基于LabVIEW的超聲C掃成像系統設計

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(北京理工大學 珠海學院，珠海 519085)

基于LabVIEW的超聲C掃成像系統設計

張國才，游泳，沈洋，邢秀文，謝小榮

(北京理工大學 珠海學院，珠海 519085)

針對目前國內外超聲C掃成像系統研發成本普遍較昂貴的現狀，開發了一套新的超聲C掃成像系統。系統上位機采用圖形化編程語言LabVIEW編寫，配合超聲發射接收卡及普通的單片機STC89C51，實現對三軸平臺的靈活控制及超聲回波信號的高效采集，提高了軟件的靈活性，增強了軟件的操作友好性，同時降低了成本。系統能滿足承壓設備板材、鍛件及探頭聲場測試的要求。

水浸超聲檢測；C掃成像；LabVIEW；單片機

超聲波C掃描成像顯示能夠以圖像形式直觀顯示缺陷信息，對缺陷的定量、定位檢測也更加準確，減少了人為因素的影響,生成的缺陷圖像也更容易保存。目前，國內外超聲C掃描成像系統研發或購買成本較為昂貴，維護成本也較高。在確保檢測系統高精度、高質量、高分辨力的要求下，筆者開發了一套有別于其他超聲C掃成像系統，該系統研發過程中所涉及的軟硬件成本都較低。可為水浸超聲C掃自動檢測的推廣起到一定的推動作用[1-5]。

在設計及實現系統的過程中，也兼顧了標準NB/T 47013.3-2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》中承壓設備原材料或零部件的超聲檢測方法和質量分級對板材檢測的要求。系統具有對缺陷面積的統計功能，為板材鍛件等的快速質量評級提供幫助。

1 超聲C掃描成像系統功能及檢測原理

超聲C掃描成像系統主要適用于板材、鍛件等的自動探傷及各種探頭的聲場測試，除了具有常規A掃、C掃的基本功能外，還具有面積計算、圖像存儲及報警功能等。能實現預置xy平面掃查、yz平面掃查、xz平面掃查及各軸向線掃功能。掃查精度分為3檔，步進可分別設置為3，1.5，0.3 mm，能滿足各類平面的C掃成像功能。

超聲C掃描成像系統總體框架結構如圖1所示，系統上位機采用圖形化編程語言LabVIEW編寫，上位機通過調用DLL動態鏈接庫來對CTS-04PC超聲發射接收卡進行數據采集及超聲波激勵接收功能設置[6-8]。單片機STC89C51與工控機采用RS232串口通信，工控機(上位機)發送調速、掃查范圍、電機掃查方向及掃查精度給STC89C51,下位機執行上位機指令并通過各軸驅動器驅動步進電機，同時系統在進行C掃描過程中，由STC89C51根據步進精度不斷向上位機發送位置標識符直至掃查結束。上位機(labVIEW)監控VISA讀取端口，在將位置標識符解釋為平面掃查坐標過程中采集相對應位置的回波信號，通過數組形式轉化為強度圖，實時將C掃描圖像顯示出來。如果在上位機界面選擇了缺陷面積記錄功能，掃查結束后同時根據缺陷記錄靈敏度，系統能顯示出掃查范圍內的缺陷總面積。

圖1 超聲C掃描成像系統總體框架結構

2 系統硬件

2.1絲桿及電機驅動器的選擇與設置

為適應板材、鍛件的超聲檢測及探頭聲場測試，機械驅動部分采用3軸掃查平臺。掃查平臺絲桿型號為1610(絲桿外徑為16 mm，導程為10 mm)，搭配4臺57步進電機驅動絲桿做直線運動，電機驅動器選用ZD-6560-V4。該驅動器具有接口采用超高速光耦隔離、抗高頻干擾能力強等特點，能實現整步、2細分、8細分、16細分可調及輸出電流4檔可調等功能。在調試掃查架的過程中，為確保掃查精度及扭矩輸出，需要選擇16細分及3.0 A的電流輸出。給電機輸入1 000個脈沖，絲桿螺母將帶動探頭在絲桿軸向方向直線運動3 mm，在保證掃查精度情況下將精度設置為3檔。

2.2超聲發射接收卡及單片機的選擇

系統的核心硬件之一是汕頭超聲電子股份有限公司的CTS-04PC多通道PCI探傷卡，該卡具有單卡4通道，方波激勵，-300～0 V可調，重復頻率最高每通道2 kHz，頻帶0.5 MHz～15 MHz，采樣頻率100 MHz，檢波方式全波、正半波、負半波、射頻等技術指標，板卡同時提供了旋轉編碼器、接近開關、噴槍、報警等開關量接口。該卡提供了完整的各種性能參數設置及數據獲取的函數庫，以便通過LabVIEW上位機進行調用。在控制電機方面，為了控制成本及后續系統的擴展，不用選擇電機控制卡，而選擇價位低卻編程靈活的單片機。單片機型號為STC89C51,其具體執行接收上位機指令及反饋位置信息，為確保上下位機通信準確，單片機晶振頻率選擇11.059 2 MHz。

3 系統上位機及下位機編程的幾個關鍵問題

3.1系統上位機設計

3.1.1 上位機前面板設計

系統前面板主要執行數據的輸入及顯示功能，其分為3部分(見圖2～4)，分別為探傷卡設置、機械設置及圖像顯示。操作界面簡潔友好，前面板3部分設置可以自由切換，采用了LabVIEW中的選項卡控件。探傷卡設置界面包括發射電壓、測量方式、幀壓縮比、重復頻率、增益、閘門、報警方式的選擇；機械設置界面包括VISA串口通道、各軸移動距離、速度、方向、掃查精度、掃查方式等的選擇；圖像顯示界面包括：A型掃查脈沖波形、C掃圖像顯示、圖像保存路徑及缺陷面積顯示[9-11]。

圖2 探傷卡設置前面板

圖3 機械設置前面板

圖4 圖像顯示前面板

3.1.2 上位機程序框圖設計

上位機程序框圖(見圖5)是整個系統的核心，程序編程設計中用到了平鋪式順序結構、For循環、While循環、條件結構及事件結構。程序最外層為

平鋪式順序結構，從初始化并啟動探傷卡、初始化控制面板、循環執行系統、關閉探傷卡到退出系統。While循環執行的內容是整個程序的核心，該循環中包括了兩個事件結構，這兩個事件結構分別連接前面板中的探傷卡和機械設置界面，這兩個面板中的任何輸入都可觸發事件結構內部的程序。While大循環中還包括探傷卡波形數據的獲取與顯示，循環中不斷監控事件是否被觸發，而觸發的信息又會改變波形數據的獲取與顯示。

在事件結構2中嵌套了另一個平鋪式順序結構，該結構在上位機發送平面掃查信息給下位機后執行，該結構第一幀為While循環，循環不斷接收來自單片機發送回的位置標識符，持續統計接收個數，并實時解釋為掃查(數組)坐標。通過索引數組單元將原數組單元中的值替換掉，新值即為該坐標所采集到的指定區域的超聲回波幅值。掃查過程同時實時顯示C掃圖像。掃查結束后可手動跳出While循環，并可進行缺陷面積統計及保存圖像。

圖5 系統程序結構圖

3.1.3 上位機與下位機通信信息碼

上位機與下位機單片機通過RS232串口進行通信，上位機發送給單片機的主要有單軸調整信息碼和平面掃查信息碼。單軸信息碼是由10個字符組成的字符串，先將相關的數值通過“格式化寫入字符串”命令轉換為字符，再通過“連接字符串”命令按照一定順序連接。其中根據3軸掃查平臺掃查范圍及調速要求，各軸移動距離及速度設置為8位無符號整型數據類型，并強制轉化為3位字符串輸出。單軸信息碼信息解釋為：開頭第0個字符“9”表示為發送單軸；第1個字符為選定“某"軸，1為x軸，2為y軸，3為z軸；第2個字符表示為電機滑臺移動方向，0為反向，1為正向；第3,4,5個字符表示移動距離；第6,7,8個字符表示移動速度；第9個字符表示結束符。

平面掃查信息碼字符串共13個字符，平面掃查信息碼解釋為：開頭第0個字符“8”表示為發送平面掃查；第1個字符表示掃查平面選擇；第2，3，4個字符表示平面掃描列移動距離；第5，6，7個字符表示平面掃描行移動距離；第8，9，10個字符表示選定軸移動速度；第11個字符表示掃查精度位；第12個字符為結束符。

3.1.4 上位機位置標識符解釋

為了獲取C掃平面圖像，首要問題是要將探頭掃查平面網格化，例如，如果掃查平面設置為300 mm×210 mm，掃查步進精度設置為1.5 mm，則掃查平面網格化后總共為200×140=28 000個小格，平面分為200行140列，每個小格需采集一次指定區域的最高回波幅值。為解決上述問題，單片機執行每走一個步進精度向上位機發送一個位置標識符，上位機不斷讀取統計VISA端口位置標識符個數，標識符個數再按行列進行分解，例如：當接收到421個位置標識符時，其平面坐標解釋為第2行第21列，即平面坐標為(2，21)，然后再讀取該平面位置的回波幅值。這些平面位置坐標可看做是二維數組中的一個單元，這個二維數組是在設置平面掃查范圍時同時建立的，所采集到的回波幅值可逐個填充到二維數組對應的坐標中來。

3.2下位機單片機的設計要點

單片機是執行上位機指令的主要硬件，其主要子函數分別為char compile(unsigned char m)、void communicate() interrupt 4及void move distance and velocity()。char compile(unsigned char m)為編譯函數，其功能是將上位機發送的信息碼字符轉換為八進制無符號整型數據類型。void communicate() interrupt 4為串口中斷函數，調用char compile(unsigned char m)的同時將信息碼存入一維數組中。void move distance and velocity()為信息碼分解函數，將信息碼中的各軸移動位移、移動速度、方向等分解為具體的數值。下位機接收到上位機一串信息碼后關閉串口中斷，執行完所有掃查步驟后再開啟串口中斷，這是保證掃查過程不被外部隨意中斷的掃查過程，同時也是為了保護電機的正常運行。為了避免由于平面掃查范圍設置不合適而造成的滑臺過沖，在電機軸上還設置了限位開關，限位開關與單片機通信，該通信(外部中斷信號)設置為最優先級中斷，可立即停止電機運轉。

4 檢測實踐

在以下的3個檢測案例中，探頭選取了常州超聲電子股份有限公司的直徑為6 mm，頻率為10 MHz的普通超聲水浸探頭。為了驗證掃除平臺在掃查過程中是否存在電機失步或采集信號錯位問題，專門選取了山東瑞祥模具有限公司制造的近場檢測試塊，該試塊預置有不同埋深的橫孔，橫孔長30 mm，埋深范圍為10～18 mm，共9個。C掃圖中9個橫孔清晰可見，橫孔圖像能與試塊中的橫孔位置良好吻合，試驗證明，系統掃查過程中電機不存在失步或錯位的現象。近場試塊C掃圖像如圖6所示。

圖6 近場試塊C掃圖像

4.1中厚板人工缺陷的C掃圖像

所選45#鋼中厚板為人工預置缺陷試塊，試塊尺寸(長×寬×高)為400 mm×300 mm×20 mm，掃查平面范圍(長×寬)為261 mm×348 mm，掃查步進精度為1.5 mm。系統靈敏度設置參考標準NB/T 47013.3-2015中超聲水浸法檢測部分內容，根據該標準，板厚小于或等于20 mm時，可用被檢板材的無缺陷完好部位來調節起始靈敏度。水浸法檢測過程中將工件底面回波調整至工件上表面界面第二次回波之前，采取將工件第一次底波調整到滿刻度的50%，再提高10 dB作為基準靈敏度，閘門鎖住第一次底波，當該底波發射波波幅低于顯示屏滿刻度的50%時作為缺陷判定的依據。當測試點波幅小于50%時，將該點記錄進總面積中。總面積計算方法為1.5 mm×1.5 mm×缺陷個數。45#鋼中厚板C掃成像圖如圖7所示，檢測出總缺陷面積為15 745.5 mm2。

圖7 45#鋼中厚板C掃成像

4.2自然缺陷鍛件的C掃圖像

自然缺陷鍛件尺寸(長×寬×高)為110 mm×100 mm×100 mm，選擇掃查面(長×寬)為110 mm×100 mm，掃查平面范圍為132 mm×132 mm,掃查步進精度為1.5 mm，由于沒有相應平底孔試塊，掃查起始靈敏度設置方法參考中厚板的設置，掃查結果如圖8所示，總缺陷面積為1 329.75 mm2。

圖8 鍛件C掃成像

5 結語

研制的水浸式超聲自動化成像系統是一種集機電一體化技術、超聲檢測技術、計算機測控技術于一體的超聲波檢測設備，該設備采用了一種有別于其他超聲C掃成像系統的編程語言及方法。經過實踐證明，該系統運行可靠、性能穩定、操作界面友好，特別適合于板材、鍛件的檢測及超聲探頭聲場測試。所闡述的系統程序設計方案簡潔、結構清晰，具有較高的參考價值，可為超聲C掃成像技術的進一步推廣起到一定的推動作用。

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DesignofUltrasonicC-scanImagingSystemBasedonLabVIEW

ZHANG Guocai, YOU Yong, SHEN Yang, XING Xiuwen, XIE Xiaorong

(Beijing Institute of Technology (Zhuhai), Zhuhai 519085, China)

This paper discusses current development state of domestic ultrasonic C-scan imaging system, which is generally more expensive and of high cost for its research and development. The authors have developed a new ultrasonic C-scan imaging system by using LabVIEW as the host computer together with ultrasound transmitting and receiving card and ordinary single chip STC89C51 to realize the flexible control of three-axis platform and efficient acquisition of the ultrasonic echo signal. So developed system improves the flexibility of the software, enhances the friendly operating software, and at the same time reduces the cost and promotes the water immersion ultrasonic C-scan automatic detection technology. The system can meet the requirements of plate of pressure-bearing equipment, forging and ultrasonic field measurement.

water immersion ultrasonic detection;C-scan imaging; LabVIEW;microcontroller

2017-06-25

廣東省普通高等特色創新資助項目(ZX-2017-001);珠海市高端制造業協同創新中心無損檢測分中心資助項目(ZX-2015-063)

張國才(1983-)，男，講師，主要從事超聲、電磁無損檢測技術教學與研究工作

游 泳(1976-)，男，副教授，主要從事超聲無損檢測技術教學、研究及工程應用工作，12696767@qq.com

10.11973/wsjc201711018

TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0074-05