通过高分辨率空气耦合超声波测量网络特征的非平面物体的距离

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1、通过高分辨率空气耦合超声波测量网络特 征的非平面物体的距离摘要:超声波在各种工业技术中被用来测量产品大小。这种技术的优势是可以通过使用空气耦合的超声波对传送带上的物品进行非接触的测量。然而，由于温度的变化，一个恒定的运 动速度，和待测对象的几何形态，这些系统的运行是复杂的。在本文中，提出的是用超声波 测量由输送带运送的对象的几何参数。该系统的运作是基于精确测量传感器和物体表面之间 的距离。这种测量技术包括对对象的检测，识别一个典型的剖面，使用特征提取算法，并对 在选定位置的物体的尺寸进行测量。作为实施这种测量技术的一个例子，下面对超声波耦合 系统在巧克力生产过程中的厚度测量进行介绍。索引：短距

2、离的测量，信号处理，模拟超声波测量，超声波空气耦合传感器。I、引言当今，空气耦合超声波被用于短距离内的精确距离和外形的测量。由于非接触式测量的 性质，这些方法是颇具吸引力的1 f3。通常，对象尺寸的测量和分析是通过用聚焦超声波 束对其扫描。在每个位置，传感器和物体表面之间的超声波信号的飞行时间是被测量的，而 它们之间的距离是通过计算得出的。通常情况下，这种测量是在实验室条件下，或者在被测 对象是在一个固定的位置的情况下。ChocolBte tiiickness necessary to measureTig. I. Cross section of a fonm. which Is used

3、in the producLien of swtets. placed on a mevEngconivcyer.在工业应用中，物体通常是在生产线上以一个相对于超声波传感器未知的可变速度移动的。 此外，这个动作可能会伴随着振动和噪音。而这些干扰显然会是测量更复杂和不精确。因为 测量点是基于物体表面不确定的各点的空间位置。在食品生产中遇到了这些问题，而由于生 产过程控制的要求，在糖果的生产中对一层巧克力厚度的测量是必须的。本文的目的是为这 些工业要求制定一个轮廓重建技术，这个技术适用于对以未知可变速度移动的巧克力半流体 层进行选点并高精度（不确定度小于0.1毫米）自动测量。II.对象在制造过程中

4、，糖果被做成一种带有很多小坑的特殊形式，小坑里充满了巧克力层。被放在传送带糖果的截面在图1中给出了。在生产过程中，这些坑的被部分填充充了一层半 流体巧克力，而这层巧克力的厚度必须自动测量。巧克力的厚度可通过测量固定的超声波转 换器与移动的糖果的前表面的距离Df和坑中心的巧克力表面的距离Dcs这两者得出。由于 事先已知的空坑的深度，巧克力层的厚度可以表述为dch = de - （dcs - dF）.。然而，一眼可以看出，这个简单的任务由于一些严重的问题被复杂化了。第一个问题是 巧克力的表面是凹只在坑的中心点接近于平面这个事实。因此，为了得到适合用于测量的反 射的超声波信号的振幅，选取的点必须在坑

5、中心。这个问题导致了第二个由于传送带速度不 恒定引起的问题。传送带以不同的加速度移动或者停止，取决于线路负荷，这意味着不可能 提前确定能使测量精确的坑上的确切位置。为了获取可重复的结果，必须在测量过程中为每 个坑确定这些位置。第三个问题是由于传送带的垂直振动引起的，正是因为这个问题糖果和 超声波转换器之间的距离是在变化的。III、建议的解决方案拟议的技术是基于使用超声波脉冲回波对固定超声波转换器与移动糖果表面之间距离的持 续测量这个方法，估计糖果的不同速度，自动确定坑内巧克力的中心位置，并测定该巧克力 层的厚度。对距离的持续测量是在线进行的，而其他步骤，有一些延迟，接近于实时。对测 量算法更详

6、细的解释会在下面给出。这个算法的实现需要测量出超声波转换器与糖果前表面 以及与巧克力坑底部的距离，这就意味着用于测量的超声波必须集中于坑中心区域进行斑点 测量，同时，它必须具备一个比较长的焦距20毫米），以便能够测量前表面和坑底的距离 差。另一方面，为了足够精确地重建糖果的空间轮廓，必须使用点试测量。测量的精度应至 少一阶小于坑的横向尺寸（20-30毫米），即2-3毫米。为此，一种特殊的聚焦复合压点陶瓷传感器被开发出来了，它可以确保一个长期的测量 范围，同时保持较高的空间分辨率。超声波转换器由两个独立的球状二元压电式元件组成， 其中心频率是1MHZ。其中一个压电式元件用于发出超声波，另一个用于

7、接收超声波。这种 传感器的示意图和照片在图2中给出了。之前使用的压电元件不是轴对称的，所以其焦点 是垂直延长于元件的分割线的图2（c）。该超声波转换器具有长焦距使其距离测量范围能 够达到15至50毫米。Fig. 2. (a) Ccn&lruaiGn. (b) piioto. and (c) 5ize of Lhe focal 5pot of lhe air- CQiilod trRsduceE；Fig. 3. Simulated rrHcting surface ol iJic farm with a pil fbr s-mu and the ultras onio transducer.55

8、111-20-15-10-505101520Distance from a pit center, mmFig. 4. (Sol id line) True and dashed and dotted line曲 rcconsinjcLinnfrom lh& &irnulalion re&uh pro file of Lhe pit&. A, B. and C 2ie die zones with a di He rent rdjability ard accuracy of meaMircjne-nts.有必要指出，由于坑的几何形体一一坑周围的垂直墙和凹底表面的几何结构(图1)一 一超声波只

9、在坑的中心部分被反射并接受。因此，很可能得到的仅仅是糖果表面和坑底部的 轮廓片段。为了估计建议测量技术的性能，进行了超声波部分的数值模拟(图3)。这个成 熟的模型能够计算从弯曲表面反射回来的超声波信号，得出信号的延迟时间，并计算出与对 象的距离。超声波的脉冲响应h(t, x, y,乙)可用图5中显示的轴对称衍射法计算。反射面被 定义为一个连续的任意函数SR (X，Y)。这个平面被分割成基本的方形平面片段。当超声 波转换器在点(XT，YT，ZT)时，点(x, y, z)的基本单元反射回来的信号通过对发出信号 u(t)、超声波转换器信号ht和接受信号hr的脉冲响应的卷积计算得出。该卷积计算是在频

10、率范围内作为响应的傅立叶变换FT和傅立叶逆变换FT-1计算结果实现的。uR(fr,y) =FTT FT眼(Fe h丁一况下御，FT一 er 甘 一z -边FTW)那么，整个反射信号波是通过累加在点x, y, z e SR反射表面片段的指向性图案 KD(x,y,z)的反射信号得到的。这个系数取决于在选定点的反射面的梯度。仿真结果如图4。这些反射信号只存在于这种超声波转换器的位置，而反射表面几乎是 与超声波传播方向垂直的。这三个区域可在最终结果中区分出来：A是可靠的测量区，B区 是可能被测量但是不准确或者不可信的，而C区由于反射信号的振幅过小使测量变得不可 行。因此，只能在A1区测量出到对象表面的

11、距离，而在A2区能测出到坑底的距离。由于 传送带运动速度的变化这些区域的宽度和边界都在各不相同。IV.测量算法计划的测量方法在下面这些步骤中实施了。1) 对测量对象和空传送带距离的连续测量。第一步，对超声波转换器和满载或空载转换器之间距离Di的测量。在第i个点，计算的公式是禹=理(3)t I是测量超声波脉冲延迟时间，C(T)是空气中的声速，T是温度。超声速度取决 于温度，并通过一个额外的测量通道，即通过测量与超声波转换器距离已知的反射面传回的 超声波来测量超声波脉冲的延迟时间。2) 对移动传送带上对象的自动检测。为了检测对象，超声波转换器与满载或者空 载传送带之间距离的差异被有效的利用了。这种

12、差异近似于几十毫米。通过为 测量数据设定一个阈电平可检测传送带上对象的存在与否。通过这个操作，移 动对象的边界就被检测到了。3) 对象经过测量位置时间间隔的估算。当对象的边界一旦被检测到，测量所必需 点NF就被选取了。由于测量周期TM事先已知，测量对象经过测量位置的时 间间隔为耳二 Tm(Nf 1).4) 测量坑的大致位置。测量对象的运动(图5)在时间阈内速度的变化可估算为可由公式*琨+曷I 5(河，T0是传送带从初始位置移动到测量位置所需要的v FT(t) = P3t3 + P2t2 + Pit + P0,其中系数P是实验测定的。进行测量的 位置(关于对象的前边缘)给出，其中K是测量次数时间

13、间隔。由于坑的位置相对于与测量对象的前缘位置是已知的，当系数X(k)确定时，与 坑中心位置的数据就能选定。Fig_ 5. Typical depcndc nee of the velocilj of 21 cunveyer verus Lime, e.g., ihc veltfuity by which a form paacsthie ultrasonic meter5) 与对象表面距离的测量。利用系数X (k)可以选取对象表面的距离测量点。由 于传送带在测量过程中的低频振动，超声波转换器与测量对象之间的距离一直 在变化。这种振动造成的随机误差可通过对几个连续的距离测量结果进行平均 来减小。

14、完成这一步后，超声波转换器和测量对象表面的平均距离Df就可得出 了。6) 每个坑边界位置的精确测定。在该算法的第四步，由于传送带速度VFT(t)在变 化，坑的位置仅仅是大致得出。为了对坑的位置进行额外修正，使用了特征提 取算法。该算法基于测量数据必须包含测量对象上表面的反射波区域这个现实， 并且坑的垂直面是无反射的(图4中的A、B和C区域，由模拟决定)。这样 一个典型的侧面被用来作为参考数据。在测量过程中，为了找出最佳拟合的测 量数据，这个基本轮廓(不同区域的宽度和坑的深度)的参数是在变化的。在 这种方式下，测量数据中的各个位置和预期区域就决定了。作为结果，坑的边 界和中心位置的确定具有更好的

15、准确性。7) 坑内巧克力表面距离的测量。同时，为了减小因对象垂直振动和噪音引起的随 机误，每个坑中心附近的测量结果同样做了平均处理，而超声波转换器和巧克 力表面的距离Dcs是计算得出的。8) 巧克力厚度的计算。在每个坑内的巧克力厚度的计算公式为咆_=火-瓦-3?).测量系统所使用的描述算法框图如图6。该系统可以在32个通道同时测量。每 个测量通道都包含两个双聚焦超声波转换器一一一个用作厚度测量，另一个作 为参考传感器。发射换能器由发动机驱动装置控制的脉冲发生器激发。V.校准测量过程中最重要的程序之一，是一米的校准。在我们的案例中，对这个过程有两个任务。第一个是对传送带速率相关性的近似确定。这种

16、相关性是通过对移动传送带上一个带有矩形 侧面的特殊对象的测量来确定的。这种典型的传送带速率相关性在图5中给出了。超声波 转换器和拟议技术中待测对象的距离是通过超声波的传播时间来确定的，公式为 dm = K1（Atm/2Atr） + K2,其中 tm是测量延迟时间， tr是在参考通道内测量的延迟时间，K1 和K2是校准系数，它们必须提前确定。对于这些系数的确定，是通过对已知不同高度的标 准石英样品进行测量得出的，如图7（a）。样本的高度为H1=9.99mm， H2=25.00mm,H3=4.06mm。测量转换器扫描整个垂直样品，测定相应的反射信号的延迟时 间乙t1A t2, t3。同时，另一个超声波转