标定件7间的测量偏置距离10mm。调整转动平台8至水平位置，则当前位置下的超声测量回波信号为基准信号s0。然后，控制转动平台8每次顺时针增量转动，转角步长0.2°，采集超声回波数据，直至转角达到2.8°，即传感器最大许用角度。标定入射角度1.8°时的超声回波信号波形如图3所示。对图3中的超声回波信心进行小波处理，经小波分解7次后采用第6、7层高频分量表征滤波后超声回波信号g(k)如图4所示。针对不同标定入射偏角下的超声回波信号，计算其首次回波能量衰减，进一步利用多项式拟合建立θ-edb(θ,z0,rq)标定关系曲线，如图5所示，其中，l1-标定数据，l2-拟合曲线。

第三步，入射偏角自动辨识。取下标定件7，并将被测件3放置在水槽6中央底部。机床控制超声传感器1至当前测点p，采集超声测量回波信号，通过公式(1)～(4)计算得到edb(θl,z0,rq)，然后利用图5所示的标定曲线，辨识出当前测点p的入射偏角为1.8°。

第四步，入射偏角关联厚度误差补偿。通过对接收到的回波信号进行自相关运算，取相关函数峰值的出现时刻计算为回波信号声时差，当前测点p处的声时差△t＝2.715μs。将△t＝2.715μs、被测件中超声传播速度cl2＝5950m/s代入到公式(7)，计算当前测点p处的测量厚度d'＝8.077mm。将标定入射偏角耦合剂中的超声传播速度cl1＝1493.5m/s、被测件中超声传播速度cl2＝5950m/s，代入公式(9)，得到折射角度βl＝7.75°。最后将d'＝8.077mm与βl＝7.75°代入公式(8)，得到当前测点p补偿后的厚度实际值d＝8.003mm。

本发明实现了超声在机测量入射偏角自动辨识与误差补偿，补偿结果准确，操作简单、方法可靠。