超声波信号的检测与分析

超声波信号的检测与分析

0旋转电弧传感器波形板广泛应用于箱装箱、工业车间、展厅屋顶等。波板的焊接主要是焊接电弧。提高波板焊接自动化的关键是螺旋折叠缝的跟踪。通常使用的主要制造商是弧形、光学、声音和力学传感器。南昌大学江西省焊接机器人主要实验室采用旋转弧形传感器及圆弧内互联滑动块的旋转焊接车间，以跟踪弯曲和折叠螺钉。清清两代，日本琦玉大学的yasuyaki等人使用激光光学传感器了解曲线焊接的特点。然而，激光光学传感器结构复杂，成本高，电弧光和灰尘干扰明显。超声波传感器具有结构复杂、成本高、弧形光和灰尘干扰明显等优点。超声传感器不受弧光和强电磁干燥的干扰，对检测物体表面的起伏变化敏感，价格高，可以穿透灰尘。由于波形板上下形状相同，跟踪位置可以离开焊接点之间的一定距离，以避免co对焊接的影响。使用pd和d采样传感器信号，并控制pmc（动态多功能控制）的驱动机构，以提高采样精度，防止焊接特征信号的损失，并对折叠位置进行更精确的评估。1波长板.冲模和板料送进试验采用的波纹板为30°波纹板,其具体尺寸如图1所示.波纹板一般长数十米,每条折线焊缝有数十个周期,近两百个折弯点.冲模和板料送进都存在误差,如果不进行跟踪,折弯位置必然出现偏差,使焊缝偏移焊接位置.2超声波传感器和焊接机构2.1高精度超声波传感器试验使用美国Banner公司生产的模拟量输出高精度超声波传感器Q45UR3LIU64C—71005,测量范围内(80～150mm)信号输出单调递增(0～10V).2.2超声波传感器的运动过程焊接机构采用的是自行研制的轨道式波纹板专用焊接小车,采用4台步进电机驱动.1号电机控制小车本体在焊缝方向x轴(图2)上直线运动,2号电机控制焊枪在y轴方向随焊缝跟进,3号电机控制焊枪在z轴(垂直方向)随动,4号电机控制焊枪在扇形导轨上转动.整个运动过程中,超声波传感器只沿x轴方向运动.x轴的驱动采用步进电机驱动齿轮齿条.步进电动机的步进角为1.8°,电机细分数为40.电机的控制采用PMAC2—PCI.试验测得焊接小车在x轴上运动1mm平均需要53(脉冲).3试验与分析3.1数模转换模块数据采集采用TI公司的TMS320LF2407A试验板.该试验板CPU频率为40MHz,有两个时间管理模块(EV),每个时间管理模块有两个计数器(Tx),数模转换模块(ADC),可以方便的实现模数转换.试验采用T1计时器,128分频,连续增计数模式,每中断一次进行一次采样,采样频率与驱动速度相匹配,为1脉冲距离采样一次,采样分辨率为0.019mm.ADC接入超声波传感器输出模拟信号,采用级连模式,预定标系数为9,即500ns.超声波传感器信号输出采用电压模式,由于DSP的最高允许电压为3.3V,因此对DSP输入端接收信号进行分压,最大为2.8V.3.2超声波传感器的跟踪在指令速度分别为500,800,1000脉冲/s3种情况下,使小车从指定位置开始沿x轴方向运动,位移超过一个周期,采用超声波传感器进行跟踪.每个速度下重复采样5次.对采集的试验数据绘制波形图,通过对比这些波形图可以发现,试验重复性效果良好.3种速度下的试验数据波形图基本一致,其中指令速度为500脉冲/s数据波形图如图3所示.由图3可知,采样数据波形与波纹板的形状相似,但是整个波形中杂波较多,掩盖了折弯点信息,必须进行滤波处理.首先要分析有效信号和干扰信号的频率特征.3.3快速傅里叶变换fft3.3.1傅里叶算子k离散傅里叶变换(discretefouriertransform,DFT)定义为:设x(n)是一个长度为n的有限序列,则x(n)的N点离散傅里叶变换为X(k)=DFT[x(n)]=∑n=0N−1x(n)WknN,k=0,1,⋯N−1(1)X(k)=DFΤ[x(n)]=∑n=0Ν-1x(n)WΝkn,k=0,1,⋯Ν-1(1)式中:WknNΝkn为傅里叶算子;DFT算法为离散信号的分析从理论上提供了变换信息,但由于DFT算法运算量大(计算量与变化区间长度N的平方成正比),运算时间长,很难实现.FFT的出现使DFT的运算效率提高1～2个数量级,为数字信号处理技术应用于各种信号的实时处理创造了条件.FFT算法形式基本上可以分为两大类,即时间抽取法和频率抽取法,算法思想基本一致.取采样范围长度N为2的整数次方,采样数不足补零,根据DFT的性质,可以将N点DFT分解为两个N/2点的DFT.N/2点的DFT又可以再分解成两个N/4点的DFT变换,一直分解下去,最后获得N/2个2点的DFT变换.3.3.2杂波信号频率FFT可以通过Matlab实现.采用Matlab对3个速度下的传感器输出信号进行FFT处理得到的频谱图如图4所示.由图4可以看出,500脉冲/s速度下功率谱密度最大的频率均在0.1Hz附近,即为目标信号,而其它杂波信号的功率谱密度都较小.同样处理800脉冲/s和1000脉冲/s速度下的采样信号,目标信号频率非常接近,但影响较大的杂波信号随着速度的提高频率也在提高.指令速度为500,800,1000脉冲/s时,影响较大的杂波信号频率分别为5.864,9.383,11.42Hz,这些杂波信号的频率与速度的大小近似成正比关系,这说明该杂波信号是由驱动部分振动产生的机械波信号,完全可以通过数字滤波器滤去.3.4跟踪对象的特征分析通过Matlab设计了巴特沃兹滤波器.巴特沃兹滤波器的特点是具有通带内最大平坦的振幅特性,而且随着频率的升高而单调下降.以500cts/s为例,巴特沃兹滤波器设计如下.采样频率fs=500Hz,通带边界频率Wp=2Hz,阻带边界频率Ws=5Hz.通带波动设置为0.1dB,最小阻带衰减设置为25dB.滤波器系数为b=10-5×[0.17060.51190.51190.1706]a=[1.0000-2.95182.9048-0.9530]式中:b,a分别为滤波器系统函数分子和分母多项式的系数向量.滤波后的数据波形如图5所示.从图5可以看出,500cts/s速度下对同一段波纹板进行信号采样,滤去机械振动产生的杂波后,所得信号波形几乎相同.由此可以证明,滤去杂波后所得的信号基本反映了跟踪对象的本质特性.4超声波传感器检测信号跳变的特性由于波纹板折线焊缝属于短线段、多周期、长焊缝,考虑到检测所有折弯点的计算量较大,基于焊缝折弯位置的周期性,每个波纹周期只检测一个折弯位置,通过其几何尺寸推算另3个折弯位置,这样可以大大降低计算量.结合图3与图5,可以看出超声波信号在波纹板斜边与槽面形成的折弯处变化较为明显,而在斜边与顶面形成的折弯处变化比较平缓.造成这一现象的原因主要为波纹板是冲压成的,折弯位置实际上是圆角过渡.超声波指向性好,界面反射遵循波的反射原理,检测斜边时形成盲区,但由于波纹板表面并不是一个理想镜面,所以实际上斜边处会有部分超声波发生散射而被传感器检测到,使得检测信号不断跳变.顶面与斜边交接处圆角是一个凸面,超声波传播到该凸面时,会被凸面散射,使得可接收反射信号的范围增大,并且声压分布比较均匀,所以超声波传感器检测该折弯位置时信号跳变会延迟发生,表现为折弯位置处信号缓慢增大;槽边和斜边的交接处圆角是一个凹面,超声波传播到凹面反射时,会被凹面聚焦,从而使得可接收反射信号的范围减小,并且聚焦点处声压最大.所以选择从槽面到斜边处的折弯位置进行检测.以所选折弯位置为对象,选择一个包含该折弯位置的范围,进行超声波传感器数据采样,分析波形的跳变与折弯位置的关系.由前述试验结果分析可知,速度对信号采集的影响主要表现在驱动部分振动产生的机械波的频率上,焊接速度越大,该机械波的频率越高.考虑到目标波形频率在0.1Hz左右,远低于500脉冲/s时的机械波频率.实际焊接时的焊接速度为1.2～1.5m/min,即1062～1328脉冲/s.因此,为了尽可能多的采集细节信号,试验选择指令速度为500脉冲/s时,超声波传感器从指定起点前进2770脉冲.重复采集5组试验数据.按照上面的滤波方法对数据滤波.试验数据重复度较好,其中一组数据波形图和滤波后数据波形图如图6所示.为了表述方便,图6b中,波形从平缓突变下降的点称为跳变点.5组试验数据滤波后的跳变点横坐标数值分别为1421,1423,1440,1452,1425.试验测得采样的开始点到折弯位置的位移为27.4mm,采样总位移为52.2mm,如图7所示.则折弯位置对应的采样点为2770×27.452.2=14542770×27.452.2=1454(脉冲)这与试验数据吻合,可以认为跳变点即对应着折弯位置.试验误差范围为-32～-2脉冲,即-0.60～-0.04mm.5超声波传感器跟踪试验(1)超声波传感器进行信号采集时主要受驱动部分振动产生的机械波影