超聲波c掃描自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計

超聲波c掃描自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計

超聲圖像損傷檢測是一種典型的自動控制和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合的設(shè)備。它利用傳感器技術(shù),通過計算機(jī)控制檢測設(shè)備,進(jìn)行自動檢測,最后利用軟件實現(xiàn)缺陷圖像的實時顯示與處理。是實現(xiàn)缺陷定位、定量和定性,以及無損評價的關(guān)鍵技術(shù)之一。1c掃描的優(yōu)缺點超聲C掃描是一種沿垂直于聲束橫斷面的二維掃描方式,顯示被測試樣的橫斷面狀況。C掃描可以通過數(shù)控掃描系統(tǒng),運用插補(bǔ)原理實現(xiàn)各種軌跡的掃描。在自動檢測中,通常采用水浸聚焦探頭進(jìn)行水浸掃描。C掃描在新型復(fù)合材料、電器開關(guān)觸頭和集成電路等檢測中顯示出了一定的優(yōu)越性。在C掃描檢測中,需要在記錄某一點缺陷有無的同時記錄這一點的坐標(biāo)。進(jìn)行檢測時,換能器在步進(jìn)電機(jī)或人工帶動下進(jìn)行迂回運動,每行進(jìn)一步,發(fā)射/接收超聲信號一次。電脈沖激勵的超聲脈沖通過耦合劑進(jìn)入試件,如試件中無缺陷,它可一直傳播到試件的底面。如果底面光滑且平行于探測面,按照反射原理,超聲脈沖被底面反射而返回?fù)Q能器,換能器將返回的聲脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換傳入計算機(jī)。將每一點所提取到的超聲回波信號特征量以彩色或灰度的形式表現(xiàn)出來,于是便得到C掃描圖像。2信號采集系統(tǒng)整個檢測系統(tǒng)由主機(jī)部分、組合探頭裝置、機(jī)械裝置、從機(jī)部分、超聲波發(fā)射接收電路和信號采集等部分組成(圖1)。下位機(jī)通過程序控制步進(jìn)電機(jī)、超聲發(fā)射/接收電路,按照預(yù)先設(shè)計的方式對被測工件進(jìn)行超聲掃描。超聲回波信號經(jīng)信號調(diào)制電路處理,由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集輸入上位機(jī)(計算機(jī)),對信號進(jìn)行處理。檢測完成后,顯示檢測結(jié)果并打印。3超聲發(fā)射電路發(fā)射電路主要由DC-DC電源模塊、窄脈沖發(fā)生電路和激勵電路所組成。DC-DC電源模塊用來完成10~400V的轉(zhuǎn)換,窄脈沖發(fā)生電路的任務(wù)是將下位機(jī)發(fā)送來的觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換成窄脈沖信號,此窄脈沖信號由激勵電路激勵探頭產(chǎn)生。超聲發(fā)射電路一般要求有較高的發(fā)射電壓(100~1000V),這樣可以使得電容的充電電壓較高,保證充足的發(fā)射能量來激勵壓電晶片。利用場效應(yīng)管或可控硅的導(dǎo)通與截止時,電源電壓通過電阻向電容充電、放電,產(chǎn)生一短脈沖,激勵晶片發(fā)射超聲脈沖。發(fā)射頻率主要由晶片的固有頻率決定。接收電路的主要作用是將接收的超聲波加以放大、衰減和濾波,以利于后續(xù)部分對信號的處理和顯示,主要包括放大器、帶通濾波器等,起關(guān)鍵作用的部分是放大器。筆者采用Γ型網(wǎng)絡(luò)和Π型網(wǎng)絡(luò)混合使用的辦法來實現(xiàn)衰減的調(diào)節(jié)。衰減調(diào)節(jié)分為粗、中、細(xì)三級衰減,粗調(diào)每檔為20dB,中調(diào)每檔為2dB,細(xì)調(diào)每檔為0.5dB。這樣可以充分調(diào)整回波信號的大小,便于進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。4at29c52節(jié)點測試系統(tǒng)圖2從機(jī)部分以單片機(jī)為核心,能夠完成超聲波的發(fā)射、電機(jī)的控制和串口通信等功能。在探頭拖動裝置中含有A,B兩個電機(jī),分別控制探頭的橫縱向移動。在單片機(jī)的控制下,探頭以蛇形的方式行進(jìn),每行進(jìn)一下,觸發(fā)發(fā)射電路發(fā)射超聲。當(dāng)探頭盒行進(jìn)到一定范圍時,光電傳感器會向單片機(jī)發(fā)出中斷信號,B電機(jī)行進(jìn)一步后,A電機(jī)開始反向行進(jìn)。步進(jìn)電機(jī)控制部分主要完成判斷旋轉(zhuǎn)方向、按順序送出控制脈沖以及判斷脈沖是否送完功能。步進(jìn)電機(jī)采用三相六拍通電方式。步進(jìn)電機(jī)所要走的步數(shù)存在R4中,轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志位F0(D5H)。當(dāng)F0=0時,步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)F0=1時,步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。下位機(jī)AT89C52單片機(jī)有一個全雙工的串行通訊口,可以與主機(jī)之間方便地進(jìn)行串口通信。采用MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換,不但簡單而且可靠。5材料特性檢測軟件設(shè)計主機(jī)采用高檔工業(yè)控制計算機(jī),可以完成人機(jī)交互、串行通信、數(shù)據(jù)采集、信號處理、結(jié)果顯示以及打印功能。在軟件的設(shè)計中,為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和易操作性,特為用戶提供了良好的人機(jī)界面。系統(tǒng)基于MicrosoftWindowsXP操作系統(tǒng),采用VC6.0編寫完成,主要功能有檢測參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示和歷史記錄查詢等。整個界面簡單、方便、實用、美觀。由于全波信號比檢波信號包含有更豐富的材料結(jié)構(gòu)信息,為了實現(xiàn)信號特征量質(zhì)量的提高和特征空間維數(shù)的降低,對檢測信號的全波進(jìn)行了采集處理。數(shù)據(jù)采集卡采用基于PCI總線的八位A/D卡,最大采樣頻率30MHz,能夠?qū)崿F(xiàn)對檢測信號的無失真采集。采用信噪分離、時域或變換域的分析方法,通過對檢測信號處理和特征提取,提煉出了最能反映材料特性的信息,用來表征被檢物體內(nèi)部的質(zhì)量情況。雖然在信號采集過程時,硬件電路中使用了帶通濾波器,對于噪聲的消除有一定的作用,但是這種方法對放大器頻帶內(nèi)的噪聲不起作用,為此,通常采用信號處理的方法來消除信號中的噪聲。降低噪聲、增強(qiáng)信號的方法有很多,如中值濾波、Wigner分布、信號列譜處理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波、小波分析和高階譜降噪等。在超聲檢測過程中,判別疵病的主要信息源是回波信號,回波信號攜帶了疵病的特征信息。針對材料中含有不同性質(zhì)、不同尺寸缺陷的情況,可以選用時域信號的均值、峰值、方差、上升時間、下降時間和能量等進(jìn)行考察。試驗表明,不同性質(zhì)、不同形狀及尺寸的缺陷所產(chǎn)生的回波信號,在能量、峰值和波形持續(xù)時間(上升時間與下降時間之和)上有所變化,但有時并不明顯。通過Fourier變換將信號映射到頻域內(nèi)來提取特征量,經(jīng)過對幅值譜、相位譜和功率譜等的考察,發(fā)現(xiàn)變化明顯的特征量,以此進(jìn)行成像缺陷判別。主要功能有測量參數(shù)設(shè)置、傳感器擬合標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集讀取及保存,報表生成及歷史記錄查詢等功能。軟件完成了數(shù)據(jù)的讀取和處理,得到試驗的最終結(jié)果。它將試驗結(jié)果通過計算機(jī)和打印機(jī)等設(shè)備呈現(xiàn)出來,更利于試驗者對試驗結(jié)果做出判斷。此部分要實現(xiàn)的功能有:報表顯示檢測數(shù)據(jù);自動建立檢測結(jié)果數(shù)據(jù)庫;提供對檢測結(jié)果數(shù)據(jù)的搜索、查詢和統(tǒng)計等功能;報表、曲線的打印功能。數(shù)據(jù)分析處理軟件的參數(shù)設(shè)置包括測量人員、時間日期、路段區(qū)域和磨耗超限值,設(shè)置完畢后開始讀取數(shù)據(jù)采集,采集回來的數(shù)據(jù)應(yīng)該是在0~5V之間,若不在0~5V之間的數(shù)據(jù)就應(yīng)該剔除不用,顯示磨損量的數(shù)值。讀取結(jié)束后對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,存儲采集數(shù)據(jù),可顯示打印本次測量的結(jié)果報表,可查詢這段鋼軌的檢測、磨損狀況以及使用壽命等。在數(shù)據(jù)采集中,由于操作不當(dāng)或外界干擾,或儀器的臨時故障等原因,有時會出現(xiàn)異常數(shù)據(jù),即所謂異點。異點的存在會影響分析結(jié)果,必須加以剔除。在軟件的設(shè)計中,為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和易操作性,特為用戶提供了良好的人機(jī)界面。利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)此系統(tǒng),不僅可以很方便地實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能,而且用戶界面具有美觀、交互性和個性化等特點;其模塊化的設(shè)計,大大方便了程序的修改和維護(hù)。6玻纖材料c掃描成像系統(tǒng)檢測結(jié)果試驗樣品為布纖復(fù)合材料,其厚度為40mm;缺陷直徑為φ1mm的橫孔,距離水與試樣界面10mm;檢測方式采用脈沖式反射法;采用點聚焦探頭(2.5MHz),其焦距為20mm焦點直徑1mm,焦柱長度3mm。圖2為采用自行研制的C掃描成像系統(tǒng)對玻纖材