魯延峰，　沈曉紅，　李　凱

(北京工商大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京　100048)

在當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)中，無損檢測(cè)技術(shù)有著廣泛應(yīng)用. 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，把計(jì)算機(jī)技術(shù)的強(qiáng)大處理功能應(yīng)用到工業(yè)探傷中，以適應(yīng)現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)成為必然. 基于虛擬儀器的無損探傷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生. 虛擬儀器(virtual instrumentation，簡稱VI)是以計(jì)算機(jī)為核心、以儀器系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的緊密結(jié)合為出發(fā)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化儀器，它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大計(jì)算和處理功能,結(jié)合相應(yīng)的硬件，突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示和傳送等方面的限制，使用戶可以方便地對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)等. 本文構(gòu)建的超聲檢測(cè)虛擬儀器將超聲檢測(cè)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了超聲波的發(fā)射以及超聲回波信號(hào)的程控放大、實(shí)時(shí)采集和處理，并能通過軟件實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)參數(shù)的設(shè)定和檢測(cè)過程的控制，對(duì)提高超聲檢測(cè)的精度、效率具有十分重要的意義.

1　虛擬超聲檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1　超聲波檢測(cè)原理及系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

超聲波無損檢測(cè)(ultrasonic flaw-detection)利用材料內(nèi)部缺陷的聲學(xué)性質(zhì)對(duì)超聲波傳播的影響,非破壞性地探測(cè)出設(shè)備或工件表面和內(nèi)部缺陷(如裂紋、氣泡)的大小、形狀及其分布情況[1]. 一般情況下，回波顯示方式，橫坐標(biāo)是超聲波的傳播時(shí)間或者傳播距離,縱坐標(biāo)是超聲波反射波的幅值. 如果在某個(gè)金屬工件中存在一個(gè)缺陷,缺陷與金屬材料之間形成一個(gè)不同介質(zhì)之間的交界面,交界面之間的聲阻抗是不同的,當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到這個(gè)界面,就會(huì)發(fā)生反射. 反射回來的能量又被探頭接收到,在顯示屏幕中橫坐標(biāo)的一定位置處出一個(gè)反射波的波形,這個(gè)位置就是缺陷在被檢測(cè)材料中的深度，這個(gè)反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同,反映了缺陷的性質(zhì).通過調(diào)節(jié)探傷靈敏度,可對(duì)此缺陷進(jìn)行定性和定量分析.

本系統(tǒng)采用工控機(jī)加超聲檢測(cè)卡的方式. 自行開發(fā)超聲檢測(cè)卡，該卡應(yīng)用ISA總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，通過該卡完成超聲探頭激勵(lì)脈沖的產(chǎn)生、超聲回波信號(hào)的接收放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入卡上FPGA的存儲(chǔ)單元，之后在計(jì)算機(jī)軟件讀取FPGA內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理和結(jié)果顯示.

1.2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

虛擬超聲檢測(cè)系統(tǒng)整合了最新的虛擬儀器思想，由儀器硬件(工控機(jī)、超聲檢測(cè)卡、探頭)和儀器軟件(LabWindows/CVI平臺(tái)開發(fā)的高層用戶界面，檢測(cè)卡驅(qū)動(dòng)程序)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1.

圖1　超聲檢測(cè)系統(tǒng)示意Fig.1　Whole block diagram of Ultrasonic-testing system

2　硬件電路工作原理

圖3　虛擬超聲檢測(cè)系統(tǒng)用戶界面Fig.3　User-interface of Virtual Ultrasonic-testing system

超聲檢測(cè)卡是整個(gè)儀器的重要組成部分，考慮到超聲檢測(cè)中回波信號(hào)數(shù)據(jù)量以及ISA總線設(shè)計(jì)簡單、成本低、速度適中等特點(diǎn)，超聲檢測(cè)卡設(shè)計(jì)成基于ISA總線標(biāo)準(zhǔn). 其工作原理是，超聲檢測(cè)卡按照用戶要求，通過計(jì)算機(jī)虛擬儀器的用戶界面設(shè)定的超聲波發(fā)射脈沖重復(fù)頻率(20～2 kHz)產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號(hào)，控制同步電路產(chǎn)生觸發(fā)超聲波發(fā)射脈沖信號(hào)Trig、采樣起始信號(hào)Ts、采樣結(jié)束信號(hào)Te，信號(hào)Trig觸發(fā)發(fā)射電路產(chǎn)生高頻電壓信號(hào)并加在發(fā)射探頭上，探頭受到高頻電壓信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生超聲波并通過耦合劑傳入工件. 超聲波遇到缺陷或工件底面反射回到探頭，探頭將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化成微弱電信號(hào)傳入超聲檢測(cè)卡. 超聲檢測(cè)卡通過限幅電路，AD8332進(jìn)行高頻放大，然后通過由阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波電路將微弱的電信號(hào)調(diào)制成適合AD9218轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào). AD9218是一個(gè)3 V，10 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，本檢測(cè)卡采用40 MHz采樣頻率. 其中由一片F(xiàn)PGA芯片EP1C12Q240C8及同步電路控制高速ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)過數(shù)字濾波后存入FPGA片內(nèi)開辟的RAM存儲(chǔ)單元，計(jì)算機(jī)讀取FPGA內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示. 其結(jié)構(gòu)如圖2.

圖2　超聲檢測(cè)卡結(jié)構(gòu)框圖Fig.2　Structure block diagram of Ultrasonic-testing card

3　虛擬超聲檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

超聲檢測(cè)軟件部分包括超聲檢測(cè)系統(tǒng)的用戶界面和超聲檢測(cè)卡的驅(qū)動(dòng)程序.

3.1　虛擬超聲檢測(cè)系統(tǒng)高層用戶界面設(shè)計(jì)

虛擬超聲檢測(cè)系統(tǒng)用戶應(yīng)用軟件是基于NI公司的Lab Windows/CVI平臺(tái)開發(fā)的. Lab Windows/CVI是32位面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺(tái),它以ANSI C為核心,將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)等測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合，其中超聲檢測(cè)系統(tǒng)用戶界面的功能是控制系統(tǒng)完成探傷過程及多通道檢測(cè)，C掃圖顯示，靈敏度校驗(yàn)和打印探傷報(bào)告等[2]. 其功能界面如圖3.

3.2　虛擬超聲檢測(cè)系統(tǒng)板卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

超聲檢測(cè)卡的驅(qū)動(dòng)程序完成超聲檢測(cè)卡上的I/O端口和內(nèi)存的訪問，從而控制參數(shù)設(shè)定和過程控制，該驅(qū)動(dòng)是基于WinDriver開發(fā)的，利用WinDriver開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，不需要熟悉操作系統(tǒng)的內(nèi)核，開發(fā)者在自己熟悉的開發(fā)環(huán)境下，利用用戶模式來開發(fā)所需的驅(qū)動(dòng)程序，具有簡單、高效的特點(diǎn)[3].

將超聲檢測(cè)卡插在工控機(jī)ISA插槽中，打開DriverWizard，新建一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)工程，選擇硬件設(shè)備的類型，本處選擇ISA card，輸入板卡資源I/O地址，內(nèi)存地址等(具體分配見表1，表2)，一直點(diǎn)擊“NEXT”按鈕，完成Windriver的自動(dòng)生成，選擇要使用的IDE，這里使用的是VC++6.0，IDE自動(dòng)啟動(dòng)，編譯產(chǎn)生二進(jìn)制文件，連接庫文件，使之成為windows可執(zhí)行程序文件. 對(duì)功能函數(shù)進(jìn)行分析，編寫DLL文件，應(yīng)用程序通過DLL來使用其導(dǎo)出函數(shù)實(shí)現(xiàn)和驅(qū)動(dòng)程序的接口，從而訪問硬件.

表1　I/O口地址資源Tab.1　Address resource of I/O

表2　RAM地址資源Tab.2　Address resource of RAM

4　應(yīng)用實(shí)例

將該系統(tǒng)整體連接并將其在機(jī)車軸承的探傷中得以實(shí)際應(yīng)用測(cè)試. 由探傷用戶界面的C數(shù)據(jù)顯示選項(xiàng)卡，可以看到軸承的缺陷的波形圖以及C掃描圖和展開圖，通過該選項(xiàng)卡可以清晰地看到缺陷的位置以及大小等信息，如圖4.

圖4　虛擬超聲檢測(cè)系統(tǒng)C數(shù)據(jù)顯示Fig.4　C-data display of Virtual Ultrasonic-testing system

為了方便探傷數(shù)據(jù)的保存，本系統(tǒng)特別添加了超聲探傷記錄卡的打印功能，其中包括檢驗(yàn)單位、探傷日期、探傷標(biāo)準(zhǔn)、所用探傷儀器及探頭、耦合液類型等，可以通過打印機(jī)將該軸承的探傷數(shù)據(jù)打印保存，方便日后的查閱，如圖5.

圖5　虛擬超聲檢測(cè)系統(tǒng)探傷記錄卡Fig.5　Test record of Virtual Ultrasonic-testing system

5　結(jié)　論

借助超聲檢測(cè)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、電子技術(shù)以及信號(hào)處理技術(shù)等開發(fā)了虛擬超聲檢測(cè)系統(tǒng)，包括超聲檢測(cè)卡的硬件設(shè)計(jì)、超聲檢測(cè)卡的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和超聲檢測(cè)系統(tǒng)用戶界面開發(fā). 實(shí)踐應(yīng)用證明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超聲檢測(cè)的數(shù)字化、圖形化和自動(dòng)化. 但由于技術(shù)和時(shí)間有限，該系統(tǒng)存在不足之處有待進(jìn)一步改善，比如使用人工智能、模式識(shí)別等算法提高系統(tǒng)檢測(cè)的可靠性.