袁建鵬，武新軍，徐 江，從 明

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

在橋梁纜索、輸油管道等較長構(gòu)件的無損檢測中，常規(guī)無損檢測方法單次檢測范圍小，需要移動(dòng)探頭進(jìn)行逐點(diǎn)檢測，檢測效率低?；诖胖律炜s效應(yīng)的導(dǎo)波檢測方法可單點(diǎn)激勵(lì)長距離檢測，檢測效率高［1－3］。目前商業(yè)應(yīng)用的導(dǎo)波檢測系統(tǒng)主要有TWI開發(fā)的Teletest、超聲導(dǎo)波公司開發(fā)的 Wavemaker和美國西南研究院開發(fā)的MsSR3030及其配套的檢測軟件［4－6］。作者在已有的非接觸式磁致伸縮導(dǎo)波檢測系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上［7］，根據(jù)近年來的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)需求，對其軟件進(jìn)行了升級。軟件包括頻散曲線、虛擬檢測、數(shù)據(jù)采集、信號分析等多個(gè)模塊，可實(shí)現(xiàn)檢測頻率選擇、傳感器布置設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集顯示與存儲、結(jié)果分析與報(bào)告等功能，同時(shí)具備采集卡連接狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測、掃頻檢測等人性化功能。

1 磁致伸縮導(dǎo)波檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，檢測硬件包括便攜式計(jì)算機(jī)、檢測主機(jī)和傳感器。檢測主機(jī)由數(shù)據(jù)采集卡、門控電路、功率放大器、放大濾波電路和雙工電路組成。傳感器為雙工傳感器，雙工傳感器包含兩個(gè)通道的線圈，每個(gè)線圈既可作激勵(lì)也可以作接收。檢測時(shí)，軟件通過采集卡接口函數(shù)控制采集卡D／A模塊輸出一定周期的正弦脈沖，同時(shí)I／O模塊輸出高電平作為門信號，門控電路根據(jù)門信號控制功率放大器對正弦脈沖進(jìn)行功率放大，放大后的信號作用于雙工線圈，通過鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)在構(gòu)件中激勵(lì)出導(dǎo)波。當(dāng)導(dǎo)波通過線圈時(shí)，由于逆磁致伸縮效應(yīng)導(dǎo)致線圈磁通量變化并感應(yīng)出電信號。雙工線圈的信號經(jīng)雙工電路后進(jìn)入放大濾波電路。濾波后的信號由A／D模塊采集并傳輸?shù)奖銛y式計(jì)算機(jī)，通過軟件對信號進(jìn)行顯示、存儲和分析處理，得到被檢構(gòu)件的缺陷信息。根據(jù)檢測方向可分為雙向檢測和單向檢測，雙向檢測時(shí)僅對一個(gè)線圈進(jìn)行激勵(lì)與采集，單向檢測時(shí)同時(shí)對兩個(gè)線圈進(jìn)行激勵(lì)與采集，通過控制兩個(gè)線圈激勵(lì)信號的時(shí)間和相位實(shí)現(xiàn)單方向檢測［8］。

圖1 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

軟件使用單文檔視圖結(jié)構(gòu)作為基本框架，通過自定義的抽屜控件實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入和操作控制，減小操作復(fù)雜性并提高人機(jī)交互水平。軟件主要由六個(gè)模塊組成，分別為頻散曲線、虛擬檢測、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、信號分析和檢測報(bào)告模塊，軟件功能框圖如圖2所示。頻散曲線模塊用于圓柱體結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的相速度和群速度計(jì)算、顯示，計(jì)算結(jié)果可存儲、打開；虛擬檢測模塊用于檢測回波預(yù)測和傳感器布置優(yōu)化；參數(shù)設(shè)置模塊用于設(shè)置檢測過程中的數(shù)據(jù)顯示參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲參數(shù)、檢測信息等。數(shù)據(jù)采集模塊用于控制導(dǎo)波信號的激勵(lì)、采集、顯示與存儲；信號分析模塊用于檢測信號的處理與分析；檢測報(bào)告模塊用于根據(jù)分析處理結(jié)果生成檢測報(bào)告。軟件的主界面如圖3所示。下面對各個(gè)模塊加以詳細(xì)論述。

2.1 頻散曲線模塊

導(dǎo)波檢測的關(guān)鍵在于頻率的選擇，而頻率選擇依據(jù)是頻散曲線，實(shí)際檢測中應(yīng)選擇頻散現(xiàn)象較小的頻率作為檢測頻率。為此，根據(jù)頻散方程開發(fā)了基于二分法的頻散軟件。對于給定的圓柱體結(jié)構(gòu)，頻率ω和波數(shù)k之間滿足［9］：

式中：cij表示行列式｜c(diǎn)ij（ω，k）｜n中的第i行，第j列元素，是頻率ω和波數(shù)k的函數(shù)。

求解T模態(tài)時(shí)n＝2，L模態(tài)時(shí)n＝4，F(xiàn)模態(tài)時(shí)n＝6。若頻率ω固定，則行列式｜c(diǎn)ij（ω，k）｜是波數(shù)k的函數(shù)，給定一個(gè)初始波數(shù)k1和增量Δk，若k1處和k1＋Δk處行列式的符號發(fā)生改變則意味著Δk內(nèi)存在一個(gè)解，則取Δk的一半進(jìn)行下一次迭代，直到找到給定精度內(nèi)的根k0［10］。若波數(shù)k固定可用相同的方法迭代求解頻率ω。令波數(shù)k＝0可求解得到截止頻率foutoff，對于除 T（0，1）、L（0，1）和 F（1，1）模態(tài)外的導(dǎo)波均存在截止頻率。輸入計(jì)算參數(shù)和構(gòu)件參數(shù)后，先計(jì)算出各個(gè)模態(tài)的截止頻率，對于 T（0，1）、L（0，1）和F（1，1）模態(tài)可認(rèn)為其截止頻率為0。接著根據(jù)最小計(jì)算頻率、最大計(jì)算頻率、頻率步進(jìn)和截止頻率得到需要計(jì)算的頻率數(shù)組，根據(jù)截止頻率可得到頻率數(shù)組中各個(gè)頻率對應(yīng)解的個(gè)數(shù)N，使用二分法迭代求解每個(gè)頻率對應(yīng)的N個(gè)解，得到N個(gè)模態(tài)所對應(yīng)的波數(shù)。算出所有頻率下各模態(tài)的波數(shù)后即可得到頻散曲線。求解過程中的貝塞爾函數(shù)、貝爾斯托求根函數(shù)、高斯消元法求矩陣行列式函數(shù)等均通過C＋＋算法實(shí)現(xiàn)，通過抽屜控件實(shí)現(xiàn)計(jì)算參數(shù)的輸入，計(jì)算過程中實(shí)時(shí)顯示計(jì)算進(jìn)度，相速度和群速度曲線通過自定義的二維坐標(biāo)控件顯示，并可在坐標(biāo)控件上顯示曲線所對應(yīng)的模態(tài)名稱。頻散曲線計(jì)算結(jié)果可保存到文件，若有相同結(jié)構(gòu)，直接打開頻散曲線文件即可。

2.2 虛擬檢測模塊

虛擬檢測主要實(shí)現(xiàn)以下兩種功能：一是實(shí)驗(yàn)室研究時(shí)已知缺陷信息，可將實(shí)際檢測信號與虛擬檢測信號進(jìn)行對比，方便對信號進(jìn)行分析；二是現(xiàn)場檢測時(shí)工況復(fù)雜干擾信號多，為了提高檢測精度對疑似缺陷采用虛擬檢測方法以指導(dǎo)傳感器布置。虛擬檢測方法根據(jù)激勵(lì)位置、接收位置、管長、衰減系數(shù)、缺陷反射率、激勵(lì)方向等參數(shù)模擬采集獲得脈沖回波信號，同時(shí)可根據(jù)管長、缺陷位置等參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)激勵(lì)位置等參數(shù)。為了簡化算法將回波分類，根據(jù)激勵(lì)方向可分為向左激勵(lì)、向右激勵(lì)，根據(jù)接收方向可分為左側(cè)信號、右側(cè)信號，根據(jù)反射介質(zhì)可分為缺陷回波、通過信號和端部回波，組合起來共有8種信號。同時(shí)對工作方式進(jìn)行分類，激勵(lì)方式可分為向左激勵(lì)、向右激勵(lì)和雙向激勵(lì)，接收方式可分為接收左側(cè)信號、接收右側(cè)信號和接收雙側(cè)信號，組合起來共有9種工作方式。某一工作方式下的虛擬信號是8種信號的線性和，給定采樣時(shí)間和采樣率可求得每一個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)的幅值，最終得到虛擬檢測信號。圖4是管長5m，激勵(lì)位置0.3m，接收位置1m，缺陷位置2m，導(dǎo)波群速度5200m／s，衰減系數(shù)0.2dB／s，缺陷反射率10%，向左激勵(lì)，激勵(lì)頻率40kHz，激勵(lì)周期數(shù)3，雙側(cè)接收，采集時(shí)間4ms，采樣率5MHz下的虛擬檢測信號。同時(shí)，以缺陷信號便于識別為依據(jù)，可對傳感器布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)數(shù)值顯示在參數(shù)設(shè)置區(qū)并同時(shí)在顯示區(qū)顯示布置示意圖。

2.3 參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集模塊

參數(shù)設(shè)置模塊主要用于設(shè)置信號顯示參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲參數(shù)和檢測信息參數(shù)。

圖4 虛擬檢測信號

數(shù)據(jù)采集模塊是軟件的主要模塊，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波信號的激勵(lì)、采集、顯示與存儲。便攜式計(jì)算機(jī)通過USB2.0接口與主機(jī)連接，控制信號和檢測數(shù)據(jù)通過USB2.0接口傳輸，數(shù)據(jù)采集卡具有雙通道A／D采集和雙通道D／A輸出功能，最高采樣率20MHz，I／O模塊包括8路DI和16路DO，DO作為門信號控制接口。采集時(shí)首先判斷檢測參數(shù)、采集卡連接狀態(tài)等是否正常，接著初始化采集卡并進(jìn)入采集子線程，檢測人員選擇數(shù)據(jù)存儲路徑，設(shè)置采集D／A和DO，接著循環(huán)執(zhí)行初始化A／D、采集數(shù)據(jù)、檢測緩沖區(qū)是否溢出、停止A／D和發(fā)送顯示更新消息直到完成所有采集次數(shù)，采集完畢后存儲檢測數(shù)據(jù)并退出子線程。若采集過程中出現(xiàn)緩沖區(qū)溢出則停止采集子線程結(jié)束采集。數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程

2.4 信號分析與檢測報(bào)告模塊

信號分析模塊進(jìn)行分析時(shí)首先加載數(shù)據(jù)文件，讀取文件頭中的參數(shù)信息，將其顯示在左側(cè)的參數(shù)顯示區(qū)；然后從數(shù)據(jù)區(qū)讀取各個(gè)通道的數(shù)據(jù)到內(nèi)存中；數(shù)據(jù)讀取完畢后顯示信號分析主界面，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)分析主界面

默認(rèn)顯示模式為全屏顯示模式，將顯示采集時(shí)間內(nèi)的全部信號，調(diào)整顯示范圍滑塊可選擇要分析的數(shù)據(jù)區(qū)域，單擊分析顯示可進(jìn)入分析模式，分析模式下可對信號進(jìn)行帶通濾波、時(shí)頻分析、包絡(luò)顯示和DAC曲線繪制等，信號顯示的橫坐標(biāo)可以設(shè)置為距離坐標(biāo)，方便對信號進(jìn)行定位，帶通濾波器為無限沖擊響應(yīng)濾波器，類型有巴特沃斯、切比雪夫和橢圓濾波器；時(shí)頻分析主要是對信號進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，得到信號的頻率譜，窗函數(shù)類型可選擇凱撒窗、高斯窗、海明窗、漢寧窗等。信號分析完后可對回波進(jìn)行標(biāo)識同時(shí)可導(dǎo)出到圖片，圖7所示是信號分析結(jié)果。

檢測報(bào)告模塊用于生成檢測報(bào)告，包括報(bào)告內(nèi)容、預(yù)覽和打印3個(gè)部分，報(bào)告內(nèi)容用于加載分析結(jié)果、檢測參數(shù)等。報(bào)告內(nèi)容完成后可在顯示區(qū)進(jìn)行預(yù)覽，并通過打印機(jī)進(jìn)行打印。

3 結(jié)論

在深入研究磁致伸縮導(dǎo)波檢測特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于自主研制的硬件結(jié)構(gòu)，開發(fā)了磁致伸縮導(dǎo)波檢測軟件，該軟件具有頻散曲線計(jì)算、虛擬檢測、參數(shù)設(shè)置與信號采集、檢測結(jié)果分析等功能，實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)表明，檢測軟件開放性好、運(yùn)行穩(wěn)定，將推進(jìn)導(dǎo)波檢測技術(shù)的應(yīng)用。

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