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

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

　　針對VIN碼區域薄壁的特點，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

　　超聲波從一種媒質傳播到另一種媒質時，在兩種媒質的分界面上，只有其中一部分超聲波透過界面，在另一媒質中繼續傳播，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，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γp=90°時入射角成為第一臨界角，用αp1表示。當入射角大于第一臨界角時(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中橫波的一種產生方法[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，會產生反射聲波，這時工件的反射狀況就會顯示在上位機中，從而根據反射的時間及形狀來判斷被測工件有無焊縫。該方法用一個探頭兼做發射和接收器件，接收信號在上位機中顯示，并根據鋼板底面反射回波來判斷焊縫的有無。

2 實驗方案

　　選用標準車架樣板和有焊縫車架樣板進行比對實驗。

　　探頭選用頻率為2.5 MHz、8×12方形晶片、K值為1的斜探頭，使用機油做耦合劑。如圖3所示，將機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，并觀察上位機中的回波信號。

3 硬件電路

　　超聲波反射電路是利用555定時器構成單穩態電路與RC組成的微分電路產生4 s、12 V,重復頻率為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，激勵超聲探頭的壓電晶片振動，發射超聲波。

　　如圖4所示，超聲波接收電路主要由前置放大電路、偏置調零電路、壓控可變增益電路及寬帶放大電路共同構成。前置放大電路主要是輸入保護與阻抗匹配。由于電路采用直流耦合方式，偏置調零電路很好地避免了零點漂移。由VCA810構成的壓控可變增益放大電路實現了回波信號幅值的人為調節，使其輸出信號幅值保持在1.4 V左右。為方便后續全波信號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構成的，使全波信號可達到±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20 MHz高速采集電路，通過USB將數據傳輸到上位機進行算法處理。

4 實驗結果及信號處理

　　4.1 超聲波的衰減

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

　　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，f為超聲頻率(MHz)，x為探頭到某點的距離。衰減系數a由3個主要部分組成，即:a=a0 f+a1 f 2+a2 f 4,a0代表介質彈性磨擦吸收系數，與頻率的1次方成正比；a1代表介質粘滯性與熱傳導的吸收系數，與頻率的2次方成正比；a2代表介質內散射體的瑞利散射吸收系數，與頻率的4次方成正比[4]。

　　4.2實驗結果與分析

　　通過MATLAB進行信號恢復，圖5為超聲波穿過標準車架樣板的回波。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，無法通過電路設計進行區分識別。因此在去除始發波的同時應依據標準車架樣板的水鋼波和鋼底波波形規律，采用算法構造出焊縫判傷線，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行歸一化處理，把數據映射到0～1范圍之內，處理起來更加便捷，以達到消除發射和耦合影響的效果。然后在時域內去除始發波，結果如圖7所示。

　　根據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指數偏移。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，根據求取波峰波谷的平均值，進行曲線擬合構造出信號的中心線：x1=A1×e-0.008t，如圖8所示，其中A1為時域內回波信號的均值。

　　將圖8中的回波去除指數偏置，并以中心軸取絕對值，將中心軸線負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。

　　最后一步是構造判傷線，也就是有無焊縫的判定曲線。依據超聲波衰減原理，設判傷線函數為：x2=A2×e-ct+b。首先應該確定A2，因為根據工件材質、厚度的不同，A2大小不同，本文將圖9時域中最大幅度值Ma作為A2，然后根據水鋼波、一次鋼底波、二次鋼底波、三次鋼底波的波峰值進行曲線擬合，進而求出c為0.01，b為0.2，即判傷線函數為：x2=Ma×e-0.01t+0.2，并將此曲線作為鋼板有無焊縫的界定標準。

　　4.4 處理結果

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

　　本課題針對檢測車架VIN碼區域有無偽造痕跡的應用背景，利用超聲檢測系統，實現超聲波的發射與接收、數據采集等。對回波數據進行消除直流偏置、歸一化處理和去除指數偏移等處理，最后擬合出判傷函數。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。對于公安機關處理走私、盜竊車輛案件的偵查工作具有參考價值。

　　參考文獻

　　[1] 趙春梅.偽造車輛車架號碼發動機號碼識別及檢驗[J].刑事技術,2007,21(4)：33-35.

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

　　[3] 吳時紅，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：機械工業出版社, 2009.