有“汽車身份證”之稱的車架VIN碼是由17位阿拉伯?dāng)?shù)字和字母組成，經(jīng)過排列組合，可以使同一車型的車在30年之內(nèi)不發(fā)生重號現(xiàn)象。犯罪分子在盜搶機(jī)動車以及走私、非法拼裝、組裝、拆裝汽車案件中，為了銷贓、避開CCIC(全國被盜搶機(jī)動車信息系統(tǒng))資料庫中的名單、辦理“合法”牌照手續(xù)、逃避打擊，往往對車架VIN碼區(qū)域進(jìn)行偽裝。

　　如圖1所示，就是一塊偽造了車架VIN碼區(qū)域的車架樣板，從表面上很難用肉眼識別。它是將原車架VIN碼區(qū)域整體摳掉，重新焊接一塊相應(yīng)大小的鋼板，再通過打膩?zhàn)优c噴漆等方法偽造基體，然后刻制新的車架號碼，可以達(dá)到以假亂真的效果[1]。

　　針對VIN碼區(qū)域薄壁的特點(diǎn)，目前還沒有既有效又快速的識別方法。對于這樣的情況，本課題將選用橫波脈沖反射法對待測工件進(jìn)行有效檢測[2]。

1 橫波脈沖反射法的原理

　　超聲波從一種媒質(zhì)傳播到另一種媒質(zhì)時(shí)，在兩種媒質(zhì)的分界面上，只有其中一部分超聲波透過界面，在另一媒質(zhì)中繼續(xù)傳播，這部分超聲波被稱為折射波或透射波；另一部分超聲波被反射回原來媒質(zhì)，這部分稱為反射波。超聲波的反射與折射同光的反射和折射原理一樣，也服從反射定律與折射定律。

　　如圖2所示，隨著αp角增大γp也增大，當(dāng)γp=90°時(shí)入射角成為第一臨界角，用αp1表示。當(dāng)入射角大于第一臨界角時(shí)(即αp≥αp1),第二媒介中便沒有折射縱波，只有折射橫波存在。這就是超聲檢測技術(shù)中橫波的一種產(chǎn)生方法[3]。

　　橫波脈沖反射法是將脈沖超聲波入射至被測工件后，如果傳播到有聲阻抗差異的界面上(如焊縫與工件的界面)時(shí)，會產(chǎn)生反射聲波，這時(shí)工件的反射狀況就會顯示在上位機(jī)中，從而根據(jù)反射的時(shí)間及形狀來判斷被測工件有無焊縫。該方法用一個(gè)探頭兼做發(fā)射和接收器件，接收信號在上位機(jī)中顯示，并根據(jù)鋼板底面反射回波來判斷焊縫的有無。

2 實(shí)驗(yàn)方案

　　選用標(biāo)準(zhǔn)車架樣板和有焊縫車架樣板進(jìn)行比對實(shí)驗(yàn)。

　　探頭選用頻率為2.5 MHz、8×12方形晶片、K值為1的斜探頭，使用機(jī)油做耦合劑。如圖3所示，將機(jī)油在探頭上涂抹均勻，使探頭與鋼板樣品之間無縫隙貼合好，移動探頭，并觀察上位機(jī)中的回波信號。

3 硬件電路

　　超聲波反射電路是利用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路與RC組成的微分電路產(chǎn)生4 s、12 V,重復(fù)頻率為2 kHz的窄脈沖信號。將600 V的高電壓窄脈沖信號加到超聲探頭上，激勵(lì)超聲探頭的壓電晶片振動，發(fā)射超聲波。

　　如圖4所示，超聲波接收電路主要由前置放大電路、偏置調(diào)零電路、壓控可變增益電路及寬帶放大電路共同構(gòu)成。前置放大電路主要是輸入保護(hù)與阻抗匹配。由于電路采用直流耦合方式，偏置調(diào)零電路很好地避免了零點(diǎn)漂移。由VCA810構(gòu)成的壓控可變增益放大電路實(shí)現(xiàn)了回波信號幅值的人為調(diào)節(jié)，使其輸出信號幅值保持在1.4 V左右。為方便后續(xù)全波信號A/D采樣，寬帶固定增益電路是采用由固定高壓擺電流反饋型放大器THS3002構(gòu)成的，使全波信號可達(dá)到±5 V左右，對高頻超聲信號的放大有很好的作用。全波信號經(jīng)20 MHz高速采集電路，通過USB將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行算法處理。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及信號處理

　　4.1 超聲波的衰減

　　超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，能量逐漸減小的現(xiàn)象叫做超聲波的衰減。超聲波衰減的原因主要有三個(gè)：(1)擴(kuò)散衰減：超聲波在傳播中，由于聲束的擴(kuò)散，使能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨著傳播距離的增加而減小,導(dǎo)致聲壓和聲強(qiáng)的減小；(2)散射衰減：當(dāng)聲波在傳播過程中，遇到不同阻抗的介質(zhì)組成的界面時(shí)，將發(fā)生散射，從而損耗聲波能量；(3)粘滯衰減：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的疏、密部分之間進(jìn)行的熱交換也導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。

　　超聲波的衰減公式為Ax=A0×e-afx，Ax為距離探頭x處的振幅,Ao為探頭處的振幅，a為衰減系數(shù)，f為超聲頻率(MHz)，x為探頭到某點(diǎn)的距離。衰減系數(shù)a由3個(gè)主要部分組成，即:a=a0 f+a1 f 2+a2 f 4,a0代表介質(zhì)彈性磨擦吸收系數(shù)，與頻率的1次方成正比；a1代表介質(zhì)粘滯性與熱傳導(dǎo)的吸收系數(shù)，與頻率的2次方成正比；a2代表介質(zhì)內(nèi)散射體的瑞利散射吸收系數(shù)，與頻率的4次方成正比[4]。

　　4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　通過MATLAB進(jìn)行信號恢復(fù)，圖5為超聲波穿過標(biāo)準(zhǔn)車架樣板的回波。圖6所示為超聲波穿過有焊縫車架樣板的回波。

　　由圖6可看出其水鋼波與鋼底波基本重合，由于其頻率相同，無法通過電路設(shè)計(jì)進(jìn)行區(qū)分識別。因此在去除始發(fā)波的同時(shí)應(yīng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)車架樣板的水鋼波和鋼底波波形規(guī)律，采用算法構(gòu)造出焊縫判傷線，即回波信號超出判傷線即判為有焊縫，從而有效識別鋼板有無焊縫。

　　4.3 算法構(gòu)成

　　圖6中可以看出回波信號有直流偏置，通過均值算法去除直流偏置并進(jìn)行歸一化處理，把數(shù)據(jù)映射到0～1范圍之內(nèi)，處理起來更加便捷，以達(dá)到消除發(fā)射和耦合影響的效果。然后在時(shí)域內(nèi)去除始發(fā)波，結(jié)果如圖7所示。

　　根據(jù)回波對稱原理與超聲阻抗匹配原則可知，回波信號存在一定的負(fù)指數(shù)偏移。如圖7所示的水鋼波和鋼底波，采用x1=A1×e-kt的中心線函數(shù)，根據(jù)求取波峰波谷的平均值，進(jìn)行曲線擬合構(gòu)造出信號的中心線：x1=A1×e-0.008t，如圖8所示，其中A1為時(shí)域內(nèi)回波信號的均值。

　　將圖8中的回波去除指數(shù)偏置，并以中心軸取絕對值，將中心軸線負(fù)半軸的信號翻折到中心軸線上方，即可得到無偏置的完整水鋼波與鋼底波，如圖9所示。

　　最后一步是構(gòu)造判傷線，也就是有無焊縫的判定曲線。依據(jù)超聲波衰減原理，設(shè)判傷線函數(shù)為：x2=A2×e-ct+b。首先應(yīng)該確定A2，因?yàn)楦鶕?jù)工件材質(zhì)、厚度的不同，A2大小不同，本文將圖9時(shí)域中最大幅度值Ma作為A2，然后根據(jù)水鋼波、一次鋼底波、二次鋼底波、三次鋼底波的波峰值進(jìn)行曲線擬合，進(jìn)而求出c為0.01，b為0.2，即判傷線函數(shù)為：x2=Ma×e-0.01t+0.2，并將此曲線作為鋼板有無焊縫的界定標(biāo)準(zhǔn)。

　　4.4 處理結(jié)果

　　當(dāng)回波信號低于或者等于判傷線時(shí)，則認(rèn)定為鋼板無焊縫，如圖10所示；當(dāng)回波信號某一部分高于判傷線時(shí)，則認(rèn)定為鋼板有焊縫，如圖11所示。

　　本課題針對檢測車架VIN碼區(qū)域有無偽造痕跡的應(yīng)用背景，利用超聲檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收、數(shù)據(jù)采集等。對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行消除直流偏置、歸一化處理和去除指數(shù)偏移等處理，最后擬合出判傷函數(shù)。通過判傷線來確定有無焊縫，是一種無損且行之有效的方法。對于公安機(jī)關(guān)處理走私、盜竊車輛案件的偵查工作具有參考價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 王彥駿.超聲無損檢測新技術(shù)的發(fā)展[J].科技信息,2012,29(4):50.

　　[3] 吳時(shí)紅，何雙起，陳穎,等.金屬薄板超聲無損檢測[J].宇航材料工藝，2007,37(6)：124-126；

　　[4] 郭偉.超聲檢測[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.