复杂断面重轨在线无损检测系统设计——利用虚拟仪器实现超声波探伤(编辑修改稿)

复杂断面重轨在线无损检测系统设计——利用虚拟仪器实现超声波探伤(编辑修改稿)内容摘要：

不用不断的调整仪器旋钮；可方便地与计算机网络和其它外设相连接 [2]。 就金属探伤方面来说，国内还没有厂家生产真正意义上的虚拟仪器。 一些厂家采用计算机显示探伤波形，但实际上数据处理还是采用硬件实现。 例如武汉中科创新技术公司的多用途多通道超声波探伤系统，其硬件电路复杂、体积庞大，没有体现出虚拟仪器内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 4 充分利用计算机资源，节约硬件成本，降低硬件开发难度的优点。 本设计就国内已有超声探 伤仪的不足，有针对性地设计一台可以克服以上缺点的虚拟超声探伤仪，用以填补国内在这方面研究的空白。 重轨的形状及探伤原理 重轨的形状比较复杂，呈工字形，由轨头、轨腰、轨底等几种不同的几何形状组成，接头处还有螺栓孔等等，如下图 所示。 重轨的探测面没有选择的余地，探头只能分布在轨头顶面。 根据重轨中伤损的分布及形状和取向，需要有垂直入射的探头，以及要有不同角度倾斜入射的探头才能尽量扩大检查区域，把探伤死角减到最小 [3]。 轨 头轨 腰轨 底 图 重轨示意图 ⅠⅠⅡⅢ Ⅲ 图 探测区域图 根据重轨的几何形状、可能产生伤损的部位及超声波的传播规律，可把重轨划分为内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 5 三个探伤区域，如图 所示。 对于 Ⅰ 区常发生核伤（轨头横向疲劳裂纹），由于 Ⅰ 区轨头厚度较小，宜用折射角β=70176。 的探头。 原理图如图 所示。 轨 顶 面鄂 部7 00轨 头 厚 度轨 头 厚 度 图 Ⅰ 区探测示意图 对于沿轨腰宽度，由轨头顶面到轨底的 Ⅱ 区，高度达到 176mm（ P60 重轨），宜采用折射角 β=37176。 的探头。 图 为 β=37176。 探头在 不同位置对各种倾斜裂纹的探测原理。 3 70 图 Ⅱ 区用 370 探头探测示意图 图 Ⅱ 区用 0176。 探头探测示意图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 6 对于 Ⅱ 区水平裂纹、纵向垂直裂纹，可采用 0176。 探头检查，如图 所 示。 对于Ⅲ区，由于其结构复杂，既有 倾斜裂纹 ，又有 纵向裂纹 ，可以选用其它无损检测方法，如涡流无损检测等。 为了同时检查轨头内、外测至少需要两只 70176。 探头，为了能检查到螺栓孔四个象限的些裂纹。 必须有向前和向后发射的两只 37176。 探头，加上 0176。 直探头，共五只探头。 根据缺陷取向对回波高度的影响，超声波垂直入射缺陷表面时反射回波最强，缺陷最容易被探测检出。 这五个探头对于重轨全长探伤是至关重要的，是必不可少的，但还不够充分，有部分缺陷，如小角度的螺栓孔裂纹（与螺栓孔水平对称线成 15176。 左右）。 要解决这类缺陷的检查最好用折射角 β在 15176。 ～ 18176。 的小角度纵波探头。 对位于重轨头中部的横向疲劳裂纹，折射角 70176。 探头与前进方向偏角越大（一般 14176。 ～ 20176。 ），显然越不利于探测，即使是位于轨头内、外侧的核伤，往往也有一点的倾斜角，由一个方向发射超声 波的折射角70176。 探头并不一定很合适，需要定期调换探头方向，减少漏检。 对于轨底横向缺陷，用折射角 37176。 探头搜查时灵敏度很高，但较难分辨是裂纹还是锈蚀反射，需要用双探头串列法鉴别 [3]。 本次设计，由于设计者自身水平和时间等因素，我们只选择一个界面，如图 所示的 Ⅱ 区。 本章小结 无损检测是在不损害被探测对象使用性能的条件下探测物体内部缺陷的技术，对于降低产品成本、提高安全可靠性、改进制造工艺都非常重要。 超声波是应用最广的无损检测方法，它具有被测范围广、检测深度大、灵敏度高、操作方便、快速、正确、经济、对人体无害等优点。 因此，超声探伤仪的研制非常重要。 目前国内超声探伤仪产品主要是以微处理器为核心，以大规模集成芯片为外围电路的智能化仪器。 由于硬件的束缚，内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 7 这种探伤仪有成本高、智能化程度低、设计复杂，功能固化等缺点。 本课题设计了一台虚拟超声探伤仪，系统 由 PCI6221 数据采集卡，虚拟仪器软件，计算机三部分组成。 采集卡将超声波缺陷信号通过模数转换后 并 发送给计算机，计算机接收数据后利用LabVIEW 软件进行一系列的处理最后显示结果。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 8 第二章 虚拟 超声波探伤 仪的 总体 结构 本 课题 目的在于设计 一台虚拟超声波探伤仪。 对此 我们有 两 种方案可以选择： 第 一种是 完全采用 LabVIEW 软件实现超声波探伤仪的全部功能，如超声波信号发生器、 缺陷显示等。 第二 种是 部分采用传统超声波探伤仪的功能，如超声波发生电路。 对于回波信号则采用软件处理。 对比这两种方案，第 一 种 完全利用软件 实现 ， 难度比较大， 况且就超声波信号发生器而言，本身就是一个设计题目，故 为了 节省 时间， 则选择采用第二种方案。 在这种方案中， 硬件部分 用传统 超声波探伤仪的发射电路产生 高压电脉冲 ， 加到探头里的压电晶片上，使晶片产生超声波，对 重轨进行探伤后，利用 PCI6221数据采集卡 进行 采集 缺 陷回波信号 ， 然后 输送到计算机内 ， 这时 怎样处理回波信号 就成了关键问题，对此我们 有两种方案 来 处理回波信号。 一种是根据全波采样数字式超声波检测仪的 工作原理，提取回波整体信息 然后再进行其他 处理。 另 一种是根据峰值采样数字式超声波检测仪的工作原理，先进行峰值保持，再进行 A/D转换，然后送入计算机进行 其他相应 处理。 由于我们使用的是 PCI6221数据采集卡，采集卡内部本身就具有 A/D转换等多种信号处理 功能 ， 所以 ，对于先进行峰值保持这一环节，我们需加峰值保持器，多 增 加了外部设备，这与我们的 硬件尽量少的 方针不相符，因此，我们 采用第一种 方案即提取回波整体信息，然后再进行相应的处理。 则系统 总体 结构 框图如图。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 9 P C I 6 2 2 1 接 线 盒发 射 电 路重 轨缺 陷探 头P C I 6 2 2 1 板 卡计 算 机（ L a b V I E W ） 图 虚拟超声波探伤系统总体 结构图 工作原理阐述如下：首先 传统超声波探伤仪的发射电路产生高压电脉冲，加到探头里的压电晶片上，使晶片产生超声波，对重轨进行探伤后 ，其次由 LabVIEW控制面板的采集键控制数据采集操作，当按下采集按钮后， PCI6221数据采集卡进行数据采集，并进行相应的 A/D转换后输入到计算机，然后由 LabVIEW软件实现数据的显示、存储 等操作。 虚拟超声波探伤仪基本结构分两部分：一部分是硬件部分，一部分是软件部分。 硬件部分 包括 声波发射电路、探头、 PCI6221 数据 采集 卡、 PCI 总线插槽， 其余仪器功能通过计算机依靠 LabVIEW 实现，做到最大程度节约硬件、降低成本。 软件部分 界面操作方便，可以直观显示超声波 缺陷 回波信号，存储波形、读取波形等。 实际 设计分三部分 ： 数据采集电路、接口电路、数据处理及结果显示。 其中 数据采集电路 和 接口电路 是硬件部分， 数据处理及结果显示 是软件部分。 数据采集由 PCI6221数据采集卡完成 ，负责接收回波信号、 A/D 转换 、数据传输等工作；信号处理及结果显示的任务由计算机通过 LabVIEW 来完成，具体工作包括超声波 缺陷 回波信号显示、缺内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 10 陷的直观显示、波形存储与读取等。 数据采集卡和计算机的通信通过 PCI 总线 插槽 来实现。 本 课题 主要 做了 如下几个方面的研究工作 ： 第一章首先介绍无损检测的概念及超声检测技术的发展概况及今后的发展方向，接着介绍了虚拟仪器技术的概念和构成，然后阐述了课题背景及意义，最后给出论文的主要研究内容 并介绍了重轨检测的原理以及方法。 第二章简要介绍了 虚拟 超声波探伤 仪 的 总体设计方案，大致阐述了设计的思路，为今后设计指 明了方向。 第三章 简要介绍了超声波的概念、分类以及其在异质界面上的效应 ， 最后 简单介绍了构成超声波探伤的一些设备，如超声波探伤仪、探头和标准试块 等。 第四章详细叙述了 虚拟 超声波探伤 仪 硬件 设计 ， 阐述了 硬件部分要实现超声波的发射、 缺陷回波信号的 接收、数据传输以及整个电路工作的协调控制等功能。 第五章详细叙述了 虚拟 超声波探伤 仪 的软件设计，利用计算机强大的图形图像处理功能，利用 LabVIEW 强大的软件功能实现了超声波 缺陷 回波信号的显示与存储读取 等操作。 第六章介绍了程序调试时 一些 出现的 问题 及 处理方法， 同时，总结了本设 计的优缺点，最后，引入计算机的网络功能， 对 探伤仪的 远程监控 提出了要求。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 11 第三章 虚拟 超声波探伤 仪概述 虚拟超声波探伤仪是超声波探伤技术和计算机技术相结合的产物。 在超声波探伤系统中，主要运用了超声波在介质中的一些传播原理，因此本章首先简要介绍一下有关超声波的 基本知识。 超声波概述 超声波的基本概念 振动和波动是物质运动的基本形式之一，物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。 振动物体在任意时刻的位移情况可以由它的振动方程描述 ： )c os (  wtAy。 振动的传播过程，称为波动。 产生机械波必须要有两个条件 ： (1) 要有作机械振动的波源。 (2) 要有能传播机械波的弹性介质。 次声波、 声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，它们的区别主要是频率上的不同。 人们把频率在 20~20xx0Hz之间能引起听觉的机械波称为声波，频率低于 20Hz的机械波称为次声波，频率高于 20xx0 Hz 的机械波则称为超声波。 次声波和超声波人耳都听不到。 超声波探伤所用的超声波频率一般在 ~10 MHz 之间，对钢等一些金属材料的检验常用的声波频率在 1~5MHz。 超声波的波 长很短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能够广泛应用于无损探伤 ： (1) 超声波的方向性好 超声波的频率很高，波长很短。 在无损探伤中使用的超声波波长为毫米数量级。 超声波可以像光束一样具有良好的方向性，可以定向发射。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 12 (2) 超声波能量高 超声波探伤时的频率远高于声波，而能量 (声强 )是与频率的平方成正比。 因此，超声波的能量远大于声波的能量。 (3) 超声波能在界面上产生反射、折射和波型转换 在超声波探伤中，特别是超声波脉冲反射法探伤中，利用了超声波具有几何声学的一些特点，如在介质中直线传播，遇到界面会产 生反射、折射和波型转换等。 (4) 超声波穿透能力强 超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中其穿透能力可达数米。 这是其它的探伤手段所无法比拟的。 超声波的分类 根据质点的振动方向分类 根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向，可以把超声波分为纵波、横波、表面波和板波等。 (1) 纵波 介质中质点的振动方向与传播方向相同的波，称为纵波。 当介质质点受到往复压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。 此时介质质点疏密相间，故纵 波又称为压缩波或疏密波。 (2) 横波 介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称为横波，用 S 或 T 表示。 当介质受到交变的剪切力作用时，产生切变形变，从而形成横波。 只有固体介质才能承受剪切应力，液体和气体都不能承受剪应力。 因此横波只能在固体介质中传播，而不能在液体和气体介质中传播。 (3) 表面波 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 13 当介质表面受到交变的应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波，常用R 表示。 表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。 椭圆运动可以看作为纵向振动与 横向振动的合成，即纵波与横波的合成。 因此表面波只能在固体介质中传播，而不能在 液体和气体介质中传播。 表面波只能在固体表面传播，而且表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱，当传播深度超过波长的两倍时，质点的振幅已经很小。 因此，一般认为表面波探伤只能发现距离工件表面两倍波长深度内的缺陷。 根据振动的持续时间 分类 根据振动的持续时间长短又可以把超声波分为连续波和脉冲波。 (1) 波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波。 (2) 波源振动持续时间短 (通常是毫微秒数量级 )，间歇辐射的波称为脉冲波。 目前在超声 探伤中得到广泛应用的是脉冲波。 根据波的形状分类 波的形状 (波形 )是根据波阵面的形状来区分的。 根据波阵面的不同，可以把不同波源发出的波分为平面波、柱面波和球面波，这里就不作详细介绍了。 超声波在平面异质界面上的效应 所谓异质界面，是只有两种声阻抗不同的介质所构成的界面，如气体 /液体界面、气体 /固体界面、液体 /固体界面以及固体 (Z1)/固体 (Z2)界面等。 波的传播。