張彥奎

摘 要：奧氏體鋼的焊縫組織會(huì)導(dǎo)致超聲波信號(hào)衰減強(qiáng)于其他材料的焊縫。粗大組織會(huì)使聲波發(fā)生散射且波形易發(fā)生轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致假信號(hào)出現(xiàn)。本文采用LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)了上位機(jī)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)軟件，以對(duì)奧氏體鋼超聲波檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理及缺陷判定。

關(guān)鍵詞：奧氏體鋼;超聲波檢測(cè);LabVIEW;模塊化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG441.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）02-0059-04

Austenitic Steel Weld Defect Detection Software Design

Abstract： Austenitic steel weld tissue can cause attenuation of ultrasonic signals stronger than welding other materials. Thick tissue will scatter sound wave and the waveform conversion occurs easily， causing false signals. ?In this paper， LabVIEW platform was used to design the software of the host computer ultrasonic testing system to analyze and process the ultrasonic testing signal of austenitic steel and determine the defects.

Keywords： Austenitic steel;ultrasonic testing;LabVIEW;modular design

奧氏體鋼具有良好的抗腐蝕能力、抗氧化能力和良好的低溫韌性，通常用于比較重要的部位，但其工作環(huán)境較為惡劣。因此，必須要加強(qiáng)對(duì)其焊縫等缺陷的檢測(cè)，從而保證設(shè)備安全工作。超聲波檢測(cè)是一種較為重要的檢測(cè)方法，可以非破壞性地檢測(cè)材料性質(zhì)及內(nèi)部和表面缺陷，且檢測(cè)靈敏度高，檢測(cè)速度快，在航空航天、橋梁等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，超聲波檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)儀器的要求也越來(lái)越高，要求檢測(cè)過(guò)程智能化，操作過(guò)程傻瓜化，信號(hào)分析與處理智能化，硬件系統(tǒng)軟件化[1]。硬件化儀器具有封閉、缺乏靈活性、響應(yīng)慢等缺點(diǎn)，很難滿足當(dāng)前的需要。因此，硬件系統(tǒng)軟件化成為儀器儀表領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。由此，本文采用LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)來(lái)完成奧氏體鋼焊接缺陷的軟件設(shè)計(jì)。

1 虛擬超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成

探頭、數(shù)控放大器、發(fā)射與接收電路、USB數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等是虛擬超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分。探頭的原理是通過(guò)壓電晶片的正、逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，超聲波遇到焊縫缺陷產(chǎn)生回波，探頭則將回波轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。但是，電壓信號(hào)很弱，因此，需要將信號(hào)放大，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和處理[2]。虛擬超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 虛擬超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)LabVIEW編程平臺(tái)編寫(xiě)，采用Windows編程機(jī)制，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活，采用消息驅(qū)動(dòng)方式來(lái)使系統(tǒng)運(yùn)作，其人機(jī)交互功能可以使程序在運(yùn)行時(shí)充分受到用戶的控制。

本軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)功能模塊通過(guò)主程序界面聯(lián)系起來(lái)。

2.1 程序總體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)的總體要求，把系統(tǒng)分為多個(gè)模塊，將各個(gè)模塊集成起來(lái)，通過(guò)一個(gè)主界面來(lái)調(diào)用各個(gè)功能模塊。模塊化設(shè)計(jì)思路的優(yōu)點(diǎn)是在需要添加新功能時(shí)，模塊程序編寫(xiě)好后，只需要修改主程序即可完成功能添加，虛擬儀器的擴(kuò)展性得到了充分體現(xiàn)，也顯示出了“軟件就是儀器”所帶來(lái)的優(yōu)越性。

2.2 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)程序時(shí)，先完成各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，把每個(gè)功能模塊做成子VI形式。在程序圖中，每一級(jí)模塊可以以圖表形式放置，使程序的可讀性增加，也使程序更易維護(hù)，程序更清晰明了，編程工作量減少[3]。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)主界面時(shí)，運(yùn)用LabVIEW中的“運(yùn)行時(shí)菜單”（前面板編輯菜單下）功能，菜單選項(xiàng)的內(nèi)容設(shè)置為各功能模塊，在程序運(yùn)行時(shí)方便調(diào)用。通過(guò)條件結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)菜單項(xiàng)內(nèi)容的調(diào)用，條件結(jié)構(gòu)中的子VI和各項(xiàng)菜單對(duì)應(yīng)。在子VI的“子VI節(jié)點(diǎn)設(shè)置”對(duì)話框中選中“調(diào)用時(shí)顯示前面板”和“如之前未打開(kāi)則在運(yùn)行后關(guān)閉”兩個(gè)選項(xiàng)。系統(tǒng)主界面如圖2所示。此時(shí)，程序運(yùn)行時(shí)選擇菜單某項(xiàng)，則相應(yīng)的子VI前面板便會(huì)彈出，子VI運(yùn)行結(jié)束后便消失。要添加新功能時(shí)，在菜單項(xiàng)添加此功能項(xiàng)，然后在程序中條件結(jié)構(gòu)下新添一個(gè)子框圖，并添加此功能的子VI。這樣就可以不用改動(dòng)整塊程序。子VI節(jié)點(diǎn)設(shè)置對(duì)話框見(jiàn)圖3。

2.3 信號(hào)預(yù)處理

2.3.1 信號(hào)截取設(shè)計(jì)。截取所需要的信號(hào)往往可以提高結(jié)果的可靠性，增加數(shù)據(jù)的可信度。運(yùn)用“獲取波形子集函數(shù)”可以截取整個(gè)時(shí)間段波形中的一段，通過(guò)輸入控件設(shè)定起始波的位置以及區(qū)間寬度。獲取波形子集如圖4所示。

波形輸入用來(lái)輸入需要提取的信號(hào);波形輸出用于輸出截取后的信號(hào);起始采樣/時(shí)間可以設(shè)定起始位置;持續(xù)時(shí)間用來(lái)設(shè)定區(qū)間寬度[4]。

2.3.2 數(shù)字濾波設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用Butterworth濾波器，如圖5所示，可以根據(jù)需要對(duì)采用頻率、階數(shù)和截止頻率進(jìn)行設(shè)置，對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波。

2.4 小波降噪

2.4.1 小波降噪設(shè)計(jì)。奧氏體鋼焊縫組織對(duì)縱波散射比母材對(duì)縱波散射強(qiáng)，噪聲成分較小，對(duì)信號(hào)影響并不大。但是，橫波的散射受焊縫組織的影響較大，回波會(huì)受到較明顯的影響?；夭ㄐ盘?hào)頻譜高頻區(qū)既含有有用成分，同時(shí)也有噪聲，噪聲會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生較大影響，并且橫波在焊縫缺陷中傳播時(shí)，每個(gè)晶粒都會(huì)起到低通濾波的作用，類似于一個(gè)低通濾波器，所以低通濾波對(duì)提高奧氏體鋼缺陷超聲波信號(hào)的信噪比效果并不會(huì)太好。由此，本設(shè)計(jì)增加了一個(gè)小波降噪，與低通濾波作為兩個(gè)選擇項(xiàng)，可以根據(jù)情況經(jīng)行選擇。信號(hào)降噪過(guò)程如圖6所示。

2.4.2 LabVIEW小波降噪的實(shí)現(xiàn)。LabVIEW函數(shù)庫(kù)中提供了4個(gè)關(guān)于小波的函數(shù)：Daubechies4小波變換、反Daubechies4小波變換、Daubechies4（逐點(diǎn)）、反Daubechies4小波變換（逐點(diǎn)）。對(duì)于小波分析功能顯得不足，可根據(jù)小波分解重構(gòu)的算法，運(yùn)用LabVIEW進(jìn)行編程。另外，NI公司提供了advanced signal processing toolkit（高級(jí)信號(hào)處理工具包）可供用戶下載，包含聯(lián)合時(shí)頻分析、時(shí)間序列分析和小波分析等多個(gè)功能模塊。安裝高級(jí)信號(hào)處理工具包后可在“信號(hào)處理—Wavelet Analysis—Feature Extraction”面板中找到WA Denoise函數(shù)，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波降噪，如圖7所示。

threshold settings可以進(jìn)行閾值設(shè)置（其中包含閾值規(guī)則選擇和閾值重調(diào)選擇）;signal輸入需要降噪的信號(hào);levels可設(shè)置分解層數(shù);wavelet對(duì)母小波進(jìn)行選擇;denoised signal輸出降噪后的信號(hào)。對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置，可得到降噪效果較好的信號(hào)。小波降噪?yún)?shù)設(shè)置面板如圖8所示。

2.5 信號(hào)頻域分析設(shè)計(jì)

2.5.1 窗函數(shù)分析。窗函數(shù)可以對(duì)截?cái)嗟牟贿B續(xù)信號(hào)做平滑處理，從而防止譜泄漏，而且可以使頻率相近的小幅值和大幅值信號(hào)分離開(kāi)。在進(jìn)行離散傅里葉變換時(shí)，要把時(shí)間序列截?cái)啵珪?huì)導(dǎo)致譜泄漏。為了減少譜泄漏，可以使采用周期無(wú)限加長(zhǎng)，此后FFT計(jì)算出的頻譜更為準(zhǔn)確。在實(shí)際應(yīng)用中，這種方法是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此，可通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗處理來(lái)減少譜泄漏。這時(shí)，平滑窗的作用就類似于窄帶低通濾波器。加窗就是原始采波形乘上一個(gè)窗函數(shù)，其窗函數(shù)需要幅度變化平滑，且邊緣趨近零，可用公式（1）表示。

[yt=xtwt] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[yt]為加窗后的信號(hào);[xt]為加窗前的信號(hào);[wt]為窗函數(shù)。

在頻域中，窗函數(shù)叫作時(shí)間窗，時(shí)域中叫做頻譜窗，常用的窗函數(shù)有：矩形窗（Rectangular）、海明窗（Hamming）、漢寧窗（Hanning）、布萊克曼窗（Blackman）。在選擇窗函數(shù)時(shí)，要根據(jù)信號(hào)的性質(zhì)及對(duì)信號(hào)的處理要求進(jìn)行選擇。例如，只要求主瓣頻率能被精確讀出而幅值精度不做考慮的話，可以選用矩形窗;漢寧窗和三角窗可以用于干擾噪聲較強(qiáng)的窄帶信號(hào);海明窗、漢寧窗等可用于包括周期信號(hào)的無(wú)限長(zhǎng)信號(hào)。

LabVIEW中提供了多種窗函數(shù)，設(shè)計(jì)中采用了海明窗（Hamming）、漢寧窗（Hanning）、布萊克曼窗（Blackman）3種窗函數(shù)。

2.5.2 頻譜分析。通過(guò)傅里葉變化把時(shí)域信號(hào)變換到頻域信號(hào)，可以用于分析信號(hào)頻率成分和各成分的強(qiáng)度，可以通過(guò)快速傅里葉變化（FFT）對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換。通過(guò)頻譜分析，回波信號(hào)和被檢測(cè)的材料與頻率的關(guān)系能較為直觀地看出來(lái)。LabVIEW中提供了FFT函數(shù)模塊，如圖9所示。

FFT都是雙邊輸出的，正負(fù)頻率的信息會(huì)同時(shí)顯示出來(lái)。把負(fù)頻率對(duì)應(yīng)的頻譜迭加到對(duì)應(yīng)的正頻率上，然后將正頻率對(duì)應(yīng)的幅值加倍，零頻率對(duì)應(yīng)的頻譜不變，就可以將雙邊頻譜變換為單邊頻譜。程序如圖10所示。

2.5.3 功率譜分析。對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率譜分析可以得到功率譜密度函數(shù)，在頻率上信號(hào)能量的分布可由功率譜密度函數(shù)反映出來(lái)。LabVIEW中的功率譜計(jì)算公式為：

[PΛxk=1N2Xk2] ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[N]是采樣點(diǎn)數(shù);[Xk]是FFT變換后輸出的序列。

功率譜分析可以觀察信號(hào)在頻率上的能量分布，把信號(hào)的主要頻率顯示出來(lái)。功率譜分析如圖11所示。

2.6 缺陷位置判定設(shè)計(jì)

縱波檢測(cè)時(shí)，有一個(gè)參量表征缺陷的位置，即距離探頭平面的縱向距離d;橫波檢測(cè)時(shí)，有兩個(gè)參量，一個(gè)是l表示距離探頭的水平距離，一個(gè)是d表示距離探頭所在平面的距離。

縱波檢測(cè)：

[d=0.5W] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

橫波檢測(cè)：

[l=Wsinβ] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

[d=Wcosβ-n-1t，n=1，3……（奇數(shù)次波）] ? （5）

[d=nt-Wcosβ，n=2，4……（偶數(shù)次波）] ? ? ?（6）

[W=ct] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

式（7）中，[c]是超聲波波速，[t]是缺陷波和始波之間的間隔。

使用LabVIEW中的波峰檢測(cè)函數(shù)用來(lái)檢測(cè)波峰，波峰位置與位置引腳連接，將波峰值與振幅連接，可以準(zhǔn)確計(jì)算出極值點(diǎn)。再根據(jù)以上公式，可以計(jì)算出缺陷的位置。缺陷位置計(jì)算程序設(shè)計(jì)采用條件結(jié)構(gòu)，可以對(duì)橫波和縱波進(jìn)行選擇，缺陷位置判定程序如圖12所示。

3 結(jié)論

①采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將各個(gè)功能細(xì)化為單個(gè)程序，通過(guò)一個(gè)主程序?qū)Ω鞴δ茏映绦蜻M(jìn)行調(diào)用，這樣做不僅使結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且使調(diào)試修改更加方便，功能擴(kuò)展也不會(huì)改動(dòng)整個(gè)程序。

②通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)，可以對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行降噪濾 波、時(shí)頻轉(zhuǎn)換等處理，從而提取出缺陷的特征，使缺陷更易識(shí)別。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖國(guó)友.信號(hào)處理及應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[2]王華玲.基于LabVIEW的超聲檢測(cè)虛擬儀器研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2006.

[3]程志明.信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2001.

[4]潘泉，張磊，孟晉麗.小波濾波方法與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.