摘要:介绍虚拟超声波探伤仪的工作原理、系统组成、软件设计步骤、各参数的设置、系统调试与仿真方法。本系统能显示超声波探伤波形,并计算出缺陷位置和缺陷率。
1 超声波探伤仪的系统设计
1.1 工作原理
本文采用LabVIEW图形化开发软件,实现超声波的发射与接收。以金属或非金属作为检测对象,根据显示波形,分析缺陷的类型、位置和大小。根据超声波探伤的原理,利用单探头一次脉冲法进行探伤。已知超声波在工件中的声速为c,使用波峰检测函数模块检测到缺陷波F和发射波T的位置,即时间轴显示的t2和t1,超声波在工件中传播至缺陷处所需的时间为t=t2-t1,缺陷的位置d=ct/2。基于虚拟仪器的超声波探伤仪系统组成如图1所示。
1.2 超声波探伤仪软件设计
超声波探伤仪软件主要包括前面板和流程代码图两部分,其设计流程框图如图2所示。
1.3 超声波探伤仪前面板的设计
(1)选择ControlsmNumericmDigitalControl重复八次,并将名称修改为首波位置、首波幅值、缺陷波位置、缺陷波幅值、滤波类型、滤波频率、滤波阶次、波速。
(2)选择ControlsmNumericmDigital Indicator重复两次,将名称修改为缺陷位置、缺陷率。
(3)选择ControlsmBooleanmStop Button,将名称修改为停止。
( 4 )选择ControlsmGraphmXY Graph。XY Graph可以绘制出非均匀采样的数据和某些平面曲线。鉴于此优点,本设计中采用XY Graph作为缺陷曲线显示屏。
(5)在Graph上弹出菜单Visible ItemsmCursor Leg2end,显示游标图例板。默认的游标图例板有两个游标,可以用定位工具拖动它的任意一角使它扩大或缩小,以显示需要的游标数目。在本设计中只需要一个游标测算出波峰的位置。
(6) LabVIEW提供了装饰前面板上对象的设计工具,这些界面元素对程序不产生影响。所有的装饰元素都存在装饰子模板内。鼠标选取其中任一装饰板,将这个控件放置于已有的控件之上,它会覆盖已有的控件一般都要将它们置于底层。首先用鼠标选择该控件,点击工具条,在弹出的菜单中选择Move to Back,这时被装饰件覆盖的其他控件全部可见了。适当地调整控件的大小和位置并配以适当的颜色,经过装饰的界面会显得比较美观。超声波探伤仪的前面板如图3所示。
1.4 与前面板对应的流程图窗口的设计
本设计的流程图主要由四部分组成:波形采集部分、滤波器模块、波峰检测函数模块以及数据分析模块。波形采集部分由AIConfigVI、AIStartVI以及AIReadVI构成,滤波器选择ButterworthFilterVI,波峰检测函数模块选择Peak DetectorVI,数据分析模块根据计算公式选择适当的运算器即可。
在新建的流程代码图编辑窗口根据以下步骤的操作即可完成如图4所示的流程图窗口的设计。
(1)在FunctionmData AcquisitionmAnalog Input下分别选择AIConfigVI、AIStartVI以及AIReadVI。AIConfigVI用来设置采样时的各个参数。在本设计中设置信道0读数,AI StartVI用来指定程序中用于开始采样的那些参数,将number of scans to acquire扫描次数设置为0,使得数据采集设备在后台连续地采集数据送入缓存区;AI StartVI的输出值actual scanperiod为返回实际扫描的周期,作为图形显示的X轴时基;AIReadVI设定从采样缓存区读取的那些参数。
(2)在AnalyzemSignal ProcessingmFilters下选择Butterworth FilterVI,对该滤波器的各个参数进行设置,滤波类型的设置项0表示LowPass(低通), 1表示HighPass(高通), 2表示BandPass(带通),3表示BandStop(带阻)。
(3)在AnalyzemSignal ProcessingmTimeDomain下选择Peak DetectorVI,该函数模块用于检测波峰。将波峰位置与Location相连,将波峰值与Amplitudes相连。
(4)将波峰位置和波峰值通过一个簇连接到波形显示屏上,此时若进行运行,即可将检测到的波形显示在显示屏上。显示的波形在波峰处用黄线相连。在使用簇时应注意簇的成员类型必须一致,必须同时为显示件或同时为控制件。
(5)在FunctionmNumeric下选择一个减法运算器Subtract、两个乘法运算器Multiply及一个除法运算器Divide,并将它们放置在适当位置。
(6)缺陷位置=ct/2, t=缺陷波时间-发射波时间。依次将控制件发射波位置、缺陷波位置对应的代码与减法运算器相连,输出结果、0.5与乘法运算器相连,该运算结果、波速代码再与另一个乘法运算器相连,最后将运算输出与显示件缺陷位置的代码相连,即可计算出缺陷位置并显示在界面上。
(7)根据缺陷率=缺陷波幅值/首波幅值;将显示件缺陷波幅值、首波幅值对应的代码和除法运算器相连,就可以将缺陷率计算出来并显示在界面上。
(8)在FunctionmStructures下选择While Loop,即选中While循环的小图标,在所有应在While循环内执行的节点左上角区域点击一下鼠标,然后按住鼠标向右下角拖动,直到虚线框包围所有应在While循环内执行的节点,松开鼠标后,就得到了一个大小和位置满意的While循环。也可以先放好一个While循环,再向里面填代码。
(9)将信道以及缓存区大小设置为隐藏控件。
(10)将停止按钮的代码与循环输出端口相连。
2 系统软件调试与仿真
2.1 软件调试
LabVIEW的程序错误大致可以分为硬件连接错误、I/O接口错误、程序结构和逻辑错误。程序结构和逻辑错误是最常见的错误。程序调试利用快捷工具栏中的“运行”、“高亮执行”、“断点设置”进行。
(1)找出语法错误
如果存在语法错误,则当启动快捷工具栏的“运行”按钮时,该按钮变成一个折断的箭头,程序不能被执行。单击该按钮,则将弹出错误清单窗口,窗口列出错误的项目,然后单击其中任何一个所列出的错误,单击“ShowError”功能按钮,则出错的对象或端口就会变成高亮。在“Detail”有详细的错误原因,也可以单击“Help”功能按钮打开帮助窗口,窗口中详细说明了出错原因以及解决办法。
(2)慢速跟踪运行
利用快捷工具栏中的“高亮执行”按钮,该图标变成高亮形式,再单击“运行”按钮,程序就以较慢的速度运行。没有被执行的代码呈灰色显示,执行后的代码呈高亮显示,并显示数据流上的数据值。这样,就可以根据数据流流动状态,跟踪程序的执行。
(3)断点与单步执行
使用断点工具可以在程序的某一地点终止程序执行,用探针或者单步执行方式查看数据。用工具模板上的“断点”工具,单击希望设置或者清除断点的地方,该处即为所设置的断点。当VI程序运行到断点设置处,程序被暂停在将要执行的节点。单击单步执行按钮,闪烁的节点被执行,下一个将要执行的节点变为闪烁,表明它将要执行。也可以单击快捷工具栏中的“暂停”按钮。这样,程序将连续执行到下一个断点。
(4)设置探针
通过设置探针来查看框图程序流流经某一根连线的数据值。当探针设置完毕以后会出现一个探针显示窗口。该显示窗口中的数据即为该连线上的数据值。运行VI时,在框图程序窗口的工具条中选择HighlightExecution按钮,LabVIEW会在框图程序上实时地显示程序执行的进程,每一条数据连线、每一个端口中流过的数据。
2.2 仿真检验
采用高斯分布的随机信号发生器和斜波序列发生器来模拟产生超声波。滤波和波峰检测函数检测后得到的波形曲线图显示在显示屏上,采样频率设置为450kHz,波速设置为5900m/s(模拟超声波在钢件中进行探伤)。移动显示屏上的游标可以得到波峰的位置及幅值,将读取的首波、缺陷波的位置及幅值填在相应位置,点击运行按钮后就可以计算出缺陷的位置及缺陷率。仿真检验的流程代码图如图5所示。
运行后将得到缺陷波形图,移动显示屏上的游标,在游标图例板上将显示各个波峰的位置及幅值,将读取到的首波幅值、缺陷波位置、缺陷波幅值以及底波位置分别填写在界面相应的位置,点击运行按钮,在界面上就会显示出模拟检测时所得的缺陷位置及缺陷率。仿真检验显示的波形是回波声压波形的射频显示。射频显示能比较真实地反映出超声脉冲在介质中的传播情况,有利于分析回波的波形特征,以进一步分辨缺陷的特征及材质的变化。
3 结论
基于虚拟仪器的超声波探伤仪已基本达到预期的效果,模拟超声波的发射与接收;根据显示波形,分析出缺陷的位置和缺陷率。由于本设计采用LabVIEW软件,实现了计算机与测试仪器的一体化,这给实际的工作带来了许多便利。而且,用户还可以根据实际需要对前面板及流程代码图进行修改以满足测试要求,这是传统仪器无法比拟的。
参考文献:
[1]刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京:电子工业出版社, 2003.
[2]张毅,周绍磊,等.虚拟仪器技术分析与应用[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[3]石博强,等.LabVIEW6.1编程技术实用教程[M].北京:中国铁道出版社, 2002.
[4]中国机械工程学会无损检测学会.超声波检测[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[5]王仲生.无损检测诊断现场实用技术[M].北京:机械工业出版社, 2002.(郁红编发)
作者简介:张青春(1964—),男,高级工程师,长期从事测控技术与仪器专业的教学研究和开发工作。
