【正文】 虛擬儀器不需要大量的開關(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。 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。 本設(shè)計(jì)使用圖形化編程語(yǔ)言 版本 。 開發(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發(fā)工具有如下兩 類：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 ） 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。 (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。 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)。 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)。 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)。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。 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。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)專業(yè)的測(cè)試 技術(shù)或儀器的開發(fā)人員也可以開發(fā)出一流的測(cè)試系統(tǒng)或測(cè)量?jī)x器。 采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建測(cè)試儀器，開發(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。 LabVIEW也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步等。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。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。 圖形化的程序語(yǔ)言，又稱為 “ G” 語(yǔ)言。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。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。 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 ） 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方法，即對(duì)稱之為“ 虛擬儀器 ” （ Virtual Instruments 簡(jiǎn)稱 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 。 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)。可插接顯卡、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繁多的擴(kuò)展卡。 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。管理器提內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 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 總線是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線。 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 ） 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 。 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。 分辨率： 16Bit， 采樣率： 250 kS/s。 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。反之亦然。 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。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]。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 ??。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 。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。通常采用改變 0R 的方法來(lái)改變發(fā)射強(qiáng)度。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。 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) 。 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。同時(shí)，為了更加直觀對(duì)比缺陷，介紹了標(biāo)準(zhǔn)試塊。 本章小結(jié) 超聲波是一種機(jī)械波，在介質(zhì)中傳播遵循幾何光學(xué)特性，在不同材料界面之間會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。這就是超聲波探傷中常說(shuō)的當(dāng)量 法。用人工缺陷波的波高表示探傷靈敏度，是最常用的一種定量地表示靈敏度的方法。 (2) 確定探傷靈敏度和評(píng)價(jià)缺陷的大小 大多數(shù)的探傷儀都有較大的靈敏度調(diào)整范圍，以便能探測(cè)不同種類、不同厚度的工件。我們可以應(yīng)用在某個(gè)部位帶有某種人工缺陷 (孔、凹槽等 )的試塊來(lái) 摸索合適的探傷方法。試塊上這些已知的特征可以造成特定的聲內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 20 學(xué)特性，超聲波探傷儀在實(shí)際使用時(shí)常常采用與試塊相比較的辦法來(lái)確定被檢測(cè)物體的狀況。 標(biāo)準(zhǔn)試塊 所謂標(biāo)準(zhǔn)試塊，就是指它的材質(zhì)、 形狀、幾何尺寸、性能等是由國(guó)際組織討論通過(guò)的，或者由某個(gè)國(guó)家的權(quán)威機(jī)關(guān)討論通過(guò)的。比如在探測(cè)鍛件時(shí)，一般選用直探頭在鍛壓面上探測(cè) ； 而在檢查焊縫時(shí)，因?yàn)榇嬖诤缚p加強(qiáng)面以及危險(xiǎn)缺陷大多垂直于或大致垂直于探測(cè)面，一般選用斜探頭探傷。 超聲波探傷中，超聲波的發(fā)射和接收都是通過(guò)探頭實(shí)現(xiàn)的。使波束傾斜于工件表面射入工件的探頭稱為斜探頭，依入射角度的不同，可以在工件中產(chǎn)生縱波、橫波和表面波，也可以在薄板 中產(chǎn)生板波。直探頭用來(lái)發(fā)射和接收縱波，一般用于手工操作接觸法探傷。在超聲波探傷中常用的探頭包括直探頭、斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭等。壓電晶片是探頭的關(guān)鍵 元件，其性能好壞直接關(guān)系到探頭的質(zhì)量，因而各種探頭的壓電晶片都是經(jīng)過(guò)精心制作而成的。目前所用到的探頭，絕大多數(shù)是利用壓電效應(yīng)原理制作的。如圖 (c)所示。探頭接收信號(hào)幅度以光點(diǎn)灰度表示，或者以不同的顏色表示。如圖 (b)所示。 本設(shè)計(jì)采用 A 型顯示?？v坐標(biāo)代表反射波的幅度，由反射波的位置可 以確定缺陷的位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小?，F(xiàn)在大多已被脈沖探傷儀所取代。 (2) 連續(xù)波探傷儀 ： 這種儀器通過(guò)探頭向工件發(fā)射連續(xù)而且頻率不變 (或在小范圍內(nèi)周期性變化 )的超聲波，根據(jù)透過(guò)工件的超聲波強(qiáng)度變化來(lái)判斷工件中有無(wú)缺陷及缺陷內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 18 大小。 超聲波探傷技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，由于探測(cè)對(duì)象、探測(cè)目的、探測(cè)場(chǎng)合、探測(cè)速度等方面的不同要求，因而有不同的超聲波探傷儀，常用的有以下幾種 ： 一、按超聲波的連續(xù)性分類 (1) 脈沖波探傷儀 ： 這種儀器通過(guò)探頭向工件周期性地發(fā)射不連續(xù)而且頻率不變的超聲波，根據(jù)超聲波的連續(xù)時(shí)間及幅度判定工件中缺陷的 位置和大小。 超聲波探傷的設(shè)備組成 [5] 超聲波探傷儀、探頭和試塊是超聲波探傷系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，下面簡(jiǎn)要介紹一下這些設(shè)備的原理以及構(gòu)造。時(shí) ，則不再產(chǎn)生反射縱波。對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)， Ⅲ? =176。如此，定義 第 三 臨界角 為橫波入 射時(shí)，使縱波反射角達(dá)到 90176。這種情況下，固體介質(zhì) 1 中同時(shí) 存在反射橫波和反射縱波，其中橫波反射角等于入射角，而縱波反射角大于入射角。 如：采用水浸法，使縱波以適當(dāng)角度傾斜入射至水和鋼的界面，在鋼中產(chǎn)生折射橫波。 時(shí)，縱波入射角稱為第二臨界角，以 Ⅱ? 表示，且 211sinslcc??Ⅱ? （ 37） 通常在超聲檢測(cè)中，臨界角的主要應(yīng) 用是在第二介質(zhì)為固體，而第一介質(zhì)為固體或液體的情況下。第一臨界角可以按下式確定 ： 2111 sinllcc??? （ 36） (2) 第二臨界角 當(dāng)入射波為縱波，第二介質(zhì)為固體，且 12 ls cc ＞ 時(shí)， 則 ls ??＞ ， s? 也隨著 l? 的增大而增大。當(dāng)縱波入射角 Il ??＞ 時(shí)，第二介質(zhì)中只有折射橫波存在。當(dāng) l? =90176。根據(jù)幾何光學(xué)的折射定律。這兩種折射波的傳播方向是不同的，且都不同于入射波的方向。 折射 當(dāng)入射波以某一入射角入射到第二介質(zhì)為固體的異質(zhì)平面界面上時(shí)，將發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。 llll cc ?? ?? （ 32） 橫波入射用同樣的方法分析，在特殊情況下，當(dāng)入射角為零，即垂直入射時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)與入射方向相反的反射波，縱波反射角也等于零，這是最簡(jiǎn)單的情況。ll ??? （ 31） 又 1139。根據(jù)幾何光學(xué)反射定律，有 1sinsin 1139。 反射 設(shè)縱波 L 以入射角 l? 傾斜入射到由阻抗為 111 cz ρ? 和 222 cz ρ? 構(gòu)成 的平面界面上時(shí)，將產(chǎn)生反射縱波。 下面分別對(duì)反射和折射情況進(jìn)行分析。 l? 稱為縱波折射角， s? 稱為橫波折射角。在圖中，透過(guò)界面后就是縱波 2L 和橫波 2S 。而另一部分聲波內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 15 將通過(guò)界面，進(jìn)入 222 cz ρ? 的第二介質(zhì)，并發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。 1S 與法線的夾角 39。 1L 與法線的夾角 39。s?l?s? 圖 超聲波在平面異質(zhì)界面的折射和反射 根據(jù)幾何光學(xué)原理，聲束 L 入射到平面界面上時(shí)，有一部分反射回第一介質(zhì)，即 1L和 1S ，分別稱為反射縱波和反射橫波。 Lz1= ρ1c1z2= ρ2c2S1L1L2S2 ol? 39。 L 稱為入射波。 如圖 所示，有一束平面縱波 L 以聲速 c， 入射到由阻抗為 111 cz ρ? 和 222 cz ρ? 的兩種介質(zhì)所構(gòu)成的平面界面上的 O 點(diǎn)。當(dāng)垂直入射時(shí)，只有反射和透射 ； 當(dāng)傾斜入射 時(shí) ，除反射外，透射波要發(fā)生折射現(xiàn)象，同時(shí)伴隨著有波型轉(zhuǎn)換。 下面我們應(yīng)用幾何光學(xué)原理，討論超聲波在平面異質(zhì)界面上的反射波和折射波的傳播方向。稱為反射波 ；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 ） 14 另一部分將通過(guò)界面進(jìn)入第二介質(zhì)，稱為透射波。 如果一種介質(zhì)與另一種介質(zhì)緊貼著，聲波就能透過(guò)界面繼續(xù)向前傳播，這種現(xiàn)象稱為透射。因此，當(dāng)它遇到真空界面時(shí)，就只能以某種形式返回。波的傳播總會(huì)受到界面的干擾。根據(jù)波陣面的不同，可以把不同波源發(fā)出的波分為平面波、柱面波和球面波，這里就不作詳細(xì)介紹了。目前在超聲 探傷中得到廣泛應(yīng)用的是脈沖波。 (1) 波源持續(xù)不斷地振動(dòng)所輻射的波稱為連續(xù)波。因此，一般認(rèn)為表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距離工件表面兩倍波長(zhǎng)深度內(nèi)的缺