【正文】 立界面友好的虛擬儀器 前 面板，通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器運行，構成多種儀器，完成對被測量的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成的儀器 ， 以透明的方式將計算機資源和儀器硬件的測量與控制能力結合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理與表達，如圖 所示。 ⑶ 儀器的功能可以根據(jù)用戶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的根本原因在于“虛擬儀器的關鍵是軟件”。參見圖。 應用程序主要包括實現(xiàn)虛擬面板功能的軟件程序和定義測試功能的流程圖軟件程序兩類 。測試軟件的主要任務是： ⑴ 規(guī)范組成虛擬儀器的硬件平臺的哪些部分被調用，并且規(guī)范這些部分的技術特性； ⑵ 規(guī)范虛擬儀器的調控機構，設置調控范圍，其中不少功能和性能直接由軟件實現(xiàn)； ⑶ 規(guī)范測試程序； ⑷ 調用數(shù)據(jù)處理和高級分析庫，處理和變換測試結果； ⑸ 在電子計算機的顯示屏上顯示測試結果的數(shù)據(jù)、曲線簇、模型甚至多維模型； ⑹ 規(guī)范測試結果的信息存儲 、傳送或記錄。測試系統(tǒng)的工作流程為： ⑴ 將傳感器測量的被測信號轉換為電量信號。 ⑸ 在 LabVIEW 平臺下，調用信號處理子模板，編寫儀器功能流程、功能算法，設計虛擬儀器前面板。其中，標準軌長度有 米和 米兩種，鋪設彎道曲線 軌，長度稍短，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 和側面 示意圖 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， 如圖 所示 。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（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 劃分為三個探傷區(qū)域， 如圖 所示， 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。對于 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 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)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。通常把光電效應分為三類： ⑴ 在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 稱為外光電效應，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)象稱為內光電效應，如光敏電阻、光敏晶體管等； ⑶ 在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應，如光電池等。 光敏二極管的外型與一般二極管一樣 ， 只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口 ， 以便于光線射入 ， 為增加受光面積 ， PN 結的面積做得較大 ， 光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下 ， 并與負載電阻相串聯(lián) ， 當無光照時 ， 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 I/O。當這兩束光在光電 轉換 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 轉換 元件上，由于光強強弱差異在光電 轉換 元件上引起輸出電信號的差異，實現(xiàn)了光信號向電信號的合理轉換。 在外電場的作用下 ， 光電載流子參于導電 ， 形成比暗電流大得多的反向電流 ， 該反向電流稱為光電流 。 激光探頭檢測 的 檢測 原理 圖如圖 所示。 光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成，是以光電效應為基礎，把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。激光式傳感器按工作原理的不同可以分為三類：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镁佣?。直探頭，共五 套 探頭。 為了同時檢查軌頭內、外測至少需要兩只 70176。 對于沿軌腰寬度，由軌頭頂面到軌底的 Ⅱ 區(qū)，高度達到 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 器信號處理電路數(shù) 據(jù)采集卡設備驅動程序計 算 機虛 擬 儀 器 前 面 板應 用 程 序L a b V I E W 字 模 板L a b V I E W 開 發(fā) 平 臺 圖 基于 PCDAQ 的虛擬儀器測試系統(tǒng)結構 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 重軌 每米公稱重量大于 30 公斤的鋼軌，屬于重軌，重軌 又 分為一般鋼軌和起重機軌兩種。 ⑶ 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，并轉換為計算機能處理的數(shù)字信號。由于使用 LabVIEW 平臺，使 4 個層次的軟件實現(xiàn)變得容易了許多。 虛擬儀器技術最核心的思想就是：利 用計算機的硬件 /軟件資源，使本來需要硬件實現(xiàn)的技術軟件化 (虛擬化 )，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)的功能與靈活性。這種系統(tǒng)采用 PCI 或計算機本身的 ISA 總線，將數(shù)據(jù)采集卡 /板 (DAQ) 插入計算機的空槽中即可； GPIB 系統(tǒng)是以 GPIB 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) ； VXI 系統(tǒng)是以 VXI 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)標準總線； PXI 系統(tǒng)是以 PXI 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)標準總線；串口系統(tǒng)是以串口系統(tǒng)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)標準總線 [14]。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 硬件平臺由計算機和 I/O 接口設備構成。 ⑸ 研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。虛擬儀器與之不同， 它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復雜的功能。 虛擬儀器 在虛擬儀器系統(tǒng)中 ， 硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出 ， 軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關鍵 。 ⑵ 表面真空法 對于無法采用內部充氣的結構，如不連通蜂窩、疊層結構、鈑金膠接結構等，可以內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 在外表面抽真空加載，造成缺陷處表皮的內外壓力差，從而引起缺陷處表皮變形，在干涉條紋圖樣中會出現(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，還要根據(jù)不同產(chǎn)品對象選擇合適的換能器來激勵物體。所以全息圖上所記錄的狀態(tài)實際上是物體在振動的兩個端點狀態(tài)的疊加。這對于確定加載參數(shù)來說是比較費事的。可以從這種干涉條紋的形狀和分布來判斷物體內部是否有缺陷。其缺點是：為了將全息圖精確地放回到原來的位置，就需要有一套附加機構，以便使全息圖位置的移動不超過幾個光波的波長；由于全息干版在沖洗過程中乳膠層不可避免地要產(chǎn)生一些收縮，當全息圖放回原位時，雖然物體沒有變形，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久保留。由于兩個光波都是相干光波（來自同一個激光源），并幾乎存在于空間的同一位置，因此，這兩個光波疊加 就會產(chǎn)生干涉條紋。然而，物體的表面與物體的內部是相互聯(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，則可實現(xiàn)無損檢測。這種技術的依據(jù)是物體內部的缺陷在外力作用下，使它所對應的物體表面產(chǎn)生與其周圍不相同的微差位移。 ⑶ 攝影過程中的防振 在全息攝影過程中，由于振動而使物光和參考光之間的光程差產(chǎn)生的隨機變化 要小于 1/4 波長，或由于某光學元件的抖動使干涉條紋相對于底片產(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，會使 再 現(xiàn)像的分辨力局部或整體上降低，嚴重 的會使再現(xiàn)像消失 。被記錄的全息圖是一些非常細密的、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相似之處，為了看到物體的全息像，通常采用再現(xiàn)技術來實現(xiàn) ,如圖 所示 。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 快 門分 光 鏡擴 束 鏡物體全息干板擴 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足下列條件： ⑴ 頻率相同的兩束光波在相遇時，有相同的振動方向和固定的相位差。 為了了解這種檢測方法的原理，首先簡單介紹光的干涉現(xiàn)象。當被檢物體內部存在缺陷時，由于受力的作用，缺陷對應的表面則發(fā)生異常，條紋與無缺陷部位不同，根據(jù)條紋情況即可分折判斷物體內部是否含有缺陷，以及缺陷的大小和位置。激光全息照相 技術 ，是將物體表面和內部的缺陷，通過外界加載的方法，使其在相應的物體表面造成局部的變形，用全息照相來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，進行觀察和分析，然后判斷物體內部是否存在缺陷。 因此極微小的變形也能被檢測出來，檢測靈敏度很高 ； 由于作為光源的激光的相干長度很大，因此可以檢測大尺 寸的產(chǎn)品，只要激光能夠充分照射到整個產(chǎn)品表面，就能一次檢驗完畢； 對被檢對象沒有特殊要求，可以對任何材料和粗糙表面檢測 ； 可借助干涉條紋的數(shù)量和分布來確定缺陷的大小、部位和深度，便于進行定量分析 ； 直觀感強，非接觸檢測，檢測結果便于保存。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（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 移電 子 轉 移1 9 . 7 8 e V 圖 氦氖激光器 能級簡 圖 氦氖激光器 有如下 特性 ： HeNe 激光器在可見區(qū)和紅外區(qū)可產(chǎn)生多種波長的激光譜線；它具有一般的氣體激光器所固有的方向性好，單色性好， 相干性強的優(yōu)點。 目前最小的氦氖激光器的長度長僅 25 厘米，直徑 厘米。 氦氖激光器 氦氖激光器是在 1960 年成功運轉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，由于它結構簡單、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。 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稱激光器的基本原理。只要使發(fā)光物質處在粒子數(shù)反轉的狀態(tài)，受激輻射就會大于受激吸收。當一束光通過發(fā)光物質后，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。 激光產(chǎn)生的基本原理 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)內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 相同 的光子。 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。 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。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，氦氖激光器輸出的光， 波長分布范圍非常窄 ， 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 ，一條有一定寬度的譜線對應著波長在一定范圍內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。 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。實際上，它們的量子性根源相同。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。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)濟領域。 激光 及激光 全息檢測技術 激光基本知識的介紹 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” 。 信號處理電路將激光探頭輸出的 電壓 信號進行整形、轉換、 濾波和隔離等處理，變成標準電壓信號。檢測 系統(tǒng)主要由光電傳感器（激光探頭