【導(dǎo)讀】越來越大的作用。激光全息無損檢測方法與其它的NDT方法相比，發(fā)展較早、技術(shù)較。成熟，應(yīng)用范圍較廣，是全息干涉計(jì)量技術(shù)的重要應(yīng)用之一。用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與儀器硬件結(jié)合起來，用戶可通過友好圖形界面操作這臺計(jì)算機(jī)，利用軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口。本設(shè)計(jì)主要是利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)激光無損檢測。對重軌斷面進(jìn)行檢測并輸出電量信號，經(jīng)信號處理電路處理，變成標(biāo)準(zhǔn)信號。卡采集此信號并轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號。通過設(shè)備驅(qū)動程序，數(shù)字信號進(jìn)入計(jì)。在LabVIEW平臺下，調(diào)用程序，在虛擬儀器前面板顯示檢測到的波形，通過分。放靈活的模塊化系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對鐵路運(yùn)輸業(yè)以及工業(yè)的發(fā)展的影響意義深遠(yuǎn)。

　　

【正文】 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)。但是，如果缺陷位置過深，在加載時(shí)，缺陷反映不到物體表面或反映非常微小時(shí)，則無法采用激光全息檢測。常用的加載方式有以下幾種。 ⑴ 內(nèi)部充氣法 對于蜂窩結(jié)構(gòu)（有孔蜂窩）、輪胎、壓力容器、管道等產(chǎn)品，可以用內(nèi)部充氣法加載。蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部充氣后，蒙皮在氣體的作用下向外鼓起。脫膠處的蒙皮在氣壓作用下向外鼓起的量比周 圍大，形成脫膠處相對于周圍蒙皮有一個(gè)微小變形，根據(jù)這個(gè)微差位移，就可以用激光全息方法來攝制全息圖。 ⑵ 表面真空法 對于無法采用內(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，可以內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(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出現(xiàn)干涉條紋的突變或呈現(xiàn)出環(huán)狀圖案。 ⑶ 熱加載法 這種方法是對物體施加一個(gè)溫度適當(dāng)?shù)臒崦}沖，物體因受熱而變形，內(nèi)部有缺陷時(shí)，由于傳熱較慢，該局部區(qū)域比缺陷周圍的溫度要高。因此 ， 造成該處的變形量相應(yīng)也較大，從而形成缺陷位置相對于周圍的表面 變形有了一個(gè)微差位移。用激光全息照相記錄時(shí)，就要在全息圖中顯示出突變的干涉條紋圖樣。 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(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵 。 當(dāng)用戶的測試要求發(fā)生變化或需增加 或 減少測試項(xiàng)目時(shí) ， 用戶只需適當(dāng)?shù)馗能浖绦?， 即可生成滿足測試要求全新的測試儀器系統(tǒng) 。 虛擬儀器的概念 虛擬 儀器 (Virtul Instrument，簡稱 VI)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù) ，它是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，組合相應(yīng)的硬件，編制不同的測試軟件，建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(yùn)行，構(gòu)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(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測量與控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理與表達(dá)，如圖 所示。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 采 集 與 控 制插 入 式 數(shù) 據(jù) 采 集G P I B 儀 器V X I 儀 器R S 儀 器數(shù) 據(jù) 分 析數(shù) 字 信 號 處 理數(shù) 字 濾 波統(tǒng) 計(jì)數(shù) 字 分 析數(shù) 據(jù) 表 達(dá)網(wǎng) 絡(luò)硬 拷 貝 輸 出文 件 I / O圖 形 用 戶 接 口 圖 虛擬儀器內(nèi)部功能 的 劃分 虛擬儀器 的特點(diǎn) 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，具有以下特點(diǎn)： ⑴ 傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，其表面布置著種類繁多的顯示與操作元件，由此可能導(dǎo)致操作錯誤。虛擬儀器與之不同， 它可以通過在幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。 ⑵ 在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能。 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。 ⑷ 儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需要更新相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，而不需購買新的儀器，節(jié)省了物質(zhì)資源。 ⑸ 研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。 ⑹ 虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的開放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其周邊設(shè)備互聯(lián)。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”。 虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器由通用儀器硬件平臺和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 硬件平臺由計(jì)算機(jī)和 I/O 接口設(shè)備構(gòu)成。它的構(gòu)成方式主要有 5 種類型。參見圖。 信 號 處 理 數(shù) 據(jù) 采 集 卡G P I B 接 口 儀 器 G P I B 接 口 卡串 行 接 口 儀 器 / P L CV X I 儀 器現(xiàn) 場 總 線 設(shè) 備其 他 計(jì) 算 機(jī) 硬 件L a b V I E WL a b w i n d o w s / C V I被測對象 圖 虛擬儀器構(gòu)成框圖 PCDAQ 系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。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)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng) ； VXI 系統(tǒng)是以 VXI 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(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)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(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)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線 [14]。 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)動程序。 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試功能的流程圖軟件程序兩類 。輸入 接口儀器驅(qū)動程序主要完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動與通信。 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。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 虛擬儀器的 測試系統(tǒng) 測試軟件是虛擬儀器的“主心骨”。測試軟件的主要任務(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)范測試程序； ⑷ 調(diào)用數(shù)據(jù)處理和高級分析庫，處理和變換測試結(jié)果； ⑸ 在電子計(jì)算機(jī)的顯示屏上顯示測試結(jié)果的數(shù)據(jù)、曲線簇、模型甚至多維模型； ⑹ 規(guī)范測試結(jié)果的信息存儲 、傳送或記錄。 測試系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)大體可以分為 4 個(gè)層次 [16]：測試管理層、測試程序?qū)?、儀器驅(qū)動層和 I/O 接口層。由于使用 LabVIEW 平臺，使 4 個(gè)層次的軟件實(shí)現(xiàn)變得容易了許多。采用 LabVIEW 開發(fā)平臺設(shè)計(jì)的基于 PCDAQ 的虛擬儀器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，參見圖。測試系統(tǒng)的工作流程為： ⑴ 將傳感器測量的被測信號轉(zhuǎn)換為電量信號。 ⑵ 信號處理電路將傳感器輸出的電量信號進(jìn)行整形、轉(zhuǎn)換和濾波處理，變成標(biāo)準(zhǔn)信號。 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(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號。 ⑷ 通過設(shè)備驅(qū)動程序，數(shù)字信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)。 ⑸ 在 LabVIEW 平臺下，調(diào)用信號處理子模板，編寫儀器功能流程、功能算法，設(shè)計(jì)虛擬儀器前面板。 ⑹ 形成具有不同儀器功能的應(yīng)用程序。 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(shè)備驅(qū)動程序計(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 發(fā) 平 臺 圖 基于 PCDAQ 的虛擬儀器測試系統(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。一般鋼軌，指鋪設(shè)鐵路干線 、 專用線、彎道及隧道用軌。其中，標(biāo)準(zhǔn)軌長度有 米和 米兩種，鋪設(shè)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）。重軌比輕軌斷面大，能夠承受更大的力。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 。 我國生產(chǎn)重軌的鋼廠有武鋼、鞍鋼、包鋼和攀鋼等。 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 。 重軌的探測面沒有選擇的余地，探頭只能分布在軌頭頂面。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。 鋼軌的缺陷主要有核傷、螺孔裂紋及其他各種方向的斜裂紋等，國內(nèi)外大體一樣因而相應(yīng)的探傷方法也都大同小異，一般是用前后兩個(gè)方向 70 度的探頭探測核傷，用前后兩個(gè)方向 37 度到 45 度的探頭探測螺孔裂紋及其他斜裂紋，而 0 度探頭則用來探測水平裂紋及縱向裂紋等 [1]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(gè)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。的探頭 。 對于沿軌腰寬度，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。的探頭。對于 Ⅱ 區(qū)水平裂紋、縱向垂直裂紋，可采用 0176。探頭檢查 。 為了同時(shí)檢查軌頭內(nèi)、外測至少需要兩只 70176。探頭，為了能檢查到螺栓孔四個(gè)象限的 斜 裂紋。必須有向前和向后發(fā)射的兩只 37176。探頭，加上 0176。直探頭，共五 套 探頭。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第三章 激光無損檢測系統(tǒng)硬件的介紹 由 激光無損檢測系統(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）、信號處理電路和數(shù)據(jù)采集卡（ PCI6221），下面對其作簡單介紹。 激光探頭 激光探頭 ，也 可 稱 為 光電式傳感器。 激光具有能量集中、很好的方向性、很好的單色性和干涉能力強(qiáng)等特點(diǎn)。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?、激光衍射傳感器和激光掃描傳感器，其中以激光干涉?zhèn)鞲衅鞯膽?yīng)用居多。 光電式傳感器是 60 年代發(fā)展起來的一門新技術(shù)，光電傳感器由于反應(yīng)速度快 ， 能實(shí)現(xiàn)非接觸測量 ， 而且精度高、分辨力高 和 可靠性好，加之半導(dǎo)體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低 和 便于 集成等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于軍事、宇航、通信、檢測與工業(yè)自動化控制等多種領(lǐng)域中。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(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件是指傳感器中直接感受被測對象的部分，而轉(zhuǎn)換元件是指傳感器能將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為適合于傳輸與測量的電信號部分。 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)，把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電效應(yīng)是指用光照射某 一物體，可以看作是一連串帶有一定能量的光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 稱為外光電效應(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)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，如光電池等。本設(shè)計(jì)采用 光敏二極管 作為光電 轉(zhuǎn)換元 件。 激光探頭檢測 的 檢測 原理 圖如圖 所示。 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 激光探頭檢測原理圖 光敏二極管是最常見的光 電 傳感器 。 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(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)無光照時(shí) ， 它與普通二極管一樣 ， 反向電流很小 (181。A)， 稱為光敏二極管的暗電流 ； 當(dāng)有光照時(shí) ， 載流子被激發(fā) ， 產(chǎn)生電子 空穴 ， 稱為光電載流子 。 在外電場的作用下 ， 光電載流子參于導(dǎo)電 ， 形成比暗電流大得多的反向電流 ， 該反向電流稱為光電流 。 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 。 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。一束被擴(kuò)束鏡擴(kuò)大，照射到被加載的物體上，再由物體表面漫反射到光電 轉(zhuǎn)換 元件上，這束光稱為物光束；另一束光由分光器表面反射，經(jīng)過反射鏡到達(dá)擴(kuò)束鏡，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 被其擴(kuò)大后再由反射鏡反射照射到光電 轉(zhuǎn)換 元件上，這束光稱為參考光束。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的差異，實(shí)現(xiàn)了光信號向電信號的合理轉(zhuǎn)換。 采集 系統(tǒng)硬件 （ PCI6221） 的介紹 通常，數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡，與計(jì)算機(jī)的連接可以采用多種方式。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。 在本