一种固液两相混合物均匀性的超声检测方法及系统

本发明涉及超声检测，特别是一种固液两相混合物均匀性的超声检测方法及系统。

背景技术：

1、目前关于固液两相混合物的均匀性检测方法主要分为两类，一类是离线监测，即在固液两相混合物的不同部位取样进行化验，通过混合物的某项属性(通常为密度)来间接评判均匀性，该方法时效性较差，耗时耗力，无法实时对固液两相混合物的均匀性作出判断；另一类是近几年被广泛应用的在线检测，该技术在待测的固液两相混合物中加入红外线、γ射线、电磁和激光等激励信号，通过捕捉这类信号经过检测区域导致的变化进而表征待测固液两相混合物的特性。其中常见的在线非接触式检测技术包括光学检测技术、放射线衰减技术、近红外分析技术(nir)、工业层析成像检测(ipt)和电容检测技术等。然而在工业生产中，大部分固液两相混合物最终呈现光不透明性，使得光学检测技术和近红外分析技术的应用受到限制。对于部分具有导电性的固液两相混合物，电容法也不再适用。放射线因对人体有危害且使用不便等因素，一般不用于普通的工业环境。工业层析成像技术成本较高、技术复杂，很难在中小企业中推广使用。

2、深度学习在计算机视觉、语音识别、自然语言处理、故障诊断等领域取得了巨大成功，其中应用最广泛的就是卷积神经网络(convolutionneuralnetwork，cnn)。cnn与传统机器学习模型相比最大的优点是将特征提取和分类融合在一起，网络能从输入数据中自动提取特征。近年来，也有学者将cnn应用到在线检测技术当中，通过对较大规模的样本进行学习和训练，且凭借着高精度的分类能力和快速响应能力，该技术得到广泛推广。

3、由于缺乏便捷、安全的固液两相混合物均匀性在线检测技术，无法实时获得其均匀性信息。而当前为保证固液两相混合物的均匀性，业内普遍采用延长混合时间来机械地提高物料的均匀性，这样做大大降低了生产效率，耗时耗力，并且最终的混合效果也不尽如人意。同时随着工业技术的不断发展，快速响应的在线检测技术成为企业中必不可少的环节，因此，在现有生产工艺和未来新技术发展的大背景下，迫切需要固液两相混合物均匀性检测的新方法。

技术实现思路

1、鉴于现有技术存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于由于缺乏便捷、安全的固液两相混合物均匀性在线检测技术，无法实时获得其均匀性信息。而当前为保证固液两相混合物的均匀性，业内普遍采用延长混合时间来机械地提高物料的均匀性，这样做大大降低了生产效率，耗时耗力，并且最终的混合效果也不尽如人意。同时随着工业技术的不断发展，快速响应的在线检测技术成为企业中必不可少的环节。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供了一种固液两相混合物均匀性的超声检测方法，其包括，处理系统包括固液混合物容器、超声波换能器、12组超声波传感器、信号处理单元和集成控制单元；

5、超声波换能器安装在容器底部，12组传感器均匀分布在容器外壁，超声波换能器发射超声信号，超声波传感器接收穿过固液混合物的回波信号；

6、将回波信号经处理后输入一维卷积神经网络进行分类，判断固液混合物均匀性，该一维卷积神经网络包含卷积层、池化层、全连接层，采用大卷积核设计以降低参数量；

7、一维卷积神经网络通过预先训练的样本学习特征，实现固液两相混合物均匀性的快速在线无损检测，为生产过程提供实时反馈。

8、作为本发明所述固液两相混合物均匀性的超声检测方法的一种优选方案，其中：所述在待测固液两相混合物容器的圆周方向等距布置4组超声波传感器，每组三个探头，故能接收12条超声波信号；在固液两相混合物容器的正底部布置一个超声波换能器，通过探头连接容器；

9、12组超声波传感器接收位于固液两相混合物容器底部超声波换能器发出的超声波信号，经过进一步的数据处理与整合，生成振幅不同的电信号，最终导入集成控制单元中的一维卷积神经网络中进行分类，判断固液两相混合物的均匀性。

10、作为本发明所述固液两相混合物均匀性的超声检测方法的一种优选方案，其中：所述在超声波换能器、传感器探头与固液两相混合物容器接触面涂抹超声耦合剂，并将待测固液两相混合物倒入容器当中；

11、集成控制单元输出正弦波驱动信号，该信号在信号处理单元中通过d/a转换器将数字信号转化为模拟信号，然后再依次通过驱动电路和发射电路，使其功率放大并且使得驱动信号到达固液两相混合物容器底部的超声波换能器探头，最终将信号转换成机械振动，从而向容器内部发射超声波信号；

12、超声波换能器产生的超声波信号穿过容器中的待测固液两相混合物，最终由均匀分布在容器外壁的12组超声波传感器探头接收，并将信号转换成超声波回波信号；

13、超声波回波信号在信号处理单元中经放大电路进行放大，再由滤波器滤波，然后通过a/d转换器对超声波回波信号进行采样，采样频率为16khz，采样时间设定为4s，并且将采样数据传送至集成控制单元做进一步处理；

14、在集成控制单元中，将返回的12条时域信号进行合并整理，随后导入经过训练和测试后的一维卷积神经网络中进行分类，判断固液两相混合物的均匀性。

15、作为本发明所述固液两相混合物均匀性的超声检测方法的一种优选方案，其中：所述一维卷积神经网络样本训练和测试的过程为：

16、分别选取均匀性好坏不一的固液两相混合物各10组，取前8组分别倒入容器中进行检测；

17、每次将检测后的信号导入一维卷积神经网络中训练，12组数据按照相对位置自下而上整合成一条数据，为增加样本数量，在对12组数据进行拼接时，采用乱序的方式，即位于容器不同位置的四组数据可形成不同顺序的一组数据链，每组数据64000个数据点，并对该组样本进行标签标记，+1代表均匀性良好，-1代表均匀性较差；

18、为了避免偶然性，对均匀性良好和较差的固液两相混合进行交替检测和训练；

19、经过模型训练之后，将剩余2组均匀性不一的固液两相混合物倒入容器中进行检测；

20、每次检测后的信号导入已经训练好的一维卷积神经网络中测试，数据整合方式以及样本容量拓展方式和步骤每次将检测后的信号导入一维卷积神经网络中训练一致，最终观察系统给出的固液两相混合物均匀性评判结果，误差在5％以内视为模型训练成功；

21、经过大量的训练和学习后，误差在可接受程度范围内即可进行固液两相混合物的均匀性实时检测，对于混合均匀性较差的物料进行返工处理。

22、作为本发明所述固液两相混合物均匀性的超声检测方法的一种优选方案，其中：所述卷积层由若干卷积核卷积运算得到的特征图组成，一维卷积神经网络的输入是一维向量，因此网络的卷积核也是一维的，一维卷积运算可以表示为：

23、

24、其中，分别为第l层第k个神经元的输入和偏置，为第l-1层第i个神经元与第l层第k个神经元之间的卷积核，为第l-1层第i个神经元的输出，nl-1为第l-1层神经元个数，conv1d(·)为一维卷积运算；

25、为增加网络的非线性，在每个卷积操作之后通常还会应用激活函数，为防止梯度消失，加速网络的收敛，激活函数采用修正线性单元，表达式为：

26、f(x)＝max(0,x)

27、因此卷积层中每个神经元的最终输出为：

28、

29、池化为降采样操作，通过使用某一位置相邻区域的总体特征作为网络在该位置的输出来减少特征图的尺寸和网络的数量，同时可以有效避免网络过拟合，所述池化采用最大值池化，即取某位置相邻区域内的最大值作为该位置的最终输出：

30、

31、其中，h为卷积核宽度；

32、为避免各层神经元的内部协变量变化和梯度弥散，同时加速网络收敛速度，可以使用批标准化对每一隐含层进行标准化处理，使得每一层都具有相同均值为0，方差为1的高斯分布：

33、

34、其中，μb、分别为批数据的均值和标准差，ε为避免分母为0的无穷小数，xi、x′i分别为第i个神经元批标准化前的输入和批标准化的中间输出，γ、β分别为为了恢复网络表达能力引入的尺度变换因子和偏移因子，由网络学习得到，yi为神经元批标准化后的最终输出。

35、作为本发明所述固液两相混合物均匀性的超声检测方法的一种优选方案，其中：所述一维卷积神经网络结构模型搭建过程为：

36、在二维卷积神经网络中一般采用小卷积核，当通过级联多层小卷积核不仅可得大卷积核相同的感受野，还增强网络非线性表达能力，同时降低卷积参数量；当输入和输出的通道数均为，级联2层3×3卷积核具有和5×5卷积核相同的感受野，但级联2层的3×3卷积核的参数量为18c2，而使用5×5卷积核的参数量为25c2；

37、考虑到一维卷积神经网络的卷积核尺寸是标量，二维卷积神经网络的卷积核是二维矩阵，因此，在一维卷积神经网络中上述规律并不适用，当级联2层尺寸为3的卷积核的参数量为6c2，而尺寸为5的卷积核的参数量为5c2，故在一维卷积神经网络中应使用大的卷积核。

38、作为本发明所述固液两相混合物均匀性的超声检测方法的一种优选方案，其中：所述在一维卷积神经网络中应使用大的卷积核；包括第一层卷积层采用尺寸为5的大卷积核，之后卷积核尺寸逐层降低，且所有卷积层的步长均为1，填充像素padding选为“same”模式，使得传播过程中特征图的尺寸大小保持不变；

39、每层卷积层后接卷积核尺寸为2、步长为2的最大值池化层，使特征图尺寸减半；

40、第一层卷积层通道数为64，第二层卷积层通道数为128，最后一层池化层输出尺寸为25×128，展平成3200维向量形式，最后接两层全连接层进行分类，此外，为了避免网络过拟合，在每层卷积操作之后，激活函数之前均添加了批标准化层。

41、第二方面，本发明实施例提供了多元资源惯量和一次调频辅助服务顺序获取系统，其包括。

42、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的固液两相混合物均匀性的超声检测方法的步骤。

43、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的固液两相混合物均匀性的超声检测方法的步骤。

44、本发明有益效果为：本方案实现了固液两相混合物均匀性的全方位、快速、准确检测。采用大卷积核设计降低了网络参数量，提高了模型泛化能力。预训练网络实现了实时在线无损检测，为生产过程提供即时反馈。乱序数据拼接增强了样本多样性，提高了模型鲁棒性。批标准化层有效避免了过拟合问题。全自动化操作减少了人为误差，保证了结果一致性。该方法克服了传统检测的局限性，为工业生产质量控制提供了可靠支持，有望显著提高生产效率和产品质量，带来巨大经济效益。