一种基于电磁超声的测厚方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于电磁超声的测厚方法，对比与常规压电超声，电磁超声检测可以实现非接触检测，能适应一定的提离，对涂层，腐蚀层能实现检测，且电磁超声检测可以很好的适应高温检测环境，避免耦合需要的大量耦合剂的浪费。本发明方法通过一套嵌入式数字采集系统，由现场可编程门阵列对数字信号进行AD采样，压缩检波，相关平均，缓存后交由中央处理器对数字波形信号依次进行数据相关算法、平均算法、峰值保留算法、自动增益，确定当前回波次数、小段射频数据提取算法、过零点测厚算法、得到最终厚度结果，最终得到测算结果。本发明方法对信噪比较低的波形数据进行了数字处理，规避了调节闸门的繁琐，无需手动操作参数，即可检测工件，既能实时显示波形，又能一目了然的直观观测到厚度检测结果。
【专利说明】
一种基于电磁超声的测厚方法
技术领域
[0001]本算法基于电磁超声对钢管，钢板进行厚度检测，有别于常规压电超声，对于高温状态，无需耦合剂的检测环境有良好的检测效果。本算法核心内容主要是针对电磁超声检测回波的特性进行处理，得到不失真，信噪比良好的检测回波波形，从而计算出测厚结果。
【背景技术】
[0002]目前，国内市场及技术上常规的测厚均是以压电超声激发超声波来对钢管，钢板等进行厚度检测，这种测厚方式决定在测厚过程中必须保证探头与工件之间一直保持良好的耦合，并且探头的入射角度不能有大的偏移。而在在线实时检测的过程中，我们发现要满足这两点条件，对设备机械装置的精度和稳定性都有较高要求，并且对周围的环境(比如温度)也有一定要求。而电磁超声测厚用到的波模是一种垂直入射的横波，这种超声波是在工件内部产生，所以当探头的角度发生一定变化时，波的传输仍然是沿着工件的壁厚方向垂直入射，不会影响检测结果的准确性;这种检测方式探头和工件之间不需要耦合剂来耦合，故探头在检测过程中发生抖动和提离时，不会产生检测误差；由于常规压电超声无法产生垂直入射的横波，故采取的是纵波测厚方式，因横波声速要比纵波声速小一倍，所以同等频率下检测精度要比常规压电超声高一倍。
[0003]但电磁超声检测对比相对已经成熟的压电超声检测，有灵敏度相对较低，随机噪声相对较多，检测回波相对不稳定等劣势，本发明即针对这几点劣势提取直观有效的检测回波，计算得到测厚结果。
【发明内容】
[0004]为了有效的利用电磁超声测厚的检测优势，又能解决电磁超声检测中峰值不稳，随机噪声较高，灵敏度较低的技术困难，本发明的目的在于提供了一种有效的基于电磁超声的测厚方法，该方法基于存储过零点对应水平位置的中心方案，将性噪比较低的原始波形数据经过相应处理后，得到精确的测厚结果。
[0005 ]本发明采用的技术方案是:
[0006]—种基于电磁超声的测厚方法，建立在一套数字采集电路系统的基础上，数字采集电路系统包括:电磁超声探头、模拟电路、数字采样电路、现场可编程门阵列、中央处理器、USB通讯电路、LED显示屏，电磁超声探头通过探头线与模拟电路相连，模拟电路与数字采样电路相连，现场可编程门阵列分别与模拟电路、数字采样电路、中央处理器相连，中央处理器分别与USB通讯电路、LCD显示屏相连;所述的模拟电路包含放大电路和滤波电路;其特征在于按以下步骤进行:
[0007]模拟电路接收电磁超声探头检测到的微弱交变感应信号经过选频放大、滤波后，经由数字采样电路的模数转换得到数字波形信号;输入到现场可编程门阵列，现场可编程门阵列与中央处理器通过数据总线进行数据交换，由中央处理器对数字波形信号依次进行数据相关算法、平均算法、峰值保留算法，峰值保留算法得到波形的峰值，为了得到准确的测量结果，峰值必须达到一定的要求，所以增加波幅反馈功能即自动增益，自动增益是根据峰值保留算法得到的峰值计算反馈值作用于模拟电路，使峰值达到对应要求，然后再进行确定当前回波次数、小段射频数据提取算法、过零点测厚算法、得到最终厚度结果，通过USB通讯电路来下载中央处理器的厚度结果并打印报表，通过IXD显示屏显示波形。
[0008]测厚流程及计算具体步骤为:
[0009](I)测厚前必须进行声速校准及零偏校准，依据数字采样电路得到的射频波形数据，现场可编程门阵列对射频波形数据进行检波压缩后，依据峰值保留法及确定当前回波次数的无闸门求峰值记录有效回波的峰值水平时间位置，峰值保留记为Tl，T1为现场可编程门阵列存储的当前峰值对应的射频数据当前AD采样的个数计数值；
[0010](2)经由标准试块声速校准后记得声速V;以Tl前1.5_为有效采样起始位置，在声速已知的情况下，求得所需记录零点的射频数据采样起始点的水平时间位置，记为T2;同理以Tl后1.5mm作为结束位置，记为T3;
[0011](3)以T2作为采样起点所采样得到的为原始射频波形数据，经现场可编程门阵列采样缓存后做流线型平均，平均得到的波形由现场可编程门阵列缓存后交由中央处理器处理；中央处理器记录下正负门限值所对应在这段波形数据中的水平位置对应分别为T4、T5;则所需零点在这段射频数据中所对应的位置Τ6为(Τ4+Τ5) /2;
[0012](4)Τ6是对应于一小段射频数据而不是整帧数据的采样起点，而所需零点位置对应于整帧数据的位置为Τ2+Τ6，记为Τ7;
[0013](5)求得对应所需零点的时间位置，但却不能确定这是第几个回波对应的零点；由峰值保留法及确定当前回波次数的无闸门求峰值求得对应Tl的峰值相邻的峰值位置Τ7，依据TI / I T1-Τ7 I求得TI对应的N，N为TI对应的回波次数；
[0014](6)Τ7是指的采样个数计数值，已知AD采样频率为f，声速为V，则厚度
[0015]d=(T6*V)/2fN，测量精度为 1/f。
[0016]本算法的特点是无需使用闸门来套住波形峰值，无需手动调整波形位置，声速校准后探头接触工件后2秒内即可直观的得到测厚结果。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的电路不意图。
[0018]图2为本发明的流程框图。
[0019]图3为本发明的数据相关算法的逻辑框图。
[0020]图4为本发明的平均算法逻辑图。
[0021]图5为争峰现象示意图。
[0022]图6为确定当前回波次数示意图。
[0023]图7为过零点测厚算法示意图。
【具体实施方式】
[0024]如图1、2所示，本发明建立在一套数字采集电路系统的基础上，数字采集电路系统包括:电磁超声探头、模拟电路、数字采样电路、现场可编程门阵列、中央处理器、USB通讯电路、LED显示屏，电磁超声探头通过探头线与模拟电路相连，模拟电路与数字采样电路相连，现场可编程门阵列分别与模拟电路、数字采样电路、中央处理器相连，中央处理器分别与USB通讯电路、LCD显示屏相连;所述的模拟电路包含放大电路和滤波电路;其特征在于按以下步骤进行:
[0025]模拟电路接收电磁超声探头检测到的微弱交变感应信号经过选频放大、滤波后，经由数字采样电路的模数转换得到数字波形信号;输入到现场可编程门阵列，现场可编程门阵列与中央处理器通过数据总线进行数据交换，由中央处理器对数字波形信号依次进行数据相关算法、平均算法、峰值保留算法，峰值保留算法得到波形的峰值，为了得到准确的测量结果，峰值必须达到一定的要求，所以增加波幅反馈功能即自动增益，自动增益是根据峰值保留算法得到的峰值计算反馈值作用于模拟电路，使峰值达到对应要求，然后再进行确定当前回波次数、小段射频数据提取算法、过零点测厚算法、得到最终厚度结果，通过USB通讯电路来下载中央处理器的厚度结果并打印报表，通过IXD显示屏显示波形。
[0026]1.数据相关算法。
[0027]模数转换后得到的数字波形若不经过任何处理，交由中央处理器在液晶屏上实时显示，数字波形的随机噪声很大，甚至有些时刻超过了有效检测回波的高度，因此会对提取有效信号造成错误影响。
[0028]所述的数据相关算法具体步骤为:对连续存储的几帧数据在相同位置上对应的数值进行对应比较，提取每个位置上比较后的最小值，再组成一帧新的数据作为波形显示的基本数据；由于随机噪声是无规律的随机出现且高于标准的采样基线值，所以经由数据相关算法后，大部分的随机噪声都会被滤除掉。
[0029]图3是数据相关算法的逻辑框图，其中11-两位计数器，11，12，13，14-为512\88^存储器，Cl，C2，C3-8位小于比较器。
[0030]由图3可知，前后4帧采样数据，在每个时钟采样点进行两两比较，最后得到每个采样时钟点的最小波形数据，组成一帧新的最小波形数据，作为波形显示的基本数据。
[0031]2.平均算法
[0032]经过数据相关算法后的数据把大部分随机噪声滤除了，但波形的稳定度并不好，峰值抖动得很厉害，为了尽量减低波形不稳定带来的计算错误，还需要将相关后的波形数据进行流线型平均。
[0033]平均算法为流线型平均算法，具体步骤为:先建立平均次数的缓存器，每一帧数据依次从前至后写入每个缓存器，再对这些缓存器中的数据叠加后平均，并进行锁存，如图4。其中T1-三位计数器，Ml，M2，M3，M4，M5，M6，M7，M8-为512 X 8Bi t存储器，AI_8输入8位加法器。
[0034]由图4可知，现场可编程门阵列内嵌了加法器，前后8帧采样数据相加进行锁存，上传给CPU，由CPU做除法，得到8次平均值，然后CPU再进行下一步计算。
[0035]流线型平均的好处是平均不会影响重复频率，这样对波形的显示，算法的速度，系统的流畅性都有好处。平均算法后的波形数据由中央处理器的硬件底层进行存储后进行后续处理。
[0036]3.峰值保留法
[0037]峰值保留法具体上步骤为:在任意一帧波形数据中找到峰值，记录下该峰值水平位置，以该峰值水平位置为中心值，前后各延伸1.5mm，共3mm作为采样区间；因为将范围拉伸后可看到，每个回波的宽度都不会超过3mm，这样用包含峰值的3mm作为采样区间，则零点信号一定存在该采样区间内。前文提到，检波后的波形会出现争峰现象，会造成峰值采样波动，见图5，Ha和Hb会出现忽高忽低，造成峰值对应的水平位置在Aa和Ab之中切换，由此采样区间不稳，造成结果不准确。因此在探头接触工件后，以出现的第一个峰值作为记录点，在记录点左右各1.5mm的3mm的区间内出现峰值都忽略不计，在3mm外出现峰值才记录，这时记录的峰值为下一个回波的峰值。
[0038]4.确定当前回波次数
[0039]常规的测厚仪均是以双闸门套住相邻两个回波的峰值来读取峰值对应的位置信息，而本算法涉及的峰值保留法也需要得到检测回波的峰值，为了减少仪器的操作步骤，更快捷，更直观的得到测厚结果，特使用了无闸门算法。
[0040]因为起始波的存在，检测可能存在一定的盲区，盲区以外的第一个回波即为有效回波；电磁超声检测无需耦合剂，在不同的钢试块上实验后，发现盲区基本不变，以盲区外靠近盲区的一点作为起始点，在其后的波形数据中求取峰值;终止点跟随采样终点变化而变化，类比于闸门，只是闸门起始点不变，终止点在随动;经过不同试块的检测实验后发现，检测回波与回波次数间并不一定呈线性逐渐衰弱，可能会出现前高后低的现象，因此峰值不一定在第一个回波上取得。
[0041]起始点确定后，中央处理器的依据前文所述峰值保留法在其后的波形数据中找到峰值并存储波形高度记为Hl，峰值位置记为Al，以此峰值位置前1.5mm或后1.5mm再作为起始点，往前或往后找到第一个高度高于Hl/2(6dB)的最大点，记为A2，A2对应的高度为H2;前文提过，由于争峰现象，所以找到第一个峰值后以前或后各1.5mm作为起始点避免存储了同一回波的另一峰值，造成结果错误;A2是与相邻Al的回波峰值，为了保证A2与Al相邻，且是有效回波，因此在Al确定，以H1/2作为基准线寻找A2时，必须保证在高于H1/2的基准线上，波形数据先要有上升趋势，上升到定点A2后，紧随下降趋势，且能下降到H2/2，确保此A2为有效相邻回波的峰值，见图6。而在求A2的过程中，以Al峰值往前搜寻的优先级大于以Al峰值往后搜寻的优先级，即如往前找到A2 了，就不再往后寻找，如往前没找到A2，再往后寻找。
[0042]求得Al、A2后，并不能确定A1、A2是对应的第几次回波，由于电磁超声检测不需耦合剂，因此波形的零偏校准只受数字采样延时的影响，而不受检测环境的影响。因此可由Al及IA1-A2 I来确定Al为第几次回波。IA1-A2 |为检测试块大概的厚度值，只是由于争峰而不能精确，而Al为某次检测回波的峰值，Al-O大概为该次回波对应的检测距离，用(Al-O)/A1-A2 I即确定Al对应的是第几次回波。
[0043]5.过零点测厚算法
[0044]以往常规的测厚方法均是通过两个有效回波的峰值来计算工件的厚度，称之为峰值测厚法。而本应用通过显示波形可以看到，经过检波后同一位置的波形会有两个相近峰值，且在不断争峰，见图5。由于峰值不稳如果用常规的测厚计算方法会对造成峰值位置对应水平位置记录的误差，影响最终的计算结果。故拟采样一种新的记录零点的算法，称之为过零点测厚法。将任一检测回波在射频状态下放大来看后可看到波形形态，可以看到在某一段时间内，波形是单调下降且一定是经过了采样的基线的，见图7。当记录下任意相邻两个检测回波中第一个这样的零点，即可类比于峰值测厚法来计算测厚结果。过零点测厚对比于峰值测厚法的优点:峰值测厚法要求峰值在水平位置一定要稳定，否则会造成错误结果，而本应用在检波后由于正负两个峰值检波后争峰会出现2个峰值，为了满足在任一检波状态下的波形显示中都可以进行测厚结果的计算，显而易见，过零点测厚算法优于峰值测厚法。
[0045]6.小段射频数据提取算法
[0046]经过数据相关算法后的波形虽然滤波了大部分的随机噪声，但可以看到，有些需要进行记录的检测回波灵敏度很低，基本上和基线噪声差不多，提高增益的同时信号和噪声同时都在提高。由于无法分辨有效波形在什么位置，就会对过零点测厚算法造成影响。由于在数据采集的过程中，出于对检测范围的要求及系统数据量的限制，大于一定检测范围的波形数据都是经过压缩而得来的，即是在当前采样频率下对原始射频信号进行了规则一定的离散采样，所以底层软件用来处理的波形数据不能精确的定位射频波形零点位置所在。因此，过零点测厚是基于波形数据是原始的射频信号。
[0047]上文提到由于检测范围及数字系统的数据量的限制，数字采集系统无法采集到整个检测范围中的所有原始射频信号。但过零点测厚法又是建立于原始射频信号的基础上，因此，只能通过对经过检波后的波形数据提取其中一段包含射频信号零点的特征数据，基于原始信号随机噪声较高的原因，小段射频数据提取算法就是将采集到的射频信号需要再经过流线型平均后锁存(见上述平均算法)，然后再对锁存的这段波形数据信号进行采样及记录来得到零点信号。
[0048]7.存储并计算零点对应水平位置
[0049]平均后的一段原始射频数据已经得到，基于波形的对称性，以AD采样中心线为基准，正负都以一定的波形高度比例作为参考点，提高增益使波形的峰值大于或等于这个参考点的高度。在底层算法中，以正负这两个参考点作为两个门限值，以门限值内的波形数据单调下降作为判断依据，提取正负两个门限值的时间位置，这两个门限值的中间位置即为零点位置。将零点位置找到后并存储，用来进行厚度计算(具体计算公式见下文的厚度计算详细步骤)，见图7。
[0050]8.自动增益
[0051]由于此算法存在正负参考值，波形数据必须达到这个基准才能有效的读出零点位置。基于工件的不同，波形的灵敏度是有差异的，有的时候不一定能达到正负门限值，为了减少操作，快速便捷，所以在现场可编程门阵列存储波形数据前，对所有的数据进行自动增益。自动增益是指以峰值高度为判断依据，无论当前波形数据峰值在什么位置，均都通过发码控制，DA转换通过控制放大器进行增益控制，来将其升至或降至设定的参考点(保证该参考点的高度大于正负门限值)，当LCD上显示的波形峰值高度达到这一设定参考值时，自动增益停止，否则继续。这样就能保证能够达到求取零点的要求，见图7。
[0052]上文列的是几点具体的算法步骤，下文就整个测厚流程及计算过程补充详细步骤:
[0053]测厚前必须进行声速校准及零偏校准，零偏是由于整个数字采集系统算法造成的系统延时，由于电磁超声测厚不存在耦合因素，所以零偏只与系统的固定延时有关，而由于过零点测厚算法是基于零点的，所以零偏时也要以基于零点来校零偏。
[0054](I)依据硬件AD采样得到的射频波形数据，现场可编程门阵列对射频波形数据进行检波压缩后，依据前文所述的无闸门求峰值法记录有效回波的峰值水平时间位置，峰值保留记为T1，T1为现场可编程门阵列存储的当前峰值对应的射频数据当前AD采样的个数计数值；
[0055](2)经由标准试块声速校准后记得声速V;由前文所述，以Tl前1.5mm为有效采样起始位置，在声速已知的情况下，求得所需记录零点的射频数据采样起始点的水平时间位置，记为T2;同理以Tl后1.5mm作为结束位置，记为T3 ；
[0056](3)以T2作为采样起点所采样得到的为原始射频波形数据，经现场可编程门阵列采样缓存后做流线型平均，平均得到的波形由现场可编程门阵列缓存后交由中央处理器处理；中央处理器记录下正负门限值所对应在这段波形数据中的水平位置对应分别为T4、T5;则所需零点在这段射频数据中所对应的位置Τ6为(Τ4+Τ5) /2;
[0057](4)Τ6是对应于一小段射频数据而不是整帧数据的采样起点，而所需零点位置对应于整帧数据的位置为Τ2+Τ6，记为Τ7;
[0058](5)上述步骤求得了对应所需零点的时间位置，但却不能确定这是第几个回波对应的零点；由无闸门求峰值所述求得对应Tl的峰值相邻的峰值位置Τ7，依据Tl/ I Τ1-Τ7 I求得TI对应的N，N为TI对应的回波次数；
[0059](6)Τ7是指的采样个数计数值，已知AD采样频率为f，声速为V，则厚度d=(T6*V)/2fN，测量精度为1/f。
【主权项】
1.一种基于电磁超声的测厚方法，建立在一套数字采集电路系统的基础上，数字采集电路系统包括:电磁超声探头、模拟电路、数字采样电路、现场可编程门阵列、中央处理器、USB通讯电路、LED显示屏，电磁超声探头通过探头线与模拟电路相连，模拟电路与数字采样电路相连，现场可编程门阵列分别与模拟电路、数字采样电路、中央处理器相连，中央处理器分别与USB通讯电路、LCD显示屏相连;所述的模拟电路包含放大电路和滤波电路;其特征在于按以下步骤进行: 模拟电路接收电磁超声探头检测到的微弱交变感应信号经过选频放大、滤波后，经由数字采样电路的模数转换得到数字波形信号;输入到现场可编程门阵列，现场可编程门阵列与中央处理器通过数据总线进行数据交换，由中央处理器对数字波形信号依次进行数据相关算法、平均算法、峰值保留算法，自动增益是根据峰值保留算法得到的峰值计算反馈值作用于模拟电路，使峰值达到对应要求，然后再进行确定当前回波次数、小段射频数据提取算法、过零点测厚算法、得到最终厚度结果，通过USB通讯电路来下载中央处理器的厚度结果并打印报表，通过IXD显示屏显示波形。2.根据权利要求1所述的基于电磁超声的测厚方法，其特征在于，测厚流程及计算具体步骤为: (1)测厚前必须进行声速校准及零偏校准，依据数字采样电路得到的射频波形数据，现场可编程门阵列对射频波形数据进行检波压缩后，依据峰值保留法及确定当前回波次数的无闸门求峰值记录有效回波的峰值水平时间位置，峰值保留记为Tl，T1为现场可编程门阵列存储的当前峰值对应的射频数据当前AD采样的个数计数值； (2)经由标准试块声速校准后记得声速V;以Tl前1.5_为有效采样起始位置，在声速已知的情况下，求得所需记录零点的射频数据采样起始点的水平时间位置，记为T2;同理以Tl后1.5mm作为结束位置，记为T3 ； (3)以T2作为采样起点所采样得到的为原始射频波形数据，经现场可编程门阵列采样缓存后做流线型平均，平均得到的波形由现场可编程门阵列缓存后交由中央处理器处理；中央处理器记录下正负门限值所对应在这段波形数据中的水平位置对应分别为T4、T5;则所需零点在这段射频数据中所对应的位置Τ6为(Τ4+Τ5)/2; (4)Τ6是对应于一小段射频数据而不是整帧数据的采样起点，而所需零点位置对应于整帧数据的位置为Τ2+Τ6，记为Τ7; (5)求得对应所需零点的时间位置，但却不能确定这是第几个回波对应的零点；由峰值保留法及确定当前回波次数的无闸门求峰值求得对应Tl的峰值相邻的峰值位置Τ7，依据TI / I T1-Τ7 I求得TI对应的N，N为TI对应的回波次数； (6 )Τ7是指的采样个数计数值，已知AD采样频率为f，声速为V，则厚度 d=(T6*V)/2fN，测量精度为 1/f。
【文档编号】G01B17/02GK105841645SQ201610172021
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】王子成, 汪智敏, 韩志雄, 信章春
【申请人】武汉中科创新技术股份有限公司