【正文】 所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。 題 目：復雜斷面重軌在線無損檢測系統(tǒng)設計 —— 利用虛擬儀器實現(xiàn)超聲波探傷 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） I 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。 作 者 簽 名 ： 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權說明 本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热荨１救送耆庾R到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） III 注 意 事 項 （論文）的內容包括： 1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關鍵詞 4）外文摘 要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論 7）參考文獻 8）致謝 9）附錄（對論文支持必要時） ：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于 萬字。這類儀器硬 件電路設計復雜，硬件成本高，設計周期長，而且儀器的功能和性能受到硬件的約束，如探傷儀難以直接判斷缺陷的性質，升級需要從硬件著手等。 設計分成兩部分。 ultrasonic testing。例如美國為了保持它在世界上科學技術的領先地位，早在 1979 年的政府工作報告中提出要成立的六大技術中心中，無損檢測技術便是其中之一，日本制定的 21 世紀優(yōu)先發(fā)展四大技術領域之一的設備延壽技術中，也把無損檢測放在十分重要的位置。 因此，研究新型、可靠、低成本、高性能的無損檢測儀器關系著我國生產(chǎn)力的全面提高，意義長遠重大。另外，它在材料工業(yè)、機械制造、石油化工、水文地質、煤炭礦山等領域中早已獲得了廣泛的應用。相關的理論方法及應用的基礎性研究正在逐步深入，已經(jīng)取得了許多具有國際先進水平的成果，許多不同用途的微機控制自動超聲檢測系統(tǒng)己經(jīng)應用于實際生產(chǎn)。相對而言，這類儀器需要大量的硬件設計，上市速度慢，成本高，由于硬件的容量與速度的不足，使得一些功能不能很好的應用，從設計到操作都不是很靈活。 所以開發(fā)高智能化、低成本的超聲探傷儀器對于我國超聲探傷領域顯得非常現(xiàn)實與迫切。在虛擬儀器中硬件不再是系統(tǒng)的主體，而只是信號的輸入輸出通道，將測量所得模擬信號轉化為數(shù)字信號，然后傳輸給計算機。由于減少了對硬件的使用，使得儀器測量誤差較小，價格相對 較低；同時根據(jù)需要可對軟件進行修改以滿足新的需求，這種檢測技術伴隨著計算機的發(fā)展而發(fā)展，更新快；開發(fā)和維護費用低；接口友好，操作簡便，用戶不用不斷的調整儀器旋鈕；可方便地與計算機網(wǎng)絡和其它外設相連接 [2]。本設計就國內已有超聲探 傷儀的不足，有針對性地設計一臺可以克服以上缺點的虛擬超聲探傷儀，用以填補國內在這方面研究的空白。 軌 頭軌 腰軌 底 圖 重軌示意圖 ⅠⅠⅡⅢ Ⅲ 圖 探測區(qū)域圖 根據(jù)重軌的幾何形狀、可能產(chǎn)生傷損的部位及超聲波的傳播規(guī)律，可把重軌劃分為內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 5 三個探傷區(qū)域，如圖 所示。 軌 頂 面鄂 部7 00軌 頭 厚 度軌 頭 厚 度 圖 Ⅰ 區(qū)探測示意圖 對于沿軌腰寬度，由軌頭頂面到軌底的 Ⅱ 區(qū)，高度達到 176mm（ P60 重軌），宜采用折射角 β=37176。 3 70探頭探測示意圖 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 6 對于 Ⅱ 區(qū)水平裂紋、縱向垂直裂紋，可采用 0176。探頭，為了能檢查到螺栓孔四個象限的些裂紋。根據(jù)缺陷取向對回波高度的影響，超聲波垂直入射缺陷表面時反射回波最強，缺陷最容易被探測檢出?！?18176?！?20176。探頭搜查時靈敏度很高，但較難分辨是裂紋還是銹蝕反射，需要用雙探頭串列法鑒別 [3]。因此，超聲探傷儀的研制非常重要。采集卡將超聲波缺陷信號通過模數(shù)轉換后 并 發(fā)送給計算機，計算機接收數(shù)據(jù)后利用LabVIEW 軟件進行一系列的處理最后顯示結果。 對于回波信號則采用軟件處理。 另 一種是根據(jù)峰值采樣數(shù)字式超聲波檢測儀的工作原理，先進行峰值保持，再進行 A/D轉換，然后送入計算機進行 其他相應 處理。 虛擬超聲波探傷儀基本結構分兩部分：一部分是硬件部分，一部分是軟件部分。 其中 數(shù)據(jù)采集電路 和 接口電路 是硬件部分， 數(shù)據(jù)處理及結果顯示 是軟件部分。 第二章簡要介紹了 虛擬 超聲波探傷 儀 的 總體設計方案，大致闡述了設計的思路，為今后設計指 明了方向。 第六章介紹了程序調試時 一些 出現(xiàn)的 問題 及 處理方法， 同時，總結了本設 計的優(yōu)缺點，最后，引入計算機的網(wǎng)絡功能， 對 探傷儀的 遠程監(jiān)控 提出了要求。振動物體在任意時刻的位移情況可以由它的振動方程描述 ： )c os ( ??? wtAy 。 次聲波、 聲波和超聲波都是在彈性介質中傳播的機械波，它們的區(qū)別主要是頻率上的不同。超聲波的波 長很短，由此決定了超聲波具有一些重要特性，使其能夠廣泛應用于無損探傷 ： (1) 超聲波的方向性好 超聲波的頻率很高，波長很短。因此，超聲波的能量遠大于聲波的能量。 超聲波的分類 根據(jù)質點的振動方向分類 根據(jù)波動傳播時介質質點的振動方向與波的傳播方向，可以把超聲波分為縱波、橫波、表面波和板波等。 (2) 橫波 介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波稱為橫波，用 S 或 T 表示。 (3) 表面波 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 13 當介質表面受到交變的應力作用時，產(chǎn)生沿介質表面?zhèn)鞑サ牟ǎQ為表面波，常用R 表示。 表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?，而且表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱，當傳播深度超過波長的兩倍時，質點的振幅已經(jīng)很小。 (2) 波源振動持續(xù)時間短 (通常是毫微秒數(shù)量級 )，間歇輻射的波稱為脈沖波。 超聲波在平面異質界面上的效應 所謂異質界面，是只有兩種聲阻抗不同的介質所構成的界面，如氣體 /液體界面、氣體 /固體界面、液體 /固體界面以及固體 (Z1)/固體 (Z2)界面等。這種現(xiàn)象若發(fā)生在 光滑界面上時，則稱為反射 ； 若發(fā)生在粗糙界面上時，稱為散射。并且，聲波透過界面時將發(fā)生折射和波型轉換，其方向和強度也要發(fā)生變化，其變化的大小決定于兩種介質的聲阻抗值和原波的入射方向。所謂波型轉換，就是在第二介質中傳播的波型己不同于入射波的波型。入射波 L 的主聲束軸線與界面法線的夾角 l? 稱為 入射角。因為 1L 仍在第一介質中傳播，聲速仍為 lc 。s? 稱為橫波反射角。這時， 2L 稱為折射縱波， 2S 稱為折射橫波。并從工程應用的角度出發(fā)，重點分析折射問題。 ?? llll cc??，所以， 39。脈沖反射法就是利用了超聲波的反射作用來探測缺陷的。如圖 所示。 時，縱波入射角稱為 第一臨界角，以 I? 表示。當 s? =90176。 (3) 第 三 臨界角 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 17 第 三 臨界角 是在 固體介質與另一種介質的界面上，用橫波作為入射波時產(chǎn)生的。時的橫波入射角，用 Ⅲ? 表示。這對于橫波斜入射檢測是十分有利的， 因為橫波檢測聲束路徑上常常要在試件的上下底面間經(jīng)過一次或多次反射。 本設計采用脈沖波探傷儀。 二、按缺陷顯示方式分類 (1) A 型顯示探傷儀 ： A 型顯示是一種波形顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標代表波的傳播時間 (或距離 )。 (2) B 型顯示探傷儀 ： B 型顯示是一種圖像顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標是靠機械掃描代表探頭的掃描軌跡，縱坐標是靠電子掃描來代表聲波的傳播時間 (或距離 )，因而可以直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度。因而當探頭 在工件表面移動時，熒光屏上便顯示出工件內部缺陷的平面圖像，但是不能顯示缺陷的深度。探頭中的核心元件是壓電晶片，它的作用是發(fā)射和接收脈沖超聲波。 波束垂直于被探工件表面入射的探頭稱為直探頭。通常的斜探頭指橫波斜探頭，它的標稱方式常用橫波在鋼中的折射角的正切值 (也稱為 K 值 )來標稱。 本設計選擇的重軌探傷區(qū)域如圖 的 Ⅱ區(qū)， 因此我們選擇 接觸式縱波 斜探頭和 接觸式縱波 直探頭 探傷 。試塊在超聲波探傷技術中的應用主要有三個方面 ： (1) 確定合適的探傷方法 有時在探傷之前，我們就預先知道或者大概知道缺陷可能發(fā)生在什么部位，也有時僅僅需要探測某一部位有無缺陷。在每次探傷時使用的靈敏度各不相同，為了能確定探傷時所采用的靈敏度，就需要使用帶有人工缺陷的試塊。 (3) 測試和校驗探傷儀及探頭的性能。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 21 第四章 虛擬 超聲波探傷 儀的 硬件 部分 硬件 基本結構 虛擬超聲波探傷儀基本結構分兩部分：一部分是硬件部分， 另 一部分是軟件部分。 超聲波發(fā)射電路 [4] 發(fā)射部分能產(chǎn)生約 500V 以上的高壓電脈沖，這個電脈沖加到壓電晶片上能使晶片發(fā)出超聲波。 發(fā)射電路中的阻尼電阻 0R 決定了電路的阻尼情況。 調諧式發(fā)射電路 如圖 所示為調諧式發(fā)射電路， 0R 和 0L 組成并聯(lián)諧振電路。電容 C 放電時，在諧振回路內引起故障諧振。 由于探頭工作在諧振狀態(tài)，因此余振時間較長，從而盲區(qū)也較大，另外探頭發(fā)射的內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 23 聲波頻帶也較窄，所以此電路適于窄帶探傷。 本設計采用調諧式發(fā)射電路。 圖 為其管腳圖。 4. 4 數(shù)據(jù)采集卡與計算機的通信 PCI 是 Peripheral Component Interconnect(外設部件互連標準 )的縮寫，是 Intel公司1991 年推出的用于定義局部總線的標準。 PCI 總線也支持總線主控技術，允許智能設備在需要時取得總線控制權，以加速數(shù)據(jù)傳送。 PCI 插槽 是主板的主要擴展插槽，通過插接不同的擴展卡可以獲得目前電腦能實現(xiàn)的幾乎所有功能，是名副其實的 “ 萬用 ” 擴展插槽。 LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛 地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣 [9]。它可以增強你構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。 LabVIEW 的動態(tài)連續(xù)跟蹤方式，內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 27 可以連續(xù)、動態(tài)地觀察程序中的數(shù) 據(jù)及其變化情況，比其它語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更快捷。 虛擬儀器的組成 硬件結構 虛擬儀器由通用儀器硬件平臺（簡稱硬件平臺）和應用軟件兩大部分組成。 GPIB 系統(tǒng)：它是以 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)。 無論上述哪種 VI 系統(tǒng)組成一臺虛擬儀器后，都是通過應用軟件將儀器硬件與通用計算機 相結合，其中， PCDAQ 測量系統(tǒng)是構成 VI 的最基本的方式，也是最廉價的方式。 (2) I/O 接口儀器驅動程序 I/O 接口儀器驅動程序完成特定外部硬件設備的擴展、驅動與通信。 虛擬儀器的基本工作原理 虛擬儀器是利用計算機和一組專用軟件，加上硬件設備，以計算機為核心，充分利用計算機強大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，建立中英文界面的虛擬儀器面板，提供對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示，形成既有普通儀器的功能，又 有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的新型儀器 [