【正文】 分析重軌斷面是否存在缺陷，是通過檢波處理后的包絡(luò)曲線來作分析，分析如下：當(dāng)重軌斷面內(nèi)部無缺陷時，干涉條紋的形狀和間距是連續(xù)的，并與物體外形輪廓的變化同步。濾波是選擇有用信號，濾除干擾信號。下面就本設(shè)計系統(tǒng)的探傷信號的分析作如下介紹。通過觀察此顯示面板上相關(guān)曲線圖，分析判斷被檢測重軌斷面是否存在缺陷，并對其受損程度作出合理的評價。在圖中還分別顯示了檢測系統(tǒng)檢測的實時采樣的波形圖、信號經(jīng)帶通濾波器濾波后的波形圖、經(jīng)檢波后波形曲線及記錄檢波曲線的幅值，并顯示保存的受損檢波曲線幅值和信號處理后經(jīng)保存后讀取有缺陷的檢波波形曲線圖。 控件選板。該界面上有交互式的輸入和輸出兩類對象，分別是輸入控件和顯示控件，它包含了創(chuàng)建前面板時可用的全部對象。這樣，通過文件讀取程序，工作人員就可以方便地讀取系統(tǒng)自動保存的有缺陷重軌斷面的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)分析和判斷，做出相應(yīng)的控制措施。⑶關(guān)閉文件并檢查可能產(chǎn)生的錯誤。這里數(shù)據(jù)類型是雙精度，故占據(jù)8字節(jié)。使用的VI是File Dialog 和Open File。在本設(shè)計系統(tǒng)中，檢測系統(tǒng)設(shè)置了自動保存有缺陷波形數(shù)據(jù)（即：對檢測到的檢波波形曲線的幅值作判斷，系統(tǒng)自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存），并記錄重軌斷面有缺陷部位通過激光檢測系統(tǒng)時的時間，這樣實現(xiàn)了工作人員在回調(diào)數(shù)據(jù)時可以獲得更為全面的信息。使用的VI是Close File和Simple Error Handler。所用的VI是Write From Binary File。所使用的VI是Open/Create File。二進(jìn)制文件使用的硬盤空間非常少，當(dāng)用戶存儲或讀取數(shù)據(jù)時，不需要把數(shù)據(jù)從二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成ASCⅡ形式，因而讀取數(shù)據(jù)的速度非?？?。 激光探傷檢波曲線數(shù)據(jù)的保存從框圖中能看出采用的是二進(jìn)制文件來保存和讀取數(shù)據(jù)的，二進(jìn)制文件只能有機器讀取，用戶是不可讀的。對數(shù)據(jù)實現(xiàn)保存與讀取操作，要采用LabVIEW提供的文件I/O函數(shù)，這是一組功能較強的文件處理工具。對于采集到的激光探傷信號，經(jīng)數(shù)字信號處理后，因為不論是采集到的信號還是經(jīng)過處理后的信號，都要在虛擬儀器前面板上以波形曲線的形式顯示結(jié)果，所以在本設(shè)計系統(tǒng)中，文件保存和讀取也是不可或缺的。以上完成了對檢測信號的采集和處理，從而判斷被檢測重軌斷面內(nèi)部是否存在缺陷。表示為采樣信號，濾波后得到信號，經(jīng)希爾伯特變換得到信號。的相移，從而與原信號構(gòu)成一個解析信號。⑵希爾伯特解包絡(luò)原理。一個實信號的希爾伯特變換定義為 （44）它的實質(zhì)是使信號產(chǎn)生90176。在本設(shè)計系統(tǒng)中，利用虛擬儀器軟件實現(xiàn)信號的檢波處理時，采用希爾伯特變換對原信號進(jìn)行90度相移[22]。 幅值檢波處理后的包絡(luò)曲線在包絡(luò)檢波分析技術(shù)中，高頻載波的作用是避開檢測信號中的中、低頻干擾，信號檢測信息則包含在調(diào)幅波中，分析時必須消去載波，也就是對信號解調(diào)。對于本設(shè)計系統(tǒng)對信號處理采用的對濾波后信號進(jìn)行幅值檢波處理。只要能檢出調(diào)幅信號的包絡(luò)線即能實現(xiàn)解調(diào)。從已調(diào)信號中檢出調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)或檢波。在本設(shè)計系統(tǒng)中，采集到的探傷信號通過帶通濾波器濾波處理。就本設(shè)計系統(tǒng)需處理的探傷信號基本特征來說，、譜線寬度只有赫茲、頻率高達(dá)赫茲的高頻信號，所以采集到的激光探傷信號也是高頻信號，此外在測量和信號傳輸過程中，由于外界的干擾，經(jīng)常會夾雜一些其它頻率段的噪聲等干擾信號，當(dāng)然在檢測信號中有高頻的噪聲，也有低頻噪聲。IIR的缺點是相位響應(yīng)非線性。對于FIR濾波器，沖激響應(yīng)在有限時間內(nèi)衰減為零，其輸出僅取決于當(dāng)前和過去的輸入信號值。傳統(tǒng)模擬濾波器的輸入/輸出都是連續(xù)的，而數(shù)字濾波器的輸入/輸出都是離散的時間信號。濾波器的作用是對信號進(jìn)行篩選，只讓特定頻段的信號通過。主要對信號進(jìn)行了數(shù)字濾波和檢波處理，判斷重軌斷面是否受損，進(jìn)而對重軌斷面的受損程度作出評價。常用的信號調(diào)理方法有濾波、放大和加窗等。 信號處理的目的是盡量減少干擾信號的影響，提高信號的信噪比，它會直接影響到分析結(jié)果。任務(wù)一旦被清除，那么它就不能被使用，除非重新創(chuàng)建它。⑸NIDAQmx清除任務(wù)函數(shù)，可以清除特定任務(wù)。這個函數(shù)允許選擇采集類型、虛擬通道數(shù)、采樣數(shù)和數(shù)據(jù)類型。此函數(shù)的使用可使任務(wù)性能得到提高。⑶NIDAQmx啟動任務(wù)函數(shù)，顯示地將一個任務(wù)轉(zhuǎn)換至運行狀態(tài)。這包括指定操作是否連續(xù)或有限、為有限的操作選擇用于采集或生成的采樣數(shù)量，以及在需要時創(chuàng)建一個緩沖區(qū)。當(dāng)然也可創(chuàng)建多個通道，本設(shè)計只對一個激光探傷信號進(jìn)行采集，故只需單通道采集，采集信號為模擬電壓信號，由數(shù)據(jù)采集卡PCI 6221知道，電壓范圍是10V。，采集程序應(yīng)用了NIDAQmx軟件的五個函數(shù)，分別是NIDAQmx創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)、NIDAQmx定時函數(shù)、NIDAQmx開始任務(wù)函數(shù)、NIDAQmx讀取函數(shù)和NIDAQmx清除任務(wù)函數(shù)。配合Express VI，通過DAQ Assistant可以在數(shù)分鐘內(nèi)搭建一個專業(yè)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。這個軟件有如下特性：⑴NIDAQmx應(yīng)用程序編程接口（API），它在各種設(shè)備功能和設(shè)備系列中都是相同的。本模塊的設(shè)計主要是實現(xiàn)對激光探傷信號的采集。數(shù)據(jù)采集是測試測量的重要工作，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程為：各種不同物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，信號調(diào)理設(shè)備對采集到的電信號進(jìn)行加工，使它們適合數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備的需求；計算機通過數(shù)據(jù)采集卡等獲得測量數(shù)據(jù)；軟件則控制著整個測量系統(tǒng)，它可告訴采集設(shè)備什么時候從哪個通道獲取數(shù)據(jù)，同時還對原始數(shù)據(jù)做分析處理，并將最后結(jié)果表示成容易理解的形式。 控件選板要將檢測信號采集到計算機里，并對其合理組織，需要構(gòu)建一個完整的數(shù)據(jù)采集（Data AcQuisition，DAQ）系統(tǒng)。由虛擬儀器實現(xiàn)激光無損檢測系統(tǒng)的總程序框圖見附錄。程序框圖的編輯要用到函數(shù)選板。 激光無損檢測系統(tǒng)程序框圖的設(shè)計系統(tǒng)程序框圖是實現(xiàn)虛擬儀器邏輯功能的圖形化原代碼。本文所設(shè)計的是利用虛擬儀器實現(xiàn)激光全息無損檢測，此系統(tǒng)主要實現(xiàn)的是通過虛擬儀器軟件使計算機與數(shù)據(jù)采集硬件形成了一個完整的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲系統(tǒng)。 激光無損檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計應(yīng)用 LabVIEW提供的軟件平臺，可以對在線復(fù)雜斷面的重軌進(jìn)行激光無損檢測，將檢測結(jié)果進(jìn)行波形顯示并存儲數(shù)據(jù)。LabVIEW 支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的開發(fā)；⑽開放性強。LabVIEW作為測試軟件開發(fā)平臺有如下特點[18]：⑴圖形化編程環(huán)境；⑵可重用性高；⑶開發(fā)功能高效、通用；⑷支持多種儀器和數(shù)據(jù)采集硬件的驅(qū)動；⑸提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)；⑹查錯、調(diào)試能力強大；⑺囊括了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS232/485和USB等各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂得總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能夠驅(qū)動不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器；⑻支持多種操作系統(tǒng)。 LabVIEW 帶有大量數(shù)據(jù)采集、分析、顯示、存儲的函數(shù)庫以及眾多的程序開發(fā)工具, 還通過動態(tài)鏈接庫DLL、共享庫函數(shù)、ActiveX 等提供了大量的外部代碼接口。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國NI(National Instrument)公司開發(fā)的是一種基于G語言(Graphics Language)圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，它提供了一種全新的編程方法，稱之為“虛擬儀器”的軟件對象進(jìn)行圖形化的操作組合。這樣，通過高通濾波電路濾波處理，這樣高頻率電信號通過電路，低頻率電信號被抑制，從而消除了低頻段噪聲干擾信號對系統(tǒng)的干擾。在本設(shè)計系統(tǒng)中采用的是高通濾波器，主要是濾除低頻干擾信號，而且對濾波器性能要求不是很高，所以采用了比較常用的一階有源RC高通濾波器。綜上所述，各種理想濾波器在截止頻率點上的幅頻特性轉(zhuǎn)折非常尖銳、陡峭，描繪它的指標(biāo)僅需截止頻率和帶寬。所以帶通濾波器只允許某—頻段的信號通過，而該頻段以外的信號被衰減。稱為此高通濾波器的低截止頻率。信號中凡是高于的頻率成分均能以常值增益通過，而低于則被衰減。稱為此低通濾波器的高截止頻率。 濾波電路的理想特性圖〔a〕是低通濾波器的幅頻特性。一個理想濾波器應(yīng)在通帶內(nèi)幅頻特性為常數(shù)，在通帶外幅頻特性值應(yīng)為零。濾波器根據(jù)能通過的頻率范圍來分，有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器等類型。信號輸入濾波器后，使部分頻率成分可以順利通過，部分則被阻擋。這就是濾波器的作用。同相放大電路具有高輸入阻抗，但也易于受干擾和精度低的不足。由于輸入信號的能量過于微弱，不足以推動負(fù)載，因此需要在放大電路中另外提供一個能源，由能量較小的輸入信號控制這個能源，使之成為輸出按輸入信號規(guī)律變化的較大的能量，然后推動負(fù)載。此外，本系統(tǒng)是激光無損檢測，即采集信號是高頻信號，在信號的測量和信號的傳輸過程中，由于外界的干擾，經(jīng)常會夾雜一些頻率段的噪聲干擾信號，采用高通濾波器來濾除低頻率段的噪聲干擾信號。在系統(tǒng)中使用的傳感器是光電傳感器，即用光電池、光敏電阻作為檢測元件，這類元件的輸出電阻很高，其輸出電壓信號比較微弱。由于不同傳感器有不同的特性，所以要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來設(shè)計特殊的信號調(diào)理功能。信號調(diào)理功能包括放大、濾波和線性化等處理方法，經(jīng)信號處理后，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入。通常，傳感器信號不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這是因為傳感器輸出是相當(dāng)小的電壓、電流或電阻變化。10V的電壓范圍，可以用模擬和數(shù)字兩種觸發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。PCI6221是一種性能優(yōu)良、高精度的適用于計算機模擬輸入的數(shù)據(jù)采集卡，它有16個差分模擬輸入通道，每個通道最大采樣率為250kS/s，即每秒采樣250K。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(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，由于光強強弱差異在光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。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。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(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，它與普通二極管一樣，反向電流很小(181。本設(shè)計采用光敏二極管作為光電轉(zhuǎn)換元件。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物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，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)。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，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。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等特點。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)計方案的提出，可以知道本設(shè)計系統(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。探頭，加上0176。探頭，為了能檢查到螺栓孔四個象限的斜裂紋。探頭檢查。的探頭。的探頭。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，一般是用前后兩個方向70度的探頭探測核傷，用前后兩個方向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]。重軌的探測面沒有選擇的余地，探頭只能分布在軌頭頂面。我國生產(chǎn)重軌的鋼廠有武鋼、鞍鋼、包鋼和攀鋼等。重軌比輕軌斷面大，能夠承受更大的力。一般鋼軌，指鋪設(shè)鐵路干線、專用線、彎道及隧道用軌。⑹形成具有不同儀器功能的應(yīng)用程序。⑷通過設(shè)備驅(qū)動程序，數(shù)字信號進(jìn)入計算機。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。采用 LabVIEW 開發(fā)平臺設(shè)計的基于 PCDAQ 的虛擬儀器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。測試系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)大體可以分為 4 個層次[16]：測試管理層、測試程序?qū)印x器驅(qū)動層和 I/O 接口層。測試軟件是虛擬儀器的“主心骨”。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。 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)理電路及計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。硬件平臺由計算機和 I/O 接口設(shè)備構(gòu)成。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(guān)鍵是軟件”。⑸研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。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。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(fù)雜的功能。虛擬儀器(Virtul Instrument，簡稱VI)是當(dāng)今計算機輔助測試領(lǐng)域的一項重要技術(shù)，它是利用計算機強大的圖形環(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，以透明的方式將計算機資源和儀器硬件的測量與控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理與表達(dá)。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(guān)鍵。因此，造成