奧氏體鋼焊接缺陷檢測軟件設計

張彥奎

摘 要：奧氏體鋼的焊縫組織會導致超聲波信號衰減強于其他材料的焊縫。粗大組織會使聲波發生散射且波形易發生轉換，導致假信號出現。本文采用LabVIEW平臺設計了上位機超聲波檢測系統軟件，以對奧氏體鋼超聲波檢測信號進行分析處理及缺陷判定。

關鍵詞：奧氏體鋼;超聲波檢測;LabVIEW;模塊化設計

中圖分類號：TG441.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）02-0059-04

Austenitic Steel Weld Defect Detection Software Design

Abstract： Austenitic steel weld tissue can cause attenuation of ultrasonic signals stronger than welding other materials. Thick tissue will scatter sound wave and the waveform conversion occurs easily， causing false signals. ?In this paper， LabVIEW platform was used to design the software of the host computer ultrasonic testing system to analyze and process the ultrasonic testing signal of austenitic steel and determine the defects.

Keywords： Austenitic steel;ultrasonic testing;LabVIEW;modular design

奧氏體鋼具有良好的抗腐蝕能力、抗氧化能力和良好的低溫韌性，通常用于比較重要的部位，但其工作環境較為惡劣。因此，必須要加強對其焊縫等缺陷的檢測，從而保證設備安全工作。超聲波檢測是一種較為重要的檢測方法，可以非破壞性地檢測材料性質及內部和表面缺陷，且檢測靈敏度高，檢測速度快，在航空航天、橋梁等諸多領域得到廣泛應用。目前，超聲波檢測技術發展迅速，對儀器的要求也越來越高，要求檢測過程智能化，操作過程傻瓜化，信號分析與處理智能化，硬件系統軟件化[1]。硬件化儀器具有封閉、缺乏靈活性、響應慢等缺點，很難滿足當前的需要。因此，硬件系統軟件化成為儀器儀表領域的一個重要發展方向。由此，本文采用LabVIEW虛擬儀器平臺來完成奧氏體鋼焊接缺陷的軟件設計。

1 虛擬超聲波檢測系統的硬件組成

探頭、數控放大器、發射與接收電路、USB數據采集卡、計算機等是虛擬超聲波檢測系統的硬件部分。探頭的原理是通過壓電晶片的正、逆壓電效應產生超聲波，超聲波遇到焊縫缺陷產生回波，探頭則將回波轉換成電壓信號。但是，電壓信號很弱，因此，需要將信號放大，再通過數據采集卡將信號轉為數字信號，并由計算機進行分析和處理[2]。虛擬超聲波檢測系統的結構如圖1所示。

2 虛擬超聲波檢測系統的軟件設計

本系統通過LabVIEW編程平臺編寫，采用Windows編程機制，使系統設計更加靈活，采用消息驅動方式來使系統運作，其人機交互功能可以使程序在運行時充分受到用戶的控制。

本軟件采用模塊化設計，各個功能模塊通過主程序界面聯系起來。

2.1 程序總體設計

在設計過程中，根據系統的總體要求，把系統分為多個模塊，將各個模塊集成起來，通過一個主界面來調用各個功能模塊。模塊化設計思路的優點是在需要添加新功能時，模塊程序編寫好后，只需要修改主程序即可完成功能添加，虛擬儀器的擴展性得到了充分體現，也顯示出了“軟件就是儀器”所帶來的優越性。

2.2 系統主界面設計

設計程序時，先完成各個功能模塊的設計，把每個功能模塊做成子VI形式。在程序圖中，每一級模塊可以以圖表形式放置，使程序的可讀性增加，也使程序更易維護，程序更清晰明了，編程工作量減少[3]。

設計系統主界面時，運用LabVIEW中的“運行時菜單”（前面板編輯菜單下）功能，菜單選項的內容設置為各功能模塊，在程序運行時方便調用。通過條件結構可實現對菜單項內容的調用，條件結構中的子VI和各項菜單對應。在子VI的“子VI節點設置”對話框中選中“調用時顯示前面板”和“如之前未打開則在運行后關閉”兩個選項。系統主界面如圖2所示。此時，程序運行時選擇菜單某項，則相應的子VI前面板便會彈出，子VI運行結束后便消失。要添加新功能時，在菜單項添加此功能項，然后在程序中條件結構下新添一個子框圖，并添加此功能的子VI。這樣就可以不用改動整塊程序。子VI節點設置對話框見圖3。

2.3 信號預處理

2.3.1 信號截取設計。截取所需要的信號往往可以提高結果的可靠性，增加數據的可信度。運用“獲取波形子集函數”可以截取整個時間段波形中的一段，通過輸入控件設定起始波的位置以及區間寬度。獲取波形子集如圖4所示。

波形輸入用來輸入需要提取的信號;波形輸出用于輸出截取后的信號;起始采樣/時間可以設定起始位置;持續時間用來設定區間寬度[4]。

2.3.2 數字濾波設計。本設計采用Butterworth濾波器，如圖5所示，可以根據需要對采用頻率、階數和截止頻率進行設置，對信號進行低通濾波。

2.4 小波降噪

2.4.1 小波降噪設計。奧氏體鋼焊縫組織對縱波散射比母材對縱波散射強，噪聲成分較小，對信號影響并不大。但是，橫波的散射受焊縫組織的影響較大，回波會受到較明顯的影響?；夭ㄐ盘栴l譜高頻區既含有有用成分，同時也有噪聲，噪聲會對信號產生較大影響，并且橫波在焊縫缺陷中傳播時，每個晶粒都會起到低通濾波的作用，類似于一個低通濾波器，所以低通濾波對提高奧氏體鋼缺陷超聲波信號的信噪比效果并不會太好。由此，本設計增加了一個小波降噪，與低通濾波作為兩個選擇項，可以根據情況經行選擇。信號降噪過程如圖6所示。

2.4.2 LabVIEW小波降噪的實現。LabVIEW函數庫中提供了4個關于小波的函數：Daubechies4小波變換、反Daubechies4小波變換、Daubechies4（逐點）、反Daubechies4小波變換（逐點）。對于小波分析功能顯得不足，可根據小波分解重構的算法，運用LabVIEW進行編程。另外，NI公司提供了advanced signal processing toolkit（高級信號處理工具包）可供用戶下載，包含聯合時頻分析、時間序列分析和小波分析等多個功能模塊。安裝高級信號處理工具包后可在“信號處理—Wavelet Analysis—Feature Extraction”面板中找到WA Denoise函數，可以對信號進行小波降噪，如圖7所示。

threshold settings可以進行閾值設置（其中包含閾值規則選擇和閾值重調選擇）;signal輸入需要降噪的信號;levels可設置分解層數;wavelet對母小波進行選擇;denoised signal輸出降噪后的信號。對參數進行適當設置，可得到降噪效果較好的信號。小波降噪參數設置面板如圖8所示。

2.5 信號頻域分析設計

2.5.1 窗函數分析。窗函數可以對截斷的不連續信號做平滑處理，從而防止譜泄漏，而且可以使頻率相近的小幅值和大幅值信號分離開。在進行離散傅里葉變換時，要把時間序列截斷，但會導致譜泄漏。為了減少譜泄漏，可以使采用周期無限加長，此后FFT計算出的頻譜更為準確。在實際應用中，這種方法是無法實現的，因此，可通過對信號進行加窗處理來減少譜泄漏。這時，平滑窗的作用就類似于窄帶低通濾波器。加窗就是原始采波形乘上一個窗函數，其窗函數需要幅度變化平滑，且邊緣趨近零，可用公式（1）表示。

[yt=xtwt] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[yt]為加窗后的信號;[xt]為加窗前的信號;[wt]為窗函數。

在頻域中，窗函數叫作時間窗，時域中叫做頻譜窗，常用的窗函數有：矩形窗（Rectangular）、海明窗（Hamming）、漢寧窗（Hanning）、布萊克曼窗（Blackman）。在選擇窗函數時，要根據信號的性質及對信號的處理要求進行選擇。例如，只要求主瓣頻率能被精確讀出而幅值精度不做考慮的話，可以選用矩形窗;漢寧窗和三角窗可以用于干擾噪聲較強的窄帶信號;海明窗、漢寧窗等可用于包括周期信號的無限長信號。

LabVIEW中提供了多種窗函數，設計中采用了海明窗（Hamming）、漢寧窗（Hanning）、布萊克曼窗（Blackman）3種窗函數。

2.5.2 頻譜分析。通過傅里葉變化把時域信號變換到頻域信號，可以用于分析信號頻率成分和各成分的強度，可以通過快速傅里葉變化（FFT）對信號進行變換。通過頻譜分析，回波信號和被檢測的材料與頻率的關系能較為直觀地看出來。LabVIEW中提供了FFT函數模塊，如圖9所示。

FFT都是雙邊輸出的，正負頻率的信息會同時顯示出來。把負頻率對應的頻譜迭加到對應的正頻率上，然后將正頻率對應的幅值加倍，零頻率對應的頻譜不變，就可以將雙邊頻譜變換為單邊頻譜。程序如圖10所示。

2.5.3 功率譜分析。對信號進行功率譜分析可以得到功率譜密度函數，在頻率上信號能量的分布可由功率譜密度函數反映出來。LabVIEW中的功率譜計算公式為：

[PΛxk=1N2Xk2] ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[N]是采樣點數;[Xk]是FFT變換后輸出的序列。

功率譜分析可以觀察信號在頻率上的能量分布，把信號的主要頻率顯示出來。功率譜分析如圖11所示。

2.6 缺陷位置判定設計

縱波檢測時，有一個參量表征缺陷的位置，即距離探頭平面的縱向距離d;橫波檢測時，有兩個參量，一個是l表示距離探頭的水平距離，一個是d表示距離探頭所在平面的距離。

縱波檢測：

[d=0.5W] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

橫波檢測：

[l=Wsinβ] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

[d=Wcosβ-n-1t，n=1，3……（奇數次波）] ? （5）

[d=nt-Wcosβ，n=2，4……（偶數次波）] ? ? ?（6）

[W=ct] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

式（7）中，[c]是超聲波波速，[t]是缺陷波和始波之間的間隔。

使用LabVIEW中的波峰檢測函數用來檢測波峰，波峰位置與位置引腳連接，將波峰值與振幅連接，可以準確計算出極值點。再根據以上公式，可以計算出缺陷的位置。缺陷位置計算程序設計采用條件結構，可以對橫波和縱波進行選擇，缺陷位置判定程序如圖12所示。

3 結論

①采用模塊化的設計思路，將各個功能細化為單個程序，通過一個主程序對各功能子程序進行調用，這樣做不僅使結構更加緊湊，而且使調試修改更加方便，功能擴展也不會改動整個程序。

②通過信號處理技術，可以對檢測信號進行降噪濾 波、時頻轉換等處理，從而提取出缺陷的特征，使缺陷更易識別。

參考文獻：

[1]肖國友.信號處理及應用[M].西安：西北工業大學出版社，1991.

[2]王華玲.基于LabVIEW的超聲檢測虛擬儀器研究[D].西安：西安科技大學，2006.

[3]程志明.信號采集系統的設計[D].北京：北京工業大學，2001.

[4]潘泉，張磊，孟晉麗.小波濾波方法與應用[M].北京：清華大學出版社，2005.