湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 朱炳坤

湖北省纖維檢驗(yàn)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(dòng)無損檢測(cè)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(yàn)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(cè)和虛擬儀器編程語言LabVIEW調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的發(fā)射及采集等的一套棒料自動(dòng)無損檢測(cè)的系統(tǒng)。該技術(shù)替代傳統(tǒng)的使用超聲探傷儀檢測(cè)的方法，提高棒料的檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性，降低檢測(cè)成本與工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)高精度的非接觸式測(cè)量和缺陷產(chǎn)品的自動(dòng)分選，為缺陷信號(hào)的處理和解決等提供了一種新方法。

無損檢測(cè)；虛擬儀器；聚焦液浸法；聚焦探頭

0 前言

現(xiàn)在我國(guó)的檢測(cè)技術(shù)還處于發(fā)展階段，技術(shù)正在不斷更新，市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大。伴隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)檢測(cè)技能要求的提高，目前國(guó)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(guó)外進(jìn)口，價(jià)格高昂。即使我國(guó)自行研制出的檢測(cè)設(shè)備，設(shè)備之間無法實(shí)現(xiàn)共享數(shù)據(jù)，而虛擬儀器技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的自動(dòng)測(cè)試技術(shù)，不僅具備功能化、模塊化的特點(diǎn)，而且還具有能夠?qū)崿F(xiàn)共享、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，如果把它應(yīng)用到超聲檢測(cè)中，它不但可以擴(kuò)大探傷功能，使檢測(cè)設(shè)備小型化，而且還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)等。

棒料自動(dòng)無損檢測(cè)系統(tǒng)通過應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理與計(jì)算，將檢測(cè)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(cè)的方法，提高棒料的檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性，降低檢測(cè)成本與工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)高精度的非接觸式測(cè)量和缺陷產(chǎn)品的自動(dòng)分選，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提升了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 棒料無損檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

基于PC機(jī)的棒料無損檢測(cè)系統(tǒng)主要包括超聲傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、采集卡、計(jì)算機(jī)、顯示、鍵盤輸入、運(yùn)動(dòng)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(cè)的方法有很多種，在選擇檢測(cè)方法的時(shí)候需要根據(jù)被檢測(cè)材料的實(shí)際情況以及檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)等因素進(jìn)行綜合性的考慮，才能達(dá)到高效、準(zhǔn)確檢測(cè)的效果［1］。對(duì)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(duì)該棒料缺陷的特點(diǎn)，確定檢測(cè)的方案。首先確定液浸法，即探測(cè)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(cè)的工件中。這層液體可以延遲聲波傳播的速度，并且其不會(huì)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(huì)受到磨損也不會(huì)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(cè)作為棒料表面和近表面缺陷檢測(cè)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(jiǎn)單。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇合適的檢測(cè)方法，系統(tǒng)采用探頭不動(dòng)、棒料螺旋前進(jìn)的檢測(cè)方式，利用超聲波來實(shí)現(xiàn)對(duì)棒料缺陷的檢測(cè)。

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?yàn)樗畬?duì)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(shí)際應(yīng)用中通常采用聚焦水浸潤(rùn)法探測(cè)。

2 金屬棒料自動(dòng)無損檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)構(gòu)架設(shè)計(jì)

金屬棒料自動(dòng)無損檢測(cè)區(qū)包括檢測(cè)平臺(tái)、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(shí)也以恒定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，超聲探頭固定在支架上不動(dòng)，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(shí)現(xiàn)高靈敏度的檢測(cè)。

圖2 構(gòu)架設(shè)計(jì)圖

2.2 聚焦探頭的參數(shù)和板卡的選型

該檢測(cè)系統(tǒng)采用的聚焦探頭來自于美國(guó)某著名超聲波檢測(cè)設(shè)備公司，型號(hào)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(yùn)動(dòng)控制卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波信號(hào)的發(fā)射和接收以及對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。

2.3 檢測(cè)硬件的設(shè)計(jì)

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

（2）氣動(dòng)控制。檢測(cè)氣動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)汽缸伸縮的控制。

3 金屬棒料自動(dòng)無損檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

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(dòng)控制和棒料手動(dòng)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(duì)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(yùn)動(dòng)，對(duì)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(shí)儲(chǔ)存采集的數(shù)據(jù)，方便對(duì)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(dòng)自動(dòng)掃描命令，系統(tǒng)將自動(dòng)掃描整個(gè)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(shí)別軟件的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

不銹鋼棒料超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備系統(tǒng)軟件運(yùn)行后的主界面主要包括5個(gè)部分：狀態(tài)信息；超聲檢測(cè)信號(hào)波形圖以及時(shí)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(hào)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(jì)采用LabVIEW軟件，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與測(cè)試儀器的一體化，這給實(shí)際的工作帶來了許多便利。用戶還可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)前面板及流程圖代碼圖進(jìn)行修改以滿足測(cè)試要求，這是傳統(tǒng)儀器無法比擬的，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的反饋波形如圖5所示。

圖5 反饋信號(hào)波形

4 總結(jié)

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

［1］丁宇康.基于LabVIEW的測(cè)控平臺(tái)的構(gòu)建［J］.電子測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)高速采集傳輸技術(shù)的研究，無損檢測(cè)，2003，25（8）：395～398.57－63.

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

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2012－05－14）