【正文】 提供了一種全新的程序編寫方法，即對(duì)稱之為“ 虛擬儀器 ” （ Virtual Instruments 簡(jiǎn)稱 VI） 的軟件對(duì)象進(jìn)行圖形化的組合操作， 能夠以其直觀簡(jiǎn)便的編程方式、眾多的源碼級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、多種多樣的分析和表達(dá)功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實(shí)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(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù) 語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此， LabVIEW 是一個(gè)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(diǎn)、單步等。從而擺脫了基于文本編程語(yǔ)言的繁雜的變量命名，文本編輯與修改及復(fù)雜的程序調(diào)試過程，使非計(jì)算機(jī)專業(yè)的測(cè)試 技術(shù)或儀器的開發(fā)人員也可以開發(fā)出一流的測(cè)試系統(tǒng)或測(cè)量?jī)x器。這種系統(tǒng)采用 PCI 或 ISA 計(jì)算機(jī)本身的總線，故將數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)插入計(jì)算機(jī) 的空槽中即可。 串口系統(tǒng)：它是以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。 (1) 應(yīng)用程序 應(yīng)用程序含兩個(gè)方面：實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序；定義測(cè)試功能的流程圖軟件程序。 本設(shè)計(jì)使用圖形化編程語(yǔ)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(diǎn)： (1) 可以由用戶定義測(cè)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 29 文本式編程語(yǔ)言如 Visual C++、 Visual BASIC、 LabWindows/CVI 等；圖形化編程語(yǔ)言如 LabVIEW、 HPVEE 等。 而本設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)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(cè)試儀器，開發(fā)效率高，可維護(hù)性強(qiáng)；測(cè)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(jià)格比，節(jié)省投資，便于設(shè)備更新和功能轉(zhuǎn)換與擴(kuò)充。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。 圖形化的程序語(yǔ)言，又稱為 “ G” 語(yǔ)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(jì)算機(jī) ，使得計(jì)算機(jī)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(kuò)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(gè)具體處理器的局部總線。 本設(shè)計(jì)采用的是通道 AI8，如圖 所示的 34 管腳，與外部信號(hào)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(cè)近表面的缺陷。 0R 相當(dāng)于一個(gè)分流電阻 ，起阻尼作用，用來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射功率的強(qiáng)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(shí)，可控硅不導(dǎo)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(lái)改變發(fā)射強(qiáng)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(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射、 缺陷回波信號(hào)的 接收、數(shù)據(jù)傳輸以及整個(gè)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(jī)械波，在介質(zhì)中傳播遵循幾何光學(xué)特性，在不同材料界面之間會(huì)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(gè)部位帶有某種人工缺陷 (孔、凹槽等 )的試塊來(lái) 摸索合適的探傷方法。 標(biāo)準(zhǔn)試塊 所謂標(biāo)準(zhǔn)試塊，就是指它的材質(zhì)、 形狀、幾何尺寸、性能等是由國(guó)際組織討論通過的，或者由某個(gè)國(guó)家的權(quán)威機(jī)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(shí)現(xiàn)的。直探頭用來(lái)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(biāo)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(qiáng)度變化來(lái)判斷工件中有無(wú)缺陷及缺陷內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)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(jiǎn)要介紹一下這些設(shè)備的原理以及構(gòu)造。對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)， Ⅲ? =176。這種情況下，固體介質(zhì) 1 中同時(shí) 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(shí)，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(cè)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(dāng)縱波入射角 Il ??＞ 時(shí)，第二介質(zhì)中只有折射橫波存在。根據(jù)幾何光學(xué)的折射定律。 折射 當(dāng)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(shí)，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(shí)，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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 15 將通過界面，進(jìn)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(diǎn)。 下面我們應(yīng)用幾何光學(xué)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(huì)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(rèn)為表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距離工件表面兩倍波長(zhǎng)深度內(nèi)的缺陷。表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓長(zhǎng)軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。當(dāng)介質(zhì)受到交變的剪切力作用時(shí)，產(chǎn)生切變形變，從而形成橫波。 (1) 縱波 介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)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(xué)的一些特點(diǎn)，如在介質(zhì)中直線傳播，遇到界面會(huì)產(chǎn) 生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等。在無(wú)損探傷中使用的超聲波波長(zhǎng)為毫米數(shù)量級(jí)。人們把頻率在 20~20xx0Hz之間能引起聽覺的機(jī)械波稱為聲波，頻率低于 20Hz的機(jī)械波稱為次聲波，頻率高于 20xx0 Hz 的機(jī)械波則稱為超聲波。振動(dòng)的傳播過程，稱為波動(dòng)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)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(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 第三章 簡(jiǎn)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(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)試塊 等 。 數(shù)據(jù)采集由 PCI6221數(shù)據(jù)采集卡完成 ，負(fù)責(zé)接收回波信號(hào)、 A/D 轉(zhuǎn)換 、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?；信?hào)處理及結(jié)果顯示的任務(wù)由計(jì)算機(jī)通過 LabVIEW 來(lái)完成，具體工作包括超聲波 缺陷 回波信號(hào)顯示、缺內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 10 陷的直觀顯示、波形存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)依靠 LabVIEW 實(shí)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(hào)處理 功能 ， 所以 ，對(duì)于先進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的處理。 對(duì)比這兩種方案，第 一 種 完全利用軟件 實(shí)現(xiàn) ， 難度比較大， 況且就超聲波信號(hào)發(fā)生器而言，本身就是一個(gè)設(shè)計(jì)題目，故 為了 節(jié)省 時(shí)間， 則選擇采用第二種方案。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)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(jì) 一臺(tái)虛擬超聲波探傷儀。目前國(guó)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(jì)，由于設(shè)計(jì)者自身水平和時(shí)間等因素，我們只選擇一個(gè)界面，如圖 所示的 Ⅱ 區(qū)。），顯然越不利于探測(cè)，即使是位于軌頭內(nèi)、外側(cè)的核傷，往往也有一點(diǎn)的傾斜角，由一個(gè)方向發(fā)射超聲 波的折射角70176。的小角度縱波探頭。這五個(gè)探頭對(duì)于重軌全長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(fù)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(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)還沒有廠家生產(chǎn)真正意義上的虛擬儀器。信號(hào)資料的分析、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)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(jì)算機(jī)處理器強(qiáng)大的運(yùn)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(jì)最具潛力的儀器，在縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間、提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本幾個(gè)方面都體現(xiàn)了無(wú)比的優(yōu)越性。 就國(guó)內(nèi)這種智能化探傷儀而言，普遍存在以下缺點(diǎn) ： (1) 自動(dòng)化程度不夠高，儀器使用前的調(diào)節(jié)需人工操作，導(dǎo)致受人為因素干擾太大。超聲檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)術(shù)界、工程界公認(rèn)的未來(lái)產(chǎn)業(yè)之一，近 些 年來(lái)，這項(xiàng) 高新技術(shù)隨著物理、機(jī)械、電子、材料學(xué)的長(zhǎng)足進(jìn)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(diǎn)及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 目前常用的無(wú)損檢測(cè)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì) 效益也是明顯的，目前我國(guó)的生產(chǎn)投入不比日本少，而國(guó)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(guó)產(chǎn)品質(zhì)量上存在問題而導(dǎo)致大量產(chǎn)品報(bào)廢所致。 data collection 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)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 .......