CN103486987A - 一种利用曲线拟合提高超声测厚精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用曲线拟合提高超声测厚精度的方法，利用超声信号在零点上下的一个小时间段内近似于一条直线，且信号幅度越高，越近似于直线，通过采集回波信号正最大峰值或负最大峰值两侧的零点上下两相邻采样点，通过采样点进行直线拟合，计算出特征点在拟合曲线上对应坐标，并将该坐标送到厚度计算模块计算被测物体厚度。该方法使用曲线拟合算法补偿采样精度，使得超声测厚精度在采样时钟频率不变的情况下得到有效提高，以满足某些场合对测厚精度的要求，降低硬件实现复杂度，提高实现可靠性。

Description

一种利用曲线拟合提高超声测厚精度的方法

技术领域

本发明涉及一种提高超声测厚精度的方法，特别涉及一种利用曲线拟合提高超声测厚精度的方法。

背景技术

超声波测厚根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头。超声波测厚通过被测物体上下表面回波信号计算出超声波在被测物体中传输的时间，将这一时间与超声波在被测物体中传输的速度相乘，得到物体厚度。通常做法是选取一个特征点（零点或极值点），计算两次回波在这一特征点的时间差如图1所示。

超声波测厚精度由两部分精度决定，一部分是测量精度，由超声测厚设备本身的测量能力决定；另一部分工艺精度，取决于探头、被测对象、现场环境、温度等外部因素。本专利所涉及方法主要用来改进超声测厚设备本身的测量精度。

根据超声波测厚的原理，在声速一定的情况下，厚度测量的精度可以转换为时间测量的精度， 由于时间是通过统计采样时钟周期数获得的，采样时钟频率直接决定了超声测厚精度。因此现有的提高精度的方法基本都是从提高采样时钟频率入手。但是采样时钟周期提高比较困难，特别是一些测厚精度要求较高的场合，仅依靠提高采样时钟频率无法满足要求。

发明内容

本发明是针对仅仅通过提高采样时钟频率来提高测厚精度不能满足精度提高的要求问题，提出了一种利用曲线拟合提高超声测厚精度的方法，使用曲线拟合算法补偿采样精度，使得超声测厚精度在采样时钟频率不变的情况下得到有效提高。

本发明的技术方案为：一种利用曲线拟合提高超声测厚精度的方法，具体包括如下步骤：

1）采样点获取模块在预先设定用于厚度测量的两个回波区域内根据特征点的选取获取采样点：用于测厚的两个回波区域由闸门设定，闸门包括宽度和高度两个参数，根据工艺要求人工设置，采样点获取在闸门宽度范围内进行，闸门高度定义为闸门所在位置纵坐标Y，采样点获取模块根据特征点选取采集回波中同一时刻Y<= 0，Y>= 0两个采样点，并保存；

2）曲线拟合模块采用直线拟合算法，将步骤1）获得回波中两个采样点拟合成一条直线，与纵坐标交的点为特征点，得到两个回波中的特征点X1和X2；

3）将计算出的两个回波的特征点X1和X2送入厚度计算模块，计算被测物体厚度，被测物体厚度S计算公式如下：

S = (|X1 - X2|) _* t _* V，其中t为两次回波中特征点对应的时间差，即两次回波采样点采集时间差，V为被测物体中声速。

所述特征点的选取分4种类型，分别为正最大峰值前零点、正最大峰值后零点、负最大峰值前零点和负最大峰值后零点。

所述根据特征点的选取获取采样点步骤如下：

1）、新采样开始，根据闸门高度判断特征点类型，如果闸门高度为正，确定为正最大峰值型特征点，进入步骤2），如果闸门高度为负，确定为是负最大峰值型特征点，进入步骤7）；

2）、取某一时刻任意相邻三个采样点S_N(x,y)，S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y)，同时满足S_N-2(y)<= 0，S_N-1(y) >= 0，S_N(y) >= 0，将此刻S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y)分别赋值给正最大值前零点的采样点S₁₁(x₁₁,y₁₁)、S₁₂(x₁₂,y₁₂)，进入步骤3）；

3）、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点第一次同时S_N(y) <=S_N-1(y) <=S_N-2(y)时，取此刻S_N-2(x,y) 赋值给正最大值，进入步骤4）；

4）、如果正最大值在闸门范围内，且幅度超过闸门高度，进入步骤5），否则回到步骤2）；

5）、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点同时满足S_N-2(y) >= 0，S_N-1(y) <=0，S_N(y) <= 0，将此刻的S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y) 分别赋值给正最大值后零点的采样点S₁₃(x₁₃,y₁₃)、S₁₄(x₁₄,y₁₄)，进入步骤6）；

6）、如果本次获取正最大值大于等于正最大峰值，则将本次获取的正最大值赋值给正最大峰值，正最大值前零点的采样点赋值给正最大峰值前零点的采样点，正最大值后零点的采样点赋值给正最大峰值后零点的采样点，否则保留正最大峰值、正最大峰值前零点的采样点、正最大值后零点的采样点不变，判断此时是否超出闸门范围，如果超出，进入步骤12），否则返回步骤2）；

7）、取某一时刻任意相邻三个采样点S_N(x,y)，S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y)，如果同时满足S_N-2(y) >=0，S_N-1(y) <= 0，S_N(y) <=0，将此刻S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y) 分别赋值给负最大值前零点的采样点S^’ ₁₁(x₁₁,y₁₁)、S^’ ₁₂(x₁₂,y₁₂)，进入步骤8）；

8）、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点第一次同时满足S_N(y) >=S_N-1(y) >=S_N-2(y)时，取此刻S_N-2(x,y) 赋值给负最大值，进入步骤9）；

9）、如果负最大值在闸门范围内，且幅度低于闸门高度，进入步骤10），否则回到步骤7）；

10）、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点同时满足S_N-2(y)<= 0，S_N-1(y) >= 0，S_N(y) >= 0，将此刻S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y) 分别赋值给负最大值后零点的采样点S^’ ₁₃(x₁₃,y₁₃)、S^’ ₁₄(x₁₄,y₁₄)，进入步骤11）；

11）、如果本次获取负最大值小于等于负最大峰值，则将本次获取的负最大值赋值给负最大峰值，负最大值前零点的采样点赋值给负最大峰值前零点的采样点，负最大值后零点的采样点赋值给负最大峰值后零点的采样点，否则保留负最大峰值、负最大峰值前零点的采样点、负最大值后零点的采样点不变,判断此时是否超出闸门范围，如果超出，进入步骤12），否则返回步骤7）；

12）、如果需要的特征点为最大值前零点，则将正/负最大值前零点赋值为曲线拟合采样点，如果需要的特征点为最大值后零点，则将正/负最大值后零点赋值为曲线拟合采样点，等待采样结束，采样结束返回步骤1），否则停留在步骤12）。

本发明的有益效果在于：本发明利用曲线拟合提高超声测厚精度的方法，该方法使用曲线拟合算法补偿采样精度，使得超声测厚精度在采样时钟频率不变的情况下得到有效提高，以满足某些场合对测厚精度的要求，降低硬件实现复杂度，提高实现可靠性。

附图说明

图1为超声测厚方法示意图；

图2为本发明曲线拟合超声测厚方法中功能模块示意图；

图3为本发明特征点选取示意图；

图4为本发明特征点类型示意图；

图5为本发明采样点获取步骤示意图；

图6为本发明测厚方法示意图。

具体实施方式

利用曲线拟合算法计算两次回波中特征点对应的时间差，将该时间差与声速相乘得到厚度，如图2所示曲线拟合超声测厚方法中功能模块示意图，包括采样点获取模块，曲线拟合模块和厚度计算模块。

由于超声信号在零点上下的一个小时间段内（一个采样周期）近似于一条直线，且信号幅度越高，越近似于直线，因此特征点选取为回波信号正最大峰值或负最大峰值两侧的零点，曲线拟合算法采用直线拟合，直线拟合需要两个采样点，这两个采样点选取为特征点上下相邻的两个采样点，如图3所示特征点选取示意图。

采样点获取模块与曲线拟合模块相连，为曲线拟合模块提供曲线拟合需要的采样点；

曲线拟合模块利用采样点获取模块获取的采样点进行曲线拟合，计算出特征点在拟合曲线上对应坐标，并将该坐标送到厚度计算模块计算被测物体厚度；

厚度计算模块从曲线拟合模块获取特征点坐标，计算两次回波中特征点对应的时间差，将该时间差与声速相乘得到被测物体厚度。

下面就该方案做详细描述：

采样点获取模块在预先设定用于厚度测量的两个回波区域内根据特征点的选取获取采样点。用于测厚的两个回波区域由闸门设定，闸门包括宽度和高度两个参数，需要根据工艺要求人工设置，闸门宽度（如图1中双箭头限定的范围）决定算法执行范围，采样点和特征点获取都在闸门宽度范围内进行，闸门高度定义为闸门所在位置纵坐标。特征点选取有四种类型，如图4所示特征点类型示意图，分别是正最大峰值前零点、正最大峰值后零点、负最大峰值前零点和负最大峰值后零点，采样点通过如图5所示采样点获取步骤示意图获取：

步骤一、新采样开始，根据闸门高度判断特征点类型，如果闸门高度为正，如图4中前两幅图所示，确定为正最大峰值型特征点，进入步骤二，如果闸门高度为负，如图4中后两幅图所示，确定为是负最大峰值型特征点，进入步骤七；

步骤二、取某一时刻任意相邻三个采样点S_N(x,y)，S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y)，同时满足S_N-2(y)<= 0，S_N-1(y) >= 0，S_N(y) >= 0，将此刻S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y)分别赋值给正最大值前零点的采样点S₁₁(x₁₁,y₁₁)、S₁₂(x₁₂,y₁₂)，进入步骤三；

步骤三、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点第一次同时S_N(y) <=S_N-1(y) <=S_N-2(y)时，取此刻S_N-2(x,y) 赋值给正最大值，进入步骤四；

步骤四、如果正最大值在闸门范围内，且幅度超过闸门高度，进入步骤五，否则回到步骤二；

步骤五、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点同时满足S_N-2(y) >= 0，S_N-1(y) <=0，S_N(y) <= 0，将此刻的S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y) 分别赋值给正最大值后零点的采样点S₁₃(x₁₃,y₁₃)、S₁₄(x₁₄,y₁₄)，进入步骤六；

步骤六、如果本次获取正最大值大于等于正最大峰值，则将本次获取的正最大值赋值给正最大峰值，正最大值前零点的采样点赋值给正最大峰值前零点的采样点，正最大值后零点的采样点赋值给正最大峰值后零点的采样点，否则保留正最大峰值、正最大峰值前零点的采样点、正最大值后零点的采样点不变。判断此时是否超出闸门范围，如果超出，进入步骤十二，否则返回步骤二；

步骤七、取某一时刻任意相邻三个采样点S_N(x,y)，S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y)，如果同时满足S_N-2(y) >=0，S_N-1(y) <= 0，S_N(y) <=0，将此刻S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y) 分别赋值给负最大值前零点的采样点S^’ ₁₁(x₁₁,y₁₁)、S^’ ₁₂(x₁₂,y₁₂)，进入步骤八；

步骤八、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点第一次同时满足S_N(y) >=S_N-1(y) >=S_N-2(y)时，取此刻S_N-2(x,y) 赋值给负最大值，进入步骤九；

步骤九、如果负最大值在闸门范围内，且幅度低于闸门高度，进入步骤十，否则回到步骤七；

步骤十、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点同时满足S_N-2(y)<= 0，S_N-1(y) >= 0，S_N(y) >= 0，将此刻S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y) 分别赋值给负最大值后零点的采样点S^’ ₁₃(x₁₃,y₁₃)、S^’ ₁₄(x₁₄,y₁₄)，进入步骤十一；

步骤十一、如果本次获取负最大值小于等于负最大峰值，则将本次获取的负最大值赋值给负最大峰值，负最大值前零点的采样点赋值给负最大峰值前零点的采样点，负最大值后零点的采样点赋值给负最大峰值后零点的采样点，否则保留负最大峰值、负最大峰值前零点的采样点、负最大值后零点的采样点不变。判断此时是否超出闸门范围，如果超出，进入步骤十二，否则返回步骤七；

步骤十二、如果需要的特征点为最大值前零点，则将正/负最大值前零点赋值为曲线拟合采样点，如果需要的特征点为最大值后零点，则将正/负最大值后零点赋值为曲线拟合采样点，等待采样结束，采样结束返回步骤一，否则停留在步骤十二。

曲线拟合模块采用直线拟合算法，利用特征点选取类型采集过零采样点，通过过零采样点获取模块提供的采样点拟合出一条直线，已知特征点为拟合曲线上的点，且特征点纵坐标y=0，可以计算特装点横坐标x。两个采样点定义为(x₁,y₁)，(x₂,y₂)直线拟合公式如下：

y = kx + b

其中，k = (y ₁  - y ₂ )/( x ₁  - x ₂ )；b = (y _2*  x ₁  - y _1* x ₂ )/ ( x ₁  - x ₂ )

如图6所示，将计算出的两个回波的特征点X1和X2送入厚度计算模块，计算被测物体厚度。

厚度计算模块根据X1和X2计算两次回波中特征点对应的时间差，将该时间差与声速相乘得到被测物体厚度。定义采样周期为t(秒)，被测物体中声速为V（米/秒），则被测物体厚度S（米）计算公式如下：

S = (|X1 - X2|) _* t _* V

如图6所示测厚方法示意图，采样周期为10ns，被测物体中声速为5920m/s，采用正最大值前零点为特征点，取相邻两个回波为测厚区域，用于测厚的两个回波区域由闸门设定，采样点和特征点获取都在闸门范围内进行，采样点通过如下步骤获取：

步骤一、新采样开始，根据闸门高度判断特征点类型为正最大峰值型特征点，进入步骤二；

步骤二、取某一时刻任意相邻三个采样点S_N(x,y)，S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y)，如果同时满足S_N-2(y)<= 0，S_N-1(y) >= 0，S_N(y) >= 0，将此刻S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y) 分别赋值给正最大值前零点的采样点S₁₁(x₁₁,y₁₁)、S₁₂(x₁₂,y₁₂)，进入步骤三；

步骤三、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点第一次同时S_N(y) <=S_N-1(y) <=S_N-2(y)时，取此刻S_N-2(x,y) 赋值给正最大值，进入步骤四；

步骤四、如果正最大值在闸门范围内，且幅度超过闸门高度，进入步骤五，否则回到步骤二；

步骤五、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点同时满足S_N-2(y) >= 0，S_N-1(y) <=0，S_N(y) <= 0，将此刻的S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y) 分别赋值给正最大值后零点的采样点S₁₃(x₁₃,y₁₃)、S₁₄(x₁₄,y₁₄)，进入步骤六；

步骤六、如果本次获取正最大值大于等于正最大峰值，则将将本次获取的正最大值赋值给正最大峰值，正最大值前零点的采样点赋值给正最大峰值前零点的采样点，正最大值后零点的采样点赋值给正最大峰值后零点的采样点，否则保留正最大峰值、正最大峰值前零点的采样点、正最大值后零点的采样点不变。判断此时是否超出闸门范围，如果超出，进入步骤七，否则返回步骤二；

步骤七、需要的特征点为最大值前零点，则将正最大值前零点赋值为曲线拟合采样点，进入步骤八；

步骤八、重复执行步骤一到步骤七，直到采样结束。

获取两个回波的采样点分别为(x₁₁,y₁₁)，(x₂₁,y₂₁)，(x₁₂,y₁₂)，(x₂₂,y₂₂)，曲线拟合模块采用直线拟合算法，利用采样点获取模块提供的采样点拟合出一条直线，并以特征点幅度为Y计算出在其在直线上的X。公式如下：

y = kx + b

其中，k 1= (y ₁₁  - y ₂₁ )/( x ₁₁  - x ₂₁ )，b1 = (y _21*  x ₁₁  - y _11* x ₂₁ )/ ( x ₁₁  - x ₂₁ )

k 2= (y ₁₂  - y ₂₂ )/( x ₁₂  - x ₂₂ )，b2 = (y _22*  x ₁₂  - y _12* x ₂₂ )/ ( x ₁₂  - x ₂₂ )

将计算出的两个回波的特征点X1和X2送入厚度计算模块，计算被测物体厚度。

厚度计算模块根据X1和X2计算两次回波中特征点对应的时间差，将该时间差与声速相乘得到被测物体厚度。定义采样周期为t(秒)，被测物体中声速为V（米/秒），则被测物体厚度S（米）计算公式如下：

S = (|X1 - X2|) _* t _* V = 5.92_* 10^-5 _* (|X1 - X2|)

但应当理解的是，上述针对具体实施例的描述比较详细，并不能因此而认为是对本发明专利权利保护范围的限制，本发明专利权利保护范围应以所附权利要求书为准。

Claims (3)

1.一种利用曲线拟合提高超声测厚精度的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）采样点获取模块在预先设定用于厚度测量的两个回波区域内根据特征点的选取获取采样点：用于测厚的两个回波区域由闸门设定，闸门包括宽度和高度两个参数，根据工艺要求人工设置，采样点获取在闸门宽度范围内进行，闸门高度定义为闸门所在位置纵坐标Y，采样点获取模块根据特征点选取采集回波中同一时刻Y<= 0，Y>= 0两个采样点，并保存；

2）曲线拟合模块采用直线拟合算法，将步骤1）获得回波中两个采样点拟合成一条直线，与纵坐标交的点为特征点，得到两个回波中的特征点X1和X2；

3）将计算出的两个回波的特征点X1和X2送入厚度计算模块，计算被测物体厚度，被测物体厚度S计算公式如下：

S = (|X1 - X2|) _* t _* V，其中t为两次回波中特征点对应的时间差，即两次回波采样点采集时间差，V为被测物体中声速。

2.根据权利要求1所述利用曲线拟合提高超声测厚精度的方法，其特征在于，所述特征点的选取分4种类型，分别为正最大峰值前零点、正最大峰值后零点、负最大峰值前零点和负最大峰值后零点。

3.根据权利要求2所述利用曲线拟合提高超声测厚精度的方法，其特征在于，所述根据特征点的选取获取采样点步骤如下：

1）、新采样开始，根据闸门高度判断特征点类型，如果闸门高度为正，确定为正最大峰值型特征点，进入步骤2），如果闸门高度为负，确定为是负最大峰值型特征点，进入步骤7）；

2）、取某一时刻任意相邻三个采样点S_N(x,y)，S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y)，同时满足S_N-2(y)<= 0，S_N-1(y) >= 0，S_N(y) >= 0，将此刻S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y)分别赋值给正最大值前零点的采样点S₁₁(x₁₁,y₁₁)、S₁₂(x₁₂,y₁₂)，进入步骤3）；

3）、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点第一次同时S_N(y) <=S_N-1(y) <=S_N-2(y)时，取此刻S_N-2(x,y) 赋值给正最大值，进入步骤4）；

4）、如果正最大值在闸门范围内，且幅度超过闸门高度，进入步骤5），否则回到步骤2）；

5）、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点同时满足S_N-2(y) >= 0，S_N-1(y) <=0，S_N(y) <= 0，将此刻的S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y) 分别赋值给正最大值后零点的采样点S₁₃(x₁₃,y₁₃)、S₁₄(x₁₄,y₁₄)，进入步骤6）；

6）、如果本次获取正最大值大于等于正最大峰值，则将本次获取的正最大值赋值给正最大峰值，正最大值前零点的采样点赋值给正最大峰值前零点的采样点，正最大值后零点的采样点赋值给正最大峰值后零点的采样点，否则保留正最大峰值、正最大峰值前零点的采样点、正最大值后零点的采样点不变，判断此时是否超出闸门范围，如果超出，进入步骤12），否则返回步骤2）；

7）、取某一时刻任意相邻三个采样点S_N(x,y)，S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y)，如果同时满足S_N-2(y) >=0，S_N-1(y) <= 0，S_N(y) <=0，将此刻S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y) 分别赋值给负最大值前零点的采样点S^’ ₁₁(x₁₁,y₁₁)、S^’ ₁₂(x₁₂,y₁₂)，进入步骤8）；

8）、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点第一次同时满足S_N(y) >=S_N-1(y) >=S_N-2(y)时，取此刻S_N-2(x,y) 赋值给负最大值，进入步骤9）；

9）、如果负最大值在闸门范围内，且幅度低于闸门高度，进入步骤10），否则回到步骤7）；

10）、继续取下一时刻三个采样点进行比较，当三个采样点同时满足S_N-2(y)<= 0，S_N-1(y) >= 0，S_N(y) >= 0，将此刻S_N-1(x,y)，S_N-2(x,y) 分别赋值给负最大值后零点的采样点S^’ ₁₃(x₁₃,y₁₃)、S^’ ₁₄(x₁₄,y₁₄)，进入步骤11）；

11）、如果本次获取负最大值小于等于负最大峰值，则将本次获取的负最大值赋值给负最大峰值，负最大值前零点的采样点赋值给负最大峰值前零点的采样点，负最大值后零点的采样点赋值给负最大峰值后零点的采样点，否则保留负最大峰值、负最大峰值前零点的采样点、负最大值后零点的采样点不变,判断此时是否超出闸门范围，如果超出，进入步骤12），否则返回步骤7）；

12）、如果需要的特征点为最大值前零点，则将正/负最大值前零点赋值为曲线拟合采样点，如果需要的特征点为最大值后零点，则将正/负最大值后零点赋值为曲线拟合采样点，等待采样结束，采样结束返回步骤1），否则停留在步骤12）。

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