CN115342955A - 基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法，属于应力测量技术领域，用于解决现有实际应力测量场合下，超声波同频带的噪声对信号产生干扰等情况，最终造成应力检测精度不高的技术问题，包括：采集待测构件未安装时的理想回波信号和安装但未加载预紧力时的超声回波信号；预设误差允许值、初始权重矩阵等与理想回波信号和超声回波信号进行权重矩阵训练，得到初始输出信号和最佳维度的权重矩阵；构建未知应力下的含噪声矩阵，并通过最佳维度的权重矩阵对其进行去噪处理，得到无噪声输出信号；通过初始输出信号和无噪声输出信号求解实际声时延迟量，并基于声弹性效应处理实际声时延迟量，以求解待测构件的内部应力。

Description

基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法及系统

技术领域

本发明涉及应力测量技术领域，特别涉及一种基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法及系统。

背景技术

基于声弹性效应的结构件应力测量被广泛地应用于各种关键的应力测量场合，如螺栓应力检测，钢板平面应力检测等。目前基于声弹性原理的应力检测精度不高的主要原因是应力引起的声延时计算不够准确。目前常用的声时计算方法有峰值法，过零阈值法等。峰值法是通过计算回波峰值对应声时的移动来计算时延，这种方法并未考虑应力对声波幅值的影响，因此精确度不高。王子成等人在发明专利中CN105841645A发明了一种超声过零点检测声时的方法，通过检测相邻回波第一次通过零点的时间差作为声时。这种方法存在的问题是在实际的检测环境中，由于环境噪声的复杂性，尤其是与超声信号同频带的噪声，这种噪声普通的滤波手段并不能在不影响回波信号的前提下完全滤除。这种噪声其极易叠加在真实的超声波回波上从而引起过零阈值的误判，因此这种方法并不可靠。

发明内容

本发明提供一种基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法及系统，以用于解决实际应力测量场合中，超声波同频带的噪声对信号产生极大干扰，应力待测件的应力会直接导致超声波的幅值发生变化，以及应力引起的声时变化为纳秒级等，以上种种因素极易影响基于声弹性效应应力测量，即现有技术中应力检测精度不高的技术问题。

本发明一方面提出了基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法，包括以下步骤：步骤S1，分别采集待测构件未安装时的理想回波信号和复杂环境下安装但未加载预紧力时的超声回波信号；步骤S2，预设误差允许值、迭代速度系数、初始权重矩阵以及矩阵维度与所述理想回波信号和所述超声回波信号进行权重矩阵训练，得到未加载预紧力时的初始输出信号和最佳维度的权重矩阵；步骤S3，构建未知应力下的含噪声矩阵；步骤S4，通过所述最佳维度的权重矩阵对所述未知应力下的含噪声矩阵进行去噪处理，得到无噪声输出信号；步骤S5，通过所述未加载预紧力时的初始输出信号和所述无噪声输出信号求解初始声时延迟量，并基于声弹性效应处理所述初始声时延迟量，以求解所述待测构件的初始内部应力；步骤S6，利用所述初始内部应力对所述无噪声输出信号进行幅值补偿，通过所述未加载预紧力时的初始输出信号和补偿后的无噪声输出信号求解实际声时延迟量，并基于声弹性效应处理所述实际声时延迟量，以求解所述待测构件的实际内部应力。

本发明另一方面提出了基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量系统，包括：采集模块，用于分别采集待测构件未安装时的理想回波信号和复杂环境下安装但未加载预紧力时的超声回波信号；权重矩阵训练模块，用于预设误差允许值、迭代速度系数、初始权重矩阵以及矩阵维度与所述理想回波信号和所述超声回波信号进行权重矩阵训练，得到未加载预紧力时的初始输出信号和最佳维度的权重矩阵；构建模块，用于构建未知应力下的含噪声矩阵；去噪模块，用于通过所述最佳维度的权重矩阵对所述未知应力下的含噪声矩阵进行去噪处理，得到无噪声输出信号；初始应力求解模块，用于通过所述未加载预紧力时的初始输出信号和所述无噪声输出信号求解初始声时延迟量，并基于声弹性效应处理所述初始声时延迟量，以求解所述待测构件的初始内部应力；幅值补偿和实际应力求解模块，用于利用所述初始内部应力对所述无噪声输出信号进行幅值补偿，通过所述未加载预紧力时的初始输出信号和补偿后的无噪声输出信号求解实际声时延迟量，并基于声弹性效应处理所述实际声时延迟量，以求解所述待测构件的实际内部应力。

本发明又一方面提供一种基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述实施例所述的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法。

本发明再一方面提供一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法的步骤。

本发明的技术方案，至少实现了如下有益的技术效果：

可以在有一定的先验知识下对信号进行加权补偿处理，对与超声信号不相关的噪声信号进行低权重赋值，对信号中的真实回波信号进行高权重赋值；对于应力引起的信号幅值变化也进行补偿处理，在消除不相关噪声的前提下准确提取声延时，提高了应力测量的精度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的权重矩阵训练流程图；

图3是本发明一个实施例的低噪声环境下的回波信号时频能量图；

图4是本发明一个实施例的含噪零应力信号与加权赋值后的零应力信号对比示意图；

图5是本发明一个实施例的含带限噪声的信号时频能量图；

图6是本发明一个实施例的60MPa应力下本方法与其他测量方法效果对比示意图；

图7是本发明一个实施例的120MPa应力下本方法与其他测量方法效果对比示意图；

图8是本发明一个实施例的180MPa应力下本方法与其他测量方法效果对比示意图；

图9是本发明一个实施例的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法及系统。

图1是本发明一个实施例的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法的流程图。

如图1所示，该方法包括以下步骤：

在步骤S1中，分别采集待测构件未安装时的理想回波信号和复杂环境下安装但未加载预紧力时的超声回波信号。

具体地，在噪声较小的地方安装探头，通过采集卡对待测构件的回波信号进行采集得到理想信号d(n)，此时的信号噪声含量比较少，而且此时待测件结构件尚未安装，内部的应力状态为零。当待测构件进行安装尚未进行紧固时，由于使用场合的复杂性，此时采集的的超声回波信号为x(n)，x(n)是数据采集卡采集到的超声波回波的离散信号，里面包含了噪声信号以及超声波回波引起的压电信号。

在步骤S2中，预设误差允许值、迭代速度系数、初始权重矩阵以及矩阵维度与理想回波信号和超声回波信号进行权重矩阵训练，得到未加载预紧力时的初始输出信号和最佳维度的权重矩阵。

进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤S2具体包括：

步骤S201，预设误差允许值、迭代速度系数、初始权重矩阵以及矩阵维度；

步骤S202，通过初始权矩阵以及矩阵维度与超声回波信号计算未加载预紧力时的初始输出信号；

步骤S203，计算理想回波信号与未加载预紧力时的初始输出信号之间的误差值，判断误差值是否小于误差允许值，若小于，则执行步骤S204，反之，则更新初始权重矩阵，计算程序运行时间是否小于1s，若小于，则执行步骤S202，反之则执行步骤S205；

步骤S204，计算未加载预紧力时的初始输出信号与理想回波信号的pearson相关系数，并判断pearson相关系数是否大于0.8，若大于则将当前的权重矩阵作为最佳维度的权重矩阵，反之则执行步骤S205；

步骤S205，更新矩阵维度，并跳转至步骤S201继续执行。

具体地，如图2所示，首先设定初始值，包括设定误差允许值err，迭代效率u以及初始权矩阵ω，矩阵的维度为M，其中n为采集的回波数据的点数。此时矩阵ω内的数值是未知的，且矩阵的维度M是未知的，因此训练的目标是得到合适的维度以及具体的权重值。权重矩阵进行一次更新，之后根据公式开始计算此权重影响下的输出信号y(n)为

y(n)＝x^T(n)w(n) (1)

公式(1)中的矢量x^T(n)为：

x(n)＝[x(n) x(n-1) ... x(n-M)]^T (2)

误差矢量为：

e(n)＝d(n)-y(n)＝d(n)-x^T(n)w(n) (3)

由此可以得到迭代的误差，判断该误差是否小于误差允许值err，若不小于，则更新权重矩阵，并则计算经过此步骤的的算法迭代时间，若迭代时间小于1s，则利用更新后的权重矩阵求解新的输出信号，迭代该过程，反之则更新权重矩阵的维度。如果误差达到设定的允许误差，此时可以得到初步满足误差允许值的权重矩阵维度。

此时得到的权重矩阵虽然小于设定误差，但不能作为最终的输出结果。此时迭代得到的权重矩阵的维度可能较小，通过较小维度的权重矩阵进行输出得到的输出信号y(n)与理想情况下的d(n)的相关性较高但是相似性不够。因此需要以pearson准则作为进一步的权重矩阵迭代条件求初步满足误差设定条件的输出y(n)与理想信号d(n)的pearson相关系数P为：

其中，n为离散数据点数，y_i为y(n)内的第i个数据，

为y(n)均值，d_i为d(n)内某点，

为d(n)的均值。

然后判断系数P是否大于0.8，若大于则说明此时的输出信号与理想信号具有极强的相似性，这就保证了迭代得到的权重矩阵无论是维度M或者矩阵内具体的权重值都可以有效地对采集到的回波信号进行信号加强以及噪声滤除，则当前的权重矩阵即为最佳维度的权重矩阵。

在步骤S3中，构建未知应力下的含噪声矩阵。

在步骤S4中，通过最佳维度的权重矩阵对未知应力下的含噪声矩阵进行去噪处理，得到无噪声输出信号。

具体地，由采集到的未进行预紧力加载的待测件回波信号x(n)完成训练即可得到最佳维度的权重矩阵ω(n)'，之后待测件构件可能由于加载预紧力或者其他因素导致其内部的应力状态发生变化，且噪声信号也会变化，在这种情况下使用最佳维度的权重矩阵ω(n)'对采集卡采集到的回波信x_σ(n)进行加权赋值仍可具有很好的效果，赋值过程如下：

构造在未知应力σ下的含噪信号矩阵x_σ(n)，其中x_σ(n)为此应力状态下采集卡采集到的含噪回波信号，其他为x_σ(n)的延时信号。

x_σ(n)＝[x_σ(n) x_σ(n-1) ... x_σ(n-M)]^T (5)

然后通过未加载预紧力时得到的权重矩阵对含噪信号矩阵x_σ(n)进行处理，得到对噪声处理过的输出信号y_σ(n)为

y_σ(n)＝x_σ ^T(n)w(n) (6)

需要说明的是，此时的y_σ(n)与之前步骤得到的y(n)不同，但它们之间依然具有强相关性，只是由于应力的原因导致y_σ(n)相比于y(n)会在时域上有延迟。

在步骤S5中，通过未加载预紧力时的初始输出信号和无噪声输出信号求解初始声时延迟量，并基于声弹性效应处理初始声时延迟量，以求解待测构件的初始内部应力。

具体地，将未知应力状态下的输出信号y_σ(n)与初始未加载预紧力时的输出信号y(n)作互相关运算，提取两信号相关度最大处对应的信号延迟量D，则实际的声时延迟量Δt为

Δt＝D/fs (7)

式中，fs为数据采集卡的采样率。根据声弹性效应，声时的变化量Δt与声弹性系数k以及应力的变化量Δσ的关系为：

Δt＝k×Δσ (8)

一般情况下认为未加载预紧力的待测应力件的内部应力为零，因此可以得到待测应力结构件此时的内部应力σ为：

σ＝D/(k×fs) (9)

步骤S6，利用初始内部应力对无噪声输出信号进行幅值补偿，通过未加载预紧力时的初始输出信号和补偿后的无噪声输出信号求解实际声时延迟量，并基于声弹性效应处理实际声时延迟量，以求解待测构件的实际内部应力。

具体地，由于应力实际上会对信号的幅值进行影响，因此前述计算得到的信号延迟量D还不够精确，需要根据此时计算初步得到的初始内部应力σ对无噪声输出信号进行幅值补偿。幅值补偿系数为k_c计算方法如下：

其中，A为待测应力件的材料幅值衰减常数。

得到幅值补偿系数为k_c后，再对无噪声输出信号y_σ(n)进行幅值补偿可以得到补偿后的无噪声输出信号y′(n)即为：

y′(n)＝k_c×y_σ(n) (11)

接着再提取无噪声输出信号y′(n)与初始未加载预紧力时的输出信号y(n)相关度最大处对应的信号延迟量D′，此时得到的信号延时量经过补偿后更为精确，再通过公式(7)、(8)和(9)计算即可得到准确的待测应力构件的实际内部应力σ'。

下面通过一个具体实施例对本发明提出的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法进一步说明，具体选择螺栓为待测应力结构件进行检测。

如在螺栓尚未安装时在噪声较小的地方安装探头，采集保存此时的信号。本实施中使用的超声探头中心频率为5MHz，回波信号如图3所示主要分布在1MHz-9MHz。采集卡的采样率为625MHz。测试使用的螺栓为400mm长螺栓，纵波的一次回波约在156us处。对超声波的回波进行截取，截取某一时刻后一定长度的数据进行运算。在本实施步骤中选择134us后的125000个数据点作为理想信号d(n)。

在螺栓安装在风力发电机上，但尚未通过液压装置拧紧螺母的时候采集到的回波信号为含同频带噪声的信号，选择超声波发射时刻开始134us后的125000个离散数据点作为x₀(n)，通过图2的训练即可得到合适的权重矩阵ω。此时零应力状态螺栓的回波信号经过公式(1)加权赋值后为y₀(n)。

当螺栓使用液压装置进行预紧力加载时，采集卡采集到的含噪超声回波信号为x_σ(n)，应力为σ的螺栓经过公式(6)加权赋值得到输出回波信号为y_σ(n)。将信号y_σ(n)与初始未加载预紧力时的输出信号y₀(n)作互相关运算即可得到信号延迟量D，再通过公式(9)的计算即可得到螺栓此时的应力σ，对于该种螺栓其相对于纵波的声弹性系数为2.996×10^-15。接着再通过公式(10)、(11)进行幅值补偿，再提取信号y′(n)与初始未加载预紧力时的输出信号y(n)相关度最大处对应的信号延迟量D′，此时得到的信号延时量经过补偿后更为精确，再通过公式(7)、(8)和(9)计算即可得到准确的待测应力结构件内部应力σ'。

为了验证基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法的有效性，进行了螺栓预紧力加载实验，将此方法测量得到的应力与峰值法、互相关法、理论应力曲线作对比。使用有液压示数表的液压机旋紧螺母从而对螺栓施加准确的应力，分别在60MPa、120MPa、180MPa的施加应力下使用各种方法进行应力测量。为了说明各种方法测量的稳定性和准确性，在拉伸仪维持应力时进行分时多次测量，测量结果如图6-8。

图4为零应力状态时采集卡采集到的含噪超声回波信号为x₀(n)以及加权赋值后为的信号y₀(n)，图5为采集卡采集到的含噪信号x₀(n)的时频能量图。通过图3、4、5的对比可以看出进行加权赋值后的信号对超声信号频带范围内的噪声起到了较好的抑制效果。

表1、表2、表3分别为螺栓施加60MPa、120MPa、180MPa下本方法应力测量值与其他方法应力测量值的数据，图6、图7、图8是根据表1绘制的60MPa、120MPa、180MPa施加应力下的应力测量对比图。通过计算可以得到本发明方法的最大相对误差为1.3％，传统的互相关法的最大相对误差为6.6％，传统的峰值法的最大相对误差为6.7％。可以看出在同频带噪声影响下的峰值法和互相关法效果表现差，而基于回波幅值自适应加权补偿法一直具有较好的测量稳定性以及精确性，证明该方法可以实现应力的高精度测量。

表1施加60MPa应力下本发明方法与其他方法测量效果对比

表2施加120MPa应力下本发明方法与其他方法测量效果对比

表3施加180MPa应力下本发明方法与其他方法测量效果对比

综上，根据本发明实施例提出的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法，从信号处理的角度对回波信号进行加权幅值，即利用理想信号与噪声信号的不相关性来滤除复杂环境中与真实回波信号无关的其他信号，对真实信号赋予大权重使得输出信号的主要成分为真实回波信号，消除其他无关信号对后续应力计算的影响；超声波回波信号与应力的影响下进行时域右移，回波幅值发生微小变化，噪声信号也在随时变化，即应力会导致回波信号产生时延，但不会本质上改变信号的其他特征，因此不同应力下的回波信号都具有相关性，通过仅需一次权重矩阵训练方式得到的权重矩阵对这种变化的超声波回波信号仍具有回波加权补偿的效果，抑制噪声的同时准确地提取出应力导致的声时变化，进而提高应力测量的精度；另外考虑了应力对回波信号幅值的影响，并通过补偿的方式消除了这种影响使得测量的应力更加精确。

为了实现上述实施例，本发明实施例提出的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量系统。

如图9所示，该系统10包括：采集模块101、权重矩阵训练模块102、构建模块103、去噪模块104、初始应力求解模块105和幅值补偿和实际应力求解模块106。

其中，采集模块101用于分别采集待测构件未安装时的理想回波信号和复杂环境下安装但未加载预紧力时的超声回波信号。权重矩阵训练模块102用于预设误差允许值、迭代速度系数、初始权重矩阵以及矩阵维度与理想回波信号和超声回波信号进行权重矩阵训练，得到未加载预紧力时的初始输出信号和最佳维度的权重矩阵。构建模块103用于构建未知应力下的含噪声矩阵。去噪模块104用于通过最佳维度的权重矩阵对未知应力下的含噪声矩阵进行去噪处理，得到无噪声输出信号。初始应力求解模块105用于通过未加载预紧力时的初始输出信号和无噪声输出信号求解初始声时延迟量，并基于声弹性效应处理初始声时延迟量，以求解待测构件的初始内部应力。幅值补偿和实际应力求解模块106用于利用初始内部应力对无噪声输出信号进行幅值补偿，通过未加载预紧力时的初始输出信号和补偿后的无噪声输出信号求解实际声时延迟量，并基于声弹性效应处理实际声时延迟量，以求解待测构件的实际内部应力。

综上，根据本发明实施例提出的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量系统，从信号处理的角度对回波信号进行加权幅值，即利用理想信号与噪声信号的不相关性来滤除复杂环境中与真实回波信号无关的其他信号，对真实信号赋予大权重使得输出信号的主要成分为真实回波信号，消除其他无关信号对后续应力计算的影响；超声波回波信号与应力的影响下进行时域右移，回波幅值发生微小变化，噪声信号也在随时变化，即应力会导致回波信号产生时延，但不会本质上改变信号的其他特征，因此不同应力下的回波信号都具有相关性，通过仅需一次权重矩阵训练方式得到的权重矩阵对这种变化的超声波回波信号仍具有回波加权补偿的效果，抑制噪声的同时准确地提取出应力导致的声时变化，进而提高应力测量的精度；另外考虑了应力对回波信号幅值的影响，并通过补偿的方式消除了这种影响使得测量的应力更加精确。

为了实现上述实施例，本发明还提出了一种基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如前述实施例所述的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法。

为了实现上述实施例，本发明还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如前述实施例的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，分别采集待测构件未安装时的理想回波信号和复杂环境下安装但未加载预紧力时的超声回波信号；

步骤S2，预设误差允许值、迭代速度系数、初始权重矩阵以及矩阵维度与所述理想回波信号和所述超声回波信号进行权重矩阵训练，得到未加载预紧力时的初始输出信号和最佳维度的权重矩阵；

步骤S3，构建未知应力下的含噪声矩阵；

步骤S4，通过所述最佳维度的权重矩阵对所述未知应力下的含噪声矩阵进行去噪处理，得到无噪声输出信号；

步骤S5，通过所述未加载预紧力时的初始输出信号和所述无噪声输出信号求解初始声时延迟量，并基于声弹性效应处理所述初始声时延迟量，以求解所述待测构件的初始内部应力；

步骤S6，利用所述初始内部应力对所述无噪声输出信号进行幅值补偿，通过所述未加载预紧力时的初始输出信号和补偿后的无噪声输出信号求解实际声时延迟量，并基于声弹性效应处理所述实际声时延迟量，以求解所述待测构件的实际内部应力。

2.根据权利要求1所述的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

步骤S201，预设误差允许值、迭代速度系数、初始权重矩阵以及矩阵维度；

步骤S202，通过所述初始权矩阵以及矩阵维度与所述超声回波信号计算所述未加载预紧力时的初始输出信号；

步骤S203，计算所述理想回波信号与所述未加载预紧力时的初始输出信号之间的误差值，判断所述误差值是否小于所述误差允许值，若小于，则执行步骤S204，反之，则更新所述初始权重矩阵，计算程序运行时间是否小于1s，若小于，则执行步骤S202，反之则执行步骤S205；

步骤S204，计算所述未加载预紧力时的初始输出信号与所述理想回波信号的pearson相关系数，并判断所述pearson相关系数是否大于0.8，若大于则将当前的权重矩阵作为所述最佳维度的权重矩阵，反之则执行步骤S205；

步骤S205，更新所述矩阵维度，并跳转至所述步骤S201继续执行。

3.根据权利要求2所述的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法，其特征在于，所述未加载预紧力时的初始输出信号y(n)为：

y(n)＝x^T(n)ω(n)

其中，n为采集的回波数据的点数，x(n)为复杂环境下安装但未加载预紧力时的超声回波信号，ω(n)为初始权重矩阵。

4.根据权利要求2所述的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法，其特征在于，所述pearson相关系数P为：

其中，n为离散数据点数，y_i为y(n)内的第i个数据，

为y(n)均值，y(n)为初始输出信号，d_i为d(n)内某点，

为d(n)的均值，d(n)为理想回波信号。

5.根据权利要求1所述的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法，其特征在于，所述无噪声输出信号y_σ(n)为：

y_σ(n)＝x_σ ^T(n)w(n)'

其中，x_σ(n)为未知应力下的含噪信号矩阵，ω(n)'为最佳维度的权重矩阵。

6.根据权利要求1所述的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法，其特征在于，所述实际声时延迟量Δt为：

Δt＝D/fs

其中，D为信号延迟量，fs为数据采集卡的采样率。

7.根据权利要求2所述的基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量方法，其特征在于，所述待测构件的内部应力σ为：

σ＝D/(k×fs)

其中，D为信号延迟量，k为声弹性系数，fs为数据采集卡的采样率。

8.一种基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量系统，其特征在于，包括：

采集模块，用于分别采集待测构件未安装时的理想回波信号和复杂环境下安装但未加载预紧力时的超声回波信号；

权重矩阵训练模块，用于预设误差允许值、迭代速度系数、初始权重矩阵以及矩阵维度与所述理想回波信号和所述超声回波信号进行权重矩阵训练，得到未加载预紧力时的初始输出信号和最佳维度的权重矩阵；

构建模块，用于构建未知应力下的含噪声矩阵；

去噪模块，用于通过所述最佳维度的权重矩阵对所述未知应力下的含噪声矩阵进行去噪处理，得到无噪声输出信号；

初始应力求解模块，用于通过所述未加载预紧力时的初始输出信号和所述无噪声输出信号求解初始声时延迟量，并基于声弹性效应处理所述初始声时延迟量，以求解所述待测构件的初始内部应力；

幅值补偿和实际应力求解模块，用于利用所述初始内部应力对所述无噪声输出信号进行幅值补偿，通过所述未加载预紧力时的初始输出信号和补偿后的无噪声输出信号求解实际声时延迟量，并基于声弹性效应处理所述实际声时延迟量，以求解所述待测构件的实际内部应力。

9.一种基于回波幅值自适应加权补偿的应力高精度测量设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。

10.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤。

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