超声波瓶体厚度检测及其材料分类的研究，保障公共安全

项目背景

1．项目名称：基于FPGA的超声波瓶体厚度检测及其材料分类的研究

2. 项目开发的意义：

目前采用的非接触液体检测设备，经常出现虚警的情况，极易引起乘客与安检人员的争执，影响机场及公共场所的安全秩序。特别是漏报概率不可忽视，造成很大的安全隐患。因此现在液体非接触安检设备难以满足实用化的要求。

造成液体非接触安检设备无法实用化的原因是多样的。这其中装有液体的容器（多为瓶状容器）对于液体非接触检测的影响是巨大的，不容忽视的。实验表明，一个瓶体的材质与厚度对于液体非接触检测的虚警概率与漏报概率存在较大影响。因此如何精确对瓶体的材质进行分类与测厚成为了目前较为关注的焦点问题。

超声波是频率在20KHz以上的声波，超声波的波长比一般声波短，具有较好的方向性，且能穿透透明和不透明的物质，被广泛用于金属探伤、距离测量、厚度测量，并在海洋探查与开发、无损检测与评价、医学诊断等领域发挥着不可取代的作用。超声检测技术(UT)是五大常规检测技术中使用最多的一种。超声波瓶体材质分类与测厚是超声检测的一种。它有成本低、使用方便、速度快、对人体无害以及便于现场使用等特点。也因此它是一种发展较快的一种无损测厚技术。超声波瓶体材质分类与测厚是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。

除此之外，超声波对瓶体的相关检测，还广泛应用于环境监测和食品安全等多个领域当中。

3.发展综述：

目前，国内超声波测厚技术发展的比较快，20世纪60年代末期，已有国产的电子管式涡流测厚仪应市。随着新型工业材料的开发，微电子技术应用和标准化事业进程，尤以近十年来，测厚技术得到迅猛发展，测厚仪在电路设计，新型传感器应用，测头的多制式与通用性，量值显示与数据打印，测控功能扩展及智能化诸方面，都不断取得突破与创新。这些技术的发展促使着超声波测厚仪器的不断成熟，它凭借其小型轻便、操作简单、对被测物表面光洁度要求不高、测量范围大等特点用于航海、航天、汽车制造等行业，带来了巨大的经济效益和社会效益，已在世界各主要工业国家得到重视和应用。

但是，最新的API.5C标准要求对壁厚进行快速，连续测量，很久以来，众多国内外研究机构和企业有关人员一直致力于此研究，但结果并不理想，同时超声波对于材质的分类技术仍然处于研究阶段，其具体实际应用还未见报道。

4.项目开发内容：

课题项目主要围绕如何对瓶体材料进行分类和以及如何测量瓶体厚度开展研究工作。超声波发射探头和超声波接收探头是该项目的主要传感器，完成对超声波的发送以及对回波的检测工作；之后对相关信号进行A/D转换，低通去噪处理；将经过去噪后的信号首先应用信号的自相关理论，从而精确提取出收发信号的延时情况；与此同时，我们还要通过FFT得到回波信号的频谱情况以及通过幅度提取模块获得收发信号的衰减信息；我们对得到回波频谱信息，收发信号延时情况，收发信号衰减情况进行统一的逻辑综合分析，得出人工神经网络的四点输入信息；利用得到的四点输入信息，我们采用人工神经网络算法，并通过离线学习构建出一个能够对瓶体材料进行分类的方法；最后我们可以完成一种可自动识别瓶体材质的瓶体测厚功能。

5.项目创新点：采用大量高效算法，设计了一种精度高，速度快的测厚系统，同时利用人工神经网络，训练出一种可以自动识别瓶体材质（塑料，玻璃，陶瓷）的系统。

6.项目基本要求：

二．项目拟定初步方案介绍

1.项目开发整体方案框图介绍

图1 超声波发射与接收电路

图2 瓶体材质分类与瓶厚检测部分

1.1 超声波发射与接收电路，如图1所示：

• 发射电路

发射电路产生能激发超声波超声波传感器的高压（300伏以上）尖峰脉冲信号。脉冲发生器的输入信号由FPGA产生。本方案采用的是非谐振式发射电路，如图3所示：

> 图3 发射电路

非谐振式发射电路的工作原理是：当闸流管（或可控硅）导通时，电容C放电，产生一短脉冲，激励探头中的压电陶瓷镜片使其发射超声脉冲。在设计中，需要考虑脉冲信号的厚度，即一次连续发射脉冲的数量，对测量仪的精度有着重要影响。厚度越大，发射功率越大，发射波的拖尾信号越大，相应的测量盲区越大。反之测量盲区越小。但是发射功率小时，回波信号不明显，同样影响检测结果。

• 接收电路

超声波探头接收到的回波信号幅值