復(fù)雜斷面重軌在線無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)——利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)超聲波探傷

1、題 目：復(fù)雜斷面重軌在線無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)超聲波探傷3內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文

2、）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文

3、版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)

4、8）致謝9）附錄（對論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提

5、供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它復(fù)雜斷面重軌在線無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)超聲波探傷摘 要目前國內(nèi)生產(chǎn)的超聲波探傷儀主要是以微處理器為核心，以大規(guī)模集成芯片為外圍電路的智能化儀器。這類儀器硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，硬件成本高，設(shè)計(jì)周期長，而且儀器的功能和性能受到硬件的約束，如探傷儀難以直接判斷缺陷的性質(zhì)，升級(jí)需要從硬件著手等。針對這些缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了一臺(tái)虛擬超聲波探傷儀。這種儀器是指由計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、通用接口硬件組成的測試系統(tǒng)。它從根本上克服了傳統(tǒng)儀器的上述缺點(diǎn)，利用了計(jì)算機(jī)的資源，實(shí)現(xiàn)了儀

6、器的高度智能化。設(shè)計(jì)分成兩部分。一部分是硬件設(shè)計(jì)，其作用是傳統(tǒng)超聲波探傷儀發(fā)射超聲波，對重軌進(jìn)行測量后，pci-6221數(shù)據(jù)采集卡接收缺陷回波信號(hào)，并發(fā)送給計(jì)算機(jī)。另一部分是軟件設(shè)計(jì)，該部分包括用戶界面設(shè)計(jì)和缺陷信號(hào)的處理與顯示等。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；超聲波探傷；數(shù)據(jù)采集the design of online nondestructive testing system of complex cross-section heavy railusing virtual instrument to achieve ultrasonic flaw detectionabstractthe curren

7、t domestic production of ultrasonic flaw detector takes the main microprocessor as the core and a large-scale integrated circuit chips as the external intelligence apparatus. such equipment has a complex circuit design for hardware, high cost of hardware, long design cycles, the equipment functional

8、ity and performance are bound by the hardware at the same time, such as it is very difficult to determine the defect for detectors, hardware is needed for upgrade, and so proceed.for these shortcomings, the design of a virtual instrument technology designed a virtual ultrasonic flaw detector. the eq

9、uipment includes computer, the software of virtual instrument and common interface hardware. it fundamentally overcomes the above-mentioned shortcomings of the traditional apparatus, uses the computer resources, realizes highly intelligent of the apparatus.the design is divided into two parts. one p

10、art is the design of hardware, and its role is the traditional ultrasonic flaw detector launching ultrasonic, after measuring heavy rail, pci-6221 data acquisition card receives defective signal, and sends it to the computer. the other part is the software design, which part includes the user interf

11、ace design and the processing of defects signal and display, and so on.key words: virtual instruments; ultrasonic testing; data collection46內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）目 錄摘 要iabstractii第一章 引言11.1課題研究的目的意義11.2超聲探傷的優(yōu)點(diǎn)及國內(nèi)外現(xiàn)狀11.3基于虛擬儀器技術(shù)的超聲波探傷儀31.4重軌的形狀及探傷原理41.5本章小結(jié)6第二章 虛擬超聲波探傷儀的總體結(jié)構(gòu)8第三章 虛擬超聲波探傷儀概述113.1超聲波概述113

12、.1.1超聲波的基本概念113.1.2超聲波的分類123.1.3超聲波在平面異質(zhì)界面上的效應(yīng)133.2超聲波探傷的設(shè)備組成5173.2.1超聲波探傷儀173.2.2探頭的種類和結(jié)構(gòu)193.2.3標(biāo)準(zhǔn)試塊193.3本章小結(jié)20第四章 虛擬超聲波探傷儀的硬件部分214.1硬件基本結(jié)構(gòu)214.2超聲波發(fā)射電路4214.2.1調(diào)諧式發(fā)射電路224.2.2非調(diào)諧式發(fā)射電路234.3 pci-6221數(shù)據(jù)采集卡234. 4數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)的通信244.5本章小結(jié)25第五章 虛擬超聲波探傷儀的軟件部分265.1 labview簡介265.1.1虛擬儀器的組成275.1.2虛擬儀器的基本工作原理295.2虛

13、擬超聲探傷儀軟件界面的設(shè)計(jì)295.2.1濾波315.2.2缺陷顯示315.2.3保存數(shù)據(jù)355.2.4讀取數(shù)據(jù)365.3本章小結(jié)36第六章 調(diào)試及總結(jié)376.1調(diào)試376.1.1找出語法錯(cuò)誤386.1.2慢速跟蹤386.1.3斷點(diǎn)與單步執(zhí)行396.1.4設(shè)置探針396.2總結(jié)及展望396.2.1總結(jié)396.2.2展望41參考文獻(xiàn)42附錄a 虛擬超聲波探傷儀射頻顯示程序框圖45附錄b 虛擬超聲波探傷儀視頻顯示程序框圖46致謝47 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）第一章 引言1.1課題研究的目的意義無損檢測以不損壞被檢驗(yàn)對象的使用性能為前提，應(yīng)用多種物理原理和化學(xué)現(xiàn)象，對各種工程材料、零部

14、件、結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有效的檢驗(yàn)和測試，以評價(jià)它們的連續(xù)性、完整性、安全可靠性及某些物理性能。無損檢測技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)方面都有著廣泛的應(yīng)用，體現(xiàn)在改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、成品檢驗(yàn)以及設(shè)備服役的各個(gè)階段，體現(xiàn)在新材料和新技術(shù)的研究中，也體現(xiàn)在保證機(jī)器零件、最終產(chǎn)品的可靠性和安全性上。世界各國對無損檢測技術(shù)的研究都非常重視。例如美國為了保持它在世界上科學(xué)技術(shù)的領(lǐng)先地位，早在1979年的政府工作報(bào)告中提出要成立的六大技術(shù)中心中，無損檢測技術(shù)便是其中之一，日本制定的21世紀(jì)優(yōu)先發(fā)展四大技術(shù)領(lǐng)域之一的設(shè)備延壽技術(shù)中，也把無損檢測放在十分重要的位置。另外，無損檢測技術(shù)所能帶來的經(jīng)濟(jì)效益也是明顯的，目

15、前我國的生產(chǎn)投入不比日本少，而國民生產(chǎn)總值只有日本的三分之一左右，這種現(xiàn)象主要是由于我國產(chǎn)品質(zhì)量上存在問題而導(dǎo)致大量產(chǎn)品報(bào)廢所致。據(jù)測算，我國不良品的年損失約2000億元。再者，無損檢測的經(jīng)濟(jì)效益還表現(xiàn)在產(chǎn)品的競爭能力上，在無損檢測技術(shù)支持下提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，是保證產(chǎn)品進(jìn)入國際市場的決定性因素之一l。因此，研究新型、可靠、低成本、高性能的無損檢測儀器關(guān)系著我國生產(chǎn)力的全面提高，意義長遠(yuǎn)重大。1.2超聲探傷的優(yōu)點(diǎn)及國內(nèi)外現(xiàn)狀目前常用的無損檢測方法有五種：射線探傷、磁粉探傷、滲透探傷、渦流探傷和超聲波探傷，其中超聲波探傷是應(yīng)用最廣的一種。超聲波是一種彈性波，具有指向性好、傳播性好、同種介質(zhì)中傳

16、播速度幾乎不變的特點(diǎn)，具有測量材質(zhì)種類多、探傷深度大、靈敏度高、操作方便、快速、正確、經(jīng)濟(jì)、對人體無害等優(yōu)點(diǎn)。超聲波在無損檢測中的應(yīng)用在40年代就開始了，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)成為一項(xiàng)非常成熟的探傷手段，對于發(fā)展宇航、能源、材料等高科技產(chǎn)業(yè)尤為重要。另外，它在材料工業(yè)、機(jī)械制造、石油化工、水文地質(zhì)、煤炭礦山等領(lǐng)域中早已獲得了廣泛的應(yīng)用。因此超聲技術(shù)成為學(xué)術(shù)界、工程界公認(rèn)的未來產(chǎn)業(yè)之一，近些年來，這項(xiàng)高新技術(shù)隨著物理、機(jī)械、電子、材料學(xué)的長足進(jìn)步及許多邊緣和交叉工業(yè)領(lǐng)域的需求，而得到迅猛的發(fā)展。國際上對超聲波探傷儀的研制在經(jīng)歷模擬儀器、數(shù)字儀器后，已經(jīng)從智能化儀器轉(zhuǎn)向虛擬儀器，而且發(fā)展到了很高的水平，已

17、經(jīng)實(shí)現(xiàn)了逼真再現(xiàn)物體內(nèi)部三維缺陷的功能，整個(gè)缺陷的形狀特點(diǎn)可在屏幕上完全清楚地看到l。近幾年來我國超聲波探傷事業(yè)也取得了巨大的進(jìn)步和發(fā)展。相關(guān)的理論方法及應(yīng)用的基礎(chǔ)性研究正在逐步深入，已經(jīng)取得了許多具有國際先進(jìn)水平的成果，許多不同用途的微機(jī)控制自動(dòng)超聲檢測系統(tǒng)己經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。超聲檢測的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、圖像化、小型化和系列化工作也都取得了很大發(fā)展。但是我國超聲探傷儀就整體水平而言，與發(fā)達(dá)國家之間存在很大的差距。目前國內(nèi)生產(chǎn)的超聲探傷儀大都是以微處理器為核心，以大規(guī)模集成芯片為外圍電路的智能化儀器。相對而言，這類儀器需要大量的硬件設(shè)計(jì)，上市速度慢，成本高，由于硬件的容量與速度的不足，使得一些功

18、能不能很好的應(yīng)用，從設(shè)計(jì)到操作都不是很靈活。就國內(nèi)這種智能化探傷儀而言，普遍存在以下缺點(diǎn)：(1) 自動(dòng)化程度不夠高，儀器使用前的調(diào)節(jié)需人工操作，導(dǎo)致受人為因素干擾太大。(2) 在采用橫波斜探頭探傷時(shí)，探頭的標(biāo)定不夠簡化，折射角和探頭前沿都需要人工測量，如汕頭超聲儀器廠，武漢科聲公司等的儀器都存在這些問題。 (3) 由于國內(nèi)硬件水平低，使得這些依靠硬件電路實(shí)現(xiàn)的儀器價(jià)格非常高。 所以開發(fā)高智能化、低成本的超聲探傷儀器對于我國超聲探傷領(lǐng)域顯得非?，F(xiàn)實(shí)與迫切。1.3基于虛擬儀器技術(shù)的超聲波探傷儀虛擬儀器是繼數(shù)字化儀器和智能化儀器之后的新一代儀器，是面向21世紀(jì)最具潛力的儀器，在縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間、提

19、高產(chǎn)品品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本幾個(gè)方面都體現(xiàn)了無比的優(yōu)越性。虛擬儀器是由儀器硬件，計(jì)算機(jī)以及虛擬儀器軟件組合在一起構(gòu)成的。它是既有普通儀器功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的新型儀器。在虛擬儀器中硬件不再是系統(tǒng)的主體，而只是信號(hào)的輸入輸出通道，將測量所得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后傳輸給計(jì)算機(jī)。信號(hào)資料的分析、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和結(jié)果顯示等繁雜的工作都交由系統(tǒng)的軟件處理，利用計(jì)算機(jī)處理器強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可以很快得到結(jié)果。與智能化儀器相比而言，虛擬儀器有突出的優(yōu)點(diǎn)，它的軟件可隨時(shí)更改，使之具有新的功能。這就避免了傳統(tǒng)儀器那種一旦成型、功能就固化、不易再更改的缺陷。由于減少了對硬件的使用，使得儀器測量誤差較小，

20、價(jià)格相對較低；同時(shí)根據(jù)需要可對軟件進(jìn)行修改以滿足新的需求，這種檢測技術(shù)伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展，更新快；開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低；接口友好，操作簡便，用戶不用不斷的調(diào)整儀器旋鈕；可方便地與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和其它外設(shè)相連接2。就金屬探傷方面來說，國內(nèi)還沒有廠家生產(chǎn)真正意義上的虛擬儀器。一些廠家采用計(jì)算機(jī)顯示探傷波形，但實(shí)際上數(shù)據(jù)處理還是采用硬件實(shí)現(xiàn)。例如武漢中科創(chuàng)新技術(shù)公司的多用途多通道超聲波探傷系統(tǒng)，其硬件電路復(fù)雜、體積龐大，沒有體現(xiàn)出虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)資源，節(jié)約硬件成本，降低硬件開發(fā)難度的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)就國內(nèi)已有超聲探傷儀的不足，有針對性地設(shè)計(jì)一臺(tái)可以克服以上缺點(diǎn)的虛擬超聲探傷儀，用以填補(bǔ)國內(nèi)在這方面研

21、究的空白。1.4重軌的形狀及探傷原理重軌的形狀比較復(fù)雜，呈工字形，由軌頭、軌腰、軌底等幾種不同的幾何形狀組成，接頭處還有螺栓孔等等，如下圖1.1所示。重軌的探測面沒有選擇的余地，探頭只能分布在軌頭頂面。根據(jù)重軌中傷損的分布及形狀和取向，需要有垂直入射的探頭，以及要有不同角度傾斜入射的探頭才能盡量擴(kuò)大檢查區(qū)域，把探傷死角減到最小3。圖1.1 重軌示意圖圖1.2探測區(qū)域圖根據(jù)重軌的幾何形狀、可能產(chǎn)生傷損的部位及超聲波的傳播規(guī)律，可把重軌劃分為三個(gè)探傷區(qū)域，如圖1.2所示。對于區(qū)常發(fā)生核傷（軌頭橫向疲勞裂紋），由于區(qū)軌頭厚度較小，宜用折射角=70的探頭。原理圖如圖1.3所示。圖1.3區(qū)探測示意圖對于

22、沿軌腰寬度，由軌頭頂面到軌底的區(qū)，高度達(dá)到176mm（p60重軌），宜采用折射角=37的探頭。圖1.4為=37探頭在不同位置對各種傾斜裂紋的探測原理。圖1.4 區(qū)用370探頭探測示意圖圖1.5 區(qū)用0探頭探測示意圖對于區(qū)水平裂紋、縱向垂直裂紋，可采用0探頭檢查，如圖1.5所示。對于區(qū)，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既有傾斜裂紋，又有縱向裂紋，可以選用其它無損檢測方法，如渦流無損檢測等。為了同時(shí)檢查軌頭內(nèi)、外測至少需要兩只70探頭，為了能檢查到螺栓孔四個(gè)象限的些裂紋。必須有向前和向后發(fā)射的兩只37探頭，加上0直探頭，共五只探頭。根據(jù)缺陷取向?qū)夭ǜ叨鹊挠绊?，超聲波垂直入射缺陷表面時(shí)反射回波最強(qiáng)，缺陷最容易被探

23、測檢出。這五個(gè)探頭對于重軌全長探傷是至關(guān)重要的，是必不可少的，但還不夠充分，有部分缺陷，如小角度的螺栓孔裂紋（與螺栓孔水平對稱線成15左右）。要解決這類缺陷的檢查最好用折射角在1518的小角度縱波探頭。對位于重軌頭中部的橫向疲勞裂紋，折射角70探頭與前進(jìn)方向偏角越大（一般1420），顯然越不利于探測，即使是位于軌頭內(nèi)、外側(cè)的核傷，往往也有一點(diǎn)的傾斜角，由一個(gè)方向發(fā)射超聲波的折射角70探頭并不一定很合適，需要定期調(diào)換探頭方向，減少漏檢。對于軌底橫向缺陷，用折射角37探頭搜查時(shí)靈敏度很高，但較難分辨是裂紋還是銹蝕反射，需要用雙探頭串列法鑒別3。本次設(shè)計(jì)，由于設(shè)計(jì)者自身水平和時(shí)間等因素，我們只選擇一

24、個(gè)界面，如圖1.2所示的區(qū)。1.5本章小結(jié)無損檢測是在不損害被探測對象使用性能的條件下探測物體內(nèi)部缺陷的技術(shù)，對于降低產(chǎn)品成本、提高安全可靠性、改進(jìn)制造工藝都非常重要。超聲波是應(yīng)用最廣的無損檢測方法，它具有被測范圍廣、檢測深度大、靈敏度高、操作方便、快速、正確、經(jīng)濟(jì)、對人體無害等優(yōu)點(diǎn)。因此，超聲探傷儀的研制非常重要。目前國內(nèi)超聲探傷儀產(chǎn)品主要是以微處理器為核心，以大規(guī)模集成芯片為外圍電路的智能化儀器。由于硬件的束縛，這種探傷儀有成本高、智能化程度低、設(shè)計(jì)復(fù)雜，功能固化等缺點(diǎn)。本課題設(shè)計(jì)了一臺(tái)虛擬超聲探傷儀，系統(tǒng)由pci-6221數(shù)據(jù)采集卡，虛擬儀器軟件，計(jì)算機(jī)三部分組成。采集卡將超聲波缺陷信號(hào)

25、通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)后利用labview軟件進(jìn)行一系列的處理最后顯示結(jié)果。第二章 虛擬超聲波探傷儀的總體結(jié)構(gòu)本課題目的在于設(shè)計(jì)一臺(tái)虛擬超聲波探傷儀。對此我們有兩種方案可以選擇：第一種是完全采用labview軟件實(shí)現(xiàn)超聲波探傷儀的全部功能，如超聲波信號(hào)發(fā)生器、缺陷顯示等。第二種是部分采用傳統(tǒng)超聲波探傷儀的功能，如超聲波發(fā)生電路。對于回波信號(hào)則采用軟件處理。對比這兩種方案，第一種完全利用軟件實(shí)現(xiàn)，難度比較大，況且就超聲波信號(hào)發(fā)生器而言，本身就是一個(gè)設(shè)計(jì)題目，故為了節(jié)省時(shí)間，則選擇采用第二種方案。在這種方案中，硬件部分用傳統(tǒng)超聲波探傷儀的發(fā)射電路產(chǎn)生高壓電脈沖，加到探頭里的壓

26、電晶片上，使晶片產(chǎn)生超聲波，對重軌進(jìn)行探傷后，利用pci-6221數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集缺陷回波信號(hào)，然后輸送到計(jì)算機(jī)內(nèi)，這時(shí)怎樣處理回波信號(hào)就成了關(guān)鍵問題，對此我們有兩種方案來處理回波信號(hào)。一種是根據(jù)全波采樣數(shù)字式超聲波檢測儀的工作原理，提取回波整體信息然后再進(jìn)行其他處理。另一種是根據(jù)峰值采樣數(shù)字式超聲波檢測儀的工作原理，先進(jìn)行峰值保持，再進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行其他相應(yīng)處理。由于我們使用的是pci-6221數(shù)據(jù)采集卡，采集卡內(nèi)部本身就具有a/d轉(zhuǎn)換等多種信號(hào)處理功能，所以，對于先進(jìn)行峰值保持這一環(huán)節(jié)，我們需加峰值保持器，多增加了外部設(shè)備，這與我們的硬件盡量少的方針不相符，因此，我們采

27、用第一種方案即提取回波整體信息，然后再進(jìn)行相應(yīng)的處理。則系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。圖2.1 虛擬超聲波探傷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖工作原理闡述如下：首先傳統(tǒng)超聲波探傷儀的發(fā)射電路產(chǎn)生高壓電脈沖，加到探頭里的壓電晶片上，使晶片產(chǎn)生超聲波，對重軌進(jìn)行探傷后，其次由labview控制面板的采集鍵控制數(shù)據(jù)采集操作，當(dāng)按下采集按鈕后， pci-6221數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行相應(yīng)的a/d轉(zhuǎn)換后輸入到計(jì)算機(jī)，然后由labview軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)等操作。虛擬超聲波探傷儀基本結(jié)構(gòu)分兩部分：一部分是硬件部分，一部分是軟件部分。硬件部分包括聲波發(fā)射電路、探頭、pci-6221數(shù)據(jù)采集卡、pci總線插槽，

28、其余儀器功能通過計(jì)算機(jī)依靠labview實(shí)現(xiàn)，做到最大程度節(jié)約硬件、降低成本。軟件部分界面操作方便，可以直觀顯示超聲波缺陷回波信號(hào)，存儲(chǔ)波形、讀取波形等。實(shí)際設(shè)計(jì)分三部分：數(shù)據(jù)采集電路、接口電路、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果顯示。其中數(shù)據(jù)采集電路和接口電路是硬件部分，數(shù)據(jù)處理及結(jié)果顯示是軟件部分。數(shù)據(jù)采集由pci-6221數(shù)據(jù)采集卡完成，負(fù)責(zé)接收回波信號(hào)、a/d轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?；信?hào)處理及結(jié)果顯示的任務(wù)由計(jì)算機(jī)通過labview來完成，具體工作包括超聲波缺陷回波信號(hào)顯示、缺陷的直觀顯示、波形存儲(chǔ)與讀取等。數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)的通信通過pci總線插槽來實(shí)現(xiàn)。本課題主要做了如下幾個(gè)方面的研究工作：第一章首先介

29、紹無損檢測的概念及超聲檢測技術(shù)的發(fā)展概況及今后的發(fā)展方向，接著介紹了虛擬儀器技術(shù)的概念和構(gòu)成，然后闡述了課題背景及意義，最后給出論文的主要研究內(nèi)容并介紹了重軌檢測的原理以及方法。第二章簡要介紹了虛擬超聲波探傷儀的總體設(shè)計(jì)方案，大致闡述了設(shè)計(jì)的思路，為今后設(shè)計(jì)指明了方向。第三章簡要介紹了超聲波的概念、分類以及其在異質(zhì)界面上的效應(yīng)，最后簡單介紹了構(gòu)成超聲波探傷的一些設(shè)備，如超聲波探傷儀、探頭和標(biāo)準(zhǔn)試塊等。第四章詳細(xì)敘述了虛擬超聲波探傷儀硬件設(shè)計(jì)，闡述了硬件部分要實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射、缺陷回波信號(hào)的接收、數(shù)據(jù)傳輸以及整個(gè)電路工作的協(xié)調(diào)控制等功能。第五章詳細(xì)敘述了虛擬超聲波探傷儀的軟件設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大

30、的圖形圖像處理功能，利用labview強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)了超聲波缺陷回波信號(hào)的顯示與存儲(chǔ)讀取等操作。第六章介紹了程序調(diào)試時(shí)一些出現(xiàn)的問題及處理方法，同時(shí)，總結(jié)了本設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后，引入計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)功能，對探傷儀的遠(yuǎn)程監(jiān)控提出了要求。第三章 虛擬超聲波探傷儀概述虛擬超聲波探傷儀是超聲波探傷技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。在超聲波探傷系統(tǒng)中，主要運(yùn)用了超聲波在介質(zhì)中的一些傳播原理，因此本章首先簡要介紹一下有關(guān)超聲波的基本知識(shí)。3.1超聲波概述3.1.1超聲波的基本概念振動(dòng)和波動(dòng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本形式之一，物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復(fù)周期性的運(yùn)動(dòng)，稱為機(jī)械振動(dòng)。振動(dòng)物體在任意時(shí)刻的位移情

31、況可以由它的振動(dòng)方程描述：。振動(dòng)的傳播過程，稱為波動(dòng)。產(chǎn)生機(jī)械波必須要有兩個(gè)條件：(1) 要有作機(jī)械振動(dòng)的波源。(2) 要有能傳播機(jī)械波的彈性介質(zhì)。次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，它們的區(qū)別主要是頻率上的不同。人們把頻率在2020000hz之間能引起聽覺的機(jī)械波稱為聲波，頻率低于20hz的機(jī)械波稱為次聲波，頻率高于20000 hz的機(jī)械波則稱為超聲波。次聲波和超聲波人耳都聽不到。超聲波探傷所用的超聲波頻率一般在0.510 mhz之間，對鋼等一些金屬材料的檢驗(yàn)常用的聲波頻率在15mhz。超聲波的波長很短，由此決定了超聲波具有一些重要特性，使其能夠廣泛應(yīng)用于無損探傷：(1) 超聲

32、波的方向性好超聲波的頻率很高，波長很短。在無損探傷中使用的超聲波波長為毫米數(shù)量級(jí)。超聲波可以像光束一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射。(2) 超聲波能量高超聲波探傷時(shí)的頻率遠(yuǎn)高于聲波，而能量(聲強(qiáng))是與頻率的平方成正比。因此，超聲波的能量遠(yuǎn)大于聲波的能量。(3) 超聲波能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換在超聲波探傷中，特別是超聲波脈沖反射法探傷中，利用了超聲波具有幾何聲學(xué)的一些特點(diǎn)，如在介質(zhì)中直線傳播，遇到界面會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等。(4) 超聲波穿透能力強(qiáng)超聲波在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)，在一些金屬材料中其穿透能力可達(dá)數(shù)米。這是其它的探傷手段所無法比擬

33、的。3.1.2超聲波的分類3.1.2.1根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類根據(jù)波動(dòng)傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向，可以把超聲波分為縱波、橫波、表面波和板波等。(1) 縱波介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向相同的波，稱為縱波。當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到往復(fù)壓應(yīng)力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮形變，從而形成縱波。此時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)疏密相間，故縱波又稱為壓縮波或疏密波。(2) 橫波介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相垂直的波稱為橫波，用s或t表示。當(dāng)介質(zhì)受到交變的剪切力作用時(shí)，產(chǎn)生切變形變，從而形成橫波。只有固體介質(zhì)才能承受剪切應(yīng)力，液體和氣體都不能承受剪應(yīng)力。因此橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，而不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。(

34、3) 表面波當(dāng)介質(zhì)表面受到交變的應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波，常用r表示。表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓運(yùn)動(dòng)可以看作為縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)的合成，即縱波與橫波的合成。因此表面波只能在固體介質(zhì)中傳播，而不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?，而且表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱，當(dāng)傳播深度超過波長的兩倍時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振幅已經(jīng)很小。因此，一般認(rèn)為表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距離工件表面兩倍波長深度內(nèi)的缺陷。3.1.2.2根據(jù)振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類根據(jù)振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間長短又可以把超聲波分為連續(xù)波和脈沖波。(1)

35、波源持續(xù)不斷地振動(dòng)所輻射的波稱為連續(xù)波。(2) 波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間短(通常是毫微秒數(shù)量級(jí))，間歇輻射的波稱為脈沖波。目前在超聲探傷中得到廣泛應(yīng)用的是脈沖波。3.1.2.3根據(jù)波的形狀分類波的形狀(波形)是根據(jù)波陣面的形狀來區(qū)分的。根據(jù)波陣面的不同，可以把不同波源發(fā)出的波分為平面波、柱面波和球面波，這里就不作詳細(xì)介紹了。3.1.3超聲波在平面異質(zhì)界面上的效應(yīng)所謂異質(zhì)界面，是只有兩種聲阻抗不同的介質(zhì)所構(gòu)成的界面，如氣體/液體界面、氣體/固體界面、液體/固體界面以及固體(z1)/固體(z2)界面等。波的傳播總會(huì)受到界面的干擾。超聲波屬于機(jī)械波，只能在彈性介質(zhì)中傳播。因此，當(dāng)它遇到真空界面時(shí)，就只能以某

36、種形式返回。這種現(xiàn)象若發(fā)生在光滑界面上時(shí)，則稱為反射；若發(fā)生在粗糙界面上時(shí)，稱為散射。如果一種介質(zhì)與另一種介質(zhì)緊貼著，聲波就能透過界面繼續(xù)向前傳播，這種現(xiàn)象稱為透射。當(dāng)聲波通過兩種介質(zhì)的界面時(shí)，一部分將被界面反射回第一介質(zhì)。稱為反射波；另一部分將通過界面進(jìn)入第二介質(zhì)，稱為透射波。并且，聲波透過界面時(shí)將發(fā)生折射和波型轉(zhuǎn)換，其方向和強(qiáng)度也要發(fā)生變化，其變化的大小決定于兩種介質(zhì)的聲阻抗值和原波的入射方向。下面我們應(yīng)用幾何光學(xué)原理，討論超聲波在平面異質(zhì)界面上的反射波和折射波的傳播方向。當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，其入射方向相對于異質(zhì)界面而言，可以是垂直入射，也可以是傾斜入射。當(dāng)垂直入射時(shí)，只

37、有反射和透射；當(dāng)傾斜入射時(shí)，除反射外，透射波要發(fā)生折射現(xiàn)象，同時(shí)伴隨著有波型轉(zhuǎn)換。所謂波型轉(zhuǎn)換，就是在第二介質(zhì)中傳播的波型己不同于入射波的波型。如圖3.1所示，有一束平面縱波l以聲速c，入射到由阻抗為和的兩種介質(zhì)所構(gòu)成的平面界面上的o點(diǎn)。o點(diǎn)稱為入射點(diǎn)。l稱為入射波。入射波l的主聲束軸線與界面法線的夾角稱為入射角。 圖3.1 超聲波在平面異質(zhì)界面的折射和反射根據(jù)幾何光學(xué)原理，聲束l入射到平面界面上時(shí)，有一部分反射回第一介質(zhì)，即和，分別稱為反射縱波和反射橫波。因?yàn)槿栽诘谝唤橘|(zhì)中傳播，聲速仍為。與法線的夾角稱為縱波反射角。與法線的夾角稱為橫波反射角。而另一部分聲波將通過界面，進(jìn)入的第二介質(zhì)，并發(fā)生

38、波型轉(zhuǎn)換。這時(shí)，由于入射角的大小不同，在第二介質(zhì)中傳播的波，可能是縱波、橫波或表面波，或兼而有之。在圖中，透過界面后就是縱波和橫波。這時(shí)，稱為折射縱波，稱為折射橫波。稱為縱波折射角，稱為橫波折射角。如果入射波是橫波，同樣可以按照上述方法分析。下面分別對反射和折射情況進(jìn)行分析。并從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，重點(diǎn)分析折射問題。3.1.3.1反射設(shè)縱波l以入射角傾斜入射到由阻抗為和構(gòu)成的平面界面上時(shí)，將產(chǎn)生反射縱波。與此同時(shí)，由于波形轉(zhuǎn)換，又產(chǎn)生反射橫波。根據(jù)幾何光學(xué)反射定律，有 ，所以， （3-1）又 ，所以， （3-2）橫波入射用同樣的方法分析，在特殊情況下，當(dāng)入射角為零，即垂直入射時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)與入

39、射方向相反的反射波，縱波反射角也等于零，這是最簡單的情況。脈沖反射法就是利用了超聲波的反射作用來探測缺陷的。3.1.3.2折射當(dāng)入射波以某一入射角入射到第二介質(zhì)為固體的異質(zhì)平面界面上時(shí)，將發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。透射波將分離為折射縱波或折射橫波。這兩種折射波的傳播方向是不同的，且都不同于入射波的方向。如圖3.1所示。根據(jù)幾何光學(xué)的折射定律。折射波的折射角可按下式確定 （3-3） （3-4） （3-5）折射縱波在第二介質(zhì)中的聲速折射橫波在第二介質(zhì)中的聲速(1) 第一臨界角當(dāng)縱波入射時(shí)，且在時(shí)，則由式(3-4)可知：，隨著的增大而增大。當(dāng)=90時(shí)，縱波入射角稱為第一臨界角，以表示。當(dāng)縱波入射角時(shí)，第二介質(zhì)中

40、只有折射橫波存在。這種情況構(gòu)成縱波全反射。第一臨界角可以按下式確定： （3-6）(2) 第二臨界角當(dāng)入射波為縱波，第二介質(zhì)為固體，且時(shí)，則，也隨著的增大而增大。當(dāng)=90時(shí)，縱波入射角稱為第二臨界角，以表示，且 （3-7）通常在超聲檢測中，臨界角的主要應(yīng)用是在第二介質(zhì)為固體，而第一介質(zhì)為固體或液體的情況下。這種情況下，可利用入射角在第一臨界角和第二臨界角之間的范圍，在固體中產(chǎn)生一定角度范圍內(nèi)的純橫波，對試件進(jìn)行檢測。如：采用水浸法，使縱波以適當(dāng)角度傾斜入射至水和鋼的界面，在鋼中產(chǎn)生折射橫波。(3) 第三臨界角第三臨界角是在固體介質(zhì)與另一種介質(zhì)的界面上，用橫波作為入射波時(shí)產(chǎn)生的。這種情況下，固體介

41、質(zhì)1中同時(shí)存在反射橫波和反射縱波，其中橫波反射角等于入射角，而縱波反射角大于入射角。當(dāng)入射角增到到某一數(shù)值，將使縱波反射角為90。如此，定義第三臨界角為橫波入射時(shí)，使縱波反射角達(dá)到90時(shí)的橫波入射角，用表示。對于鋼來說，=33.2，因此，橫波斜入射至鋼與其它介質(zhì)的界面上的入射角大于 33.2時(shí)，則不再產(chǎn)生反射縱波。這對于橫波斜入射檢測是十分有利的，因?yàn)闄M波檢測聲束路徑上常常要在試件的上下底面間經(jīng)過一次或多次反射。3.2超聲波探傷的設(shè)備組成5超聲波探傷儀、探頭和試塊是超聲波探傷系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，下面簡要介紹一下這些設(shè)備的原理以及構(gòu)造。3.2.1超聲波探傷儀超聲波探傷儀是超聲波探傷的主體設(shè)備，它

42、的作用是產(chǎn)生電振蕩加至換能器探頭上，激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)將探頭送回的電信號(hào)進(jìn)行放大，通過一定方式顯示出來，從而得到被探工件內(nèi)部有無缺陷及缺陷位置和大小等信息。超聲波探傷技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，由于探測對象、探測目的、探測場合、探測速度等方面的不同要求，因而有不同的超聲波探傷儀，常用的有以下幾種： 一、按超聲波的連續(xù)性分類(1) 脈沖波探傷儀：這種儀器通過探頭向工件周期性地發(fā)射不連續(xù)而且頻率不變的超聲波，根據(jù)超聲波的連續(xù)時(shí)間及幅度判定工件中缺陷的位置和大小。本設(shè)計(jì)采用脈沖波探傷儀。(2) 連續(xù)波探傷儀：這種儀器通過探頭向工件發(fā)射連續(xù)而且頻率不變(或在小范圍內(nèi)周期性變化)的超聲波，根據(jù)

43、透過工件的超聲波強(qiáng)度變化來判斷工件中有無缺陷及缺陷大小。(3) 調(diào)頻波探傷儀：這種儀器探頭發(fā)出的是連續(xù)的頻率不斷變化的超聲波，根據(jù)發(fā)射波與反射波的頻差變化情況判斷工件有無缺陷。現(xiàn)在大多已被脈沖探傷儀所取代。二、按缺陷顯示方式分類(1) a型顯示探傷儀：a型顯示是一種波形顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標(biāo)代表波的傳播時(shí)間(或距離)。縱坐標(biāo)代表反射波的幅度，由反射波的位置可以確定缺陷的位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。如圖3.2(a)所示。本設(shè)計(jì)采用a型顯示。(2) b型顯示探傷儀：b型顯示是一種圖像顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標(biāo)是靠機(jī)械掃描代表探頭的掃描軌跡，縱坐標(biāo)是靠電子掃描來代表聲波的傳播時(shí)間(或距

44、離)，因而可以直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度。如圖3.2(b)所示。(3) c型顯示探傷儀：c型顯示也是一種圖像顯示，探傷儀熒光屏的縱、橫坐標(biāo)都是靠機(jī)械掃描來代表探頭在工件表面的位置。探頭接收信號(hào)幅度以光點(diǎn)灰度表示，或者以不同的顏色表示。因而當(dāng)探頭在工件表面移動(dòng)時(shí)，熒光屏上便顯示出工件內(nèi)部缺陷的平面圖像，但是不能顯示缺陷的深度。如圖3.2(c)所示。(a) a型顯示 (b) b型顯示 (c) c型顯示圖3.2 缺陷顯示方式3.2.2探頭的種類和結(jié)構(gòu)探頭是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與聲信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的器件，是超聲波探傷儀的重要組成部分。目前所用到的探頭，絕大多數(shù)是利用壓電效應(yīng)原理制作的。探

45、頭中的核心元件是壓電晶片，它的作用是發(fā)射和接收脈沖超聲波。壓電晶片是探頭的關(guān)鍵元件，其性能好壞直接關(guān)系到探頭的質(zhì)量，因而各種探頭的壓電晶片都是經(jīng)過精心制作而成的。超聲波探傷中，由于被探工件的形狀和材質(zhì)、探傷的目的、探傷的條件不同，因而使用各種不同形式的探頭。在超聲波探傷中常用的探頭包括直探頭、斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭等。波束垂直于被探工件表面入射的探頭稱為直探頭。直探頭用來發(fā)射和接收縱波，一般用于手工操作接觸法探傷。直探頭既適宜于單探頭反射法，也適宜于雙探頭穿透法。使波束傾斜于工件表面射入工件的探頭稱為斜探頭，依入射角度的不同，可以在工件中產(chǎn)生縱波、橫波和表面波，也可以在薄板中產(chǎn)生板波。通

46、常的斜探頭指橫波斜探頭，它的標(biāo)稱方式常用橫波在鋼中的折射角的正切值(也稱為k值)來標(biāo)稱。超聲波探傷中，超聲波的發(fā)射和接收都是通過探頭實(shí)現(xiàn)的。探頭的類型很多，性能各不相同，需要根據(jù)檢驗(yàn)的對象合理的選擇探頭。比如在探測鍛件時(shí)，一般選用直探頭在鍛壓面上探測；而在檢查焊縫時(shí)，因?yàn)榇嬖诤缚p加強(qiáng)面以及危險(xiǎn)缺陷大多垂直于或大致垂直于探測面，一般選用斜探頭探傷。本設(shè)計(jì)選擇的重軌探傷區(qū)域如圖1.2的區(qū)，因此我們選擇接觸式縱波斜探頭和接觸式縱波直探頭探傷。3.2.3標(biāo)準(zhǔn)試塊所謂標(biāo)準(zhǔn)試塊，就是指它的材質(zhì)、形狀、幾何尺寸、性能等是由國際組織討論通過的，或者由某個(gè)國家的權(quán)威機(jī)關(guān)討論通過的。還有一些非標(biāo)準(zhǔn)的，可能是由用戶

47、制定的參考試塊，它們都是用來調(diào)節(jié)、校驗(yàn)儀器的。試塊上這些已知的特征可以造成特定的聲學(xué)特性，超聲波探傷儀在實(shí)際使用時(shí)常常采用與試塊相比較的辦法來確定被檢測物體的狀況。試塊在超聲波探傷技術(shù)中的應(yīng)用主要有三個(gè)方面：(1) 確定合適的探傷方法有時(shí)在探傷之前，我們就預(yù)先知道或者大概知道缺陷可能發(fā)生在什么部位，也有時(shí)僅僅需要探測某一部位有無缺陷。我們可以應(yīng)用在某個(gè)部位帶有某種人工缺陷(孔、凹槽等)的試塊來摸索合適的探傷方法。一般來說，在這樣的試塊上摸索到的規(guī)律，也適用于與試塊材質(zhì)、尺寸相同的工件。(2) 確定探傷靈敏度和評價(jià)缺陷的大小大多數(shù)的探傷儀都有較大的靈敏度調(diào)整范圍，以便能探測不同種類、不同厚度的工

48、件。在每次探傷時(shí)使用的靈敏度各不相同，為了能確定探傷時(shí)所采用的靈敏度，就需要使用帶有人工缺陷的試塊。用人工缺陷波的波高表示探傷靈敏度，是最常用的一種定量地表示靈敏度的方法。評價(jià)被探工件中某一深度處缺陷的大小，可以利用試塊，通過比較同一深度處的各種人工缺陷波波高的方法來實(shí)現(xiàn)。這就是超聲波探傷中常說的當(dāng)量法。(3) 測試和校驗(yàn)探傷儀及探頭的性能。3.3本章小結(jié)超聲波是一種機(jī)械波，在介質(zhì)中傳播遵循幾何光學(xué)特性，在不同材料界面之間會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。超聲波探傷是利用超聲波在異質(zhì)界面的反射作用判斷缺陷的存在，利用聲束的指向性對缺陷進(jìn)行定位，利用超聲反射或穿透聲壓的大小來鑒別材料缺陷的大小，缺陷顯示方式

49、分為a型、b型、c型顯示。同時(shí)，為了更加直觀對比缺陷，介紹了標(biāo)準(zhǔn)試塊。 第四章 虛擬超聲波探傷儀的硬件部分4.1硬件基本結(jié)構(gòu)虛擬超聲波探傷儀基本結(jié)構(gòu)分兩部分：一部分是硬件部分，另一部分是軟件部分。硬件部分要實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射、缺陷回波信號(hào)的接收、數(shù)據(jù)傳輸以及整個(gè)電路工作的協(xié)調(diào)控制等功能。為此提出了如圖4.1的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。圖4.1 虛擬超聲波探傷儀結(jié)構(gòu)圖工作原理闡述如下：首先傳統(tǒng)超聲波探傷儀的發(fā)射電路產(chǎn)生高壓電脈沖，加到探頭里的壓電晶片上，使晶片產(chǎn)生超聲波，對重軌進(jìn)行探傷后，其次由labview控制面板的采集鍵控制數(shù)據(jù)采集操作，當(dāng)按下采集按鈕后， pci-6221數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后

50、輸入到計(jì)算機(jī)。4.2超聲波發(fā)射電路4發(fā)射部分能產(chǎn)生約500v以上的高壓電脈沖，這個(gè)電脈沖加到壓電晶片上能使晶片發(fā)出超聲波。發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)諧式兩種，電路原理分別如圖4.2和圖4.3所示。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈（有時(shí)裝在探頭內(nèi)），諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。通常采用改變的方法來改變發(fā)射強(qiáng)度。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨力低，適宜于探測厚度大，對分辨力要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大，分辨力高，在探測近表面缺陷時(shí)或?qū)Ψ直?/p>

51、力有較高要求時(shí)應(yīng)予采用。4.2.1調(diào)諧式發(fā)射電路如圖4.2所示為調(diào)諧式發(fā)射電路，和組成并聯(lián)諧振電路。電路在穩(wěn)態(tài)時(shí)，可控硅不導(dǎo)通，電容充電，其充電線路： 。當(dāng)觸發(fā)脈沖加到可控硅控制極時(shí)，使其導(dǎo)電，電容c則通過可控硅放電。放電線路： 圖4.2 調(diào)諧式發(fā)射電路。電容c放電時(shí)，在諧振回路內(nèi)引起故障諧振。電容電路中，以及換能器構(gòu)成了諧振回路，頻率為。為換能器本身的電容線圈的分布電容及其他分布電容之和。由于諧振回路在上消耗的能量，振蕩很快停止，形成脈沖波l。由于探頭工作在諧振狀態(tài)，因此余振時(shí)間較長，從而盲區(qū)也較大，另外探頭發(fā)射的聲波頻帶也較窄，所以此電路適于窄帶探傷。相當(dāng)于一個(gè)分流電阻，起阻尼作用，用來調(diào)

52、節(jié)發(fā)射功率的強(qiáng)弱。當(dāng)增大時(shí)，分流作用減小，阻尼減小，發(fā)射功率增大，同時(shí)盲區(qū)增大。反之亦然。本設(shè)計(jì)采用調(diào)諧式發(fā)射電路。4.2.2非調(diào)諧式發(fā)射電路非調(diào)諧式發(fā)射電路如圖4.3所示，工作原理與調(diào)諧式相似，只是在探頭的兩端沒有并聯(lián)諧振電感，所以電路是工作在非諧振狀態(tài)，它的發(fā)射頻率主要由探頭的固有參數(shù)決定(連接電纜的分布電容也有一定的影響)，所以探頭發(fā)射聲波的頻帶比較寬，頻帶寬就意味著發(fā)射脈沖窄，所以發(fā)射盲區(qū)也就比較小，這種發(fā)射電路適合于寬頻帶探傷儀，以及探測近表面的缺陷。圖4.3 非調(diào)諧式發(fā)射電路4.3 pci-6221數(shù)據(jù)采集卡pci- 6221 是ni 公司推出的m系列低價(jià)位多功能數(shù)據(jù)采集卡，它具有

53、2 路的模擬輸出，16 路模擬輸入，24 路數(shù)字i /o。分辨率：16-bit，采樣率：250ks/s。圖4.4為其管腳圖。本設(shè)計(jì)采用的是通道ai8，如圖4.4所示的34管腳，與外部信號(hào)輸入端的正端相連接。另外，ai gnd(32管腳)與外部信號(hào)輸入端的負(fù)端(或地線)相連接。圖4.4 pci-6221數(shù)據(jù)采集卡管腳圖pci-6221數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)回波的接收、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、與計(jì)算機(jī)的串行通信等功能。4. 4數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)的通信pci是peripheral component interconnect(外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn))的縮寫，是intel公司1991年推出的用于定義局部總線的標(biāo)準(zhǔn)。pci總線

54、是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，pci是在cpu和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級(jí)總線，具體由一個(gè)橋接電路實(shí)現(xiàn)對這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號(hào)緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時(shí)鐘頻率下保持高性能。pci總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時(shí)取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。pci插槽是基于pci局部總線的擴(kuò)展插槽，其顏色一般為乳白色，位于主板上agp插槽的下方，isa插槽的上方。其位寬為32位或64位，工作頻率為33mhz,最大數(shù)據(jù)傳輸率為133mb/sec(32位)和266mb/sec(64位)?？刹褰语@卡、聲卡、網(wǎng)卡、內(nèi)置modem、內(nèi)置adsl modem、usb2.0卡、ieee1394卡、ide接口卡、raid卡、電視卡、視頻采集卡以及其它種類繁多的擴(kuò)展卡。pci插槽是主板的主要擴(kuò)展插槽，通過插接不同的擴(kuò)展卡可以獲得目前電腦能實(shí)現(xiàn)的幾乎所有功能，是名副其實(shí)的“萬用”擴(kuò)展插槽。而我們的pci-6221數(shù)據(jù)采集卡則就是插放在pci插槽內(nèi)，連通了數(shù)據(jù)采集卡