【正文】 立界面友好的虛擬儀器 前 面板，通過(guò)友好的圖形界面及圖形化編程語(yǔ)言控制儀器運(yùn)行，構(gòu)成多種儀器，完成對(duì)被測(cè)量的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)生成的儀器 ， 以透明的方式將計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測(cè)量與控制能力結(jié)合在一起，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理與表達(dá)，如圖 所示。 ⑶ 儀器的功能可以根據(jù)用戶(hù)需要由軟件自行定義，而不是由廠家事先定義的，增加了系統(tǒng)靈活性。決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具備的特點(diǎn)的根本原因在于“虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件”。參見(jiàn)圖。 應(yīng)用程序主要包括實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的軟件程序和定義測(cè)試功能的流程圖軟件程序兩類(lèi) 。測(cè)試軟件的主要任務(wù)是： ⑴ 規(guī)范組成虛擬儀器的硬件平臺(tái)的哪些部分被調(diào)用，并且規(guī)范這些部分的技術(shù)特性； ⑵ 規(guī)范虛擬儀器的調(diào)控機(jī)構(gòu)，設(shè)置調(diào)控范圍，其中不少功能和性能直接由軟件實(shí)現(xiàn)； ⑶ 規(guī)范測(cè)試程序； ⑷ 調(diào)用數(shù)據(jù)處理和高級(jí)分析庫(kù)，處理和變換測(cè)試結(jié)果； ⑸ 在電子計(jì)算機(jī)的顯示屏上顯示測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)、曲線簇、模型甚至多維模型； ⑹ 規(guī)范測(cè)試結(jié)果的信息存儲(chǔ) 、傳送或記錄。測(cè)試系統(tǒng)的工作流程為： ⑴ 將傳感器測(cè)量的被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電量信號(hào)。 ⑸ 在 LabVIEW 平臺(tái)下，調(diào)用信號(hào)處理子模板，編寫(xiě)儀器功能流程、功能算法，設(shè)計(jì)虛擬儀器前面板。其中，標(biāo)準(zhǔn)軌長(zhǎng)度有 米和 米兩種，鋪設(shè)彎道曲線 軌，長(zhǎng)度稍短，有 米、 米和 米、 米等幾種 ， 一般鋼軌的規(guī)格為 3 4 4 50、 60（千克 /米）。 ⅠⅠⅡⅢⅢ軌 頭軌 腰軌 底 圖 重軌橫截面 和側(cè)面 示意圖 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， 如圖 所示 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 根據(jù)重軌的幾何形狀、可能產(chǎn)生傷損的部位 ， 把重軌 劃分為三個(gè)探傷區(qū)域， 如圖 所示， 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。對(duì)于 Ⅱ 區(qū)水平裂紋、縱向垂直裂紋，可采用 0176。必須有向前和向后發(fā)射的兩只 37176。 激光探頭 激光探頭 ，也 可 稱(chēng) 為 光電式傳感器。光電式傳感器和其他傳感器基本功能一樣，是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。通常把光電效應(yīng)分為三類(lèi)： ⑴ 在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 稱(chēng)為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管等； ⑵ 在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)，如光敏電阻、光敏晶體管等； ⑶ 在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)，如光電池等。 光敏二極管的外型與一般二極管一樣 ， 只是它的管殼上開(kāi)有一個(gè)嵌著玻璃的窗口 ， 以便于光線射入 ， 為增加受光面積 ， PN 結(jié)的面積做得較大 ， 光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下 ， 并與負(fù)載電阻相串聯(lián) ， 當(dāng)無(wú)光照時(shí) ， 它與普通二極管一樣 ， 反向電流很小 (181。 激光探頭的基本工作 原理 為：從氦氖激光器發(fā)出的頻率很高的激光經(jīng)過(guò)分光鏡，分成兩束光。數(shù)據(jù)采集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字 I/O、觸發(fā)采集和定時(shí) I/O。當(dāng)這兩束光在光電 轉(zhuǎn)換 元件處相遇產(chǎn)生干涉現(xiàn) 象，形成了干涉條紋，條紋的明暗和間距變化記錄了物體光波的振幅和相位信息，是一些非常細(xì)密的、很不規(guī)律的干涉條紋，它是一種光柵，相干光波照射到光電 轉(zhuǎn)換 元件上，由于光強(qiáng)強(qiáng)弱差異在光電 轉(zhuǎn)換 元件上引起輸出電信號(hào)的差異，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)向電信號(hào)的合理轉(zhuǎn)換。 在外電場(chǎng)的作用下 ， 光電載流子參于導(dǎo)電 ， 形成比暗電流大得多的反向電流 ， 該反向電流稱(chēng)為光電流 。 激光探頭檢測(cè) 的 檢測(cè) 原理 圖如圖 所示。 光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。激光式傳感器按工作原理的不同可以分為三類(lèi)：激光干涉?zhèn)鞲衅鳌⒓す庋苌鋫鞲衅骱图す鈷呙鑲鞲衅?，其中以激光干涉?zhèn)鞲衅鞯膽?yīng)用居多。直探頭，共五 套 探頭。 為了同時(shí)檢查軌頭內(nèi)、外測(cè)至少需要兩只 70176。 對(duì)于沿軌腰寬度，由軌頭頂面到軌底的 Ⅱ 區(qū)，高度達(dá)到 176mm，宜采用折射角 β=37176。根據(jù)重軌中傷損的分布及形狀和取向，需要有垂直入射的探頭，以及要有不同角度傾斜入射的探頭才能盡量擴(kuò)大檢查區(qū)域。早期的 在 線鐵路，還有使用 38 公斤鋼軌的，現(xiàn)在都是使用 50 公斤和60 公斤的 。 電 量 傳 感 器非 電 量 傳 感 器其 他 電 量 傳 感 器信號(hào)處理電路數(shù) 據(jù)采集卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序計(jì) 算 機(jī)虛 擬 儀 器 前 面 板應(yīng) 用 程 序L a b V I E W 字 模 板L a b V I E W 開(kāi) 發(fā) 平 臺(tái) 圖 基于 PCDAQ 的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 重軌 每米公稱(chēng)重量大于 30 公斤的鋼軌，屬于重軌，重軌 又 分為一般鋼軌和起重機(jī)軌兩種。 ⑶ 數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)處理電路基于 PCDAQ 的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的電壓信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)。由于使用 LabVIEW 平臺(tái)，使 4 個(gè)層次的軟件實(shí)現(xiàn)變得容易了許多。 虛擬儀器技術(shù)最核心的思想就是：利 用計(jì)算機(jī)的硬件 /軟件資源，使本來(lái)需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化 (虛擬化 )，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性。這種系統(tǒng)采用 PCI 或計(jì)算機(jī)本身的 ISA 總線，將數(shù)據(jù)采集卡 /板 (DAQ) 插入計(jì)算機(jī)的空槽中即可； GPIB 系統(tǒng)是以 GPIB 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) ； VXI 系統(tǒng)是以 VXI 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)標(biāo)準(zhǔn)總線； PXI 系統(tǒng)是以 PXI 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)標(biāo)準(zhǔn)總線；串口系統(tǒng)是以串口系統(tǒng)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)標(biāo)準(zhǔn)總線 [14]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 硬件平臺(tái)由計(jì)算機(jī)和 I/O 接口設(shè)備構(gòu)成。 ⑸ 研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。虛擬儀器與之不同， 它可以通過(guò)在幾個(gè)分面板上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。 虛擬儀器 在虛擬儀器系統(tǒng)中 ， 硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出 ， 軟件才是整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵 。 ⑵ 表面真空法 對(duì)于無(wú)法采用內(nèi)部充氣的結(jié)構(gòu)，如不連通蜂窩、疊層結(jié)構(gòu)、鈑金膠接結(jié)構(gòu)等，可以?xún)?nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 在外表面抽真空加載，造成缺陷處表皮的內(nèi)外壓力差，從而引起缺陷處表皮變形，在干涉條紋圖樣中會(huì)出現(xiàn)干涉條紋的突變或呈現(xiàn)出環(huán)狀圖案。常用的加載方式有以下幾種。同時(shí)，還要根據(jù)不同產(chǎn)品對(duì)象選擇合適的換能器來(lái)激勵(lì)物體。所以全息圖上所記錄的狀態(tài)實(shí)際上是物體在振動(dòng)的兩個(gè)端點(diǎn)狀態(tài)的疊加。這對(duì)于確定加載參數(shù)來(lái)說(shuō)是比較費(fèi)事的?？梢詮倪@種干涉條紋的形狀和分布來(lái)判斷物體內(nèi)部是否有缺陷。其缺點(diǎn)是：為了將全息圖精確地放回到原來(lái)的位置，就需要有一套附加機(jī)構(gòu)，以便使全息圖位置的移動(dòng)不超過(guò)幾個(gè)光波的波長(zhǎng)；由于全息干版在沖洗過(guò)程中乳膠層不可避免地要產(chǎn)生一些收縮，當(dāng)全息圖放回原位時(shí)，雖然物體沒(méi)有變形，但仍 有少量的位移 干 涉條紋出現(xiàn)；顯示的干涉條紋圖樣不能長(zhǎng)久保留。由于兩個(gè)光波都是相干光波（來(lái)自同一個(gè)激光源），并幾乎存在于空間的同一位置，因此，這兩個(gè)光波疊加 就會(huì)產(chǎn)生干涉條紋。然而，物體的表面與物體的內(nèi)部是相互聯(lián)系的，在 不使物體受損的條件下，給物體一定的載荷，如能表現(xiàn)為表面的異常，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。這種技術(shù)的依據(jù)是物體內(nèi)部的缺陷在外力作用下，使它所對(duì)應(yīng)的物體表面產(chǎn)生與其周?chē)幌嗤奈⒉钗灰啤? ⑶ 攝影過(guò)程中的防振 在全息攝影過(guò)程中，由于振動(dòng)而使物光和參考光之間的光程差產(chǎn)生的隨機(jī)變化 要小于 1/4 波長(zhǎng)，或由于某光學(xué)元件的抖動(dòng)使干涉條紋相對(duì)于底片產(chǎn)生了位移要小于 1/4 條紋間隔，否則不但得不到高反差的干涉條紋，甚至有可能會(huì)使全息底片均勻 曝 光而得不到干涉條紋。 ⑵ 感光材料 全息拍攝是光波相互干涉的過(guò)程，參考光束與物光束之間 有一不小的夾角，全息底片記錄下來(lái)干涉條紋的頻率很高，因此要求全息底片必須有很高的分辨力。 調(diào)制度越大，在底片上形成的光柵衍射效率就越高，而全息再現(xiàn)像的亮度及分辨率也就越高。空間相干性不好，會(huì)使 再 現(xiàn)像的分辨力局部或整體上降低，嚴(yán)重 的會(huì)使再現(xiàn)像消失 。被記錄的全息圖是一些非常細(xì)密的、很不規(guī)律的干涉條紋，它是一種光柵，與被照 射 的物體在形狀上毫無(wú)相似之處，為了看到物體的全息像，通常采用再現(xiàn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) ,如圖 所示 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 快 門(mén)分 光 鏡擴(kuò) 束 鏡物體全息干板擴(kuò) 束 鏡全反射全反射激 光 器 圖 激光全息干涉光路圖 圖 是激光全息照相檢測(cè)的光路示意圖。 ( a ) 相 位 相 同 （ b ） 相 位 相 反 圖 光波的疊加 產(chǎn)生干涉的光波必須滿(mǎn)足下列條件： ⑴ 頻率相同的兩束光波在相遇時(shí)，有相同的振動(dòng)方向和固定的相位差。 為了了解這種檢測(cè)方法的原理，首先簡(jiǎn)單介紹光的干涉現(xiàn)象。當(dāng)被檢物體內(nèi)部存在缺陷時(shí)，由于受力的作用，缺陷對(duì)應(yīng)的表面則發(fā)生異常，條紋與無(wú)缺陷部位不同，根據(jù)條紋情況即可分折判斷物體內(nèi)部是否含有缺陷，以及缺陷的大小和位置。激光全息照相 技術(shù) ，是將物體表面和內(nèi)部的缺陷，通過(guò)外界加載的方法，使其在相應(yīng)的物體表面造成局部的變形，用全息照相來(lái)觀察和比較這種變形，并記錄下不同外界載荷作用下的物體表面的變形情況，進(jìn)行觀察和分析，然后判斷物體內(nèi)部是否存在缺陷。 因此極微小的變形也能被檢測(cè)出來(lái)，檢測(cè)靈敏度很高 ； 由于作為光源的激光的相干長(zhǎng)度很大，因此可以檢測(cè)大尺 寸的產(chǎn)品，只要激光能夠充分照射到整個(gè)產(chǎn)品表面，就能一次檢驗(yàn)完畢； 對(duì)被檢對(duì)象沒(méi)有特殊要求，可以對(duì)任何材料和粗糙表面檢測(cè) ； 可借助干涉條紋的數(shù)量和分布來(lái)確定缺陷的大小、部位和深度，便于進(jìn)行定量分析 ； 直觀感強(qiáng)，非接觸檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果便于保存。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） H e2 s 2 s 1 s5 S4 S6 2 3 . 8 納 米3 . 3 9 微 米4 P3 P1 8 . 7 e V1 6 . 7 0 e V3 P3 S1 . 1 5 微 米碰 撞 轉(zhuǎn) 移電 子 轉(zhuǎn) 移1 9 . 7 8 e V 圖 氦氖激光器 能級(jí)簡(jiǎn) 圖 氦氖激光器 有如下 特性 ： HeNe 激光器在可見(jiàn)區(qū)和紅外區(qū)可產(chǎn)生多種波長(zhǎng)的激光譜線；它具有一般的氣體激光器所固有的方向性好，單色性好， 相干性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 目前最小的氦氖激光器的長(zhǎng)度長(zhǎng)僅 25 厘米，直徑 厘米。 氦氖激光器 氦氖激光器是在 1960 年成功運(yùn)轉(zhuǎn)的第一臺(tái)氣體激光器，也是繼紅寶石激光器后出現(xiàn)的第二臺(tái)激光器，由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、工作可靠、壽命長(zhǎng)、頻率穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，作為一種新型光源，應(yīng)用比較廣泛。 ⑶ 較不易受工作環(huán)境影響，如熱的影響、電磁干擾。這就是激光振蕩器或簡(jiǎn)稱(chēng)激光器的基本原理。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(huì)大于受激吸收。當(dāng)一束光通過(guò)發(fā)光物質(zhì)后，究竟是光強(qiáng)增大還是減弱，要看這兩種躍遷過(guò)程哪個(gè)占優(yōu)勢(shì)。 激光產(chǎn)生的基本原理 在受激輻射躍遷的過(guò)程中 ， 一個(gè)誘發(fā)光子可以使處在上能級(jí)上的發(fā)光粒子產(chǎn)生一個(gè)與該光子狀態(tài)完全相同的光子，這兩個(gè)光子又可以去誘發(fā)其它發(fā)光粒子，產(chǎn)生更多狀態(tài)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 相同 的光子。 上述幾 點(diǎn)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。 ⑷ 亮度 由于激光束的方向性好，光能可集中到達(dá)某一區(qū)域從而形成極高的亮度。由于激光的單色性好，其相干時(shí)間就長(zhǎng)，相干長(zhǎng)度也就越長(zhǎng)。理想的平行光束是完全相干的，即在光束截面上處處相干。與此同時(shí)，氦氖激光器輸出的光， 波長(zhǎng)分布范圍非常窄 ， 因此顏色極純。通常 , 單色性系表示激光具有一種顏色或一種波長(zhǎng) ，一條有一定寬度的譜線對(duì)應(yīng)著波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)變化的一系列的單色 光， 一般光 的 波長(zhǎng)或頻率都有一定的譜寬和頻寬 ，人們便用該波長(zhǎng)的變化范圍 ?? 來(lái)表示這條譜線的寬度。 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(guò)光學(xué)系統(tǒng)把光能流進(jìn)行集中，其發(fā)射度亦較激光大得多。實(shí)際上，它們的量子性根源相同。但是就光的產(chǎn)生機(jī)制與產(chǎn)生方式而言，兩者卻有很大區(qū)別。激光的出現(xiàn)是對(duì)傳統(tǒng)光源的一次革命，它應(yīng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。 激光 及激光 全息檢測(cè)技術(shù) 激光基本知識(shí)的介紹 激光在我國(guó)最初被稱(chēng)為“萊塞”，即英語(yǔ)“ Laser”的譯音，而“ Laser”是“ Light Amplification by Stimutated Emission of radiation”的縮寫(xiě)，意思是“輻射的受激發(fā)射光放大” 。 信號(hào)處理電路將激光探頭輸出的 電壓 信號(hào)進(jìn)行整形、轉(zhuǎn)換、 濾波和隔離等處理，變成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。檢測(cè) 系統(tǒng)主要由光電傳感器（激光探頭