【正文】 一定的靈活性，更直接地解決使用過程中所遇到的各種難題。虛擬儀器技術(shù)采用通用計算機平臺，用軟件算法代替硬件實現(xiàn)儀器功能，這可以繞過復雜的工藝問題和傳統(tǒng)儀器的知識產(chǎn)權(quán)，與國外公司在一個全新的領(lǐng)域，展開競爭，大力發(fā)展虛擬儀器。近些年，雖然有很多VXI產(chǎn)品在國內(nèi)推廣，但能夠大面積應用的不多，過高的價格限制了VXI產(chǎn)品的推廣應用。發(fā)達國家在傳統(tǒng)儀器市場已有相當規(guī)模，如果退出太快，就會造成巨大的退出成本。作為發(fā)展中國家中國，在傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域尚未形成優(yōu)勢，如果集中力量，迅速進入下一代虛擬儀器市場，由于不存在退出成本的問題，能夠迅速形成后發(fā)優(yōu)勢，從而略過傳統(tǒng)儀器的發(fā)展階段，迅速進入虛擬儀器發(fā)展階段，形成跨躍式發(fā)展態(tài)勢。目前，整個虛擬儀器市場都在增長，PXI總線市場增長的速度遠遠超過了VXI總線，%?？梢灶A測，未來幾年虛擬儀器領(lǐng)域?qū)荘XI總線的天下。這是就全球虛擬儀器市場而言，就國內(nèi)市場，我們可以大力發(fā)展PXI總線?！败浖褪莾x器”，表明軟件是構(gòu)成虛擬儀器的核心，是虛擬儀器的靈魂。隨著測量和控制應用領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)性能和靈活性要求的不斷提高，軟件的設計功能也日漸重要。用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，功能強大、現(xiàn)成即用的軟件使整個過程自動進行。購置工程應用開發(fā)平臺并擁有其最佳性能，可以使企業(yè)大大縮短開發(fā)時間并提高每個工程師的工作效率。配備了這樣強有力的工具，企業(yè)才能在劇烈的競爭中贏得最終勝利。為了便于用戶使用，儀器制造商同時對硬件和軟件標準化，將虛擬儀器、虛擬儀器測試系統(tǒng)細分為硬件模塊、驅(qū)動程序和軟件開發(fā)平臺等若干層，對各層與相鄰層之間的接口都加以規(guī)范。軟硬件廠商都按標準的規(guī)范開發(fā)各自的軟硬件產(chǎn)品，使其具有最佳的互換性能。標準化的結(jié)果將使不同廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品或不同體系結(jié)構(gòu)（如GPIB、VXI、USB、PCI等）的產(chǎn)品相互兼容，開放性進一步增強。虛擬儀器的另一個方向是各種標準儀器的互連及與計算機的連接，未來的儀器也應當是網(wǎng)絡化的。虛擬儀器技術(shù)是將儀器儀表技術(shù)與計算機技術(shù)及以太網(wǎng)絡相結(jié)合，利用實時控制與嵌入式控制器技術(shù)革新，促進測量和自動化技術(shù)的發(fā)展。虛擬儀器技術(shù)可利用以太網(wǎng)絡的功能，將來自測量或控制設備中的資料直接傳送到web網(wǎng)頁上，甚至將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C上讀取資料。使用虛擬儀器技術(shù)，可以使用以太網(wǎng)絡的強大功能遠程控制儀器設備，或是與遠在其他辦公地點甚至其它國家的同事合作處理一個項目。由于虛擬儀器本身是以計算機為平臺，具有方便、靈活的互聯(lián)能力，隨著通信技術(shù)、總線技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展與應用，虛擬儀器向網(wǎng)絡方向發(fā)展，網(wǎng)絡化虛擬儀器的出現(xiàn)是一種必然。它除了必要的硬件接口支持，虛擬儀器軟件開發(fā)平臺使用戶可以借助于Windows系統(tǒng)的遠程桌面、LabVIEW的網(wǎng)絡通信功能、網(wǎng)絡協(xié)議等，用戶能很快在Web上發(fā)布虛擬儀器的面板，直接在本地打開并操控虛擬儀器，以實現(xiàn)遠程測試、診斷和維修。利用 Data Socket技術(shù)，用戶可以和其他有 Internet功能的程序迅速建立連接并共享數(shù)據(jù)，而無需擔心網(wǎng)絡協(xié)議和數(shù)據(jù)格式等問題?？茖W技術(shù)高速發(fā)展的今天，無論是計算機還是組建虛擬儀器用的板卡的性能和價格都將發(fā)生更大的變化?，F(xiàn)在，越來越多的科技公司加入到虛擬儀器的產(chǎn)品開發(fā)中來，更多新的測量儀器系統(tǒng)采用了虛擬儀器的技術(shù)。這一方面使虛擬儀器的種類更加完善、技術(shù)更加成熟；另一方面，也使虛擬儀器的競爭更趨激烈，技術(shù)的發(fā)展與競爭的激烈將使虛擬儀器的性能越來越好，價格越來越低，因而其普及率也將會越高。虛擬儀器從問世以來，基于計算機的虛擬儀器出現(xiàn)時間更短，但由于它具有獨特優(yōu)勢，因而發(fā)展迅猛。可以預計，測試儀器的變革，虛擬儀器的普及已為期不遠。 激光無損檢測系統(tǒng)研究的背景、目的及意義工業(yè)發(fā)達的國家對無損檢測技術(shù)十分重視，普遍認為現(xiàn)代工業(yè)是建立在無損檢測技術(shù)之上的，大多數(shù)國家都建有不同規(guī)模的無損檢測技術(shù)中心。有政府和企業(yè)撥款專門從事無損檢測技術(shù)的研究與開發(fā)，大家都爭先把物理學方面的新成就應用于無損檢測，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、競爭力以及使用過程中的安全性等。激光全息無損檢測是無損檢測技術(shù)中的一個新分支，是60年代末期發(fā)展起來的，是全息干涉計量技術(shù)的重要應用之一。多年來，激光全息無損檢測的理論、技術(shù)、照相系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)都有了很大發(fā)展，在航空航天工業(yè)中，對復合材料、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、疊層結(jié)構(gòu)、航空輪胎和高壓管道容器的檢測具有某些獨到之處，解決了用其他方法無法解決的問題，因此激光全息無損檢測由于具有諸多優(yōu)點而使其得到了迅速發(fā)展和廣泛應用。我國使用儀器對鐵路鋼軌進行探傷始于上世紀50年代，鐵路是較早開展無損檢測工作的部門之一，鋼軌探傷是無損檢測技術(shù)應用的一個重要領(lǐng)域。由于鋼軌是鐵路系統(tǒng)中一個極其重要的組成部分，在使用過程中被暴露于野外，要在各種環(huán)境條件下工作，要承受各種不同類型、頻率及方向的高強度應力的作用而產(chǎn)生各種疲勞缺陷。這些疲勞缺陷如不及時檢出，會造成鋼軌折斷以致引起列車顛覆、中斷交通等惡性事故，因而各國對鋼軌探傷十分重視，不惜投入大量人力和物力，對在役鋼軌進行定期檢測，以便及早發(fā)現(xiàn)疲勞傷損，防止斷軌，確保安全[1]。隨著計算機技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和人工智能等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，鋼軌探傷技術(shù)也在向高速度、自動化、智能化的方向發(fā)展。鑒于以上所述，了解到了利用虛擬儀器對鋼軌斷面實現(xiàn)激光全息無損檢測系統(tǒng)研究的必要性。此檢測系統(tǒng)的應用并不僅僅限于鐵路運輸業(yè)，而且也可以推廣其他各個領(lǐng)域的發(fā)展中。第二章 激光無損檢測系統(tǒng)總體設計方案及相關(guān)介紹 激光無損檢測系統(tǒng)的總體設計方案。檢測系統(tǒng)主要由光電傳感器（激光探頭）、信號處理電路、數(shù)據(jù)采集卡（PCI6221）和計算機四部分組成。 系統(tǒng)設計工藝流程圖本設計系統(tǒng)檢測的基本原理如下所述：由氦氖激光器產(chǎn)生一束激光，頻率為赫茲，譜線寬度為赫茲。利用激光全息照相技術(shù)，產(chǎn)生的激光由分光鏡產(chǎn)生兩束光，一束用來照射需檢測的重軌斷面，再由重軌表面漫反射到光電轉(zhuǎn)換元件上，這束光稱為物光束；另一束光經(jīng)過反射鏡反射照射到光電轉(zhuǎn)換元件上，這束光稱為參考光束。當這兩束光在光電轉(zhuǎn)換元件上疊加后，形成了亮暗交替變化的干涉條紋，利用光電轉(zhuǎn)換元件將干涉條紋亮暗變化的光信號，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，進而輸出電壓信號。信號處理電路將激光探頭輸出的電壓信號進行整形、轉(zhuǎn)換、濾波和隔離等處理，變成標準電壓信號。數(shù)據(jù)采集卡采集信號處理電路基于 PCDAQ 的虛擬儀器測試系統(tǒng)的電壓信號，通過放大、A /D轉(zhuǎn)化等處理，并轉(zhuǎn)換為計算機能處理的數(shù)字信號。通過設備驅(qū)動程序，數(shù)字信號進入計算機。在 LabVIEW 平臺下，調(diào)用信號處理子模板，編寫儀器功能流程和功能算法，設計虛擬儀器前面板，設置好相關(guān)參數(shù)，運行程序，將在虛擬儀器前面板上顯示檢測結(jié)果，通過分析比較，判斷被檢測的重軌斷面是否存在缺陷，并確定被檢測的重軌斷面受損程度及位置，然后對數(shù)據(jù)進行保存和讀取處理，至此完成了本設計系統(tǒng)所需要完成的任務。激光在我國最初被稱為“萊塞”，即英語“Laser”的譯音，而“Laser”是“Light Amplification by Stimutated Emission of radiation”的縮寫，意思是“輻射的受激發(fā)射光放大”。雖然在1917年愛因斯坦就預言了受激輻射的存在，但在一般熱平衡情況下，物質(zhì)的受激輻射總是被受激吸收所掩蓋，未能在實驗中觀察到。直至1960年，第一臺紅寶石激光器才面世，它標志了激光技術(shù)的誕生。從此激光技術(shù)的發(fā)展十分迅速，現(xiàn)已在幾百種工作物質(zhì)中實現(xiàn)了光放大或制成了激光器。激光的出現(xiàn)是對傳統(tǒng)光源的一次革命，它應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、交通、科研以至日常生活等幾乎所有的國民經(jīng)濟領(lǐng)域。它大大豐富了傳統(tǒng)光學的內(nèi)容，并發(fā)展形成了數(shù)門，乃至數(shù)十門新型的邊緣科學。在此主要對激光產(chǎn)生的基本的特性、原理、應用和氦氖激光器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及其特性等的基本知識作以下簡單介紹。　就本性而言，激光和普通光源發(fā)出的光波并無差別，它們都是電磁波。但是就光的產(chǎn)生機制與產(chǎn)生方式而言，兩者卻有很大區(qū)別。首先，激光是受激發(fā)射占優(yōu)勢，而普通光則是自發(fā)發(fā)射占優(yōu)勢；其次，絕大多數(shù)激光器都具有普通光源所沒有的諧振腔。正因為如此，激光才具有普通光束所不具備的特點。一般情況下，激光的特性概括為四個方面，即單色性好，方向性好，相干性好和亮度高。實際上，它們的量子性根源相同。激光的上述四個特性，是激光具有很高的光子兼并度的不同表現(xiàn)，它們不是相互獨立的，它們之間有著深刻的內(nèi)在聯(lián)系。另外，激光還具有聚焦性質(zhì)、調(diào)諧性和超短脈沖等特性，下面對其作簡單介紹。⑴方向性所謂激光的方向性好，是指激光器發(fā)出的光能流在空間方向上高度集中，或者說激光束具有高度的準直性。普通光源是向著三維空間的所有可能的方向發(fā)光的，即使經(jīng)過光學系統(tǒng)把光能流進行集中，其發(fā)射度亦較激光大得多。一般激光束的發(fā)散角在毫弧度的數(shù)量級上，即使是方向性最差的半導體激光器發(fā)出的激光束，其發(fā)散角一般是（5～10）102弧度，這是普通光束所無法比擬的。⑵單色性通俗地說，單色性好，就是顏色純。表現(xiàn)在光譜上，譜線寬度越小，單色性越好。通常, 單色性系表示激光具有一種顏色或一種波長，一條有一定寬度的譜線對應著波長在一定范圍內(nèi)變化的一系列的單色光，一般光的波長或頻率都有一定的譜寬和頻寬，人們便用該波長的變化范圍來表示這條譜線的寬度。通常光頻率寬度越窄和波長寬度越窄，光的單色性越好。在普通光源中，氪同位素86燈發(fā)出的波長λ=6957埃的光譜線的單色性最好。在低溫條件下，其寬度為=。與此同時，氦氖激光器輸出的光，波長分布范圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長分布范圍可以窄到2109納米，是氪燈發(fā)射的紅光波長分布范圍的萬分之二。由此可見，激光器的單色性遠遠超過任何一種單色光源。⑶空間相干性和時間相干性空間相干性與準直性有著密切聯(lián)系。理想的平行光束是完全相干的，即在光束截面上處處相干。單模激光器發(fā)出的激光，在整個光束截面上幾乎有理想的空間相干性。激光的空間相干性還表現(xiàn)在兩個相互獨立的同類型激光器發(fā)出的光是相干光，而兩個普通光源所發(fā)出的光絕不會是相干光。時間相干性與單色性存在著簡單聯(lián)系。由于激光的單色性好，其相干時間就長，相干長度也就越長。理論上講，激光的相干長度為1010～1011米的數(shù)量級。當然受種種因素的限制，激光的相干長度不可能這么大。實驗上已經(jīng)獲得的激光的相干長度在幾百公里以上，甚至達到了幾萬公里。⑷亮度由于激光束的方向性好，光能可集中到達某一區(qū)域從而形成極高的亮度。一臺1毫瓦的小型HeNe激光器所發(fā)出的激光輻射的亮度可達太陽亮度的100倍，其光譜亮度則可達太陽光譜亮度的106倍?，F(xiàn)在亮度最高的普通光源是高壓脈沖氙燈，其亮度可達太陽亮度的幾十倍。然而，采用開關(guān)技術(shù)的巨脈沖紅寶石激光器的輻射亮度可達太陽的100億倍，這個亮度相當于氫彈爆炸時閃光的亮度。上述幾點是激光的主要特性，它和激光的另外幾條特性也是相互聯(lián)系的。我們可以把這些特征概括為三個方面：激光的頻率高度集中，激光能量在空間分布的高度集中和發(fā)射時間上的高度集中。當然，就某一臺具體的激光器而言，它所發(fā)射的激光并不一定具有上述全部特性，更不一定具有那些特性的最佳指標。但就激光領(lǐng)域所達到的那些性能而言，普通光源是望塵莫及的。在受激輻射躍遷的過程中，一個誘發(fā)光子可以使處在上能級上的發(fā)光粒子產(chǎn)生一個與該光子狀態(tài)完全相同的光子，這兩個光子又可以去誘發(fā)其它發(fā)光粒子，產(chǎn)生更多狀態(tài)相同的光子。這樣，在一個入射光子的作用下，可引起大量發(fā)光粒子產(chǎn)生受激輻射，并產(chǎn)生大量運動狀態(tài)相同的光子，這種現(xiàn)象稱受激輻射光放大。由于受激輻射產(chǎn)生的光子都屬于同一光子態(tài)，因此它們是相干的。通常，受激輻射與受激吸收兩種躍遷過程是同時存在的，前者使光子數(shù)增加，后者使光子數(shù)減少。當一束光通過發(fā)光物質(zhì)后，究竟是光強增大還是減弱，要看這兩種躍遷過程哪個占優(yōu)勢。在正常條件下，即常溫條件以及對發(fā)光物質(zhì)無激發(fā)的情況下，發(fā)光粒子處于下能級的粒子數(shù)密度大于處在上能級的粒子數(shù)密度。此時當有頻率等于的一束光通過發(fā)光物質(zhì)時，受激吸收將大于受激輻射，故光強減弱。如果采取諸如用光照、放電等方法從外界不斷地向發(fā)光物質(zhì)輸入能量，把處在下能級的發(fā)光粒子激發(fā)到上能級上去，便可使上能級的粒子數(shù)密度超過下能級的粒子數(shù)密度，我們稱這種狀態(tài)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。只要使發(fā)光物質(zhì)處在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，受激輻射就會大于受激吸收。當頻率為的光束通過發(fā)光物質(zhì)，光強就會得到放大。這便激光放大器的基本原理。即便沒有入射光，只要發(fā)光物質(zhì)中有一個頻率合適的光子存在，便可像連鎖反應一樣，迅速產(chǎn)生大量相同光子態(tài)的光子，形成激光。這就是激光振蕩器或簡稱激光器的基本原理。因此可見，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光或激光放大的必要條件，為了形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，須要對發(fā)光物質(zhì)輸入能量，我們稱這一過程為激勵、抽運或者是泵浦。 由于激光具有高度方向性和高強度性，應用在工業(yè)檢測及控制系統(tǒng)上有很多優(yōu)點，諸如：⑴待測工件與測量儀器之間為非接觸性測量，所以不易傷及待測工件的表面。⑵待測工件與測量儀器間的距離可不必很接近。⑶較不易受工作環(huán)境影響，如熱的影響、電磁干擾。⑷信號的反應時間僅受限于光電感測組件與電子組件，所以反應時間很短，測量非?？焖?，且準確性高。⑸利用現(xiàn)有的電子組件，如光電二極管等，光的信號很容易轉(zhuǎn)換成電的信號，且容易在后級中作處理與放大，并可由數(shù)字技術(shù)作數(shù)值分析統(tǒng)計等工作。⑹可測量動態(tài)物體，如自動化機械的感測系統(tǒng)的車削振動等。氦氖激光器是在1960年成功運轉(zhuǎn)的第一臺氣體激光器，也是繼紅寶石激光器后出現(xiàn)的第二臺激光器，由于它結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、工作可靠、壽命長、頻率穩(wěn)定性好等優(yōu)點，作為一種新型光源，應用比較廣泛。氦氖激光器在可見區(qū)和紅外區(qū)可以產(chǎn)生多種波長的激光譜線。氦氖激光器通常是由工作物質(zhì)（He、Ne氣體）、諧振腔以及激發(fā)電源三部分構(gòu)成。氦氖激光器的長度一般是250毫米到1米。目前最小的氦氖激光器的長度長僅25厘米。氦氖激光器是用氣體放電方式激勵的，當在放電管中通以適當?shù)碾娏鲿r，被加速的電子首先把氦原子通過碰撞激發(fā)到它的兩個亞穩(wěn)態(tài)，然后處于亞穩(wěn)態(tài)的氦原子與基態(tài)氖原子碰撞將能量轉(zhuǎn)移給氖原子并使其激發(fā)到4s和5s能級（）。4s、5s能級也是兩個亞穩(wěn)態(tài)，原子處于4s、5s能級壽命較處于3P、4P能級的壽命長；又因為氦原子密度比氖