[發明專利]一種基于STFT時頻分析的車身焊點缺陷檢測裝置及方法

在審

• 申請號: 202010850317.X
• 申請日: 2020-08-21
• 公開（公告）號: CN112034041A
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 周錫恩;毛彩云;張兆宇;李展通;李岸立;劉盛騰
• 申請（專利權）人: 華南農業大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/12;G01N29/44
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 裘暉

1.一種基于STFT時頻分析的車身焊點缺陷檢測方法，其特征在于包括下述步驟：

(1)初始化和校準：導入被測車身模型數據，設定控制模塊和超聲波檢測模塊的工作參數，進行初始化；校準超聲波檢測模塊；

(2)數據采集：控制模塊根據被測車身模型數據和工作參數對采樣點進行分匹配，輸出采樣點的空間坐標，控制超聲波探頭移動至采樣點；控制模塊根據工作參數，向超聲波發生器輸出信號，超聲波發生器將市電轉換成相應的高頻交流電驅動換能器，通過放大器后，超聲波發生器產生一定頻率和振幅的聲波信號；然后超聲波檢測模塊收集反射回來的采樣點聲波信號，并以采樣率Fs對連續信號進行采樣以獲取離散采樣值，存儲為向量組再通過控制模塊將收集的聲波信號初始數據發送到數據處理系統；

(3)信號降噪：數據處理系統對收集的聲波信號進行基于數學形態學的機械振動信號降噪；

(4)焊點特征提取：數據處理系統對降噪后的聲波信號進行STFT時頻分析以及特征提取，獲得焊點特征；

(5)超聲波探頭移動至下一采樣點，重復步驟(1)-(4)，直至歷遍所有采樣點；數據處理系統根據全部采樣點的焊點特征數據，計算全車不合格焊點百分比，并將數據反饋給控制模塊。

2.根據權利要求1所述的車身焊點缺陷檢測方法，其特征在于：步驟(1)中，所述控制模塊和超聲波檢測模塊的工作參數包括采樣數、采樣頻率、超聲波發生器所產生聲波信號的頻率和振幅。

3.根據權利要求1所述的車身焊點缺陷檢測方法，其特征在于：在數據采集之前，先選擇超聲波探頭；超聲波探頭的選擇過程為：控制模塊根據需檢測焊點類型，判斷當前探頭類型是否符合檢測需要；若符合，保持不變，繼續下面流程工作；若不符合，控制模塊向電機發送脈沖信號，電機帶動旋轉盤轉過一定角度后選擇相應的超聲波探頭；當超聲波探頭隨電機轉動到達指定位置后，與推桿對齊處于同軸心位置，完成更換超聲波探頭。

4.根據權利要求1所述的車身焊點缺陷檢測方法，其特征在于：步驟(3)中，所述基于數學形態學的機械振動信號降噪，是根據機械振動信號的特點，采用開—閉和閉—開組合數學形態濾波，處理含噪聲的振動信號，重構原始信號，提取出信號特征，消除振動信號噪聲。

5.根據權利要求1所述的車身焊點缺陷檢測方法，其特征在于：步驟(4)中，所述STFT時頻分析以及特征提取，包括下述步驟：

(4-1)讀取經過降噪后的聲波信號為x(m)，對信號使用窗函數w(n-m)進行截取指定長度的短信號進行傅里葉變換，則經過短時傅里葉變換滿足以下關系：其中f(n,w)為關于時間n和頻率w的二維函數，e^-jwm為關于原聲波信號時刻m的指數函數，e為自然常數，j為虛數單位；則對經過有限長度加窗的短信號的離散采樣后滿足以下關系：時域的采樣周期T＝1/Fs，窗函數截取短信號長度為L，采樣點數N為最接近窗函數長度L的2的整數次冪，采樣點構成向量組

(4-2)數據處理系統將信號分解成一系列指數函數的和，其中變換滿足以下關系：p(k)為關于第k個元素的函數，x(m)為聲波信號，e為自然常數，j為虛數單位，并利用計算當中對稱性和周期性，將N個離散采樣值分解為原來N/2個采樣值，并對剩下的采樣值繼續進行分解以減少運算量；

(4-3)經過快速傅里葉變換后，求解真實幅值，幅值滿足以下關系式：A為關于p(k)的函數，N為采樣點數，其中經過快速傅里葉變換后的頻率滿足以下關系式f為關于第k個采樣點的函數；最終系統將這一系列函數轉換成三維圖像，頻率為橫軸，時間為縱軸，振幅為立軸；

(4-4)數據處理系統對所得采樣點時頻圖的所占比重較大頻率和振幅采集主要特征，并記錄波形變化時間信息，與正常焊點的時頻圖進行振幅的對比，判斷焊點是否達到標準。