湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 朱炳坤

湖北省纖維檢驗局

湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 王 建

一種基于虛擬儀器的金屬棒料自動無損檢測系統(tǒng)

湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 朱炳坤

湖北省纖維檢驗局

湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 王 建

本文闡述利用超聲波進(jìn)行探傷檢測和虛擬儀器編程語言LabVIEW調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)，實現(xiàn)超聲信號的發(fā)射及采集等的一套棒料自動無損檢測的系統(tǒng)。該技術(shù)替代傳統(tǒng)的使用超聲探傷儀檢測的方法，提高棒料的檢測效率和準(zhǔn)確性，降低檢測成本與工人勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)高精度的非接觸式測量和缺陷產(chǎn)品的自動分選，為缺陷信號的處理和解決等提供了一種新方法。

無損檢測；虛擬儀器；聚焦液浸法；聚焦探頭

0 前言

現(xiàn)在我國的檢測技術(shù)還處于發(fā)展階段，技術(shù)正在不斷更新，市場需求不斷擴(kuò)大。伴隨著工業(yè)生產(chǎn)對檢測技能要求的提高，目前國內(nèi)小型數(shù)字探傷設(shè)備還不夠完善，大多數(shù)設(shè)備都依賴國外進(jìn)口，價格高昂。即使我國自行研制出的檢測設(shè)備，設(shè)備之間無法實現(xiàn)共享數(shù)據(jù)，而虛擬儀器技術(shù)是基于計算機(jī)技術(shù)的自動測試技術(shù)，不僅具備功能化、模塊化的特點，而且還具有能夠?qū)崿F(xiàn)共享、占地面積小的優(yōu)點，如果把它應(yīng)用到超聲檢測中，它不但可以擴(kuò)大探傷功能，使檢測設(shè)備小型化，而且還可以實現(xiàn)自動檢測等。

棒料自動無損檢測系統(tǒng)通過應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，對超聲波信號進(jìn)行處理與計算，將檢測的結(jié)果顯示出來。該技術(shù)替代傳統(tǒng)的使用超聲探傷儀檢測的方法，提高棒料的檢測效率和準(zhǔn)確性，降低檢測成本與工人勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)高精度的非接觸式測量和缺陷產(chǎn)品的自動分選，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提升了企業(yè)競爭力。

1 棒料無損檢測方法設(shè)計

基于PC機(jī)的棒料無損檢測系統(tǒng)主要包括超聲傳感器、信號調(diào)理電路、采集卡、計算機(jī)、顯示、鍵盤輸入、運動控制卡、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成，其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

棒料的缺陷檢測的方法有很多種，在選擇檢測方法的時候需要根據(jù)被檢測材料的實際情況以及檢測方法的優(yōu)缺點等因素進(jìn)行綜合性的考慮，才能達(dá)到高效、準(zhǔn)確檢測的效果［1］。對于棒料的缺陷有縱向裂紋、橫向裂紋和皮下氣孔、鱗狀折疊等3種基本形式。

針對該棒料缺陷的特點，確定檢測的方案。首先確定液浸法，即探測頭和工件之間充入一定量的液體媒介作為傳播介質(zhì)，使聲波先在液體媒介中傳播，然后再射入檢測的工件中。這層液體可以延遲聲波傳播的速度，并且其不會減弱聲波的傳播。液浸法中探頭不與試件直接接觸，這樣探頭既不會受到磨損也不會接觸到那些難以控制的因素，而且探頭在液體中能更好的調(diào)整方向，聲波發(fā)射和接收也較穩(wěn)定。

采用超聲無損檢測作為棒料表面和近表面缺陷檢測的方法具有較高的靈敏度，且設(shè)備成本投入低、用戶操作簡單。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況選擇合適的檢測方法，系統(tǒng)采用探頭不動、棒料螺旋前進(jìn)的檢測方式，利用超聲波來實現(xiàn)對棒料缺陷的檢測。

在所有適宜作耦合劑的常用液體中，水是一種很好的耦合劑。因為水對聲波無任何影響，所以其常被用作聲延遲線，也即水浸法。常規(guī)的水浸法中，聲波在水和鋼的2次擴(kuò)散中，聲束無法聚攏，方向性差。為了改善這種情況，讓聲能變得集中，不受干擾，因而實際應(yīng)用中通常采用聚焦水浸潤法探測。

2 金屬棒料自動無損檢測硬件設(shè)計

2.1 檢測構(gòu)架設(shè)計

金屬棒料自動無損檢測區(qū)包括檢測平臺、水槽、超聲探頭以及耦合劑水。如圖2所示，金屬棒料以恒定的橫向速度前進(jìn)的同時也以恒定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，超聲探頭固定在支架上不動，水泵將水抽上來淹沒金屬棒材和探頭下部分，是超聲波幾乎無損失的耦合到金屬棒料中，可以實現(xiàn)高靈敏度的檢測。

圖2 構(gòu)架設(shè)計圖

2.2 聚焦探頭的參數(shù)和板卡的選型

該檢測系統(tǒng)采用的聚焦探頭來自于美國某著名超聲波檢測設(shè)備公司，型號為ISl002HR，其探頭頻率是10MHz，探頭晶片直徑D＝0.25英寸（即6.35ram），水中焦距F＝1.25英寸。系統(tǒng)選擇KW3000超聲采集卡和DMC1380運動控制卡，實現(xiàn)對超聲波信號的發(fā)射和接收以及對步進(jìn)電機(jī)的運動控制。

2.3 檢測硬件的設(shè)計

（1）強(qiáng)、弱電。檢測系統(tǒng)的強(qiáng)電部分主要包括一個42V電源（給雷賽步進(jìn)電機(jī)供電），一個24V電源、一個空開、5個插座（其中一個為預(yù)留檢修插座）、一個交流接觸器。弱電部分主要包括2個ND556電機(jī)驅(qū)動器、一個ND882電機(jī)驅(qū)動器、DMC1380板卡接線端子、2個限位開關(guān)、5個電磁閥。

（2）氣動控制。檢測氣動控制主要包括氣源、調(diào)壓過濾器、電磁閥組、汽缸等，氣源產(chǎn)生足夠的壓力，經(jīng)過調(diào)壓過濾器的調(diào)節(jié)作用得到需要的穩(wěn)定氣壓，通過控制電磁閥的通斷實現(xiàn)對汽缸伸縮的控制。

3 金屬棒料自動無損檢測軟件設(shè)計

3.1 軟件功能

從功能上可以分為：棒料控制模塊包括棒料自動控制和棒料手動控制；數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理；設(shè)置模塊包括超聲參數(shù)設(shè)置、棒料參數(shù)設(shè)置。設(shè)置模塊可以對系統(tǒng)中的某些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，控制模塊控制棒料的運動，對超聲波回波數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和處理，然后繪制波形圖像，將波形結(jié)果以掃描的方式顯示出來，同時儲存采集的數(shù)據(jù)，方便對數(shù)據(jù)的管理。

3.2 軟件主要流程

圖3 軟件流程圖

軟件如圖3所示：當(dāng)探頭的位置調(diào)整好，即可啟動自動掃描命令，系統(tǒng)將自動掃描整個棒料，掃描完成后，處理數(shù)據(jù)，在屏幕上顯示掃描結(jié)果，并保存數(shù)據(jù)。

3.3 缺陷識別軟件的人機(jī)界面設(shè)計

不銹鋼棒料超聲波自動探傷設(shè)備系統(tǒng)軟件運行后的主界面主要包括5個部分：狀態(tài)信息；超聲檢測信號波形圖以及時間；超聲參數(shù)設(shè)置；棒料參數(shù)設(shè)置；系統(tǒng)的操作按鈕區(qū)，如圖4所示。

圖4 主界面圖

3.4 缺陷信號處理

模擬超聲波的發(fā)射與接收；根據(jù)顯示波形，分析出缺陷的位置和缺陷率。由于設(shè)計采用LabVIEW軟件，實現(xiàn)了計算機(jī)與測試儀器的一體化，這給實際的工作帶來了許多便利。用戶還可以根據(jù)實際需要對前面板及流程圖代碼圖進(jìn)行修改以滿足測試要求，這是傳統(tǒng)儀器無法比擬的，實驗測得的反饋波形如圖5所示。

圖5 反饋信號波形

4 總結(jié)

本設(shè)計將計算機(jī)技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)和超聲波測控技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，實現(xiàn)了對棒料缺陷的自動無損檢測，基于虛擬儀器的棒料超聲檢測的研究與開發(fā)有效地提高了棒料缺陷檢測性能試驗數(shù)據(jù)的精確性和實時性，用計算機(jī)軟件代替了傳統(tǒng)測控系統(tǒng)中的大量硬件。對棒料缺陷存在的形式和檢測方案的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析，從而為桿棒、管道類構(gòu)件或零件的自動探傷提供了更可靠的檢測方法。

［1］丁宇康.基于LabVIEW的測控平臺的構(gòu)建［J］.電子測量技術(shù)，2007年11期.

［2］Zang Guan－Jian，Liu Zheng－Ping.The Joint Time Fre－quency Analysis Based on LabVIEW［J］.Journal ofEast China Jiaotong University.China，2007.148－156.

［3］李勁松.超聲波檢測數(shù)據(jù)高速采集傳輸技術(shù)的研究，無損檢測，2003，25（8）：395～398.57－63.

［4］張凱，郭棟.Labview虛擬儀器工程設(shè)計與開發(fā)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004.124－128.

［5］劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.143－14.

2012－05－14）