【正文】 提供了一種全新的程序編寫方法，即對稱之為“ 虛擬儀器 ” （ Virtual Instruments 簡稱 VI） 的軟件對象進行圖形化的組合操作， 能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源碼級的設(shè)備驅(qū)動程序、多種多樣的分析和表達功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件 。這是一個功能強大且靈活的軟件。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學家、工程師所熟悉的術(shù) 語、圖標和概念，因此， LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具。 LabVIEW也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、單步等。從而擺脫了基于文本編程語言的繁雜的變量命名，文本編輯與修改及復雜的程序調(diào)試過程，使非計算機專業(yè)的測試 技術(shù)或儀器的開發(fā)人員也可以開發(fā)出一流的測試系統(tǒng)或測量儀器。這種系統(tǒng)采用 PCI 或 ISA 計算機本身的總線，故將數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)插入計算機 的空槽中即可。 串口系統(tǒng)：它是以 Serial 標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。 (1) 應(yīng)用程序 應(yīng)用程序含兩個方面：實現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序；定義測試功能的流程圖軟件程序。 本設(shè)計使用圖形化編程語言 版本 。 虛擬儀器不需要大量的開關(guān)、連接線和按鍵，要改變功能只需通過軟件構(gòu)成虛擬面板，由用戶自行定義儀表的用途以及控制、顯示。 從虛擬儀器的組成和結(jié)構(gòu)，可以看出虛擬儀器具有以下特點： (1) 可以由用戶定義測量功能。 開發(fā)虛擬儀器必須有合適的軟件工具，目前的虛擬儀器軟件開發(fā)工具有如下兩 類：內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 29 文本式編程語言如 Visual C++、 Visual BASIC、 LabWindows/CVI 等；圖形化編程語言如 LabVIEW、 HPVEE 等。 而本設(shè)計采用的是 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡，故我們采用 的是 PCDAQ 系統(tǒng)。 VXI 系統(tǒng)：它是以 VXI(VME eXtension For Instrumentation)標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。 目前常用的虛擬儀器硬件結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種 [10]， 如圖 所示。 采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建測試儀器，開發(fā)效率高，可維護性強；測試精度、穩(wěn)定性和可靠性能夠得到充分保證；具有很高的性能價格比，節(jié)省投資，便于設(shè)備更新和功能轉(zhuǎn)換與擴充。使用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。 圖形化的程序語言，又稱為 “ G” 語言。LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。 而我們的 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡則就是插放在 PCI 插槽內(nèi)，連通了 數(shù)據(jù)采集卡與計算機 ，使得計算機可以讀取采集卡所采集的數(shù)據(jù)。 PCI 插槽是基于 PCI 局部總線的擴展插槽，其顏色一般為乳白色，位于主板上 AGP插槽的下方， ISA 插槽的上方。 PCI 總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線。 本設(shè)計采用的是通道 AI8，如圖 所示的 34 管腳，與外部信號輸入端的正端 相連接。 非調(diào)諧式發(fā)射電路 非調(diào)諧式發(fā)射電路如圖 所示，工作原理與調(diào)諧式相似，只是在探頭的兩端沒有并聯(lián)諧振電感，所以電路是工作在非諧振狀態(tài)，它的發(fā)射頻率主要由探頭的固有參數(shù)決定 (連接電纜的分布電容也有一定的影響 )，所以探頭發(fā)射聲波的頻帶比較寬，頻帶寬就意味著發(fā)射脈沖窄，所以發(fā)射盲區(qū)也就比較小，這種發(fā)射電路適合于寬頻帶探傷 儀，以及探測近表面的缺陷。 0R 相當于一個分流電阻 ，起阻尼作用，用來調(diào)節(jié)發(fā)射功率的強弱。電容電路 中， 000 LCR 、 以及換能器構(gòu)成了諧振回路，頻率為)2(1 00CLf ??。電路在穩(wěn)態(tài)時，可控硅不導通，電容 C 充電，其充電線路 ： 地諧振回路 ??? CR 。通常采用改變 0R 的方法來改變發(fā)射強度。 發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)諧式兩種，電路原理分別如圖 和圖 所示。 硬件部分要實現(xiàn)超聲波的發(fā)射、 缺陷回波信號的 接收、數(shù)據(jù)傳輸以及整個電路工作的協(xié)調(diào)控制等功能。 本章小結(jié) 超聲波是一種機械波，在介質(zhì)中傳播遵循幾何光學特性，在不同材料界面之間會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。用人工缺陷波的波高表示探傷靈敏度，是最常用的一種定量地表示靈敏度的方法。我們可以應(yīng)用在某個部位帶有某種人工缺陷 (孔、凹槽等 )的試塊來 摸索合適的探傷方法。 標準試塊 所謂標準試塊，就是指它的材質(zhì)、 形狀、幾何尺寸、性能等是由國際組織討論通過的，或者由某個國家的權(quán)威機關(guān)討論通過的。 超聲波探傷中，超聲波的發(fā)射和接收都是通過探頭實現(xiàn)的。直探頭用來發(fā)射和接收縱波，一般用于手工操作接觸法探傷。壓電晶片是探頭的關(guān)鍵 元件，其性能好壞直接關(guān)系到探頭的質(zhì)量，因而各種探頭的壓電晶片都是經(jīng)過精心制作而成的。如圖 (c)所示。如圖 (b)所示?？v坐標代表反射波的幅度，由反射波的位置可 以確定缺陷的位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。 (2) 連續(xù)波探傷儀 ： 這種儀器通過探頭向工件發(fā)射連續(xù)而且頻率不變 (或在小范圍內(nèi)周期性變化 )的超聲波，根據(jù)透過工件的超聲波強度變化來判斷工件中有無缺陷及缺陷內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 18 大小。 超聲波探傷的設(shè)備組成 [5] 超聲波探傷儀、探頭和試塊是超聲波探傷系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，下面簡要介紹一下這些設(shè)備的原理以及構(gòu)造。對于鋼來說， Ⅲ? =176。這種情況下，固體介質(zhì) 1 中同時 存在反射橫波和反射縱波，其中橫波反射角等于入射角，而縱波反射角大于入射角。 時，縱波入射角稱為第二臨界角，以 Ⅱ? 表示，且 211sinslcc??Ⅱ? （ 37） 通常在超聲檢測中，臨界角的主要應(yīng) 用是在第二介質(zhì)為固體，而第一介質(zhì)為固體或液體的情況下。當縱波入射角 Il ??＞ 時，第二介質(zhì)中只有折射橫波存在。根據(jù)幾何光學的折射定律。 折射 當入射波以某一入射角入射到第二介質(zhì)為固體的異質(zhì)平面界面上時，將發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。ll ??? （ 31） 又 1139。 反射 設(shè)縱波 L 以入射角 l? 傾斜入射到由阻抗為 111 cz ρ? 和 222 cz ρ? 構(gòu)成 的平面界面上時，將產(chǎn)生反射縱波。 l? 稱為縱波折射角， s? 稱為橫波折射角。而另一部分聲波內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 15 將通過界面，進入 222 cz ρ? 的第二介質(zhì)，并發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。 1L 與法線的夾角 39。 Lz1= ρ1c1z2= ρ2c2S1L1L2S2 ol? 39。 如圖 所示，有一束平面縱波 L 以聲速 c， 入射到由阻抗為 111 cz ρ? 和 222 cz ρ? 的兩種介質(zhì)所構(gòu)成的平面界面上的 O 點。 下面我們應(yīng)用幾何光學原理，討論超聲波在平面異質(zhì)界面上的反射波和折射波的傳播方向。 如果一種介質(zhì)與另一種介質(zhì)緊貼著，聲波就能透過界面繼續(xù)向前傳播，這種現(xiàn)象稱為透射。波的傳播總會受到界面的干擾。目前在超聲 探傷中得到廣泛應(yīng)用的是脈沖波。因此，一般認為表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距離工件表面兩倍波長深度內(nèi)的缺陷。表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r，介質(zhì)表面質(zhì)點作橢圓運動，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。當介質(zhì)受到交變的剪切力作用時，產(chǎn)生切變形變，從而形成橫波。 (1) 縱波 介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與傳播方向相同的波，稱為縱波。 (3) 超聲波能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換 在超聲波探傷中，特別是超聲波脈沖反射法探傷中，利用了超聲波具有幾何聲學的一些特點，如在介質(zhì)中直線傳播，遇到界面會產(chǎn) 生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等。在無損探傷中使用的超聲波波長為毫米數(shù)量級。人們把頻率在 20~20xx0Hz之間能引起聽覺的機械波稱為聲波，頻率低于 20Hz的機械波稱為次聲波，頻率高于 20xx0 Hz 的機械波則稱為超聲波。振動的傳播過程，稱為波動。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 11 第三章 虛擬 超聲波探傷 儀概述 虛擬超聲波探傷儀是超聲波探傷技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 第三章 簡要介紹了超聲波的概念、分類以及其在異質(zhì)界面上的效應(yīng) ， 最后 簡單介紹了構(gòu)成超聲波探傷的一些設(shè)備，如超聲波探傷儀、探頭和標準試塊 等 。 數(shù)據(jù)采集由 PCI6221數(shù)據(jù)采集卡完成 ，負責接收回波信號、 A/D 轉(zhuǎn)換 、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?；信號處理及結(jié)果顯示的任務(wù)由計算機通過 LabVIEW 來完成，具體工作包括超聲波 缺陷 回波信號顯示、缺內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 陷的直觀顯示、波形存儲與讀取等。 硬件部分 包括 聲波發(fā)射電路、探頭、 PCI6221 數(shù)據(jù) 采集 卡、 PCI 總線插槽， 其余儀器功能通過計算機依靠 LabVIEW 實現(xiàn)，做到最大程度節(jié)約硬件、降低成本。 由于我們使用的是 PCI6221數(shù)據(jù)采集卡，采集卡內(nèi)部本身就具有 A/D轉(zhuǎn)換等多種信號處理 功能 ， 所以 ，對于先進行峰值保持這一環(huán)節(jié)，我們需加峰值保持器，多 增 加了外部設(shè)備，這與我們的 硬件盡量少的 方針不相符，因此，我們 采用第一種 方案即提取回波整體信息，然后再進行相應(yīng)的處理。 對比這兩種方案，第 一 種 完全利用軟件 實現(xiàn) ， 難度比較大， 況且就超聲波信號發(fā)生器而言，本身就是一個設(shè)計題目，故 為了 節(jié)省 時間， 則選擇采用第二種方案。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 8 第二章 虛擬 超聲波探傷 儀的 總體 結(jié)構(gòu) 本 課題 目的在于設(shè)計 一臺虛擬超聲波探傷儀。目前國內(nèi)超聲探傷儀產(chǎn)品主要是以微處理器為核心，以大規(guī)模集成芯片為外圍電路的智能化儀器。 本次設(shè)計，由于設(shè)計者自身水平和時間等因素，我們只選擇一個界面，如圖 所示的 Ⅱ 區(qū)。），顯然越不利于探測，即使是位于軌頭內(nèi)、外側(cè)的核傷，往往也有一點的傾斜角，由一個方向發(fā)射超聲 波的折射角70176。的小角度縱波探頭。這五個探頭對于重軌全長探傷是至關(guān)重要的，是必不可少的，但還不夠充分，有部分缺陷，如小角度的螺栓孔裂紋（與螺栓孔水平對稱線成 15176。必須有向前和向后發(fā)射的兩只 37176。探頭檢查，如圖 所 示 。 的探頭。 對于 Ⅰ 區(qū)常發(fā)生核傷（軌頭橫向疲勞裂紋），由于 Ⅰ 區(qū)軌頭厚度較小，宜用折射角β=70176。 重軌的形狀及探傷原理 重軌的形狀比較復雜，呈工字形，由軌頭、軌腰、軌底等幾種不同的幾何形狀組成，接頭處還有螺栓孔等等，如下圖 所示 。 就金屬探傷方面來說，國內(nèi)還沒有廠家生產(chǎn)真正意義上的虛擬儀器。信號資料的分析、計算、統(tǒng)計和結(jié)果顯示等繁雜的工作都交由系統(tǒng)的軟件處理，利用計算機處理器強大的運算能力，可以很快得到結(jié)果。 基于虛擬儀器技術(shù)的超聲波探傷儀 虛擬儀器是繼數(shù)字化儀器和智能化儀器之后的新一代儀器，是面向 21 世紀最具潛力的儀器，在縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間、提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本幾個方面都體現(xiàn)了無比的優(yōu)越性。 就國內(nèi)這種智能化探傷儀而言，普遍存在以下缺點 ： (1) 自動化程度不夠高，儀器使用前的調(diào)節(jié)需人工操作，導致受人為因素干擾太大。超聲檢測的標準化、 智能化、圖像化、小型化和系列化工作也都取得了很大發(fā)展。因此超聲技術(shù)成為學術(shù)界、工程界公認的未來產(chǎn)業(yè)之一，近 些 年來，這項 高新技術(shù)隨著物理、機械、電子、材料學的長足進步及許多邊緣和交叉工業(yè)領(lǐng)域的需求，而得到迅猛的發(fā)展。 超聲探傷的優(yōu)點及國內(nèi)外現(xiàn)狀 目前常用的無損檢測方法有五種 ： 射線探傷、磁粉探傷、滲透 探傷、渦流探傷和超內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 2 聲波探傷，其中超聲波探傷是應(yīng)用最廣的一種。 另外，無損檢測技術(shù)所能帶來的經(jīng)濟 效益也是明顯的，目前我國的生產(chǎn)投入不比日本少，而國民生產(chǎn)總值只有日本的三分之一左右，這種現(xiàn)象主要是由于我國產(chǎn)品質(zhì)量上存在問題而導致大量產(chǎn)品報廢所致。 data collection 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） VII 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................................V Abstract .................................................................................................................................... VI 第一章 引言 .............................................................................................................................. 1 課題研究的目的意義 .......