一種基于虛擬儀器的金屬棒料自動無損檢測系統

湖北工業大學機械學院 朱炳坤

湖北省纖維檢驗局

湖北工業大學電氣與電子工程學院 王 建

一種基于虛擬儀器的金屬棒料自動無損檢測系統

湖北工業大學機械學院 朱炳坤

湖北省纖維檢驗局

湖北工業大學電氣與電子工程學院 王 建

本文闡述利用超聲波進行探傷檢測和虛擬儀器編程語言LabVIEW調用動態鏈接庫函數，實現超聲信號的發射及采集等的一套棒料自動無損檢測的系統。該技術替代傳統的使用超聲探傷儀檢測的方法，提高棒料的檢測效率和準確性，降低檢測成本與工人勞動強度，實現高精度的非接觸式測量和缺陷產品的自動分選，為缺陷信號的處理和解決等提供了一種新方法。

無損檢測；虛擬儀器；聚焦液浸法；聚焦探頭

0 前言

現在我國的檢測技術還處于發展階段，技術正在不斷更新，市場需求不斷擴大。伴隨著工業生產對檢測技能要求的提高，目前國內小型數字探傷設備還不夠完善，大多數設備都依賴國外進口，價格高昂。即使我國自行研制出的檢測設備，設備之間無法實現共享數據，而虛擬儀器技術是基于計算機技術的自動測試技術，不僅具備功能化、模塊化的特點，而且還具有能夠實現共享、占地面積小的優點，如果把它應用到超聲檢測中，它不但可以擴大探傷功能，使檢測設備小型化，而且還可以實現自動檢測等。

棒料自動無損檢測系統通過應用虛擬儀器技術，對超聲波信號進行處理與計算，將檢測的結果顯示出來。該技術替代傳統的使用超聲探傷儀檢測的方法，提高棒料的檢測效率和準確性，降低檢測成本與工人勞動強度，實現高精度的非接觸式測量和缺陷產品的自動分選，降低企業生產成本，提升了企業競爭力。

1 棒料無損檢測方法設計

基于PC機的棒料無損檢測系統主要包括超聲傳感器、信號調理電路、采集卡、計算機、顯示、鍵盤輸入、運動控制卡、執行機構等部分組成，其系統組成結構如圖1所示。

圖1 系統組成結構圖

棒料的缺陷檢測的方法有很多種，在選擇檢測方法的時候需要根據被檢測材料的實際情況以及檢測方法的優缺點等因素進行綜合性的考慮，才能達到高效、準確檢測的效果［1］。對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。

針對該棒料缺陷的特點，確定檢測的方案。首先確定液浸法，即探測頭和工件之間充入一定量的液體媒介作為傳播介質，使聲波先在液體媒介中傳播，然后再射入檢測的工件中。這層液體可以延遲聲波傳播的速度，并且其不會減弱聲波的傳播。液浸法中探頭不與試件直接接觸，這樣探頭既不會受到磨損也不會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整方向，聲波發射和接收也較穩定。

采用超聲無損檢測作為棒料表面和近表面缺陷檢測的方法具有較高的靈敏度，且設備成本投入低、用戶操作簡單。根據現場的實際情況選擇合適的檢測方法，系統采用探頭不動、棒料螺旋前進的檢測方式，利用超聲波來實現對棒料缺陷的檢測。

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。因為水對聲波無任何影響，所以其常被用作聲延遲線，也即水浸法。常規的水浸法中，聲波在水和鋼的2次擴散中，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，因而實際應用中通常采用聚焦水浸潤法探測。

2 金屬棒料自動無損檢測硬件設計

2.1 檢測構架設計

金屬棒料自動無損檢測區包括檢測平臺、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的同時也以恒定的轉速轉動，超聲探頭固定在支架上不動，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，可以實現高靈敏度的檢測。

圖2 構架設計圖

2.2 聚焦探頭的參數和板卡的選型

該檢測系統采用的聚焦探頭來自于美國某著名超聲波檢測設備公司，型號為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。系統選擇KW3000超聲采集卡和DMC1380運動控制卡，實現對超聲波信號的發射和接收以及對步進電機的運動控制。

2.3 檢測硬件的設計

（1）強、弱電。檢測系統的強電部分主要包括一個42V電源（給雷賽步進電機供電），一個24V電源、一個空開、5個插座（其中一個為預留檢修插座）、一個交流接觸器。弱電部分主要包括2個ND556電機驅動器、一個ND882電機驅動器、DMC1380板卡接線端子、2個限位開關、5個電磁閥。

（2）氣動控制。檢測氣動控制主要包括氣源、調壓過濾器、電磁閥組、汽缸等，氣源產生足夠的壓力，經過調壓過濾器的調節作用得到需要的穩定氣壓，通過控制電磁閥的通斷實現對汽缸伸縮的控制。

3 金屬棒料自動無損檢測軟件設計

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控制和棒料手動控制；數據處理模塊包括數據采集、數據分析、數據管理；設置模塊包括超聲參數設置、棒料參數設置。設置模塊可以對系統中的某些參數進行設置，控制模塊控制棒料的運動，對超聲波回波數據進行采集、分析和處理，然后繪制波形圖像，將波形結果以掃描的方式顯示出來，同時儲存采集的數據，方便對數據的管理。

3.2 軟件主要流程

圖3 軟件流程圖

軟件如圖3所示：當探頭的位置調整好，即可啟動自動掃描命令，系統將自動掃描整個棒料，掃描完成后，處理數據，在屏幕上顯示掃描結果，并保存數據。

3.3 缺陷識別軟件的人機界面設計

不銹鋼棒料超聲波自動探傷設備系統軟件運行后的主界面主要包括5個部分：狀態信息；超聲檢測信號波形圖以及時間；超聲參數設置；棒料參數設置；系統的操作按鈕區，如圖4所示。

圖4 主界面圖

3.4 缺陷信號處理

模擬超聲波的發射與接收；根據顯示波形，分析出缺陷的位置和缺陷率。由于設計采用LabVIEW軟件，實現了計算機與測試儀器的一體化，這給實際的工作帶來了許多便利。用戶還可以根據實際需要對前面板及流程圖代碼圖進行修改以滿足測試要求，這是傳統儀器無法比擬的，實驗測得的反饋波形如圖5所示。

圖5 反饋信號波形

4 總結

本設計將計算機技術、機電控制技術和超聲波測控技術進行有機的結合，實現了對棒料缺陷的自動無損檢測，基于虛擬儀器的棒料超聲檢測的研究與開發有效地提高了棒料缺陷檢測性能試驗數據的精確性和實時性，用計算機軟件代替了傳統測控系統中的大量硬件。對棒料缺陷存在的形式和檢測方案的優缺點進行了分析，從而為桿棒、管道類構件或零件的自動探傷提供了更可靠的檢測方法。

［1］丁宇康.基于LabVIEW的測控平臺的構建［J］.電子測量技術，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.超聲波檢測數據高速采集傳輸技術的研究，無損檢測，2003，25（8）：395～398.57－63.

［4］張凱，郭棟.Labview虛擬儀器工程設計與開發［M］.北京：國防工業出版社，2004.124－128.

［5］劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設計［M］.北京：電子工業出版社，2003.143－14.

2012－05－14）