复杂断面重轨在线无损检测系统设计利用虚拟仪器实现超声波探伤文档格式.docx

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摘要

目前国内生产的超声波探伤仪主要是以微处理器为核心，以大规模集成芯片为外围电路的智能化仪器。

这类仪器硬件电路设计复杂，硬件成本高，设计周期长，而且仪器的功能和性能受到硬件的约束，如探伤仪难以直接判断缺陷的性质，升级需要从硬件着手等。

针对这些缺点，本设计采用虚拟仪器技术设计了一台虚拟超声波探伤仪。

这种仪器是指由计算机、虚拟仪器软件、通用接口硬件组成的测试系统。

它从根本上克服了传统仪器的上述缺点，利用了计算机的资源，实现了仪器的高度智能化。

设计分成两部分。

一部分是硬件设计，其作用是传统超声波探伤仪发射超声波，对重轨进行测量后，PCI-6221数据采集卡接收缺陷回波信号，并发送给计算机。

另一部分是软件设计，该部分包括用户界面设计和缺陷信号的处理与显示等。

关键词：

虚拟仪器；

超声波探伤；

数据采集

TheDesignofOnlineNondestructiveTestingSystemofComplexCross-sectionHeavyRail

——UsingVirtualInstrumenttoAchieveUltrasonicFlawDetection

Abstract

Thecurrentdomesticproductionofultrasonicflawdetectortakesthemainmicroprocessorasthecoreandalarge-scaleintegratedcircuitchipsastheexternalintelligenceapparatus.Suchequipmenthasacomplexcircuitdesignforhardware,highcostofhardware,longdesigncycles,theequipmentfunctionalityandperformanceareboundbythehardwareatthesametime,suchasitisverydifficulttodeterminethedefectfordetectors,hardwareisneededforupgrade,andsoproceed.

Fortheseshortcomings,thedesignofavirtualinstrumenttechnologydesignedavirtualultrasonicflawdetector.Theequipmentincludescomputer,thesoftwareofvirtualinstrumentandcommoninterfacehardware.Itfundamentallyovercomestheabove-mentionedshortcomingsofthetraditionalapparatus,usesthecomputerresources,realizeshighlyintelligentoftheapparatus.

Thedesignisdividedintotwoparts.Onepartisthedesignofhardware,anditsroleisthetraditionalultrasonicflawdetectorlaunchingultrasonic,aftermeasuringheavyrail,PCI-6221dataacquisitioncardreceivesdefectivesignal,andsendsittothecomputer.Theotherpartisthesoftwaredesign,whichpartincludestheuserinterfacedesignandtheprocessingofdefectssignalanddisplay,andsoon.

Keywords:

virtualinstruments;

ultrasonictesting;

datacollection

第一章引言

1.1课题研究的目的意义

无损检测以不损坏被检验对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，对各种工程材料、零部件、结构件进行有效的检验和测试，以评价它们的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能。

无损检测技术在现代工业的各个方面都有着广泛的应用，体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及设备服役的各个阶段，体现在新材料和新技术的研究中，也体现在保证机器零件、最终产品的可靠性和安全性上。

世界各国对无损检测技术的研究都非常重视。

例如美国为了保持它在世界上科学技术的领先地位，早在1979年的政府工作报告中提出要成立的六大技术中心中，无损检测技术便是其中之一，日本制定的21世纪优先发展四大技术领域之一的设备延寿技术中，也把无损检测放在十分重要的位置。

另外，无损检测技术所能带来的经济效益也是明显的，目前我国的生产投入不比日本少，而国民生产总值只有日本的三分之一左右，这种现象主要是由于我国产品质量上存在问题而导致大量产品报废所致。

据测算，我国不良品的年损失约2000亿元。

再者，无损检测的经济效益还表现在产品的竞争能力上，在无损检测技术支持下提高产品质量和可靠性，是保证产品进入国际市场的决定性因素之一[l]。

因此，研究新型、可靠、低成本、高性能的无损检测仪器关系着我国生产力的全面提高，意义长远重大。

1.2超声探伤的优点及国内外现状

目前常用的无损检测方法有五种：

射线探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤和超声波探伤，其中超声波探伤是应用最广的一种。

超声波是一种弹性波，具有指向性好、传播性好、同种介质中传播速度几乎不变的特点，具有测量材质种类多、探伤深度大、灵敏度高、操作方便、快速、正确、经济、对人体无害等优点。

超声波在无损检测中的应用在40年代就开始了，发展到现在已经成为一项非常成熟的探伤手段，对于发展宇航、能源、材料等高科技产业尤为重要。

另外，它在材料工业、机械制造、石油化工、水文地质、煤炭矿山等领域中早已获得了广泛的应用。

因此超声技术成为学术界、工程界公认的未来产业之一，近些年来，这项高新技术随着物理、机械、电子、材料学的长足进步及许多边缘和交叉工业领域的需求，而得到迅猛的发展。

国际上对超声波探伤仪的研制在经历模拟仪器、数字仪器后，已经从智能化仪器转向虚拟仪器，而且发展到了很高的水平，已经实现了逼真再现物体内部三维缺陷的功能，整个缺陷的形状特点可在屏幕上完全清楚地看到[l]。

近几年来我国超声波探伤事业也取得了巨大的进步和发展。

相关的理论方法及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多具有国际先进水平的成果，许多不同用途的微机控制自动超声检测系统己经应用于实际生产。

超声检测的标准化、智能化、图像化、小型化和系列化工作也都取得了很大发展。

但是我国超声探伤仪就整体水平而言，与发达国家之间存在很大的差距。

目前国内生产的超声探伤仪大都是以微处理器为核心，以大规模集成芯片为外围电路的智能化仪器。

相对而言，这类仪器需要大量的硬件设计，上市速度慢，成本高，由于硬件的容量与速度的不足，使得一些功能不能很好的应用，从设计到操作都不是很灵活。

就国内这种智能化探伤仪而言，普遍存在以下缺点：

（1）自动化程度不够高，仪器使用前的调节需人工操作，导致受人为因素干扰太大。

（2）在采用横波斜探头探伤时，探头的标定不够简化，折射角和探头前沿都需要人工测量，如汕头超声仪器厂，武汉科声公司等的仪器都存在这些问题。

（3）由于国内硬件水平低，使得这些依靠硬件电路实现的仪器价格非常高。

所以开发高智能化、低成本的超声探伤仪器对于我国超声探伤领域显得非常现实与迫切。

1.3基于虚拟仪器技术的超声波探伤仪

虚拟仪器是继数字化仪器和智能化仪器之后的新一代仪器，是面向21世纪最具潜力的仪器，在缩短产品的开发时间、提高产品品质、降低生产成本几个方面都体现了无比的优越性。

虚拟仪器是由仪器硬件，计算机以及虚拟仪器软件组合在一起构成的。

它是既有普通仪器功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。

在虚拟仪器中硬件不再是系统的主体，而只是信号的输入输出通道，将测量所得模拟信号转化为数字信号，然后传输给计算机。

信号资料的分析、计算、统计和结果显示等繁杂的工作都交由系统的软件处理，利用计算机处理器强大的运算能力，可以很快得到结果。

与智能化仪器相比而言，虚拟仪器有突出的优点，它的软件可随时更改，使之具有新的功能。

这就避免了传统仪器那种一旦成型、功能就固化、不易再更改的缺陷。

由于减少了对硬件的使用，使得仪器测量误差较小，价格相对较低；

同时根据需要可对软件进行修改以满足新的需求，这种检测技术伴随着计算机的发展而发展，更新快；

开发和维护费用低；

接口友好，操作简便，用户不用不断的调整仪器旋钮；

可方便地与计算机网络和其它外设相连接[2]。

就金属探伤方面来说，国内还没有厂家生产真正意义上的虚拟仪器。

一些厂家采用计算机显示探伤波形，但实际上数据处理还是采用硬件实现。

例如武汉中科创新技术公司的多用途多通道超声波探伤系统，其硬件电路复杂、体积庞大，没有体现出虚拟仪器充分利用计算机资源，节约硬件成本，降低硬件开发难度的优点。

本设计就国内已有超声探伤仪的不足，有针对性地设计一台可以克服以上缺点的虚拟超声探伤仪，用以填补国内在这方面研究的空白。

1.4重轨的形状及探伤原理

重轨的形状比较复杂，呈工字形，由轨头、轨腰、轨底等几种不同的几何形状组成，接头处还有螺栓孔等等，如下图1.1所示。

重轨的探测面没有选择的余地，探头只能分布在轨头顶面。

根据重轨中伤损的分布及形状和取向，需要有垂直入射的探头，以及要有不同角度倾斜入射的探头才能尽量扩大检查区域，把探伤死角减到最小[3]。

图1.1重轨示意图

图1.2探测区域图

根据重轨的几何形状、可能产生伤损的部位及超声波的传播规律，可把重轨划分为三个探伤区域，如图1.2所示。

对于Ⅰ区常发生核伤（轨头横向疲劳裂纹），由于Ⅰ区轨头厚度较小，宜用折射角β=70°

的探头。

原理图如图1.3所示。

图1.3Ⅰ区探测示意图

对于沿轨腰宽度，由轨头顶面到轨底的Ⅱ区，高度达到176mm（P60重轨），宜采用折射角β=37°

图1.4为β=37°

探头在不同位置对各种倾斜裂纹的探测原理。

图1.4Ⅱ区用370探头探测示意图

图1.5Ⅱ区用0°

探头探测示意图

对于Ⅱ区水平裂纹、纵向垂直裂纹，可采用0°

探头检查，如图1.5所示。

对于Ⅲ区，由于其结构复杂，既有倾斜裂纹，又有纵向裂纹，可以选用其它无损检测方法，如涡流无损检测等。

为了同时检查轨头内、外测至少需要两只70°

探头，为了能检查到螺栓孔四个象限的些裂纹。

必须有向前和向后发射的两只37°

探头，加上0°

直探头，共五只探头。

根据缺陷取向对回波高度的影响，超声波垂直入射缺陷表面时反射回波最强，缺陷最容易被探测检出。

这五个探头对于重轨全长探伤是至关重要的，是必不可少的，但还不够充分，有部分缺陷，如小角度的螺栓孔裂纹（与螺栓孔水平对称线成15°

左右）。

要解决这类缺陷的检查最好用折射角β在15°

～18°

的小角度纵波探头。

对位于重轨头中部的横向疲劳裂纹，折射角70°

探头与前进方向偏角越大（一般14°

～20°

），显然越不利于探测，即使是位于轨头内、外侧的核伤，往往也有一点的倾斜角，由一个方向发射超声波的折射角70°

探头并不一定很合适，需要定期调换探头方向，减少漏检。

对于轨底横向缺陷，用折射角37

°

探头搜查时灵敏度很高，但较难分辨是裂纹还是锈蚀反射，需要用双探头串列法鉴别[3]。

本次设计，由于设计者自身水平和时间等因素，我们只选择一个界面，如图1.2所示的Ⅱ区。

1.5本章小结

无损检测是在不损害被探测对象使用性能的条件下探测物体内部缺陷的技术，对于降低产品成本、提高安全可靠性、改进制造工艺都非常重要。

超声波是应用最广的无损检测方法，它具有被测范围广、检测深度大、灵敏度高、操作方便、快速、正确、经济、对人体无害等优点。

因此，超声探伤仪的研制非常重要。

目前国内超声探伤仪产品主要是以微处理器为核心，以大规模集成芯片为外围电路的智能化仪器。

由于硬件的束缚，这种探伤仪有成本高、智能化程度低、设计复杂，功能固化等缺点。

本课题设计了一台虚拟超声探伤仪，系统由PCI-6221数据采集卡，虚拟仪器软件，计算机三部分组成。

采集卡将超声波缺陷信号通过模数转换后并发送给计算机，计算机接收数据后利用LabVIEW软件进行一系列的处理最后显示结果。

第二章虚拟超声波探伤仪的总体结构

本课题目的在于设计一台虚拟超声波探伤仪。

对此我们有两种方案可以选择：

第一种是完全采用LabVIEW软件实现超声波探伤仪的全部功能，如超声波信号发生器、缺陷显示等。

第二种是部分采用传统超声波探伤仪的功能，如超声波发生电路。

对于回波信号则采用软件处理。

对比这两种方案，第一种完全利用软件实现，难度比较大，况且就超声波信号发生器而言，本身就是一个设计题目，故为了节省时间，则选择采用第二种方案。

在这种方案中，硬件部分用传统超声波探伤仪的发射电路产生高压电脉冲，加到探头里的压电晶片上，使晶片产生超声波，对重轨进行探伤后，利用PCI-6221数据采集卡进行采集缺陷回波信号，然后输送到计算机内，这时怎样处理回波信号就成了关键问题，对此我们有两种方案来处理回波信号。

一种是根据全波采样数字式超声波检测仪的工作原理，提取回波整体信息然后再进行其他处理。

另一种是根据峰值采样数字式超声波检测仪的工作原理，先进行峰值保持，再进行A/D转换，然后送入计算机进行其他相应处理。

由于我们使用的是PCI-6221数据采集卡，采集卡内部本身就具有A/D转换等多种信号处理功能，所以，对于先进行峰值保持这一环节，我们需加峰值保持器，多增加了外部设备，这与我们的硬件尽量少的方针不相符，因此，我们采用第一种方案即提取回波整体信息，然后再进行相应的处理。

则系统总体结构框图如图2.1所示。

图2.1虚拟超声波探伤系统总体结构图

工作原理阐述如下：

首先传统超声波探伤仪的发射电路产生高压电脉冲，加到探头里的压电晶片上，使晶片产生超声波，对重轨进行探伤后，其次由LabVIEW控制面板的采集键控制数据采集操作，当按下采集按钮后，PCI-6221数据采集卡进行数据采集，并进行相应的A/D转换后输入到计算机，然后由LabVIEW软件实现数据的显示、存储等操作。

虚拟超声波探伤仪基本结构分两部分：

一部分是硬件部分，一部分是软件部分。

硬件部分包括声波发射电路、探头、PCI-6221数据采集卡、PCI总线插槽，其余仪器功能通过计算机依靠LabVIEW实现，做到最大程度节约硬件、降低成本。

软件部分界面操作方便，可以直观显示超声波缺陷回波信号，存储波形、读取波形等。

实际设计分三部分：

数据采集电路、接口电路、数据处理及结果显示。

其中数据采集电路和接口电路是硬件部分，数据处理及结果显示是软件部分。

数据采集由PCI-6221数据采集卡完成，负责接收回波信号、A/D转换、数据传输等工作；

信号处理及结果显示的任务由计算机通过LabVIEW来完成，具体工作包括超声波缺陷回波信号显示、缺陷的直观显示、波形存储与读取等。

数据采集卡和计算机的通信通过

PCI总线插槽来实现。

本课题主要做了如下几个方面的研究工作：

第一章首先介绍无损检测的概念及超声检测技术的发展概况及今后的发展方向，接着介绍了虚拟仪器技术的概念和构成，然后阐述了课题背景及意义，最后给出论文的主要研究内容并介绍了重轨检测的原理以及方法。

第二章简要介绍了虚拟超声波探伤仪的总体设计方案，大致阐述了设计的思路，为今后设计指明了方向。

第三章简要介绍了超声波的概念、分类以及其在异质界面上的效应，最后简单介绍了构成超声波探伤的一些设备，如超声波探伤仪、探头和标准试块等。

第四章详细叙述了虚拟超声波探伤仪硬件设计，阐述了硬件部分要实现超声波的发射、缺陷回波信号的接收、数据传输以及整个电路工作的协调控制等功能。

第五章详细叙述了虚拟超声波探伤仪的软件设计，利用计算机强大的图形图像处理功能，利用LabVIEW强大的软件功能实现了超声波缺陷回波信号的显示与存储读取等操作。

第六章介绍了程序调试时一些出现的问题及处理方法，同时，总结了本设计的优缺点，最后，引入计算机的网络功能，对探伤仪的远程监控提出了要求。

第三章虚拟超声波探伤仪概述

虚拟超声波探伤仪是超声波探伤技术和计算机技术相结合的产物。

在超声波探伤系统中，主要运用了超声波在介质中的一些传播原理，因此本章首先简要介绍一下有关超声波的基本知识。

3.1超声波概述

3.1.1超声波的基本概念

振动和波动是物质运动的基本形式之一，物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。

振动物体在任意时刻的位移情况可以由它的振动方程描述：

。

振动的传播过程，称为波动。

产生机械波必须要有两个条件：

（1）要有作机械振动的波源。

（2）要有能传播机械波的弹性介质。

次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，它们的区别主要是频率上的不同。

人们把频率在20~20000Hz之间能引起听觉的机械波称为声波，频率低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20000Hz的机械波则称为超声波。

次声波和超声波人耳都听不到。

超声波探伤所用的超声波频率一般在0.5~10MHz之间，对钢等一些金属材料的检验常用的声波频率在1~5MHz。

超声波的波长很短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能够广泛应用于无损探伤：

（1）超声波的方向性好

超声波的频率很高，波长很短。

在无损探伤中使用的超声波波长为毫米数量级。

超声波可以像光束一样具有良好的方向性，可以定向发射。

（2）超声波能量高

超声波探伤时的频率远高于声波，而能量（声强）是与频率的平方成正比。

因此，超声波的能量远大于声波的能量。

（3）超声波能在界面上产生反射、折射和波型转换

在超声波探伤中，特别是超声波脉冲反射法探伤中，利用了超声波具有几何声学的一些特点，如在介质中直线传播，遇到界面会产生反射、折射和波型转换等。

（4）超声波穿透能力强

超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中其穿透能力可达数米。

这是其它的探伤手段所无法比拟的。

3.1.2超声波的分类

3.1.2.1根据质点的振动方向分类

根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向，可以把超声波分为纵波、横波、表面波和板波等。

（1）纵波

介质中质点的振动方向与传播方向相同的波，称为纵波。

当介质质点受到往复压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。

此时介质质点疏密相间，故纵波又称为压缩波或疏密波。

（2）横波

介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称为横波，用S或T表示。

当介质受到交变的剪切力作用时，产生切变形变，从而形成横波。

只有固体介质才能承受剪切应力，液体和气体都不能承受剪应力。

因此横波只能在固体介质中传播，而不能在液体和气体介质中传播。

（3）表面波

当介质表面受到交变的应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波，常用R表示。

表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。

椭圆运动可以看作为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合成。

因此表面波只能在固体介质中传播，而不能在液体和气体介质中传播。

表面波只能在固体表面传播，而且表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱，当传播深度超过波长的两倍时，质点的振幅已经很小。

因此，一般认为表面波探伤只能发现距离工件表面两倍波长深度内的缺陷。

3.1.2.2根据振动的持续时间分类

根据振动的持续时间长短又可以把超声波分为连续波和脉冲波。

（1）波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波。

（2）波源振动持续时间短（通常是毫微秒数量级），间歇辐射的波称为脉冲波。

目前在超声探伤中得到广泛应用的是脉冲波。

3.1