蔡笑風(fēng)，徐衛(wèi)昌，李永峰，黃威

(第二炮兵工程大學(xué)士官學(xué)院，山東青州 262500)

基于虛擬儀器技術(shù)的超聲C掃描系統(tǒng)構(gòu)建

蔡笑風(fēng)，徐衛(wèi)昌，李永峰，黃威

(第二炮兵工程大學(xué)士官學(xué)院，山東青州 262500)

基于虛擬儀器技術(shù)，應(yīng)用圖形化測(cè)控軟件LabVIEW構(gòu)建了一套超聲C掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形圖像實(shí)時(shí)顯示、三維曲面圖像顯示等功能。介紹該系統(tǒng)的檢測(cè)原理及軟硬件的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)該系統(tǒng)的有效性。

虛擬儀器;超聲C掃描;回波

近年來(lái)，數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化和圖像化成為超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。人們研制出了很多的超聲檢測(cè)系統(tǒng)。如德國(guó)Krautkraemer公司研制的自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)和專用自動(dòng)化超聲檢測(cè)設(shè)備，可以廣泛用于管材、棒材、方坯、厚板、薄板、鋼螺旋焊管和直焊管的超聲檢測(cè);英國(guó)SONOMATIC公司研制出基于微機(jī)的快速實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng);日本佳能公司推出了數(shù)字化、多功能的超聲探傷成像系統(tǒng) (超聲C掃描);加拿大路賽爾技術(shù)有限公司研制出針對(duì)管道檢測(cè)的機(jī)器人系統(tǒng);美國(guó)物理聲學(xué)公司 (PAC)推出了超聲C掃描圖像系統(tǒng)和各種聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備;美國(guó)泛美公司推出的自動(dòng)掃描測(cè)試系統(tǒng)可用于大型復(fù)合材料零部件的自動(dòng)化檢驗(yàn)、管道儲(chǔ)藏的原位檢測(cè)等［1］。

國(guó)內(nèi)，北京航空航天大學(xué)的黃志剛等為研究材料的機(jī)械性能，設(shè)計(jì)了一個(gè)超聲C掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超聲波換能器的三維運(yùn)動(dòng)控制，繼而在軟件上實(shí)現(xiàn)了超聲A、C掃描功能，解決了電機(jī)加減速過(guò)程中超聲C掃描易漏檢的問(wèn)題［2］，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜。西安理工大學(xué)的周軍偉基于虛擬儀器技術(shù)對(duì)超聲檢測(cè)進(jìn)行了研究，從硬件和軟件兩方面設(shè)計(jì)了超聲A掃系統(tǒng)［3］，雖然實(shí)現(xiàn)了超聲信號(hào)的采集，但是功能還不夠強(qiáng)大。

虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于充分利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展測(cè)試系統(tǒng)與儀器的功能，它通過(guò)硬件來(lái)獲取真實(shí)的被測(cè)信號(hào)，通過(guò)軟件來(lái)控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能，并將其集成為儀器操作與運(yùn)行的命令環(huán)境［4］。作者采用虛擬儀器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)原理

進(jìn)行超聲波水浸C掃描檢測(cè)時(shí)，探頭放置在試件界面上，電脈沖激勵(lì)的超聲脈沖信號(hào)通過(guò)耦合劑水進(jìn)入試件，如試件中無(wú)缺陷，它可一直傳播到試件的底面。如果底面光滑且平行于探測(cè)面，按照反射原理，超聲脈沖被底面反射而返回探頭，探頭將返回的聲脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換在顯示器上顯示出來(lái)。由于發(fā)射的超聲信號(hào)為連續(xù)脈沖信號(hào)，頻率很大，所以在某點(diǎn)處的回波信號(hào)比較穩(wěn)定，波形也不會(huì)移位。探頭在步進(jìn)電機(jī)軸的帶動(dòng)下，進(jìn)行來(lái)回掃查，一方面要采集掃描位置處超聲回波的特征量，得到試件的回波波形數(shù)據(jù)，另一方面要通過(guò)獲取掃描位置得到試件的位置數(shù)據(jù)，將波形數(shù)據(jù)與位置數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)便能繪制出試件的掃描圖像，超聲C掃描的原理示意圖如圖1所示。

圖1 超聲C掃描原理示意圖

式中:Zd為缺陷阻抗，Zc為試件阻抗。

由式 (2)— (4)可知:缺陷反射波比界面反射波滯后zi/c，比底面波超前 (zT－zi)/c。若以z=zi為切面，則可以得到超聲波在材料中沿傳播方向任意一點(diǎn)的入射波為:

如果在z=zi處的切面存在缺陷，則入射聲波將在缺陷界面產(chǎn)生缺陷回波:

因此，只要檢測(cè)到探頭在xOy平面掃描某深度切面時(shí)的聲波信號(hào)，即可獲取對(duì)應(yīng)深度層的掃描檢測(cè)結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)的組成

超聲波通過(guò)探頭入射到被測(cè)材料內(nèi)部，它在材料中沿傳播方向的波動(dòng)方程［5－6］為:

該系統(tǒng)的硬件主要有超聲波發(fā)射/接收卡、水槽、步進(jìn)電機(jī)、工控箱、檢測(cè)試件、PC機(jī)以及各種頻率的水浸聚焦探頭，其硬件系統(tǒng)和及組成分別如圖2、圖3所示。

圖2 超聲C掃描系統(tǒng)

圖3 系統(tǒng)組成圖

檢測(cè)系統(tǒng)采用武漢中科公司生產(chǎn)的“HSD-4超聲波發(fā)射/接收卡 (以下簡(jiǎn)稱‘板卡’)”。在設(shè)計(jì)上，該卡采用計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的32位PCI局部總線結(jié)構(gòu)，集成了超聲波的發(fā)射與接收、100 MHz高速信號(hào)采集、存儲(chǔ)、多通道自動(dòng)控制以及超聲波成像等多種功能，能夠與計(jì)算機(jī)良好地結(jié)合在一起。該卡具有4個(gè)獨(dú)立的發(fā)射/接收通道，采用多級(jí)信號(hào)放大模式，通道的開閉由程控電子開關(guān)控制，檢波方式 (全檢波、正/負(fù)檢波、射頻)和工作模式 (一發(fā)一收、自發(fā)自收)可調(diào)，超聲波數(shù)據(jù)采集深度可達(dá)32 K［7］。

1.3 軟件平臺(tái)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)節(jié)、運(yùn)動(dòng)控制、實(shí)時(shí)成像以及結(jié)果保存5個(gè)模塊，其中信號(hào)采集和信號(hào)調(diào)節(jié)模塊相互配合，實(shí)現(xiàn)了超聲A掃功能;而運(yùn)動(dòng)控制、實(shí)時(shí)成像以及結(jié)果保存模塊則共同實(shí)現(xiàn)了超聲C掃描功能。

圖4 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主界面如圖5所示，它有兩個(gè)波形顯示窗口，上面窗口用來(lái)顯示采集的回波波形，下面窗口用來(lái)顯示閘門內(nèi)波形，右邊是波形調(diào)節(jié)按鈕和一些子模塊按鈕，其中有實(shí)時(shí)成像模塊及結(jié)果保存模塊等，波形顯示窗口上方有3個(gè)菜單，分別用來(lái)設(shè)置波形采集參數(shù)、手動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及設(shè)置自動(dòng)掃查參數(shù)，點(diǎn)擊菜單按鈕就可以彈出相應(yīng)的工作界面。

圖5 超聲C掃描系統(tǒng)主界面

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)制作的檢測(cè)試件為一粘接結(jié)構(gòu)，上層為鋼，下層為三元乙丙橡膠，在鋼和橡膠的粘接界面上預(yù)置了一個(gè)空氣夾層脫粘缺陷區(qū)域，在橡膠層中預(yù)置了兩個(gè)圓底孔缺陷，試件的長(zhǎng)寬分別為220、120 mm，鋼層厚度為3 mm，橡膠層厚度為5 mm，其實(shí)物照片和結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖6中 (a)、(b)、(c)所示。

圖6 粘接結(jié)構(gòu)試件

超聲C掃描成像之前，首先需對(duì)試件外、試件上無(wú)缺陷處以及試件上有缺陷處的回波波形進(jìn)行采樣，采樣時(shí)的采樣深度、基線、采樣頻率、增益等參數(shù)均設(shè)置為相同，各部分信號(hào)對(duì)比如圖7所示，其中橫坐標(biāo)表示采樣時(shí)間，縱坐標(biāo)代表回波波形幅值。經(jīng)分析，信號(hào)一中第1部分為始波，第2部分為水槽底座回波，第3部分則為底座中孔或者雜質(zhì)形成的雜波;信號(hào)二中第4部分為鋼殼體試件上表面回波，第5部分為鋼殼體試件上表面的二次回波;介于第2部分和第4部分即上表面回波和底座回波之間的波形為超聲波在試件內(nèi)部傳播時(shí)的回波，通過(guò)觀察這部分回波的波形變化即可判斷出試件中是否存在缺陷。如信號(hào)三中第7部分與信號(hào)2中相同采樣時(shí)間處的第6部分信號(hào)相比，幅值明顯較高，通過(guò)它的二次回波如信號(hào)三中的第8部分，也可以看出幅值較高，所以可以判斷該試件存在缺陷。

圖7 試件各部分信號(hào)對(duì)比圖 (信號(hào)一為試件外信號(hào);信號(hào)二為試件上無(wú)缺陷處信號(hào);信號(hào)三為試件上缺陷處信號(hào))

通過(guò)以上分析，以信號(hào)中的第9部分區(qū)域作為閘門，區(qū)域內(nèi)的波形即為閘門內(nèi)波形。

試驗(yàn)中考慮到探頭頻率的有效范圍和奈奎斯特采樣定律的要求，選定采樣頻率為25 MHz。為了使采樣波形能夠在虛擬示波器上完整地顯示，設(shè)定基線為47，采樣深度為8 K。

對(duì)于該試件，增益調(diào)節(jié)為63 dB時(shí)，缺陷回波波形分辨率較高，最大幅值不超過(guò)示波器的顯示范圍。其掃查參數(shù)依據(jù)試件的長(zhǎng)寬來(lái)設(shè)定，但是由于探頭晶片為一個(gè)圓面而不是一個(gè)點(diǎn)，x、y軸行程很難剛好設(shè)置為試件的長(zhǎng)寬值。實(shí)際檢測(cè)中，x、y軸行程比試件的尺寸稍大，它們的值分別為132、226 mm，x、y軸間隔均為2 mm。粘接結(jié)構(gòu)試件超聲C掃描圖像及其三維曲面圖分別如圖8(a)、(b)所示。

圖8 鋼殼體試件檢測(cè)圖像

超聲C掃描圖像的顏色對(duì)應(yīng)了回波的幅值，幅值越高，顏色值也越大。因此從圖中可得出以下結(jié)論:

(1)可明顯看出試件的表面形狀。從圖8(a)中可以看出鋼殼體的表面形狀為長(zhǎng)方形，另外可以通過(guò)刻度值計(jì)算出鋼殼體的尺寸約為220 mm×120 mm。

(2)可以判斷出試件中是否存在缺陷以及缺陷的大小、形狀和位置信息。結(jié)合圖 (a)、(b)可以看出試件中有3個(gè)缺陷:1個(gè)面積較大的矩形缺陷和2個(gè)面積較小的圓形缺陷，其中矩形缺陷的大小約為60 mm×50 mm，距底邊和左邊分別約為30 mm和28 mm，兩個(gè)小圓形缺陷的直徑約為14 mm，它們距上邊均約為28 mm，左側(cè)小圓形缺陷距左邊約為26 mm，右側(cè)小圓形缺陷距右邊也約為26 mm。

(3)從圖8(b)明顯看出矩形缺陷面所處的高度較高，表示此處回波最強(qiáng)。

(4)從圖8(b)中可以明顯看出試件邊緣處的回波幅值較高，這是由于試件在制作時(shí)切割不齊整造成的。

(5)從三維曲面圖中可以明顯看出:除了缺陷處的回波幅值較高以外，其他無(wú)缺陷區(qū)域的各部分回波幅值也有較大差異，這說(shuō)明試件上無(wú)缺陷區(qū)域的粘接質(zhì)量也有所差異。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的超聲C掃描系統(tǒng)具有用戶界面友好、信號(hào)處理能力強(qiáng)大、結(jié)果顯示直觀并且集成了數(shù)據(jù)采集卡等硬件通訊等特點(diǎn)，可應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的超聲C掃描無(wú)損檢測(cè)成像與分析等工程應(yīng)用中。

【1】張旭輝，馬宏偉.超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.機(jī)械制造，2002，40(7):24 －26.

【2】黃志剛，周正干.超聲波C掃描系統(tǒng)研及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2007(12):40 －42.

【3】周軍偉.基于虛擬儀器的超聲檢測(cè)的研究［D］.西安:西安理工大學(xué)，2005.

【4】楊樂(lè)平，李海濤.虛擬儀器技術(shù)概論［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003:4－6.

【5】劉松平，郭恩明，張謙琳，等.復(fù)合材料深度方向C掃描檢測(cè)技術(shù)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2001，23(1):13 －15.

【6】王浩全，曾光宇.玻璃纖維復(fù)合材料超聲C掃描檢測(cè)研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2005，26(4):570 －572.

【7】尼濤.SRM復(fù)合材料殼體粘接結(jié)構(gòu)聲－超聲檢測(cè)方法研究［D］.西安:第二炮兵工程學(xué)院，2010.

Construction of Ultrasonic C-scan System Based on Virtual Instrument Technology

CAIXiaofeng，XUWeichang，LIYongfeng，HUANGWei
(Officer Academy of the Second Artillery Engineering University，Qingzhou Shandong 262500，China)

Based on virtual instrument technology，LabVIEW was used to build an ultrasonic C-scan system.The system has functions of data acquisition，data processing，wave and image real-time display，3D surface display and so on.The principle and realization process of the proposed system were introduced，and then its validity was verified by experiment.

Virtual instrument;Ultrasonic C-scan;Echo signal

TN911.7

A

1001－3881(2013)8－098－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.034

2012－02－22

蔡笑風(fēng) (1985—)，男，博士，研究方向?yàn)閯?dòng)力系統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)。E－mail:caixf@126.com。