【導(dǎo)讀】導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致。含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。明并表示了謝意。以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)。的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法。律后果由本人承擔(dān)。符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。這類(lèi)儀器硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，硬件成本高，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，而且儀器。針對(duì)這些缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了一臺(tái)虛擬超聲波探傷儀。是指由計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、通用接口硬件組成的測(cè)試系統(tǒng)。儀器的上述缺點(diǎn)，利用了計(jì)算機(jī)的資源，實(shí)現(xiàn)了儀器的高度智能化。一部分是硬件設(shè)計(jì)，其作用是傳統(tǒng)超聲波探傷儀發(fā)射超聲波，對(duì)。重軌進(jìn)行測(cè)量后，PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡接收缺陷回波信號(hào)，并發(fā)送給計(jì)算機(jī)。是軟件設(shè)計(jì)，該部分包括用戶界面設(shè)計(jì)和缺陷信號(hào)的處理與顯示等。

　　

【正文】 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 ） 21 第四章 虛擬 超聲波探傷 儀的 硬件 部分 硬件 基本結(jié)構(gòu) 虛擬超聲波探傷儀基本結(jié)構(gòu)分兩部分：一部分是硬件部分， 另 一部分是軟件部分。 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。為此提出了如圖 的 硬件 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 探 頭P C I 6 2 2 1 板 卡計(jì) 算 機(jī)超聲波發(fā)射電路P C I 6 2 2 1 接 線 盒 圖 虛擬超聲波 探傷 儀結(jié)構(gòu)圖 工作原理闡述如下： 首先 傳統(tǒng)超聲波探傷儀的發(fā)射電路產(chǎn)生高壓電脈沖，加到探頭里的壓電晶片上，使晶片產(chǎn)生超聲波，對(duì)重軌進(jìn)行探傷后， 其次由 LabVIEW控制面板的采集鍵控制數(shù)據(jù)采集操作，當(dāng)按下采集按鈕后， PCI6221數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ，然后 輸入到計(jì)算機(jī) 。 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(gè)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。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧 線圈（有時(shí)裝在探頭內(nèi)），諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，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 ） 22 發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒(méi)有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。 發(fā)射電路中的阻尼電阻 0R 決定了電路的阻尼情況。通常采用改變 0R 的方法來(lái)改變發(fā)射強(qiáng)度。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨力低，適宜于探測(cè)厚度大，對(duì)分辨力要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大，分辨力高，在探測(cè)近表面缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時(shí)應(yīng)予采用。 調(diào)諧式發(fā)射電路 如圖 所示為調(diào)諧式發(fā)射電路， 0R 和 0L 組成并聯(lián)諧振電路。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 。當(dāng)觸發(fā)脈沖加到可控硅控制極時(shí)，使其導(dǎo)電，電容 C 則通過(guò)可控硅放電。放電線路 ： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 14 J un 2 00 8 S he e t o f F i l e : E : \白景坤 \超聲波探傷儀部分電路圖 .ddb D r a w n B y :RC0CR0探頭L0+ 圖 調(diào)諧式 發(fā)射電路 CC ???? 諧振回路地可控硅 。電容 C 放電時(shí)，在諧振回路內(nèi)引起故障諧振。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 ??。 0C 為換能器本身的電容線圈的分布電容及其他分布電容之和。由于諧振回路在 0R 上消耗的能量，振蕩很快停止，形成脈沖波 [l]。 由于探頭工作在諧振狀態(tài)，因此余振時(shí)間較長(zhǎng)，從而盲區(qū)也較大，另外探頭發(fā)射的內(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 ） 23 聲波頻帶也較窄，所以此電路適于窄帶探傷。 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。當(dāng) 0R 增大時(shí)，分流作用減小，阻尼減小，發(fā)射功率增大，同時(shí)盲區(qū)增大。反之亦然。 本設(shè)計(jì)采用調(diào)諧式發(fā)射電路。 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(méi)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。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 14 J un 2 00 8 S he e t o f F i l e : E : \白景坤 \超聲波探傷儀部分電路圖 .ddb D r a w n B y :RCR0 探頭+ 圖 非調(diào)諧式 發(fā)射電路 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡 PCI 6221 是 NI 公司推出的 M 系列低價(jià)位多功能數(shù)據(jù)采集卡 ， 它具有 2 路的模擬輸出 ， 16 路模擬輸入 ， 24 路數(shù)字 I /O。 分辨率： 16Bit， 采樣率： 250 kS/s。 圖 為其管腳圖。 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。另外， AI GND(32 管腳 )與外部信號(hào)輸入端的 負(fù)端 (或 地線 )相連接。 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 ） 24 圖 PCI6221數(shù)據(jù)采集卡管腳圖 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn) 回波的接收 、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、與計(jì)算機(jī)的串行通信等 功能 。 4. 4 數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)的通信 PCI 是 Peripheral Component Interconnect(外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn) )的縮寫(xiě)，是 Intel公司1991 年推出的用于定義局部總線的標(biāo)準(zhǔn)。 PCI 總線是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線。從結(jié)構(gòu)上看， PCI 是在 CPU 和原來(lái)的系統(tǒng)總線之間插入的一級(jí)總線，具體由一個(gè)橋接電路實(shí)現(xiàn)對(duì)這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提內(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 ） 25 供了信號(hào)緩沖，使之能支持 10 種外設(shè)，并能在高時(shí)鐘頻 率下保持高性能。 PCI 總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時(shí)取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。 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。其位寬為 32 位或 64 位，工作頻率為 33MHz,最大數(shù)據(jù)傳輸率為 133MB/sec(32 位 )和 266MB/sec(64 位 )?？刹褰语@卡、聲卡、網(wǎng)卡、內(nèi)置 Modem、內(nèi)置 ADSL Modem、 卡、 IEEE1394 卡、 IDE 接口卡、 RAID 卡、電視卡、視頻采集卡以及其它種類(lèi)繁多的擴(kuò)展卡。 PCI 插槽 是主板的主要擴(kuò)展插槽，通過(guò)插接不同的擴(kuò)展卡可以獲得目前電腦能實(shí)現(xiàn)的幾乎所有功能，是名副其實(shí)的 “ 萬(wàn)用 ” 擴(kuò)展插槽。 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)。 本章小結(jié) 硬件電路 主要是傳統(tǒng)超聲波探傷儀的發(fā)射電路部分和 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡 ，具體功能 是傳統(tǒng)超聲波探傷儀 對(duì)重軌進(jìn)行測(cè)量后， PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡 采集 缺陷 回波信號(hào) ，并 傳輸給計(jì)算機(jī) 。 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 ） 26 第五章 虛擬 超聲波探傷 儀的 軟件 部分 LabVIEW 簡(jiǎn)介 LabVIEW 是 美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的圖形化編程語(yǔ)言，主要 應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析，以及數(shù)據(jù)表達(dá)等方面，它提供了一種全新的程序編寫(xiě)方法，即對(duì)稱(chēng)之為“ 虛擬儀器 ” （ Virtual Instruments 簡(jiǎn)稱(chēng) 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 。 LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛 地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。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。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP、 ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。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(guò)程都生動(dòng)有趣 [9]。 圖形化的程序語(yǔ)言，又稱(chēng)為 “ G” 語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫(xiě)程序代碼，取而代之的是流程圖。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。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。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。 LabVIEW 也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)采集、 GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，甚至還有目前十分熱門(mén)的網(wǎng)絡(luò)功能。 LabVIEW也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步等。 LabVIEW 的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤方式，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 ） 27 可以連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀察程序中的數(shù) 據(jù)及其變化情況，比其它語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境更方便、更快捷。 采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建測(cè)試儀器，開(kāi)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。 本 課題 介紹目前虛擬儀器的主流開(kāi)發(fā)工具 ，該軟件提供了非常豐富的數(shù)據(jù)采集和數(shù)學(xué)分析函數(shù)和工具，具有創(chuàng)造力的圖形語(yǔ)言（ G 語(yǔ)言）開(kāi)發(fā)環(huán)境，使得程序的編輯、調(diào)試等都非常方便，快捷，高效。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(guò)程，使非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的測(cè)試 技術(shù)或儀器的開(kāi)發(fā)人員也可以開(kāi)發(fā)出一流的測(cè)試系統(tǒng)或測(cè)量?jī)x器。 虛擬儀器的組成 硬件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)硬件平臺(tái)）和應(yīng)用軟件兩大部分組成。 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。 被 測(cè) 信 號(hào)P C D A Q 系 統(tǒng)G P I B 系 統(tǒng)V X I 系 統(tǒng)P X I 系 統(tǒng)串 口 系 統(tǒng)計(jì) 算 機(jī)I / O 接 口 設(shè) 備 圖 虛擬儀器的構(gòu)成框圖 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 ） 28 PCDAQ 系統(tǒng)：它是以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。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。 GPIB 系統(tǒng)：它是以 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)：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)。 PXI 系統(tǒng)：以 PXI 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)。 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)。 無(wú)論上述哪種 VI 系統(tǒng)組成一臺(tái)虛擬儀器后，都是通過(guò)應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計(jì)算機(jī) 相結(jié)合，其中， PCDAQ 測(cè)量系統(tǒng)是構(gòu)成 VI 的最基本的方式，也是最廉價(jià)的方式。 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)。 軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器軟件由兩大部分構(gòu)成： 應(yīng)用程序和 I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。 (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。 (2) I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序 I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)與通信。 開(kāi)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(kāi)發(fā)工具有如下兩 類(lèi)：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 ） 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。這些軟件開(kāi)發(fā)工具為用戶設(shè)計(jì)虛擬儀器應(yīng)用軟件提供了最大限度的方便條件與良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。 本設(shè)計(jì)使用圖形化編程語(yǔ)言 版本 。 虛擬儀器的基本工作原理 虛擬儀器是利用計(jì)算機(jī)和一組專(zhuān)用軟件，加上硬件設(shè)備，以計(jì)算機(jī)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)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(duì)測(cè)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(méi)有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型儀器 [11]。 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。虛擬儀器是一種軟件化的測(cè)量裝置，用戶可以通過(guò)軟件定義一臺(tái)虛擬儀器和虛擬面板，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，計(jì)算機(jī)就像一臺(tái)萬(wàn)用的儀器一樣，只要改變軟件就可以改變它的功能。 虛擬儀器不需要大量的開(kāi)關(guān)、連接線和按鍵，要改變功能只需通過(guò)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