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(北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院，珠海 519085)

基于LabVIEW的超聲C掃成像系統(tǒng)設(shè)計

張國才，游泳，沈洋，邢秀文，謝小榮

(北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院，珠海 519085)

針對目前國內(nèi)外超聲C掃成像系統(tǒng)研發(fā)成本普遍較昂貴的現(xiàn)狀，開發(fā)了一套新的超聲C掃成像系統(tǒng)。系統(tǒng)上位機采用圖形化編程語言LabVIEW編寫，配合超聲發(fā)射接收卡及普通的單片機STC89C51，實現(xiàn)對三軸平臺的靈活控制及超聲回波信號的高效采集，提高了軟件的靈活性，增強了軟件的操作友好性，同時降低了成本。系統(tǒng)能滿足承壓設(shè)備板材、鍛件及探頭聲場測試的要求。

水浸超聲檢測；C掃成像；LabVIEW；單片機

超聲波C掃描成像顯示能夠以圖像形式直觀顯示缺陷信息，對缺陷的定量、定位檢測也更加準(zhǔn)確，減少了人為因素的影響,生成的缺陷圖像也更容易保存。目前，國內(nèi)外超聲C掃描成像系統(tǒng)研發(fā)或購買成本較為昂貴，維護成本也較高。在確保檢測系統(tǒng)高精度、高質(zhì)量、高分辨力的要求下，筆者開發(fā)了一套有別于其他超聲C掃成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)研發(fā)過程中所涉及的軟硬件成本都較低?？蔀樗旵掃自動檢測的推廣起到一定的推動作用[1-5]。

在設(shè)計及實現(xiàn)系統(tǒng)的過程中，也兼顧了標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》中承壓設(shè)備原材料或零部件的超聲檢測方法和質(zhì)量分級對板材檢測的要求。系統(tǒng)具有對缺陷面積的統(tǒng)計功能，為板材鍛件等的快速質(zhì)量評級提供幫助。

1 超聲C掃描成像系統(tǒng)功能及檢測原理

超聲C掃描成像系統(tǒng)主要適用于板材、鍛件等的自動探傷及各種探頭的聲場測試，除了具有常規(guī)A掃、C掃的基本功能外，還具有面積計算、圖像存儲及報警功能等。能實現(xiàn)預(yù)置xy平面掃查、yz平面掃查、xz平面掃查及各軸向線掃功能。掃查精度分為3檔，步進可分別設(shè)置為3，1.5，0.3 mm，能滿足各類平面的C掃成像功能。

超聲C掃描成像系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)上位機采用圖形化編程語言LabVIEW編寫，上位機通過調(diào)用DLL動態(tài)鏈接庫來對CTS-04PC超聲發(fā)射接收卡進行數(shù)據(jù)采集及超聲波激勵接收功能設(shè)置[6-8]。單片機STC89C51與工控機采用RS232串口通信，工控機(上位機)發(fā)送調(diào)速、掃查范圍、電機掃查方向及掃查精度給STC89C51,下位機執(zhí)行上位機指令并通過各軸驅(qū)動器驅(qū)動步進電機，同時系統(tǒng)在進行C掃描過程中，由STC89C51根據(jù)步進精度不斷向上位機發(fā)送位置標(biāo)識符直至掃查結(jié)束。上位機(labVIEW)監(jiān)控VISA讀取端口，在將位置標(biāo)識符解釋為平面掃查坐標(biāo)過程中采集相對應(yīng)位置的回波信號，通過數(shù)組形式轉(zhuǎn)化為強度圖，實時將C掃描圖像顯示出來。如果在上位機界面選擇了缺陷面積記錄功能，掃查結(jié)束后同時根據(jù)缺陷記錄靈敏度，系統(tǒng)能顯示出掃查范圍內(nèi)的缺陷總面積。

圖1 超聲C掃描成像系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件

2.1絲桿及電機驅(qū)動器的選擇與設(shè)置

為適應(yīng)板材、鍛件的超聲檢測及探頭聲場測試，機械驅(qū)動部分采用3軸掃查平臺。掃查平臺絲桿型號為1610(絲桿外徑為16 mm，導(dǎo)程為10 mm)，搭配4臺57步進電機驅(qū)動絲桿做直線運動，電機驅(qū)動器選用ZD-6560-V4。該驅(qū)動器具有接口采用超高速光耦隔離、抗高頻干擾能力強等特點，能實現(xiàn)整步、2細分、8細分、16細分可調(diào)及輸出電流4檔可調(diào)等功能。在調(diào)試掃查架的過程中，為確保掃查精度及扭矩輸出，需要選擇16細分及3.0 A的電流輸出。給電機輸入1 000個脈沖，絲桿螺母將帶動探頭在絲桿軸向方向直線運動3 mm，在保證掃查精度情況下將精度設(shè)置為3檔。

2.2超聲發(fā)射接收卡及單片機的選擇

系統(tǒng)的核心硬件之一是汕頭超聲電子股份有限公司的CTS-04PC多通道PCI探傷卡，該卡具有單卡4通道，方波激勵，-300～0 V可調(diào)，重復(fù)頻率最高每通道2 kHz，頻帶0.5 MHz～15 MHz，采樣頻率100 MHz，檢波方式全波、正半波、負半波、射頻等技術(shù)指標(biāo)，板卡同時提供了旋轉(zhuǎn)編碼器、接近開關(guān)、噴槍、報警等開關(guān)量接口。該卡提供了完整的各種性能參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)獲取的函數(shù)庫，以便通過LabVIEW上位機進行調(diào)用。在控制電機方面，為了控制成本及后續(xù)系統(tǒng)的擴展，不用選擇電機控制卡，而選擇價位低卻編程靈活的單片機。單片機型號為STC89C51,其具體執(zhí)行接收上位機指令及反饋位置信息，為確保上下位機通信準(zhǔn)確，單片機晶振頻率選擇11.059 2 MHz。

3 系統(tǒng)上位機及下位機編程的幾個關(guān)鍵問題

3.1系統(tǒng)上位機設(shè)計

3.1.1 上位機前面板設(shè)計

系統(tǒng)前面板主要執(zhí)行數(shù)據(jù)的輸入及顯示功能，其分為3部分(見圖2～4)，分別為探傷卡設(shè)置、機械設(shè)置及圖像顯示。操作界面簡潔友好，前面板3部分設(shè)置可以自由切換，采用了LabVIEW中的選項卡控件。探傷卡設(shè)置界面包括發(fā)射電壓、測量方式、幀壓縮比、重復(fù)頻率、增益、閘門、報警方式的選擇；機械設(shè)置界面包括VISA串口通道、各軸移動距離、速度、方向、掃查精度、掃查方式等的選擇；圖像顯示界面包括：A型掃查脈沖波形、C掃圖像顯示、圖像保存路徑及缺陷面積顯示[9-11]。

圖2 探傷卡設(shè)置前面板

圖3 機械設(shè)置前面板

圖4 圖像顯示前面板

3.1.2 上位機程序框圖設(shè)計

上位機程序框圖(見圖5)是整個系統(tǒng)的核心，程序編程設(shè)計中用到了平鋪式順序結(jié)構(gòu)、For循環(huán)、While循環(huán)、條件結(jié)構(gòu)及事件結(jié)構(gòu)。程序最外層為

平鋪式順序結(jié)構(gòu)，從初始化并啟動探傷卡、初始化控制面板、循環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)、關(guān)閉探傷卡到退出系統(tǒng)。While循環(huán)執(zhí)行的內(nèi)容是整個程序的核心，該循環(huán)中包括了兩個事件結(jié)構(gòu)，這兩個事件結(jié)構(gòu)分別連接前面板中的探傷卡和機械設(shè)置界面，這兩個面板中的任何輸入都可觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)內(nèi)部的程序。While大循環(huán)中還包括探傷卡波形數(shù)據(jù)的獲取與顯示，循環(huán)中不斷監(jiān)控事件是否被觸發(fā)，而觸發(fā)的信息又會改變波形數(shù)據(jù)的獲取與顯示。

在事件結(jié)構(gòu)2中嵌套了另一個平鋪式順序結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在上位機發(fā)送平面掃查信息給下位機后執(zhí)行，該結(jié)構(gòu)第一幀為While循環(huán)，循環(huán)不斷接收來自單片機發(fā)送回的位置標(biāo)識符，持續(xù)統(tǒng)計接收個數(shù)，并實時解釋為掃查(數(shù)組)坐標(biāo)。通過索引數(shù)組單元將原數(shù)組單元中的值替換掉，新值即為該坐標(biāo)所采集到的指定區(qū)域的超聲回波幅值。掃查過程同時實時顯示C掃圖像。掃查結(jié)束后可手動跳出While循環(huán)，并可進行缺陷面積統(tǒng)計及保存圖像。

圖5 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖

3.1.3 上位機與下位機通信信息碼

上位機與下位機單片機通過RS232串口進行通信，上位機發(fā)送給單片機的主要有單軸調(diào)整信息碼和平面掃查信息碼。單軸信息碼是由10個字符組成的字符串，先將相關(guān)的數(shù)值通過“格式化寫入字符串”命令轉(zhuǎn)換為字符，再通過“連接字符串”命令按照一定順序連接。其中根據(jù)3軸掃查平臺掃查范圍及調(diào)速要求，各軸移動距離及速度設(shè)置為8位無符號整型數(shù)據(jù)類型，并強制轉(zhuǎn)化為3位字符串輸出。單軸信息碼信息解釋為：開頭第0個字符“9”表示為發(fā)送單軸；第1個字符為選定“某"軸，1為x軸，2為y軸，3為z軸；第2個字符表示為電機滑臺移動方向，0為反向，1為正向；第3,4,5個字符表示移動距離；第6,7,8個字符表示移動速度；第9個字符表示結(jié)束符。

平面掃查信息碼字符串共13個字符，平面掃查信息碼解釋為：開頭第0個字符“8”表示為發(fā)送平面掃查；第1個字符表示掃查平面選擇；第2，3，4個字符表示平面掃描列移動距離；第5，6，7個字符表示平面掃描行移動距離；第8，9，10個字符表示選定軸移動速度；第11個字符表示掃查精度位；第12個字符為結(jié)束符。

3.1.4 上位機位置標(biāo)識符解釋

為了獲取C掃平面圖像，首要問題是要將探頭掃查平面網(wǎng)格化，例如，如果掃查平面設(shè)置為300 mm×210 mm，掃查步進精度設(shè)置為1.5 mm，則掃查平面網(wǎng)格化后總共為200×140=28 000個小格，平面分為200行140列，每個小格需采集一次指定區(qū)域的最高回波幅值。為解決上述問題，單片機執(zhí)行每走一個步進精度向上位機發(fā)送一個位置標(biāo)識符，上位機不斷讀取統(tǒng)計VISA端口位置標(biāo)識符個數(shù)，標(biāo)識符個數(shù)再按行列進行分解，例如：當(dāng)接收到421個位置標(biāo)識符時，其平面坐標(biāo)解釋為第2行第21列，即平面坐標(biāo)為(2，21)，然后再讀取該平面位置的回波幅值。這些平面位置坐標(biāo)可看做是二維數(shù)組中的一個單元，這個二維數(shù)組是在設(shè)置平面掃查范圍時同時建立的，所采集到的回波幅值可逐個填充到二維數(shù)組對應(yīng)的坐標(biāo)中來。

3.2下位機單片機的設(shè)計要點

單片機是執(zhí)行上位機指令的主要硬件，其主要子函數(shù)分別為char compile(unsigned char m)、void communicate() interrupt 4及void move distance and velocity()。char compile(unsigned char m)為編譯函數(shù)，其功能是將上位機發(fā)送的信息碼字符轉(zhuǎn)換為八進制無符號整型數(shù)據(jù)類型。void communicate() interrupt 4為串口中斷函數(shù)，調(diào)用char compile(unsigned char m)的同時將信息碼存入一維數(shù)組中。void move distance and velocity()為信息碼分解函數(shù)，將信息碼中的各軸移動位移、移動速度、方向等分解為具體的數(shù)值。下位機接收到上位機一串信息碼后關(guān)閉串口中斷，執(zhí)行完所有掃查步驟后再開啟串口中斷，這是保證掃查過程不被外部隨意中斷的掃查過程，同時也是為了保護電機的正常運行。為了避免由于平面掃查范圍設(shè)置不合適而造成的滑臺過沖，在電機軸上還設(shè)置了限位開關(guān)，限位開關(guān)與單片機通信，該通信(外部中斷信號)設(shè)置為最優(yōu)先級中斷，可立即停止電機運轉(zhuǎn)。

4 檢測實踐

在以下的3個檢測案例中，探頭選取了常州超聲電子股份有限公司的直徑為6 mm，頻率為10 MHz的普通超聲水浸探頭。為了驗證掃除平臺在掃查過程中是否存在電機失步或采集信號錯位問題，專門選取了山東瑞祥模具有限公司制造的近場檢測試塊，該試塊預(yù)置有不同埋深的橫孔，橫孔長30 mm，埋深范圍為10～18 mm，共9個。C掃圖中9個橫孔清晰可見，橫孔圖像能與試塊中的橫孔位置良好吻合，試驗證明，系統(tǒng)掃查過程中電機不存在失步或錯位的現(xiàn)象。近場試塊C掃圖像如圖6所示。

圖6 近場試塊C掃圖像

4.1中厚板人工缺陷的C掃圖像

所選45#鋼中厚板為人工預(yù)置缺陷試塊，試塊尺寸(長×寬×高)為400 mm×300 mm×20 mm，掃查平面范圍(長×寬)為261 mm×348 mm，掃查步進精度為1.5 mm。系統(tǒng)靈敏度設(shè)置參考標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015中超聲水浸法檢測部分內(nèi)容，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，板厚小于或等于20 mm時，可用被檢板材的無缺陷完好部位來調(diào)節(jié)起始靈敏度。水浸法檢測過程中將工件底面回波調(diào)整至工件上表面界面第二次回波之前，采取將工件第一次底波調(diào)整到滿刻度的50%，再提高10 dB作為基準(zhǔn)靈敏度，閘門鎖住第一次底波，當(dāng)該底波發(fā)射波波幅低于顯示屏滿刻度的50%時作為缺陷判定的依據(jù)。當(dāng)測試點波幅小于50%時，將該點記錄進總面積中?？偯娣e計算方法為1.5 mm×1.5 mm×缺陷個數(shù)。45#鋼中厚板C掃成像圖如圖7所示，檢測出總?cè)毕菝娣e為15 745.5 mm2。

圖7 45#鋼中厚板C掃成像

4.2自然缺陷鍛件的C掃圖像

自然缺陷鍛件尺寸(長×寬×高)為110 mm×100 mm×100 mm，選擇掃查面(長×寬)為110 mm×100 mm，掃查平面范圍為132 mm×132 mm,掃查步進精度為1.5 mm，由于沒有相應(yīng)平底孔試塊，掃查起始靈敏度設(shè)置方法參考中厚板的設(shè)置，掃查結(jié)果如圖8所示，總?cè)毕菝娣e為1 329.75 mm2。

圖8 鍛件C掃成像

5 結(jié)語

研制的水浸式超聲自動化成像系統(tǒng)是一種集機電一體化技術(shù)、超聲檢測技術(shù)、計算機測控技術(shù)于一體的超聲波檢測設(shè)備，該設(shè)備采用了一種有別于其他超聲C掃成像系統(tǒng)的編程語言及方法。經(jīng)過實踐證明，該系統(tǒng)運行可靠、性能穩(wěn)定、操作界面友好，特別適合于板材、鍛件的檢測及超聲探頭聲場測試。所闡述的系統(tǒng)程序設(shè)計方案簡潔、結(jié)構(gòu)清晰，具有較高的參考價值，可為超聲C掃成像技術(shù)的進一步推廣起到一定的推動作用。

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DesignofUltrasonicC-scanImagingSystemBasedonLabVIEW

ZHANG Guocai, YOU Yong, SHEN Yang, XING Xiuwen, XIE Xiaorong

(Beijing Institute of Technology (Zhuhai), Zhuhai 519085, China)

This paper discusses current development state of domestic ultrasonic C-scan imaging system, which is generally more expensive and of high cost for its research and development. The authors have developed a new ultrasonic C-scan imaging system by using LabVIEW as the host computer together with ultrasound transmitting and receiving card and ordinary single chip STC89C51 to realize the flexible control of three-axis platform and efficient acquisition of the ultrasonic echo signal. So developed system improves the flexibility of the software, enhances the friendly operating software, and at the same time reduces the cost and promotes the water immersion ultrasonic C-scan automatic detection technology. The system can meet the requirements of plate of pressure-bearing equipment, forging and ultrasonic field measurement.

water immersion ultrasonic detection;C-scan imaging; LabVIEW;microcontroller

2017-06-25

廣東省普通高等特色創(chuàng)新資助項目(ZX-2017-001);珠海市高端制造業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心無損檢測分中心資助項目(ZX-2015-063)

張國才(1983-)，男，講師，主要從事超聲、電磁無損檢測技術(shù)教學(xué)與研究工作

游 泳(1976-)，男，副教授，主要從事超聲無損檢測技術(shù)教學(xué)、研究及工程應(yīng)用工作，12696767@qq.com

10.11973/wsjc201711018

TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0074-05