基于超声波的厚度测量方法、装置、电子设备及存储介质与流程

本申请涉及超声波检测技术领域，特别涉及一种基于超声波的厚度测量方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。

背景技术：

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，具有方向性好、穿透能力强、水中传播距离远等优异性能，被广泛用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等领域。

利用超声波的良好穿透能力，一些基于超声波的测量装置被广泛应用于精密测量物体的厚度。然而，随着技术的进步，人们对于测厚的精度要求不断提高，传统的基于超声波的测厚方法逐渐无法满足人类的当前需求。鉴于此，提供一种解决上述技术问题的方案，已经是本领域技术人员所亟需关注的。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种基于超声波的厚度测量方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，以便有效提高测量精度。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请公开了一种基于超声波的厚度测量方法，包括：

获取待测对象反射的超声回波信号的采样数据；

从所述采样数据中提取一次回波信号的第一采样数据段，并提取预设数量个二次回波信号的第二采样数据段；

分别计算各个所述第二采样数据段与所述第一采样数据段的相关系数；

计算相关系数最大值对应的所述第二采样数据段与所述第一采样数据段的采样时间差；

根据所述采样时间差计算所述待测对象的厚度。

可选地，在所述计算相关系数最大值对应的所述第二采样数据段与所述第一采样数据段的采样时间差之前，还包括：

对相关系数的数列进行插值；

将插值后的数列最大值确定为所述相关系数最大值。

可选地，所述对相关系数的数列进行插值，包括：

对相关系数的数列进行拉格朗日插值。

可选地，所述提取预设数量个二次回波信号的第二采样数据段，包括：

逐次步进调整数据起止位置以提取预设数量个二次回波信号的所述第二采样数据段。

可选地，所述分别计算各个所述第二采样数据段与所述第一采样数据段的相关系数，包括：

根据预设相关公式分别计算各个所述第二采样数据段与所述第一采样数据段的相关系数，所述预设相关公式为：

其中，ρ为相关系数；[x1(i)]为第一采样数据段；[x2(i)]为第二采样数据段；n为[x1(i)]和[x2(i)]的数据长度。

可选地，所述根据所述采样时间差计算所述待测对象的厚度，包括：

根据预设厚度公式计算所述待测对象的厚度，所述预设厚度公式为：

其中，d为厚度；v为超声波传播速度；△t为采样时间差。

第二方面，本申请还公开了一种基于超声波的厚度测量装置，包括：

采样模块，用于获取待测对象反射的超声回波信号的采样数据；

提取模块，用于从所述采样数据中提取一次回波信号的第一采样数据段，并提取预设数量个二次回波信号的第二采样数据段；

第一计算模块，用于分别计算各个所述第二采样数据段与所述第一采样数据段的相关系数；

第二计算模块，用于计算相关系数最大值对应的所述第二采样数据段与所述第一采样数据段的采样时间差；根据所述采样时间差计算所述待测对象的厚度。

可选地，还包括：

插值模块，用于对相关系数的数列进行插值，并将插值后的数列最大值确定为所述相关系数最大值。

第三方面，本申请还公开了一种电子设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序以实现如上所述的任一种基于超声波的厚度测量方法的步骤。

第四方面，本申请还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用以实现如上所述的任一种基于超声波的厚度测量方法的步骤。

本申请所提供的基于超声波的厚度测量方法包括：获取待测对象反射的超声回波信号的采样数据；从所述采样数据中提取一次回波信号的第一采样数据段，并提取预设数量个二次回波信号的第二采样数据段；分别计算各个所述第二采样数据段与所述第一采样数据段的相关系数；计算相关系数最大值对应的所述第二采样数据段与所述第一采样数据段的采样时间差；根据所述采样时间差计算所述待测对象的厚度。

可见，本申请利用对信号相关程度的分析，准确确定了二次回波信号的采样数据的提取起始位置，从而可精确计算出与一次回波信号的采样时间差，进而有效保障了对待测对象的厚度测量精度。本申请所提供的基于超声波的厚度测量装置、电子设备及计算机可读存储介质同样具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。

图1为本申请实施例公开的一种基于超声波的厚度测量方法的流程图；

图2为本申请实施例公开的一种基于超声波的厚度测量方法的示意图；

图3为本申请实施例公开的一种插值示意图；

图4为本申请实施例公开的一种基于超声波的厚度测量装置的结构框图；

图5为本申请实施例公开的一种电子设备的结构框图。

具体实施方式

本申请的核心在于提供一种基于超声波的厚度测量方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，以便有效提高测量精度。

为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

当前，超声波因其良好的穿透能力而被用于精密测量物体的厚度，例如电路板上搪锡层的厚度测量。然而，随着技术的进步，人们对于测厚的精度要求不断提高，传统的基于超声波的测厚方法逐渐无法满足人类的需求。鉴于此，本申请提供了一种基于超声波的厚度测量方法，可有效解决上述问题。

参见图1所示，本申请实施例公开了一种基于超声波的厚度测量方法，主要包括：

s11：获取待测对象反射的超声回波信号的采样数据。

在利用超声波对待测对象进行厚度测量时，可利用超声波探头向待测对象发射超声波，并利用超声波探头接收该待测对象反射的超声回波信号。由于待测对象具有一定的厚度，因此，在待测对象的前后两个界面处，超声波将各发生一次反射，所以采集到的超声回波信号包含有对应第一次反射的一次回波信号和对应第二次反射的二次回波信号。

s12：从采样数据中提取一次回波信号的第一采样数据段，并提取预设数量个二次回波信号的第二采样数据段。

由于一次回波信号和二次回波信号发生在不同时刻，而两者的发生时间差取决于待测对象的厚度，因此便可通过确定一次回波信号与二次回波信号间的时间差来进行厚度检测。

由于回波信号具有一定的持续时长，因此，该持续时长为现有技术中时间差的确定造成了误差干扰。但是，虽然一次回波信号与二次回波信号都具有一定的持续时长，但两者的波形变化过程是相同的，即两者的采样数据段具有极高的相似度。因此，为了提高检测精确度，本申请实施例具体基于相似度计算来精密确定一次回波信号与二次回波信号间的时间差。

具体地，在从采样数据中提取出一次回波信号的第一采样数据段后，鉴于尚未明确与第一采样数据段最为相似的第二采样数据段的提取起始位置，本申请通过多次提取而获取了预设数量个二次回波信号的第二采样数据段。预设数量可用r表示。

第一采样数据段的数据长度可由本领域技术人员自行设置，不妨用n表示。第一采样数据段的提取起始位置具体可由阈值法来确定。参见图2，图2为本申请实施例所公开的一种基于超声波的厚度测量方法的示意图。如图2所示，由于回波信号是震荡信号，因此可将阈值线与采样数据第一次相交的位置设置为第一采样数据的提取起始位置。该阈值线的阈值取值范围优选为一次回波信号的次高峰值与最高峰值之间。例如，图2中所示的第一采样数据段的提取起始位置约为第561个采样数据。

作为一种具体实施例，可具体通过逐次步进调整数据起止位置以提取预设数量个二次回波信号的第二采样数据段。步进长度可由本领域技术人员自行设置，例如，若步进长度为2，则每次跳跃2个采样数据开始进行下一次提取：第一次从第1790个数据开始提取第二采样数据段，第二次从第1792个数据开始提取第二采样数据端。

需要说明的是，由于要计算各个第二采样数据段与第一采样数据段的相关系数，因此，各个第二采样数据段的数据长度均需与第一采样数据段保持一致。

s13：分别计算各个第二采样数据段与第一采样数据段的相关系数。

具体地，第二采样数据段的个数为r，则求得的相关系数的个数也为r。作为一种具体实施例，可根据预设相关公式分别计算各个第二采样数据段与第一采样数据段的相关系数，预设相关公式可具体为：

其中，ρ为相关系数；[x1(i)]为第一采样数据段；[x2(i)]为第二采样数据段；n为[x1(i)]和[x2(i)]的数据长度。

具体地，本实施例所采用的预设相关公式具体建立在对两个信号的相关性分析的基础上。假设两个信号分别为x(t)和y(t+τ)，若两者相似，则存在一个系数axy满足条件x(t)＝axyy(t+τ)+xe(t)，xe(t)为误差信号。

当x(t)和y(t+τ)最为相似时，两者的最小均方差应取得最小值。由此，根据可得，当时最小均方差取得最小值，该最小值具体为

经归一化后可得：

其中，

经离散化后变为：

当|ρ|＝1时，y(t+τ)是x(t)的线性表示；当|ρ|＝o时，y(t+τ)与x(t)不相关。|ρ|越接近1，说明y(t+τ)与x(t)的相关程度越紧密。

s14：计算相关系数最大值对应的第二采样数据段与第一采样数据段的采样时间差。

对r个相关系数进行大小比较，从中确定出最大值，则相关系数最大值所对应的第二采样数据段就是与第一采样数据段最为相关的数据段。具体地，若采样频率为f，相关系数最大值对应的第二采样数据段与第一采样数据段的采样步长为s，则采样时间差δt为：δt＝s/f。

其中，例如，若第一采样数据段的提取起始位置为第561个采样数据，而相关系数最大值对应的第二采样数据段的提取起始位置为第1790个数据，则两者的采样步长s为s＝1790-561＝1229。

s15：根据采样时间差计算待测对象的厚度。

由于二次回波信号与一次回波信号具有行程差，因此在本实施例中，在根据采样时间差计算待测对象的厚度时，具体包括根据预设厚度公式计算待测对象的厚度，预设厚度公式具体为：

其中，d为厚度；v为超声波传播速度；△t为采样时间差。

本申请实施例所提供的基于超声波的厚度测量方法包括：获取待测对象反射的超声回波信号的采样数据；从采样数据中提取一次回波信号的第一采样数据段，并提取预设数量个二次回波信号的第二采样数据段；分别计算各个第二采样数据段与第一采样数据段的相关系数；计算相关系数最大值对应的第二采样数据段与第一采样数据段的采样时间差；根据采样时间差计算待测对象的厚度。

可见，本申请利用对信号相关程度的分析，准确确定了二次回波信号的采样数据的提取起始位置，从而可精确计算出与一次回波信号的采样时间差，进而有效保障了对待测对象的厚度测量精度。

在上述内容的基础上，本申请实施例所提供的基于超声波的厚度测量方法中，作为一种具体实施例，在计算相关系数最大值对应的第二采样数据段与第一采样数据段的采样时间差之前，还包括：

对相关系数的数列进行插值；

将插值后的数列最大值确定为相关系数最大值。

具体地，由于采样数据是离散不连续的，因此为了进一步提高相关系数最大值的精确度，本申请具体是在对r个相关系数进行插值之后再进行大小比较。其中，进一步地，可具体对相关系数的数列进行拉格朗日插值。拉格朗日插值多项式为：

其中，a1,a2,…,am+1为互不相同的数，b1,b2…,bm+1为不全为零的数。

特别地，当采样频率为mhz级时，m＝3即可取得较为理想的插值效果，即，在原本计算得到的每两个相邻的相关系数之间插入3个数据，具体可参见图3。

如此，相关系数的个数将由插值前的r个扩充为插值后的(4r-3)个，相当于提高了采样频率，即，将两采样数据段之间的步长差进一步细分，因此可有效提高测量精确度，满足当前的工业测量要求。

此时插值多项式具体为：

其中，rl为两个采样数据段之间的步长差l，ρm表示步长差为l时对应的相关系数。

图3中星点表示原本计算得到的r个相关系数，圆点表示根据插值多项式插入的理论数据点。如图3所示，通过在每两个相关系数之间插入3个理论值，可使得相关系数的曲线更平滑，进而可得到更精确的相关系数峰值位置。其不会改变原始曲线的变化趋势，反而会使得原始曲线更加平滑、峰值的位置更加明确。

参见图4所示，本申请实施例公开了一种基于超声波的厚度测量装置，主要包括：

采样模块41，用于获取待测对象反射的超声回波信号的采样数据；

提取模块42，用于从采样数据中提取一次回波信号的第一采样数据段，并提取预设数量个二次回波信号的第二采样数据段；

第一计算模块43，用于分别计算各个第二采样数据段与第一采样数据段的相关系数；

第二计算模块44，用于计算相关系数最大值对应的第二采样数据段与第一采样数据段的采样时间差；根据采样时间差计算待测对象的厚度。

可见，本申请实施例所公开的基于超声波的厚度测量装置，利用对信号相关程度的分析，准确确定了二次回波信号的采样数据的提取起始位置，从而可精确计算出与一次回波信号的采样时间差，进而有效保障了对待测对象的厚度测量精度。

关于上述基于超声波的厚度测量装置的具体内容，可参考前述关于基于超声波的厚度测量方法的详细介绍，这里就不再赘述。

在上述内容的基础上，本申请实施例所公开的基于超声波的厚度测量装置，在一种具体实施方式中，还包括：

插值模块，用于在计算相关系数最大值对应的第二采样数据段与第一采样数据段的采样时间差之前，对相关系数的数列进行插值；将插值后的数列最大值确定为相关系数最大值。

进一步地，插值模块具体用于：对相关系数的数列进行拉格朗日插值。

在上述内容的基础上，本申请实施例所公开的基于超声波的厚度测量装置，在一种具体实施方式中，提取模块42具体用于：逐次步进调整数据起止位置以提取预设数量个二次回波信号的第二采样数据段。

在上述内容的基础上，本申请实施例所公开的基于超声波的厚度测量装置，在一种具体实施方式中，第一计算模块43具体用于：根据预设相关公式分别计算各个第二采样数据段与第一采样数据段的相关系数，预设相关公式为：

其中，ρ为相关系数；[x1(i)]为第一采样数据段；[x2(i)]为第二采样数据段；n为[x1(i)]和[x2(i)]的数据长度。

在上述内容的基础上，本申请实施例所公开的基于超声波的厚度测量装置，在一种具体实施方式中，第二计算模块44具体用于：根据预设厚度公式计算待测对象的厚度，预设厚度公式为：

其中，d为厚度；v为超声波传播速度；△t为采样时间差。

参见图5所示，本申请实施例公开了一种电子设备，包括：

存储器51，用于存储计算机程序；

处理器52，用于执行所述计算机程序以实现如上所述的任一种基于超声波的厚度测量方法的步骤。

进一步地，本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用以实现如上所述的任一种基于超声波的厚度测量方法的步骤。

关于上述电子设备和计算机可读存储介质的具体内容，可参考前述关于基于超声波的厚度测量方法的详细介绍，这里就不再赘述。

本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请的保护范围内。