【正文】 r there is defects and damage,and preserve design of heavy rail`s Nondestructive testing system is system is made of signal 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 ） Acquisition,data analysis and waveform is the open and flexible modular design system`s realizing,it will be have farreaching significance for the impact of the railway transport industry and the industrial development. Key words: Nondestructive Testing。本設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 主要 采用 的無(wú)損檢測(cè) 方法 是激光全息照相技術(shù)。這樣，把傳統(tǒng)儀器的后兩部分用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不再采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，就形成了所謂的虛擬儀器。作為發(fā)展中國(guó)家 中國(guó) ， 在傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域尚未形成優(yōu)勢(shì) ， 如果集中力量 ， 迅速進(jìn)入下一代虛擬儀器市場(chǎng) ， 由于不存在退出成本的問(wèn)題 ，能夠迅速形成后發(fā)優(yōu)勢(shì) ， 從而略過(guò)傳統(tǒng)儀器的發(fā)展階段 ， 迅速進(jìn)入虛擬儀器發(fā)展階段 ，形成跨躍式發(fā)展態(tài)勢(shì)。由于虛擬儀器本身是以計(jì)算機(jī)為平臺(tái) ， 具有方便 、 靈活的互聯(lián)能力 ， 隨著通信技術(shù) 、 總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 ， 虛擬儀器向網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展 ， 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的出現(xiàn)是一種必然。 鑒于以上所述，了解到 了 利用虛擬儀器對(duì)鋼軌斷面實(shí)現(xiàn)激光全息無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)研究的必要性。它大大豐富了傳統(tǒng)光學(xué)的內(nèi)容，并發(fā)展形成了數(shù)門，乃至數(shù)十門新型的邊緣科學(xué)。通常光頻率寬度越窄和波長(zhǎng)寬度越窄，光的單色性越好。一臺(tái) 1 毫瓦的小型 HeNe 激光器所發(fā)出的激光輻射的亮度可達(dá)太陽(yáng)亮度的 100 倍，其光譜亮度則可達(dá)太陽(yáng)光譜亮度的 106 倍。當(dāng)頻率為 ? 的光束通過(guò)發(fā)光物質(zhì)，光強(qiáng)就會(huì)得到放大。 氦氖激光器是用氣體放電方式激勵(lì)的，當(dāng)在放電管中通以適當(dāng)?shù)碾娏鲿r(shí)，被加速的電子首先把氦原子通過(guò)碰撞激發(fā)到它的兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，然后處于亞穩(wěn)態(tài)的氦原子與基態(tài)氖原子碰撞將能量轉(zhuǎn)移給氖原子并使其激發(fā)到 4s 和 5s 能級(jí)（如圖 所示）。激光全息檢測(cè)實(shí)際上就是將不同受載情況下的物體表面狀態(tài)用激光全息照相方法記錄下來(lái)從而評(píng)價(jià)被檢物體的質(zhì)量。 圖 蜂窩結(jié)構(gòu)板脫粘區(qū)的全息再現(xiàn)干涉條紋 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 ） 激光全息檢測(cè)技術(shù)實(shí) 際上就是將不同受載情況下的物體表面狀態(tài)用激光全息照相方法記錄下來(lái)，進(jìn)行比較和分析，從而評(píng)價(jià)被檢 測(cè) 物體的質(zhì)量。因此在攝影過(guò)程中必須采取防振措施，一般是把全息攝影器件、激光器連同被拍攝物體放在防振臺(tái)上。 ⑵ 兩次曝光法 這種方法是將物體在兩種不同受載情況下的物體表面光波攝制在同一張全息圖上，然后再現(xiàn)這兩個(gè)光波，而這兩個(gè)再現(xiàn)光波疊加時(shí)仍然能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 激 光全息檢測(cè)的加載方法 用激光全息照相來(lái)檢測(cè)物體內(nèi)部缺陷的實(shí)質(zhì)是比較物體在不同受載情況下的表面光波，因此需要對(duì)物體施加載荷。 ⑵ 在通用硬件平臺(tái)確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來(lái)完成儀器的功能。 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 ） 虛擬儀器的 測(cè)試系統(tǒng) 測(cè)試軟件是虛擬儀器的“主心骨”。 我國(guó)生產(chǎn)重軌的鋼廠有武鋼、鞍鋼、包鋼和攀鋼等。 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 ） 第三章 激光無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)硬件的介紹 由 激光無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 的 提出，可以知道本設(shè)計(jì)系統(tǒng)所用到 的硬件包括：光電傳感器（激光探頭）、信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)采集卡（ PCI6221），下面對(duì)其作簡(jiǎn)單介紹。 光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比 ， 于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電 脈沖 信號(hào) 。 氦氖激光器快門分光鏡擴(kuò)束鏡物體擴(kuò)束鏡全反射全反射光電轉(zhuǎn)換元件 圖 激光探頭檢測(cè)原理圖 光敏二極管是最常見(jiàn)的光 電 傳感器 。探頭，為了能檢查到螺栓孔四個(gè)象限的 斜 裂紋。一般鋼軌，指鋪設(shè)鐵路干線 、 專用線、彎道及隧道用軌。 虛擬儀器軟件主要由兩部分組成，即應(yīng)用程序和 I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。 當(dāng)用戶的測(cè)試要求發(fā)生變化或需增加 或 減少測(cè)試項(xiàng)目時(shí) ， 用戶只需適當(dāng)?shù)馗能浖绦?， 即可生成滿足測(cè)試要求全新的測(cè)試儀器系統(tǒng) 。當(dāng)再現(xiàn)全息圖時(shí)，這兩個(gè)端點(diǎn)狀態(tài)的像就相干涉而產(chǎn)生干涉條紋，從干涉條紋的圖樣的形狀和分布來(lái)判斷物體內(nèi)部是否有缺陷。由于物體的初始狀態(tài)（再現(xiàn)的虛像）和物體加載狀態(tài)之間的干涉度量比較是在觀察時(shí)完成的，所以稱這種方法為實(shí)時(shí)法。空間分辨率 ?的表達(dá)式為： ??? )2sin(2? （ 23） 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 ） 上式提出的是最低限度的要求，在記 錄三維漫反射景象時(shí)分辨力要求還要更高些。從激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)分光鏡，由分光器分成兩束光。 任何物體在外力作用下都會(huì)發(fā)生變形，物體內(nèi)有無(wú)缺陷，其表面的變形程度是不同的，通過(guò)觀察物體表面的異常變形來(lái)判斷其內(nèi)部缺陷的存在。 氦氖激光器在可見(jiàn)區(qū)和紅外區(qū)可以產(chǎn)生多種波長(zhǎng)的激光譜線，主要有 紅光和 微米和 微米的紅外光。在正常條件下，即常溫條件以及對(duì)發(fā)光物質(zhì)無(wú)激發(fā)的情況下，發(fā)光粒子處于下能級(jí) 1E 的粒子數(shù)密度 1n 大于處在上能級(jí)2E 的粒子數(shù)密度 2n 。理論上講，激光的相干長(zhǎng)度為 1010～ 1011 米的數(shù)量級(jí)。一般激光束的發(fā)散角在毫弧度的數(shù)量級(jí)上，即使是方向性最差的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束，其發(fā)散角一般是（ 5～ 10） 102 弧度，這是普通光束所無(wú)法比擬的。雖然在 1917 年愛(ài)因斯坦就預(yù)言了受激輻射的存在，但在一般熱平衡情況下，物質(zhì)的受激輻射總是被受激吸收所掩蓋，未能在實(shí)驗(yàn)中觀察到。 我國(guó)使用儀器對(duì)鐵路鋼軌進(jìn)行探傷始于上世紀(jì) 50 年代， 鐵路是較早開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)工作的部門之一，鋼軌探傷是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。 虛擬儀器的另一個(gè)方向是各種標(biāo)準(zhǔn)儀器的互連及與計(jì)算機(jī)的連接 ，未來(lái)的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。 一定的靈活性 ， 更直接地解決使用過(guò)程中所遇到的各種難題。智能儀器是將微處理器置入測(cè)試儀器，使其能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并具有一定的數(shù)據(jù)處理能力。 無(wú)損檢測(cè) 技術(shù) 的方法 無(wú)損檢測(cè)測(cè)試方法很多，最常用的有射線檢測(cè) RT(XRadiography testing)、滲透檢測(cè)PT(Perate Testing)、磁粉檢測(cè) MT(Magism Testing)、超聲波檢測(cè) UT(Ultrasonic Testing)和渦流檢測(cè) ET(Eddy Testing)等，已成為生產(chǎn)中常規(guī)檢測(cè)技術(shù)。數(shù)據(jù)采集卡采集 此 信號(hào)并轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)。Laser Holography。 激光全息無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的地位和優(yōu)勢(shì) 激光全息 檢測(cè) 技術(shù)具有靈敏度高 、 檢測(cè)速度快 、 不用探頭接觸零件表面 、 不需要 耦合劑 、 對(duì)構(gòu)件的形狀和表面狀態(tài)無(wú)特殊要求 、 能全場(chǎng)直觀顯示缺陷情況等優(yōu)點(diǎn) ， 而且檢測(cè)結(jié)果易于保存 。但是虛擬儀器的“面板”顯示在 計(jì)算機(jī) 的屏幕上，儀器的操作是通過(guò)鼠標(biāo)選中不同的按鍵和旋鈕來(lái)完成的。目前 ， 整個(gè)虛擬儀器市場(chǎng)都在增長(zhǎng) ， PXI 總線市場(chǎng)增長(zhǎng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了 VXI 總線 ， 平均年增長(zhǎng)率為 %。它除了必要的硬件接口支持 ， 虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用戶可以借助于 Windows 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程桌面 、 LabVIEW 的網(wǎng)絡(luò)通信功能 、 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等 ， 用戶能很快在 Web 上發(fā)布虛擬儀器的面板 ， 直接在本地打開(kāi)并操控虛擬儀器 ， 以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)試 、 診斷和維修。此檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用并不僅僅限于鐵路運(yùn)輸業(yè)，而且也可以 推廣其他各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展中。在此主要對(duì)激光產(chǎn)生的基本的特性、原理、應(yīng)用和氦氖激光器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及其特性等的基本知識(shí)作以下簡(jiǎn)單介紹。在普通光源中，氪同位素 86 燈發(fā)出的波長(zhǎng) λ =6957 埃的光譜線的單色性最好。 現(xiàn)在亮度最高的普通光源是高壓脈沖氙燈，其亮度可達(dá)太陽(yáng)亮度的幾十倍。這便激光放大器的基本原理。 4s、 5s 能級(jí)也是兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，原子處于 4s、 5s 能級(jí)壽命較處于 3P、 4P 能級(jí)的壽命長(zhǎng)；又因?yàn)楹ぴ用芏缺饶试用芏雀?，這樣就有較多的亞穩(wěn)態(tài)氦原子和氖原子碰撞，使較多的氖原子處于 4s、 5s 能態(tài)，不僅如此，從 4s、 5s自發(fā)輻射的概率很小，這樣就實(shí)現(xiàn)了氖原子的 4s、 5s 能態(tài)相對(duì) 3P、 4P 能態(tài)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)適當(dāng)頻率的光子入射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)能級(jí)間受激輻射放大，分別發(fā)出 微米、 納米、 微米波長(zhǎng)的激光。 激光全息檢測(cè)對(duì)被校驗(yàn)對(duì)象沒(méi)有特殊要求，可以對(duì)任何材料粗糙的表面進(jìn)行檢測(cè)。 拍攝全息圖的條件 ⑴光源 激光全息攝影是一個(gè)干涉過(guò)程，因此其光源必須是具有良好的時(shí)間相干性和空間相干性的相干輻射源。 ⑷ 其他條件 為得到高質(zhì)量的全息圖，除了 上面三個(gè)條件外，還要考慮物光和參考光的等光程、物光與參考光的光強(qiáng)比以及物光與參考光之間的夾角等因素。這時(shí)，所看到的再現(xiàn)現(xiàn)象、除了顯示出來(lái)原來(lái)物體的全息像外，還產(chǎn)生較為粗大的干涉條紋圖樣。一般使物體表面產(chǎn)生 ，就可以使物體內(nèi)部的缺陷在干涉條紋圖樣中有所表現(xiàn)。 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。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。 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 。 激光探頭 激光探頭 ，也 可 稱 為 光電式傳感器。 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。 激光探頭檢測(cè) 的 檢測(cè) 原理 圖如圖 所示。 為了同時(shí)檢查軌頭內(nèi)、外測(cè)至少需要兩只 70176。 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（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(jī)軌兩種。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]。 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 。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。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。 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。 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 ） 快 門分 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。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。 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。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)。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)。 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)