CN110057328A - 一种应用于搪锡层厚度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于搪锡层厚度测量方法，本发明首先对搪锡层测量得到的回波信号进行相关性计算。对得到的相关系数进行拉格朗日插值处理，即在每两个采样点之间插入三个理论值。对理论得到的数据利用MATLAB软件进行曲线绘制，在图中找出峰值位置坐标，即得一次二次回波信号之间的步长差，利用公式(2)即得搪锡层的厚度值。在实际应用中，利用相关性原理可以准确的在具有扰动叠加的干扰信号中找出一次二次回波，这为准确找出其之间的步长差提供了前提。拉格朗日插值处理对测量得到的数据结果进行了处理，其从理论上将采样频率提高，即将两信号之间的步长差进一步细分，使得测量精确度得到提高，满足目前工业对搪锡层厚度测量精确度得要求。

Description

一种应用于搪锡层厚度测量方法
技术领域
本发明涉及一种搪锡层厚度测量技术，具体涉及一种基于超声波界面回波的厚度测量技术。
背景技术
随着我国电子行业的快速发展，人们对电子产品的需求量逐年递增，相应的对其质量也提出了更高的要求。而搪锡工艺作为电子行业的基础，其质量决定着产品的质量和外观。目前运用与搪锡层厚度测量的技术主要有利用千分尺手工测量工件搪锡前后的厚度，然后计算搪锡层厚度值，此方法虽测量较精准，但效率较低，难于应对大批量测量的工程项目。其次还有行业内资深的电子工程师能够对搪锡产品的质量做出定性的分析，但此方法对人员的技术要求过于苛刻，也无法解决效率问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种应用于搪锡层厚度测量方法。
本发明提出基于搪锡层与工件基体在声学特征上的差异，利用搪锡层外表面的一次回波和搪锡层与工件基体交界面的二次回波之间的时差快速准确测量搪锡层厚度值，解决当前技术效率低下的问题。
一种应用于搪锡层厚度测量方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：通过回波法测搪锡层厚度
设声波在耦合剂中传输时间为t0，从发射声波到接受第i次反射波所需时间tfi表示为：
式中c为超声波声速，d为搪锡层的厚度值。因此，回波法测厚公式如下：
步骤二：用相关系数法在具有扰动混合的叠加信号中提取回波信号
假定两个回波信号x(t)和y(t+τ)，存在一个系数axy，使得x(t)＝axyy(t+τ)+xe(t)，xe(t)为一误差信号。
按最小均方差标准：
当最小时，说明两组信号最接近，此时：
带入(3)式得最小近似误差：
用信号x(t)对最小近似误差进行归一化处理得：
令为x(t)和y(t+τ)的相关系数，其衡量了两信号的相似程度，对于离散信号，相关系数为：
x1(i)、x2(i)为两离散采样信号，式中n为离散数据的长度，易知|ρ|≤1。
当|ρ|＝1时，则称x2(i)由x1(i)线性表示；|ρ|＝0时，则称x2(i)和x1(i)不相关；当|ρ|越接近1，则说明x2(i)和x1(i)相关程度越紧密。
假设系统采样频率为f，对回波信号进行离散化处理。选取一次回波信号中的前n个采样数据点x1(1)～x1(n)，通过模糊估计的方法在近似为二次回波处选取n个采样数据点x2(i+t)～x2(n+t+i-1)，t＝0，1，…，r-1；i＞1，对其循环进行相关性计算，循环计算长度为r。因此，会得到r个相关系数ρ。
当ρ取得最大值时，表明此两束回波信号相关程度较高，判定其为一次、二次回波信号，找出峰值处一次、二次回波信号之间的步长差i+t，则一次、二次回波之间的时间差(Tf2-Tf1)为进而利用公式(2)计算出搪锡层厚度值。
作为优选，所述的找出峰值处一次、二次回波信号之间的步长差；具体为：
提出对得到的r个相关系数进行拉格朗日插值计算，即在每两个相关系数之间插入3个理论值；
拉格朗日插值多项式为：
式中a1，a2，…，am+1为m+1个互不相同的数，b1，b2…，bm+1为任意m+1个不全为零的数。
对于采样频率为MHz级时，取m＝3可以得到理想的插值效果。此时f(x)的计算公式如下：
式中Rl表示选取进行相关性计算的两采样信号之间的步长差为l，ρm表示对应步长差为l时计算得到的相关系数。按式(9)进行插值计算，每两个相关性系数之间将插入3个理论值，即相当于将采样频率提高4倍，插值处理后的数据利用MATLAB软件进行绘图，找出更加精确的一次二次回波之间的步长差，假设步长差为l，则一次二次回波之间传输时间差为进而利用公式(2)计算出搪锡层厚度值。
本发明相对现有技术所具有的效果：
本发明提供的搪锡层厚度测量方法，首先对搪锡层测量得到的回波信号进行相关性计算。再近似一次回波信号处选取n个采样信号，在近似为二次回波信号处选取t组信号，一次回波信号与t组二次回波信号利用公式(7)分别计算相关系数，对得到的相关系数进行拉格朗日插值处理，即在每两个采样点之间插入三个理论值。对理论得到的这(4n-3)个数据利用MATLAB软件进行曲线绘制，在图中找出最大峰值位置坐标，即得一次二次回波信号之间的步长差，利用公式(2)即得搪锡层的厚度值。在实际应用中，利用相关性原理可以较准确的在具有扰动叠加的干扰信号中找出一次二次回波，这为准确找出其之间的步长差提供了前提。拉格朗日插值处理对测量得到的数据结果进行了处理，其从理论上将采样频率提高，即将两信号之间的步长差进一步细分，使得测量精确度得到提高，满足目前工业对搪锡层厚度测量精确度得要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1测厚示意图。
图2回波法测厚原理图。
图3拉格朗日插值处理的相关系数曲线峰值附近局部放大图。
图4搪锡层测厚流程图。
具体实施方法
以下结合本发明说明书附图，对本发明的具体实施方法做以说明：
本发明提出的技术方案为：因工件基体和搪锡层在声阻抗方面存在差异，并且超声波在耦合剂和搪锡层中的声强反射率也不同。故利用搪锡层外表面的一次回波和工件基体与搪锡层交界面的二次回波之间的时间差来计算搪锡层的厚度值。
如图1所示，测厚示意图。本发明发明一种应用于搪锡层厚度测量方法，该方法所基于的系统包括主机、双晶纵波直探头、搪锡层工件，探头与工件之间使用耦合剂进行耦合。
如图2所示，回波法测厚原理图。
步骤一：利用本发明所述的搪锡层测厚装置得到搪锡曾工件的界面回波，即一次、二次回波。由于回波信号是震荡信号，其在零刻度线上下起伏并且有一定宽度。因此设定一条阈值线，规定一次、二次反射波传输时间Tf1、Tf2的大小为与阈值线第一个交点到零点之间的时间。由公式(2)可知回波测厚算法的测量精度只受一次、二次回波之间的时间差(Tf2-Tf1)测量准确度的限制，回波法测厚原理图如附图2所示。
步骤二：针对测量精确度的问题，提出采用相关系数法从具有扰动叠加的采样信号中提取回波信号，即计算两束步长相差i+t的采样信号之间的相关系数，判断其是否为一次、二次回波信号。对于测量精度的问题，提出对得到的相关系数进行拉格朗日插值计算，即在每两个相关系数之间插入3个理论值，得到更加平滑的相关系数曲线，使峰值位置也更加明确，测量准确度进一步提高。
从搪锡层与基体交界面反射的二次回波理论上比搪锡层表面反射的一次回波多出两倍的在锡层中传播声程。因耦合剂和搪锡层声强反射率的差异仅会影响接收波的幅值，故两束波在数字特征上具有相关性，可以使用相关性算法从具有扰动叠加的混合信号中提取两回波信号。
如图3所示，拉格朗日插值处理的相关系数曲线峰值附近局部放大图。假设系统采样频率为f，对回波信号进行离散化处理。
步骤3：选取一次回波信号中的前n个采样数据点x1(1)～x1(n)，通过模糊估计的方法在近似为二次回波处选取n个采样数据点x2(i+t)～x2(n+t+i-1)，t＝0，1，…，r-1；i＞1，对其循环进行相关性计算，循环计算长度为r，因此，会得到r个相关系数ρ。理论得到的相关系数曲线图如附图3所示(图中“*”所表示的曲线)。
当ρ取得最大值时，表明此两束回波信号相关程度较高，可以判定其为一次、二次回波信号，找出峰值处一次、二次回波信号之间的步长差i+t，则一次、二次回波之间的时间差(Tf2-Tf1)为进而利用公式1计算出搪锡层厚度值。
由附图3可知，由于采样频率的限制，得到的相关系数曲线的峰值位置并不明确。为此，提出对得到的r个相关系数进行拉格朗日插值计算。
步骤四：在每两个相关系数之间插入3个理论值，使得相关系数曲线更平滑，进而得到更精确的相关系数峰值位置。理论上插值后的相关系数曲线峰值附近的局部放大图如附图3所示(图中黑色的点代表利用公式(9)插入的理论数据点)。由图可知，其不会改变原始曲线的变化趋势，相反会使得原始曲线更加平滑，峰值的位置更加明确。
从附图3中可以进一步将峰值位置精确到两采样点之间，这使得相关性最高的两回波信号之间的步长差更精确，测量精度得到保证。
如图4所示；搪锡层测厚流程图。基于界面回波法的搪锡层厚度测量方法的整体流程图如附图4所示。

Claims (2)

1.一种应用于搪锡层厚度测量方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：通过回波法测搪锡层厚度
设声波在耦合剂中传输时间为t0，从发射声波到接受第i次反射波所需时间tfi表示为：
式中c为超声波声速，d为搪锡层的厚度值；因此，回波法测厚公式如下：
步骤二：用相关系数法在具有扰动混合的叠加信号中提取回波信号
假定两个回波信号x(t)和y(t+τ)，存在一个系数axy，使得x(t)＝axyy(t+τ)+xe(t)，xe(t)为一误差信号；
按最小均方差标准：
当最小时，说明两组信号最接近，此时：
带入(3)式得最小近似误差：
用信号x(t)对最小近似误差进行归一化处理得：
故令为x(t)和y(t+τ)的相关系数，其衡量了两信号的相似程度，对于离散信号，相关系数为：
x1(i)、x2(i)为两能量有限信号，式中n为离散数据的长度，易知|ρ|≤1；
当|ρ|＝1时，则称x2(i)由x1(i)线性表示；|ρ|＝0时，则称x2(i)和x1(i)不相关；当|ρ|越接近1，则说明x2(i)和x1(i)相关程度越紧密；
假设系统采样频率为f，对回波信号进行离散化处理；选取一次回波信号中的前n个采样数据点x1(1)～x1(n)，通过模糊估计的方法在近似为二次回波处选取n个采样数据点x2(i+t)～x2(n+t+i-1),t＝0,1,…,r-1；i＞1，对其循环进行相关性计算，循环计算长度为r，因此，会得到r个相关系数ρ；
当ρ取得最大值时，表明此两束回波信号相关程度较高，判定其为一次、二次回波信号，找出峰值处一次、二次回波信号之间的步长差i+t，则一次、二次回波之间的时间差(Tf2-Tf1)为进而利用公式(2)计算出搪锡层厚度值。
2.根据权利要求1所述的一种应用于搪锡层厚度测量方法，其特征在于：所述的找出峰值处一次、二次回波信号之间的步长差；具体为：
提出对得到的r个相关系数进行拉格朗日插值计算，即在每两个相关系数之间插入3个理论值；
拉格朗日插值多项式为：
式中a1,a2,…,am+1为m+1个互不相同的数，b1,b2…,bm+1为任意m+1个不全为零的数；
取m＝3时，此时f(x)的计算公式如下：
式中Rl表示选取进行相关性计算的两采样信号之间的步长差为l，ρm表示对应步长差为l时计算得到的相关系数；按式(9)进行插值计算，每两个相关性系数之间将插入3个理论值，即相当于将采样频率提高4倍，插值处理后的数据利用MATLAB软件进行绘图，找处更加精确的一次二次回波之间的步长差，假设步长差为l，则一次二次回波之间传输时间差为进而利用公式(2)计算出搪锡层厚度值。
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