CN105758346A - 一种超声波蛋壳无损测厚系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波蛋壳无损测厚系统和方法，实现了方便、快速且准备的测量蛋壳的厚度。本发明的蛋壳测厚系统，包括：鸡蛋放置装置、超声波采集装置、超声波处理模块、结果显示模块。所述鸡蛋放置装置整体为圆柱形，使用水做耦合剂，装置密封性良好，保证测量过程中稳定的外部环境，采集装置与鸡蛋放置装置相连，信号通过采集装置获取后经超声波处理模块进行模拟信号到数字信号的转换，然后进行信号的模式匹配，最后计算出蛋壳厚度，超声波蛋壳无损测厚系统针对表面弯曲不平整的蛋壳进行准确的测量，测量成功率高、测量便利快捷，拥有广阔的应用前景和更强的市场竞争力。

Description

一种超声波蛋壳无损测厚系统和方法

技术领域

本发明涉及一种超声波蛋壳无损测厚系统和方法，尤其是一种针对蛋壳的模式匹配测厚的无损检测系统和方法。

背景技术

蛋壳厚度与鸡蛋的品质密切相关，据统计，蛋壳厚度越厚的鸡蛋，破壳率越低，鸡蛋品质保持的越好，蛋壳厚度的测量时禽蛋工艺中不可缺少的一部分。

超声波技术测量蛋壳厚度具有精度高、设备简单、操作安全、成本低等优点。国内外对鸡蛋蛋壳无损检测的研究较少，较多的是利用测厚仪采用直接接触法进行测厚，对蛋壳的针对性不强，效果不好。本系统集计算机、超声波采集以及鸡蛋放置装置为一体，采用脉冲反射法为技术背景，系统针对蛋壳的特点进行设计，设置一套筛选、计算算法，能非常方便、快速、准确的测量蛋壳厚度。

发明内容

本发明公布了一种超声波蛋壳无损测厚系统和方法。主要实现了方便、快速、准确的测量蛋壳厚度。

本发明采用以下技术方案：一种超声波蛋壳无损测厚的系统，所述蛋壳测厚系统，包括：鸡蛋放置装置、超声波采集、超声波处理模块和结果显示模块。

鸡蛋放置装置基于鸡蛋特性，方便探头进行测量，技术上采用自制工艺，凹槽下面放置超声波传感器，上面放置鸡蛋。

鸡蛋放置装置整体为圆柱形，装置密封性良好，选用水做耦合剂，浸泡住被测蛋壳的下表面，使蛋壳与超声波传感器之间没用空气，提供测量的稳定的外部环境。

超声波采集采用的多通道超声波采集卡，外设多个超声波传感器，超声波采集卡与计算机连接。超声波传感器既能发射又能接受超声波信号，超声波传感器激发由超声波采集卡发射的始波，经过蛋壳上下表面发生反射，超声波传感器接收到反射回来的波，通过接口将信号传给计算机。

超声波处理模块为计算机软件部分，设计半自动化算法，对于接收到的回波，采用自动调节其时间延迟和增益的方式使波形调节至可测量，针对蛋壳的特点，对波形进行模式匹配，判断并筛选可测量波形，在波形处理方面，通过设计算，结合超声波在蛋壳中的传播速度，超声波的探头频率，采样点的个数，将代表时间的波形转化为声程，非常直观的通过波峰之间的距离看出超声波的各个界面回波，然后设计算法计算出蛋壳厚度。

结果显示模块为计算机软件部分，主要判断用户此时获取到的波形的可测性，若不可测，提示用户重新摆放鸡蛋，对同一个鸡蛋进行三次测量，测量结束后取平均值将结果显示到计算机。

一种超声波蛋壳无损测厚方法，包括数据采集、数据预处理、数据筛选、结果计算。

数据采集，通过计算机发出的控制信号，控制超声波传感器发射模拟信号，使得超声波通过超声波传感器接收到回波，并将模拟信号转化为数字信号传给计算机。

数据预处理，为了消除外界干扰造成的噪声，对接收到的信号进行多重放大和滤波，使其达到高增益高信噪比，得到较好的回波。

数据筛选，针对蛋壳模式匹配方法，通过统计学方法，对大量蛋壳进行测厚，得出可测波形的一个模式匹配模型，蛋壳表面测量比传统工艺上的铁片、钢板等复杂的多，蛋壳表面有较多小的凹槽，大部分地方不平整，而且都存在一定的曲率，这就无法保证超声波反射波与发射波平行，本装置通过模式匹配的方式判断回波的状态，筛选出反射波质量和角度都在可接受范围内的回波进行厚度的测量。

结果计算，得到正确的反射波后，根据超声波的反射波设计算法计算出超声波在蛋壳中的传播时间，结合超声波的传播速率，转换成声程后计算出蛋壳的厚度。

所述数据筛选和结果计算方法，由于需要大量的运算和匹配过程，模式匹配算法的建模过程都是在计算机上完成的。

本发明将计算机与超声波采集转置连接一体，针对蛋壳这种不容易测量的试块，设计了一套系统和方法，能方便、快速且准确的完成蛋壳测厚，可以作为先进的测量技术应用于更多领域。

附图说明

图1为本发明鸡蛋放置装置的立体图

图2为本发明的理论基础

图3为本发明的软件系统界面

图4为本发明筛选后的可靠波形

具体实施方式

本发明利用超声波传感器发射和接收超声波模拟信号，经过超声波采集卡将信号放大、滤波之后传给计算机。本系统进行数据采集、数据预处理和模式匹配。并将识别的结果显示给用户，最后计算结果反馈给用户。为了排除外界环境对系统的干扰，使系统的识别结果更准确，系统设计了自制鸡蛋放置装置，装置的凹槽下方放置超声波传感器，中间用水做耦合剂，上方放置鸡蛋。附图1示出了本发明鸡蛋放置装置的立体图。以下就本发明作具体的说明。

附图2示出了本发明的理论基础，当超声波入射到耦合剂与被测对象的接触面时，出现了介质的变化，会产生第一个回波b1，由超声波探头接收到反射波。根据超声波的反射和透射规律，还会有一部分超声波穿透蛋壳继续传播，遇到蛋壳的下表面，又出现了介质的变化，再次产生超声波回波b2，同样被超声波探头所接收。如此反复，每次超声波探头接收到的回波较上次有一定程度上的衰减，将多出反射回波记为b1、b2…bn，且相邻两次反射回波相隔的时间相等。计算两次相等的反射回波的时间差，可以得到超声波在被测对象中的传播时间。结合超声波在对象中的传播速度，计算出被测对象的厚度。

附图3示出了本发明的数据传递模型，为获得被检测物质的较好反射回波信息，超声波蛋壳无损测厚系统的各部分需要协同工作。以下为它的基本工作过程：

(1)实验环境的搭建，清理鸡蛋表面的污垢、灰尘等覆盖物，取些许纯净水倒入鸡蛋放置装置中，清理装置底部，保证没有气泡。

(2)将鸡蛋放入鸡蛋放置装置里，在计算机中打开系统，系统检测到有被测试块的放入，超声波采集卡对回波进行多重放大和滤波，软件自动调节超声波的时间延迟和增益，使其达到合适的位置。

(3)蛋壳摆放好之后，超声波的采集工作开始，超声波采集卡采集到的回波信号传输给计算机，计算机得到关于传输时间和超声波声能关系的波形，通过超声波的传播速率、探头频率等参数，进行波形转换，最后得到声程与超声波声能关系的波形，在通过筛选模块进行分析。

(3)数据筛选模块进行模式匹配，判断此时的波形的可测性，若波形可测，则通过算法计算出一次测量结果

(4)若判断次波形为不可测，提示用户，对蛋壳重新进行摆放，重复上述过程，系统会记录下当前鸡蛋的测量结果次数。

(5)对同一个鸡蛋采取三次测量结果的方式，当前蛋壳厚度测量结果达到三次之后，系统自动计算平均值，将结果反馈给用户。

超声波采集卡和计算机机之间的通信需要两个设备协同工作。因此两者上运行的应用程序需要有相应的接口。通过接口完成数据流从超声波采集卡到计算机的传输。

附图3为超声波测厚软件系统界面，软件部分完成的主要功能是对超声波回波的接收和显示到界面中，设计算法进行模式匹配完成对超声波的筛选，筛选出可以进行测量的回波进行计算，最后将结果反馈给用户。

本发明采用的模式匹配方法是基于蛋壳测量回波数据的大量统计结果而制定的，具体匹配方法如下：

附图4为经过数据预处理和数据筛选后得到的可测量回波波形，在此我们定义一个“后端极高点”，后端极高点首先满足此端点为极高值，且此端点的值大于其后的所有端点，图中用圆圈标出的点满足后端极高点的定义。

对波形进行筛选的模式匹配过程。匹配开始点先从第一个点向后寻找第一个后端极高点，找到之后，以此点为起点寻找第二个后端极高点，依次找到第三、四个后端极高点，并计算相邻后端极高点之间的距离，若这些距离的变化情况小于给定阈值，则判断出此波形匹配成功，算法执行过程是一个循环筛选过程，直到最后找到满足上述条件的四个后端极高点即匹配成功，若到最后还无法找到，则判断匹配失败。

本发明完成了超声波采集、计算机和超声波蛋壳无损测厚装置，为蛋壳测厚提供了一套便利的测量系统，本发明测量成功率高、测量方便，针对性强，测量结果优于普通超声波测厚仪，且测量便利快捷，适用于流水线的工程。

Claims (6)

1.一种超声波蛋壳无损测厚系统和方法，其特征在于：系统包括鸡蛋放置装置、超声波采集装置、超声波处理模块、结果显示模块；

鸡蛋放置装置选用易于加工的塑胶材料加工而成，鸡蛋放置装置基于鸡蛋特性制作，保证耦合剂和鸡蛋的完美契合，方便探头进行测量，技术上采用自制工艺，如图1所示；

鸡蛋放置装置整体呈圆柱形，装置密封性良好，选用水做耦合剂，浸泡住被测蛋壳下表面，耦合剂下方一定距离放置超声波传感器，密封性保证耦合效果，提供测量的稳定外部环境；鸡蛋放置装置下方放置超声波传感器，装置设计保证超声波探头位置水平，能垂直发射接收超声波；

超声波采集装置采用多个通道同时采集的方式，在鸡蛋放置装置下设立多个超声波传感器，能同步进行超声波采集，各个超声波传感器都是独立的，能同时进行多个鸡蛋蛋壳厚度的测量，提高蛋壳测厚的效率；

超声波处理模块为计算机软件部分，设计半自动化算法，对于接收到的回波，采用自动调节其时间延迟和增益的方式使波形调节至可测量，针对蛋壳的特点，对波形进行模式匹配，判断并筛选可测量波形，在波形处理方面，通过设计算，结合超声波在蛋壳中的传播速度，超声波的探头频率，采样点的个数，将代表时间的波形转化为声程，非常直观的通过波峰之间的距离看出超声波的各个界面回波，然后设计算法计算出蛋壳厚度；

结果显示模块是系统与用户交互的模块，此模块提供了可修改的预先设置的各个参数，判断此时波形的可测性，若不合适，提示用户重新摆放鸡蛋。对同一个鸡蛋进行三次测量，测量结束后取平均值将结果显示到计算机。

2.根据权利要求1所述超声波蛋壳无损测厚系统，其特征在于鸡蛋放置装置是基于鸡蛋表面弯曲有一定曲率制作而成，能较好的保证耦合效果，使测量更加精准。

3.根据权利要求1所述超声波蛋壳无损测厚系统，其特征在于各个超声波传感器独立进行采集，同时进行多个鸡蛋蛋壳厚度的测量，测量效率高。

4.根据权利要求1所述超声波蛋壳无损测厚系统，其特征在于超声波处理模块波形状态的自动调节，针对蛋壳波形的特点，进行模式匹配并筛选可测量波形计算出蛋壳厚度。

5.一种超声波蛋壳无损测厚方法，其特征在于：所述方法包括数据采集、数据预处理、数据筛选、结果计算。

数据采集，计算机控制传感器激励信号，获取到回波后，将模拟信号转化为数字信号传给计算机；

数据预处理，为了消除外界干扰造成的噪声，对接收到的信号进行多重放大和滤波，使其达到高增益高信噪比，得到较好的回波；

数据筛选，针对蛋壳模式匹配方法，通过统计学方法，对大量蛋壳进行测厚，得出可测波形的一个模式匹配模型，使用此模型进行匹配，筛选出可测的反射回波进行后续分析；

结果计算，根据筛选的波形，进行波形分析，计算机蛋壳厚度。

6.根据权利要求5所述超声波蛋壳无损测厚方法，其特征在于：所述数据筛选过程是一个循环递推的过程，匹配与模型类似的峰值点所在位置，来判断此波形的可测性。