磁致伸縮導波檢測軟件開發

袁建鵬，武新軍，徐 江，從 明

（華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074）

在橋梁纜索、輸油管道等較長構件的無損檢測中，常規無損檢測方法單次檢測范圍小，需要移動探頭進行逐點檢測，檢測效率低。基于磁致伸縮效應的導波檢測方法可單點激勵長距離檢測，檢測效率高［1－3］。目前商業應用的導波檢測系統主要有TWI開發的Teletest、超聲導波公司開發的 Wavemaker和美國西南研究院開發的MsSR3030及其配套的檢測軟件［4－6］。作者在已有的非接觸式磁致伸縮導波檢測系統硬件基礎上［7］，根據近年來的實驗室和現場試驗需求，對其軟件進行了升級。軟件包括頻散曲線、虛擬檢測、數據采集、信號分析等多個模塊，可實現檢測頻率選擇、傳感器布置設計、數據采集顯示與存儲、結果分析與報告等功能，同時具備采集卡連接狀態自動監測、掃頻檢測等人性化功能。

1 磁致伸縮導波檢測系統結構

圖1是檢測系統硬件結構框圖，檢測硬件包括便攜式計算機、檢測主機和傳感器。檢測主機由數據采集卡、門控電路、功率放大器、放大濾波電路和雙工電路組成。傳感器為雙工傳感器，雙工傳感器包含兩個通道的線圈，每個線圈既可作激勵也可以作接收。檢測時，軟件通過采集卡接口函數控制采集卡D／A模塊輸出一定周期的正弦脈沖，同時I／O模塊輸出高電平作為門信號，門控電路根據門信號控制功率放大器對正弦脈沖進行功率放大，放大后的信號作用于雙工線圈，通過鐵磁性材料的磁致伸縮效應在構件中激勵出導波。當導波通過線圈時，由于逆磁致伸縮效應導致線圈磁通量變化并感應出電信號。雙工線圈的信號經雙工電路后進入放大濾波電路。濾波后的信號由A／D模塊采集并傳輸到便攜式計算機，通過軟件對信號進行顯示、存儲和分析處理，得到被檢構件的缺陷信息。根據檢測方向可分為雙向檢測和單向檢測，雙向檢測時僅對一個線圈進行激勵與采集，單向檢測時同時對兩個線圈進行激勵與采集，通過控制兩個線圈激勵信號的時間和相位實現單方向檢測［8］。

圖1 檢測系統硬件結構框圖

2 軟件結構與實現

軟件使用單文檔視圖結構作為基本框架，通過自定義的抽屜控件實現參數輸入和操作控制，減小操作復雜性并提高人機交互水平。軟件主要由六個模塊組成，分別為頻散曲線、虛擬檢測、參數設置、數據采集、信號分析和檢測報告模塊，軟件功能框圖如圖2所示。頻散曲線模塊用于圓柱體結構中導波的相速度和群速度計算、顯示，計算結果可存儲、打開；虛擬檢測模塊用于檢測回波預測和傳感器布置優化；參數設置模塊用于設置檢測過程中的數據顯示參數、數據存儲參數、檢測信息等。數據采集模塊用于控制導波信號的激勵、采集、顯示與存儲；信號分析模塊用于檢測信號的處理與分析；檢測報告模塊用于根據分析處理結果生成檢測報告。軟件的主界面如圖3所示。下面對各個模塊加以詳細論述。

2.1 頻散曲線模塊

導波檢測的關鍵在于頻率的選擇，而頻率選擇依據是頻散曲線，實際檢測中應選擇頻散現象較小的頻率作為檢測頻率。為此，根據頻散方程開發了基于二分法的頻散軟件。對于給定的圓柱體結構，頻率ω和波數k之間滿足［9］：

式中：cij表示行列式｜cij（ω，k）｜n中的第i行，第j列元素，是頻率ω和波數k的函數。

求解T模態時n＝2，L模態時n＝4，F模態時n＝6。若頻率ω固定，則行列式｜cij（ω，k）｜是波數k的函數，給定一個初始波數k1和增量Δk，若k1處和k1＋Δk處行列式的符號發生改變則意味著Δk內存在一個解，則取Δk的一半進行下一次迭代，直到找到給定精度內的根k0［10］。若波數k固定可用相同的方法迭代求解頻率ω。令波數k＝0可求解得到截止頻率foutoff，對于除 T（0，1）、L（0，1）和 F（1，1）模態外的導波均存在截止頻率。輸入計算參數和構件參數后，先計算出各個模態的截止頻率，對于 T（0，1）、L（0，1）和F（1，1）模態可認為其截止頻率為0。接著根據最小計算頻率、最大計算頻率、頻率步進和截止頻率得到需要計算的頻率數組，根據截止頻率可得到頻率數組中各個頻率對應解的個數N，使用二分法迭代求解每個頻率對應的N個解，得到N個模態所對應的波數。算出所有頻率下各模態的波數后即可得到頻散曲線。求解過程中的貝塞爾函數、貝爾斯托求根函數、高斯消元法求矩陣行列式函數等均通過C＋＋算法實現，通過抽屜控件實現計算參數的輸入，計算過程中實時顯示計算進度，相速度和群速度曲線通過自定義的二維坐標控件顯示，并可在坐標控件上顯示曲線所對應的模態名稱。頻散曲線計算結果可保存到文件，若有相同結構，直接打開頻散曲線文件即可。

2.2 虛擬檢測模塊

虛擬檢測主要實現以下兩種功能：一是實驗室研究時已知缺陷信息，可將實際檢測信號與虛擬檢測信號進行對比，方便對信號進行分析；二是現場檢測時工況復雜干擾信號多，為了提高檢測精度對疑似缺陷采用虛擬檢測方法以指導傳感器布置。虛擬檢測方法根據激勵位置、接收位置、管長、衰減系數、缺陷反射率、激勵方向等參數模擬采集獲得脈沖回波信號，同時可根據管長、缺陷位置等參數優化設計激勵位置等參數。為了簡化算法將回波分類，根據激勵方向可分為向左激勵、向右激勵，根據接收方向可分為左側信號、右側信號，根據反射介質可分為缺陷回波、通過信號和端部回波，組合起來共有8種信號。同時對工作方式進行分類，激勵方式可分為向左激勵、向右激勵和雙向激勵，接收方式可分為接收左側信號、接收右側信號和接收雙側信號，組合起來共有9種工作方式。某一工作方式下的虛擬信號是8種信號的線性和，給定采樣時間和采樣率可求得每一個采樣時間點的幅值，最終得到虛擬檢測信號。圖4是管長5m，激勵位置0.3m，接收位置1m，缺陷位置2m，導波群速度5200m／s，衰減系數0.2dB／s，缺陷反射率10%，向左激勵，激勵頻率40kHz，激勵周期數3，雙側接收，采集時間4ms，采樣率5MHz下的虛擬檢測信號。同時，以缺陷信號便于識別為依據，可對傳感器布置進行優化設計，優化后的設計數值顯示在參數設置區并同時在顯示區顯示布置示意圖。

2.3 參數設置和數據采集模塊

參數設置模塊主要用于設置信號顯示參數、數據存儲參數和檢測信息參數。

圖4 虛擬檢測信號

數據采集模塊是軟件的主要模塊，實現導波信號的激勵、采集、顯示與存儲。便攜式計算機通過USB2.0接口與主機連接，控制信號和檢測數據通過USB2.0接口傳輸，數據采集卡具有雙通道A／D采集和雙通道D／A輸出功能，最高采樣率20MHz，I／O模塊包括8路DI和16路DO，DO作為門信號控制接口。采集時首先判斷檢測參數、采集卡連接狀態等是否正常，接著初始化采集卡并進入采集子線程，檢測人員選擇數據存儲路徑，設置采集D／A和DO，接著循環執行初始化A／D、采集數據、檢測緩沖區是否溢出、停止A／D和發送顯示更新消息直到完成所有采集次數，采集完畢后存儲檢測數據并退出子線程。若采集過程中出現緩沖區溢出則停止采集子線程結束采集。數據采集流程如圖5所示。

圖5 數據采集流程

2.4 信號分析與檢測報告模塊

信號分析模塊進行分析時首先加載數據文件，讀取文件頭中的參數信息，將其顯示在左側的參數顯示區；然后從數據區讀取各個通道的數據到內存中；數據讀取完畢后顯示信號分析主界面，如圖6所示。

圖6 數據分析主界面

默認顯示模式為全屏顯示模式，將顯示采集時間內的全部信號，調整顯示范圍滑塊可選擇要分析的數據區域，單擊分析顯示可進入分析模式，分析模式下可對信號進行帶通濾波、時頻分析、包絡顯示和DAC曲線繪制等，信號顯示的橫坐標可以設置為距離坐標，方便對信號進行定位，帶通濾波器為無限沖擊響應濾波器，類型有巴特沃斯、切比雪夫和橢圓濾波器；時頻分析主要是對信號進行短時傅里葉變換，得到信號的頻率譜，窗函數類型可選擇凱撒窗、高斯窗、海明窗、漢寧窗等。信號分析完后可對回波進行標識同時可導出到圖片，圖7所示是信號分析結果。

檢測報告模塊用于生成檢測報告，包括報告內容、預覽和打印3個部分，報告內容用于加載分析結果、檢測參數等。報告內容完成后可在顯示區進行預覽，并通過打印機進行打印。

3 結論

在深入研究磁致伸縮導波檢測特點的基礎上，基于自主研制的硬件結構，開發了磁致伸縮導波檢測軟件，該軟件具有頻散曲線計算、虛擬檢測、參數設置與信號采集、檢測結果分析等功能，實驗室和現場試驗表明，檢測軟件開放性好、運行穩定，將推進導波檢測技術的應用。

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