复杂断面重轨在线无损检测系统设计--虚拟仪器实现(编辑修改稿)

复杂断面重轨在线无损检测系统设计--虚拟仪器实现(编辑修改稿)内容摘要：

新 ， 促进测量和自动化技术的发展。 虚拟仪器技术可利用以太网络的功能 ， 将来自测量或控制设备中的资料直接传送到 web 网页上 ， 甚至将数据传输到手机上读取资料。 使用虚拟仪器技术 ， 可以使用以太网络的强大 功能远程控制仪器设备 ， 或是与远在其他办公地点甚至其它国家的同事合作处理一个项目。 由于虚拟仪器本身是以计算机为平台 ， 具有方便 、 灵活的互联能力 ， 随着通信技术 、 总线技术和网络技术的发展与应用 ， 虚拟仪器向网络方向发展 ， 网络化虚拟仪器的出现是一种必然。 它除了必要的硬件接口支持 ， 虚拟仪器软件开发平台使用户可以借助于 Windows 系统的远程桌面 、 LabVIEW 的网络通信功能 、 网络协议等 ， 用户能很快在 Web 上发布虚拟仪器的面板 ， 直接在本地打开并操控虚拟仪器 ， 以实现远程测试 、 诊断和维修。 利用 Data Socket 技术 ， 用户 可以和其他有 Inter 功能的程序迅速建立连接并共享数据 ， 而 无需内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 担心网络协议和数据格式等问题。 科学技术高速发展的今天，无论是计算机还是组建虚拟仪器用的板卡的性能和价格都将发生更大的变化。 现在，越来越多的科技公司加入到虚拟仪器的产品开发中来，更多新的测量仪器系统采用了虚拟仪器的技术。 这一方面使虚拟仪器的种类更加完善、技术更加成熟；另一方面，也使虚拟仪器的竞争更趋激烈，技术的发展与竞争的激烈将使虚拟仪器的性能越来越好，价格越来越低，因而其普及率也将会越高。 虚拟仪器从问世以来，基于计算机的虚拟仪器出现时间 更短，但由于它具有独特优势，因而发展迅猛。 可以预计 ， 测试仪器的变革，虚拟仪器的普及已为期不远。 激光无损检测系统 研究的背景、目的及意义 工业发达的国家 对无损检测技术十分重视，普遍认为现代工业是建立在无损检测技术之上的，大多数国家都建有不同规模的无损检测技术中心。 有政府和企业拨款专门从事无损检测技术的研究与开发，大家都争先把物理学方面的新成就应用于无损检测，以提高产品质量、竞争力以及使用过程中的安全性等。 激光全息无损检测是无损检测技术中的一个新分支，是 60 年代末期发展起来的，是全息干涉计量技术的重要应用之一。 多年来，激光全息无损检测的理论、技术、照相系统和图像处理系统都有了很大发展，在航空航天工业中 ， 对复合材料 、 蜂窝夹层结构、叠层结构、航空轮胎和高压管道容器的检测具有某些独到之处，解决了用其他方法无法解决的问题 ，因此 激光全息无损检测由于具有诸多优点而使其得到了迅速发展和广泛应用。 我国使用仪器对铁路钢轨进行探伤始于上世纪 50 年代， 铁路是较早开展无损检测工作的部门之一，钢轨探伤是无损检测技术应用的一个重要领域。 由于钢轨是铁路系统中一个极其重要的组成部分，在使用过程中被暴露于野外，要在各种环境条件下工作，要内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 承受各 种不同类型、频率及方向的高强度应力的作用而产生各种疲劳缺陷。 这些疲劳缺陷如不及时检出，会造成钢轨折断以致引起列车颠覆、中断交通等恶性事故，因而各国对钢轨探伤十分重视，不惜投入大量人力和物力，对在役钢轨进行定期检测，以便及早发现疲劳伤损，防止断轨，确保安全 [1]。 随着计算机技术、数字信号处理技术和人工智能等高新技术的飞速发展，钢轨探伤技术 也在向高速度、自动化、智能化的方向发展。 鉴于以上所述，了解到 了 利用虚拟仪器对钢轨断面实现激光全息无损检测系统研究的必要性。 此检测系统的应用并不仅仅限于铁路运输业，而且也可以 推广其他各个领域的发展中。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第二章 激光无损 检测 系统 总体设计方案及相关介绍 激光无损检测系统的总体设计方案 利用虚拟仪器软件对重轨断面 实现 激光全息无损检测系统的总体设计的工艺流程框图 如图 所示。 检测 系统主要由光电传感器（激光探头）、信号处理电路、数据采集卡（ PCI6221）和计算机四部分组成。 显 示 波 形 并 输 出 结 果计 算 机 数 据 采 集 卡信 号 处 理 电 路激 光 探 头存 储 设 备 图 系统设计工艺流程图 本设计系统检测的基本原理如下所述：由氦氖激光器产生 一束 激光，它的波长为 纳米，频率为  赫兹，谱线宽度为 2109  赫兹。 利用激光全息照相技术，激光全息干涉光路图如图 所示， 产生的激光由分光镜产生两束光，一束用来照射需检测的重轨断面，再由重轨表面漫反射到光电 转换 元件上，这束光称为物光束；另一束光经过反射镜反射照射到光电 转换 元件上，这束光称为参考光束。 当这两束光在光电 转换 元件上叠加后，形成了亮暗交替变化的干涉条纹，利用光电 转换 元件将干涉 条纹亮暗变化的光信号，转换为电脉冲信号，进而输出电压 信号。 信号处理电路将激光探头输出的 电压 信号进行整形、转换、 滤波和隔离等处理，变成标准电压信号。 数据采集卡采集信号处理电路基于 PCDAQ 的虚拟仪器测试系统的电压信号，通过放大、 A /D 转化等处理，并转换为计算机能处理的数字信号。 通过设备内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 驱动程序，数字信号进入计算机。 在 LabVIEW 平台下，调用信号处理子模板，编写仪器功能流程和功能算法，设计虚拟仪器前面板，设置好相关参数，运行程序，将在虚拟仪器前面板上显示检测结果，通过分析比较，判断被检测的重轨断面是否存在缺陷，并确定被检测的重轨断面受损程度及位置，然后对数据进行保存和读取处理，至此完成了本设计系统所需要完 成的任务。 激光 及激光 全息检测技术 激光基本知识的介绍 激光在我国最初被称为“莱塞”，即英语“ Laser”的译音，而“ Laser”是“ Light Amplification by Stimutated Emission of radiation”的缩写，意思是“辐射的受激发射光放大”。 虽然在 1917 年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在，但在一般热平衡情况下，物质的受激辐射总是被受激吸收所掩盖，未能在实验中观察到。 直至 1960 年，第一台红宝石激光器才面世，它标志了激光技术的诞生。 从此激光技术的发展 十分迅速，现已在几百种工作物质中实现了光放大或制成了激光器。 激光的出现是对传统光源的一次革命，它应用于工业、农业、军事、交通、科研以至日常生活等几乎所有的国民经济领域。 它大大丰富了传统光学的内容，并发展形成了数门，乃至数十门新型的边缘科学。 在此主要对激光产生的基本的特性、原理、应用和氦氖激光器的基本结构、工作原理及其特性等的基本知识作以下简单介绍。 激光的基本特性 就本性而言，激光和普通光源发出的光波并无差别，它们都是电磁波。 但是就光的产生机制与产生方式而言，两者却有很大区别。 首先，激光是受 激发射占优势，而普通光则是自发发射占优势；其次，绝大多数激光器都具有普通光源所没有的谐振腔。 正因为 如此，激光才具有普通光束所不具备的特点。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 一般情况下，激光的特性概括为四个方面，即单色性好，方向性好，相干性好和亮度高。 实际上，它们的量子性根源相同。 激光的上述四个特性，是激光具有很高的光子兼并度的不同表现，它们不是相互独立的，它们之间有着深刻的内在联系。 另外，激光还具有聚焦性质、调谐性和超短脉冲等特性，下面对其作简单介绍。 ⑴ 方向性 所谓激光的方向性好，是指激光器发出的光能流在空间方向上高度集中，或者说激光束 具有高度的准直性。 普通光源是向着三维空间的所有可能的方向发光的，即使经过光学系统把光能流进行集中，其发射度亦较激光大得多。 一般激光束的发散角在毫弧度的数量级上，即使是方向性最差的半导体激光器发出的激光束，其发散角一般是（ 5～ 10） 102 弧度，这是普通光束所无法比拟的。 ⑵ 单色性 通俗地说，单色性好，就是颜色纯。 表现在光谱上，谱线宽度越小，单色性越好。 通常 , 单色性系表示激光具有一种颜色或一种波长 ，一条有一定宽度的谱线对应着波长在一定范围内变化的一系列的单色 光， 一般光 的 波长或频率都有一定的谱宽和频宽 ，人们便用该波长的变化范围  来表示这条谱线的宽度。 通常光频率宽度越窄和波长宽度越窄，光的单色性越好。 在普通光源中，氪同位素 86 灯发出的波长 λ =6957 埃的光谱线的单色性最好。 在低温条件下，其宽度为  = 埃。 与此同时，氦氖激光器输出的光， 波长分布范围非常窄 ， 因此颜色极纯。 以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到 2109 纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的 万分之二。 由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。 ⑶ 空间相干性和时间相干性 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 空间相干性与准直性有着密切联系。 理想的平行光束是完全相干的，即在光束截面上处处相干。 单模激光器发出的激光，在整个光束截面上几乎有理想的空间相干性。 激光的空间相干性还表现在两个相互独立的同类型激光器发出的光是相干光，而两个普通光源所发出的光绝不会是相干光。 时间相干性与单色性存在着简单联系。 由于激光的单色性好，其相干时间就长，相干长度也就越长。 理论上讲，激光的相干长度为 1010～ 1011 米的数量级。 当然受种种因素的限制，激 光的相干长度不可能这么大。 实验上已经获得的激光的相干长度在几百公里以上，甚至达到了几万公里。 ⑷ 亮度 由于激光束的方向性好，光能可集中到达某一区域从而形成极高的亮度。 一台 1 毫瓦的小型 HeNe 激光器所发出的激光辐射的亮度可达太阳亮度的 100 倍，其光谱亮度则可达太阳光谱亮度的 106 倍。 现在亮度最高的普通光源是高压脉冲氙灯，其亮度可达太阳亮度的几十倍。 然而，采用 Q 开关技术的巨脉冲红宝石激光器的辐射亮度可达太阳的 100 亿倍，这个亮度相当于氢弹爆炸时闪光的亮度。 上述几 点是激光的主要特性，它和激光的另外几条特性也是相互联系的。 我们可以把这些特征概括为三个方面：激光的频率高度集中 ，激光能量在空间分布的高度集中和发射时间上的高度集中。 当然，就某一台具体的激光器而言，它所发射的激光并不一定具有上述全部特性，更不一定具有那些特性的最佳指标。 但就激光领域所达到的那些性能而言 ， 普通光源是望尘莫及的。 激光产生的基本原理 在受激辐射跃迁的过程中 ， 一个诱发光子可以使处在上能级上的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子，这两个光子又可以去诱发其它发光粒子，产生更多状态内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 相同 的光子。 这样 ， 在一个入射光子的作用下，可引起大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态相同的光子 ， 这种现象称受激辐射光放大。 由于受激辐射产生的光子都属于同一光子态，因此它们是相干的。 通常，受激辐射与受激吸收两种跃迁过程是同时存在的，前者使光子数增加，后者使光子数减少。 当一束光通过发光物质后，究竟是光强增大还是减弱，要看这两种跃迁过程哪个占优势。 在正常条件下，即常温条件以及对发光物质无激发的情况下，发光粒子处于下能级 1E 的粒子数密度 1n 大于处在上能级2E 的粒子数密度 2n。 此时当有频率等于 hEE 12  的一束光通过发光物质时，受激吸收将大于受激辐射，故光强减弱。 如果采取诸如用光照、放电等方法从外界不断地向发光物质输入能量，把处在下能级的发光粒子激发到上能级上去，便可使上能级 2E 的粒子数密度超过下能级 1E 的粒子数密度，我们称这种状态为 粒子数反转。 只要使发光物质处在粒子数反转的状态，受激辐射就会大于受激吸收。 当频率为  的光束通过发光物质，光强就会得到放大。 这便激光放大器的基本原理。 即便没有入射光，只要发光物质中有一个频率合适的光子存在，便可像连锁反应一样，迅速产生大量相同光子态的光子，形成激光。 这就是激光振荡器或简称激光器的基本原理。 因此可见，形成粒子数反转是产生激光或激光放大的必要条件，为了形成粒子数反转，须要对发光物质输入能量，我们称这一过程为激励、抽运或者是泵浦。 激光在工业 的应用中的优点 由于激光具有高度方向性和高强度性，应用在工业检测及控制系统上有很多优点，诸如： ⑴ 待测工件与测量仪器之间为非接触性测量，所以不易伤及待测工件的表面。 ⑵ 待测工件与测量仪器间的距离可不必很接近。 ⑶ 较不易受工作环境影响，如热的影响、电磁干扰。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） ⑷ 信号的反应时间仅受限于光电感测组件与电子组件，所以反应时间很短，测量非常快速，且准确性高。 ⑸ 利用现有的电子组件，如光电二极管等，光的信号很容易转换成电的信号，且容易在后级中作处理与放大，并可由数字技术作数值分析统计等工作。 ⑹ 可测量动态物体，如自动 化机械的感测系统的车削振动等。 氦氖激光器 氦氖激光器是在 1960 年成功运转的第一台气体激光器，也是继红宝石激光器后出现的第二台激光器，由于它结构简单、使用方便、工作可靠、寿命长、频率稳定性好等优点，作为一种新型光源，应用比较广泛。 氦氖激光器在可见区和红外区可以产生多种波长的激光谱线，主要有 红光和 微米和 微米的红外光。 氦氖激光器通常是由工作物质（ He、 Ne 气体）、谐振腔以及激发电源三部分构成。 氦氖激光器的长度一般是 250 毫米到 1 米。 目前最小的氦氖激光器的长度长仅 25 厘米，直径 厘米。 氦氖激光器是用气体放电方式激。