【正文】 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。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時鐘頻率下保持高性能。PCI總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線。 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、與計算機(jī)的串行通信等功能。本設(shè)計采用的是通道AI8，與外部信號輸入端的正端相連接。采樣率：250 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。本設(shè)計采用調(diào)諧式發(fā)射電路。當(dāng)增大時，分流作用減小，阻尼減小，發(fā)射功率增大，同時盲區(qū)增大。由于探頭工作在諧振狀態(tài)，因此余振時間較長，從而盲區(qū)也較大，另外探頭發(fā)射的聲波頻帶也較窄，所以此電路適于窄帶探傷。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。電容C放電時，在諧振回路內(nèi)引起故障諧振。當(dāng)觸發(fā)脈沖加到可控硅控制極時，使其導(dǎo)電，電容C則通過可控硅放電。，和組成并聯(lián)諧振電路。電阻大時阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨力低，適宜于探測厚度大，對分辨力要求不高的試件。發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈（有時裝在探頭內(nèi)），諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。[4]發(fā)射部分能產(chǎn)生約500V以上的高壓電脈沖，這個電脈沖加到壓電晶片上能使晶片發(fā)出超聲波。硬件部分要實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射、缺陷回波信號的接收、數(shù)據(jù)傳輸以及整個電路工作的協(xié)調(diào)控制等功能。同時，為了更加直觀對比缺陷，介紹了標(biāo)準(zhǔn)試塊。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發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。這就是超聲波探傷中常說的當(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價缺陷的大小大多數(shù)的探傷儀都有較大的靈敏度調(diào)整范圍，以便能探測不同種類、不同厚度的工件。我們可以應(yīng)用在某個部位帶有某種人工缺陷(孔、凹槽等)的試塊來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學(xué)特性，超聲波探傷儀在實(shí)際使用時常常采用與試塊相比較的辦法來確定被檢測物體的狀況。所謂標(biāo)準(zhǔn)試塊，就是指它的材質(zhì)、形狀、幾何尺寸、性能等是由國際組織討論通過的，或者由某個國家的權(quán)威機(jī)關(guān)討論通過的。比如在探測鍛件時，一般選用直探頭在鍛壓面上探測；而在檢查焊縫時，因?yàn)榇嬖诤缚p加強(qiáng)面以及危險缺陷大多垂直于或大致垂直于探測面，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。(c)所示。探頭接收信號幅度以光點(diǎn)灰度表示，或者以不同的顏色表示。(b)所示。本設(shè)計采用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。現(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)透過工件的超聲波強(qiáng)度變化來判斷工件中有無缺陷及缺陷大小。超聲波探傷技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，由于探測對象、探測目的、探測場合、探測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)時間及幅度判定工件中缺陷的位置和大小。[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，下面簡要介紹一下這些設(shè)備的原理以及構(gòu)造。時，則不再產(chǎn)生反射縱波。對于鋼來說，=176。如此，定義第三臨界角為橫波入射時，使縱波反射角達(dá)到90176。這種情況下，固體介質(zhì)1中同時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，縱波入射角稱為第二臨界角，以表示，且 （37）通常在超聲檢測中，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： （36）(2) 第二臨界角當(dāng)入射波為縱波，第二介質(zhì)為固體，且時，則，也隨著的增大而增大。當(dāng)縱波入射角時，第二介質(zhì)中只有折射橫波存在。當(dāng)=90176。根據(jù)幾何光學(xué)的折射定律。透射波將分離為折射縱波或折射橫波。脈沖反射法就是利用了超聲波的反射作用來探測缺陷的。與此同時，由于波形轉(zhuǎn)換，又產(chǎn)生反射橫波。并從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，重點(diǎn)分析折射問題。如果入射波是橫波，同樣可以按照上述方法分析。這時，稱為折射縱波，稱為折射橫波。這時，由于入射角的大小不同，在第二介質(zhì)中傳播的波，可能是縱波、橫波或表面波，或兼而有之。與法線的夾角稱為橫波反射角。因?yàn)槿栽诘谝唤橘|(zhì)中傳播，聲速仍為。入射波L的主聲束軸線與界面法線的夾角稱為入射角。O點(diǎn)稱為入射點(diǎn)。所謂波型轉(zhuǎn)換，就是在第二介質(zhì)中傳播的波型己不同于入射波的波型。當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，其入射方向相對于異質(zhì)界面而言，可以是垂直入射，也可以是傾斜入射。并且，聲波透過界面時將發(fā)生折射和波型轉(zhuǎn)換，其方向和強(qiáng)度也要發(fā)生變化，其變化的大小決定于兩種介質(zhì)的聲阻抗值和原波的入射方向。當(dāng)聲波通過兩種介質(zhì)的界面時，一部分將被界面反射回第一介質(zhì)。這種現(xiàn)象若發(fā)生在光滑界面上時，則稱為反射；若發(fā)生在粗糙界面上時，稱為散射。超聲波屬于機(jī)械波，只能在彈性介質(zhì)中傳播。所謂異質(zhì)界面，是只有兩種聲阻抗不同的介質(zhì)所構(gòu)成的界面，如氣體/液體界面、氣體/固體界面、液體/固體界面以及固體(Z1)/固體(Z2)界面等。波的形狀(波形)是根據(jù)波陣面的形狀來區(qū)分的。(2) 波源振動持續(xù)時間短(通常是毫微秒數(shù)量級)，間歇輻射的波稱為脈沖波。根據(jù)振動的持續(xù)時間長短又可以把超聲波分為連續(xù)波和脈沖波。表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?，而且表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱，當(dāng)傳播深度超過波長的兩倍時，質(zhì)點(diǎn)的振幅已經(jīng)很小。橢圓運(yùn)動可以看作為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波與橫波的合成。(3) 表面波當(dāng)介質(zhì)表面受到交變的應(yīng)力作用時，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波，常用R表示。只有固體介質(zhì)才能承受剪切應(yīng)力，液體和氣體都不能承受剪應(yīng)力。(2) 橫波介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波稱為橫波，用S或T表示。當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到往復(fù)壓應(yīng)力作用時，質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮形變，從而形成縱波。根據(jù)波動傳播時介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向，可以把超聲波分為縱波、橫波、表面波和板波等。(4) 超聲波穿透能力強(qiáng)超聲波在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時，傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)，在一些金屬材料中其穿透能力可達(dá)數(shù)米。因此，超聲波的能量遠(yuǎn)大于聲波的能量。超聲波可以像光束一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射。超聲波的波長很短，由此決定了超聲波具有一些重要特性，使其能夠廣泛應(yīng)用于無損探傷：(1) 超聲波的方向性好超聲波的頻率很高，波長很短。次聲波和超聲波人耳都聽不到。次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，它們的區(qū)別主要是頻率上的不同。產(chǎn)生機(jī)械波必須要有兩個條件：(1) 要有作機(jī)械振動的波源。振動物體在任意時刻的位移情況可以由它的振動方程描述：。在超聲波探傷系統(tǒng)中，主要運(yùn)用了超聲波在介質(zhì)中的一些傳播原理，因此本章首先簡要介紹一下有關(guān)超聲波的基本知識。第六章介紹了程序調(diào)試時一些出現(xiàn)的問題及處理方法，同時，總結(jié)了本設(shè)計的優(yōu)缺點(diǎn)，最后，引入計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)功能，對探傷儀的遠(yuǎn)程監(jiān)控提出了要求。第四章詳細(xì)敘述了虛擬超聲波探傷儀硬件設(shè)計，闡述了硬件部分要實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射、缺陷回波信號的接收、數(shù)據(jù)傳輸以及整個電路工作的協(xié)調(diào)控制等功能。第二章簡要介紹了虛擬超聲波探傷儀的總體設(shè)計方案，大致闡述了設(shè)計的思路，為今后設(shè)計指明了方向。數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)的通信通過PCI總線插槽來實(shí)現(xiàn)。其中數(shù)據(jù)采集電路和接口電路是硬件部分，數(shù)據(jù)處理及結(jié)果顯示是軟件部分。軟件部分界面操作方便，可以直觀顯示超聲波缺陷回波信號，存儲波形、讀取波形等。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，一部分是軟件部分。由于我們使用的是PCI6221數(shù)據(jù)采集卡，采集卡內(nèi)部本身就具有A/D轉(zhuǎn)換等多種信號處理功能，所以，對于先進(jìn)行峰值保持這一環(huán)節(jié)，我們需加峰值保持器，多增加了外部設(shè)備，這與我們的硬件盡量少的方針不相符，因此，我們采用第一種方案即提取回波整體信息，然后再進(jìn)行相應(yīng)的處理。一種是根據(jù)全波采樣數(shù)字式超聲波檢測儀的工作原理，提取回波整體信息然后再進(jìn)行其他處理。對比這兩種方案，第一種完全利用軟件實(shí)現(xiàn)，難度比較大，況且就超聲波信號發(fā)生器而言，本身就是一個設(shè)計題目，故為了節(jié)省時間，則選擇采用第二種方案。第二種是部分采用傳統(tǒng)超聲波探傷儀的功能，如超聲波發(fā)生電路。第二章 虛擬超聲波探傷儀的總體結(jié)構(gòu)本課題目的在于設(shè)計一臺虛擬超聲波探傷儀。本課題設(shè)計了一臺虛擬超聲探傷儀，系統(tǒng)由PCI6221數(shù)據(jù)采集卡，虛擬儀器軟件，計算機(jī)三部分組成。目前國內(nèi)超聲探傷儀產(chǎn)品主要是以微處理器為核心，以大規(guī)模集成芯片為外圍電路的智能化儀器。超聲波是應(yīng)用最廣的無損檢測方法，它具有被測范圍廣、檢測深度大、靈敏度高、操作方便、快速、正確、經(jīng)濟(jì)、對人體無害等優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計，由于設(shè)計者自身水平和時間等因素，我們只選擇一個界面，Ⅱ區(qū)。對于軌底橫向缺陷，用折射角37176。），顯然越不利于探測，即使是位于軌頭內(nèi)、外側(cè)的核傷，往往也有一點(diǎn)的傾斜角，由一個方向發(fā)射超聲波的折射角70176。探頭與前進(jìn)方向偏角越大（一般14176。的小角度縱波探頭。要解決這類缺陷的檢查最好用折射角β在15176。這五個探頭對于重軌全長探傷是至關(guān)重要的，是必不可少的，但還不夠充分，有部分缺陷，如小角度的螺栓孔裂紋（與螺栓孔水平對稱線成15176。直探頭，共五只探頭。必須有向前和向后發(fā)射的兩只37176。為了同時檢查軌頭內(nèi)、外測至少需要兩只70176。探頭檢查。 Ⅱ區(qū)用370探頭探測示意圖 Ⅱ區(qū)用0176。=37176。Ⅰ區(qū)探測示意圖對于沿軌腰寬度，由軌頭頂面到軌底的Ⅱ區(qū)，高度達(dá)到176mm（P60重軌），宜采用折射角β=37176。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。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，把探傷死角減到最小[3]。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。例如武漢中科創(chuàng)新技術(shù)公司的多用途多通道超聲波探傷系統(tǒng)，其硬件電路復(fù)雜、體積龐大，沒有體現(xiàn)出虛擬儀器充分利用計算機(jī)資源，節(jié)約硬件成本，降低硬件開發(fā)難度的優(yōu)點(diǎn)。就金屬探傷方面來說，國內(nèi)還沒有廠家生產(chǎn)真正意義上的虛擬儀器。這就避免了傳統(tǒng)儀器那種一旦成型、功能就固化、不易再更改的缺陷。信號資料的分析、計算、統(tǒng)計和結(jié)果顯示等繁雜的工作都交由系統(tǒng)的軟件處理，利用計算機(jī)處理器強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可以很快得到結(jié)果。它是既有普通儀器功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的新型儀器。虛擬儀器是繼數(shù)字化儀器和智能化儀器之后的新一代儀器，是面向21世紀(jì)最具潛力的儀器，在縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間、提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本幾個方面都體現(xiàn)了無比的優(yōu)越性。 (3) 由于國內(nèi)硬件水平低，使得這些依靠硬件電路實(shí)現(xiàn)的儀器價格非常高