车架VIN码区域超声检测方法研究

　　武佳慧, 杨 录, 张艳花

　　(中北大学 信息与通信工程学院， 山西 太原030051)

　　摘  要： 使用一套超声检测系统，通过检测有无焊缝的方式对车架VIN码区域进行真伪鉴别。采用算法将系统采集回的波形进行信号处理，拟合出判伤函数对其进行有无焊缝的判别。多次实验表明，该方法能更有效地对车架VIN码区域进行真伪鉴别。

　　关键词： 超声检测； 信号处理； 焊缝； 判伤函数

　　中图分类号： TB559文献标识码： A文章编号： 0258-7998(2014)08-0080-03

　　有“汽车身份证”之称的车架VIN码是由17位阿拉伯数字和字母组成，经过排列组合，可以使同一车型的车在30年之内不发生重号现象。犯罪分子在盗抢机动车以及走私、非法拼装、组装、拆装汽车案件中，为了销赃、避开CCIC(全国被盗抢机动车信息系统)资料库中的名单、办理“合法”牌照手续、逃避打击，往往对车架VIN码区域进行伪装。

　　如图1所示，就是一块伪造了车架VIN码区域的车架样板，从表面上很难用肉眼识别。它是将原车架VIN码区域整体抠掉，重新焊接一块相应大小的钢板，再通过打腻子与喷漆等方法伪造基体，然后刻制新的车架号码，可以达到以假乱真的效果[1]。

　　针对VIN码区域薄壁的特点，目前还没有既有效又快速的识别方法。对于这样的情况，本课题将选用横波脉冲反射法对待测工件进行有效检测[2]。

1 横波脉冲反射法的原理

　　超声波从一种媒质传播到另一种媒质时，在两种媒质的分界面上，只有其中一部分超声波透过界面，在另一媒质中继续传播，这部分超声波被称为折射波或透射波；另一部分超声波被反射回原来媒质，这部分称为反射波。超声波的反射与折射同光的反射和折射原理一样，也服从反射定律与折射定律。

　　如图2所示，随着αp角增大γp也增大，当γp=90°时入射角成为第一临界角，用αp1表示。当入射角大于第一临界角时(即αp≥αp1),第二媒介中便没有折射纵波，只有折射横波存在。这就是超声检测技术中横波的一种产生方法[3]。

　　横波脉冲反射法是将脉冲超声波入射至被测工件后，如果传播到有声阻抗差异的界面上(如焊缝与工件的界面)时，会产生反射声波，这时工件的反射状况就会显示在上位机中，从而根据反射的时间及形状来判断被测工件有无焊缝。该方法用一个探头兼做发射和接收器件，接收信号在上位机中显示，并根据钢板底面反射回波来判断焊缝的有无。

2 实验方案

　　选用标准车架样板和有焊缝车架样板进行比对实验。

　　探头选用频率为2.5 MHz、8×12方形晶片、K值为1的斜探头，使用机油做耦合剂。如图3所示，将机油在探头上涂抹均匀，使探头与钢板样品之间无缝隙贴合好，移动探头，并观察上位机中的回波信号。

3 硬件电路

　　超声波反射电路是利用555定时器构成单稳态电路与RC组成的微分电路产生4 s、12 V,重复频率为2 kHz的窄脉冲信号。将600 V的高电压窄脉冲信号加到超声探头上，激励超声探头的压电晶片振动，发射超声波。

　　如图4所示，超声波接收电路主要由前置放大电路、偏置调零电路、压控可变增益电路及宽带放大电路共同构成。前置放大电路主要是输入保护与阻抗匹配。由于电路采用直流耦合方式，偏置调零电路很好地避免了零点漂移。由VCA810构成的压控可变增益放大电路实现了回波信号幅值的人为调节，使其输出信号幅值保持在1.4 V左右。为方便后续全波信号A/D采样，宽带固定增益电路是采用由固定高压摆电流反馈型放大器THS3002构成的，使全波信号可达到±5 V左右，对高频超声信号的放大有很好的作用。全波信号经20 MHz高速采集电路，通过USB将数据传输到上位机进行算法处理。

4 实验结果及信号处理

　　4.1 超声波的衰减

　　超声波在介质中传播时，随着距离的增加，能量逐渐减小的现象叫做超声波的衰减。超声波衰减的原因主要有三个：(1)扩散衰减：超声波在传播中，由于声束的扩散，使能量逐渐分散，从而使单位面积内超声波的能量随着传播距离的增加而减小,导致声压和声强的减小；(2)散射衰减：当声波在传播过程中，遇到不同阻抗的介质组成的界面时，将发生散射，从而损耗声波能量；(3)粘滞衰减：声波在介质中传播时,由于介质的热传导，介质的疏、密部分之间进行的热交换也导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。

　　超声波的衰减公式为Ax=A0×e-afx，Ax为距离探头x处的振幅,Ao为探头处的振幅，a为衰减系数，f为超声频率(MHz)，x为探头到某点的距离。衰减系数a由3个主要部分组成，即:a=a0 f+a1 f 2+a2 f 4,a0代表介质弹性磨擦吸收系数，与频率的1次方成正比；a1代表介质粘滞性与热传导的吸收系数，与频率的2次方成正比；a2代表介质内散射体的瑞利散射吸收系数，与频率的4次方成正比[4]。

　　4.2实验结果与分析

　　通过MATLAB进行信号恢复，图5为超声波穿过标准车架样板的回波。图6所示为超声波穿过有焊缝车架样板的回波。

　　由图6可看出其水钢波与钢底波基本重合，由于其频率相同，无法通过电路设计进行区分识别。因此在去除始发波的同时应依据标准车架样板的水钢波和钢底波波形规律，采用算法构造出焊缝判伤线，即回波信号超出判伤线即判为有焊缝，从而有效识别钢板有无焊缝。

　　4.3 算法构成

　　图6中可以看出回波信号有直流偏置，通过均值算法去除直流偏置并进行归一化处理，把数据映射到0～1范围之内，处理起来更加便捷，以达到消除发射和耦合影响的效果。然后在时域内去除始发波，结果如图7所示。

　　根据回波对称原理与超声阻抗匹配原则可知，回波信号存在一定的负指数偏移。如图7所示的水钢波和钢底波，采用x1=A1×e-kt的中心线函数，根据求取波峰波谷的平均值，进行曲线拟合构造出信号的中心线：x1=A1×e-0.008t，如图8所示，其中A1为时域内回波信号的均值。

　　将图8中的回波去除指数偏置，并以中心轴取绝对值，将中心轴线负半轴的信号翻折到中心轴线上方，即可得到无偏置的完整水钢波与钢底波，如图9所示。

　　最后一步是构造判伤线，也就是有无焊缝的判定曲线。依据超声波衰减原理，设判伤线函数为：x2=A2×e-ct+b。首先应该确定A2，因为根据工件材质、厚度的不同，A2大小不同，本文将图9时域中最大幅度值Ma作为A2，然后根据水钢波、一次钢底波、二次钢底波、三次钢底波的波峰值进行曲线拟合，进而求出c为0.01，b为0.2，即判伤线函数为：x2=Ma×e-0.01t+0.2，并将此曲线作为钢板有无焊缝的界定标准。

　　4.4 处理结果

　　当回波信号低于或者等于判伤线时，则认定为钢板无焊缝，如图10所示；当回波信号某一部分高于判伤线时，则认定为钢板有焊缝，如图11所示。

　　本课题针对检测车架VIN码区域有无伪造痕迹的应用背景，利用超声检测系统，实现超声波的发射与接收、数据采集等。对回波数据进行消除直流偏置、归一化处理和去除指数偏移等处理，最后拟合出判伤函数。通过判伤线来确定有无焊缝，是一种无损且行之有效的方法。对于公安机关处理走私、盗窃车辆案件的侦查工作具有参考价值。

　　参考文献

　　[1] 赵春梅.伪造车辆车架号码发动机号码识别及检验[J].刑事技术,2007,21(4)：33-35.

　　[2] 王彦骏.超声无损检测新技术的发展[J].科技信息,2012,29(4):50.

　　[3] 吴时红，何双起，陈颖,等.金属薄板超声无损检测[J].宇航材料工艺，2007,37(6)：124-126；

　　[4] 郭伟.超声检测[M].北京：机械工业出版社, 2009.