CN101038278A - 一种探伤装置及探伤方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探伤装置及探伤方法，包括以下步骤：a.选择探伤设备；b.选择探伤模式；c.获得探伤参数；d.进行探伤操作；e.处理所述探伤操作得到的数据。结合所述探伤方法本发明又提供了一种探伤装置，包括一台主控设备、采集设备、信号发生设备和包含有超声、涡流、声阻等多个探头的探伤设备。本发明将超声、涡流、声阻三个系统集成于一个系统中，取代了目前使用的三台仪器，具有高集成度和高智能化特点。采用本探伤装置，极大减轻了探伤人员的劳动强度，提高了检测的可靠性，为飞机安全提供了有力的技术保障。

Description

一种探伤装置及探伤方法

技术领域

本发明属于无损检测探伤技术领域，具体地说，是涉及一种集超声、涡流、声阻探伤于一体的智能探伤装置及探伤方法。

背景技术

由于飞机的许多零部件经常在交变载荷、甚至是高温高压条件下工作，其疲劳裂纹的故障率很高。在长期的工作过程中，一些结构件可能会产生裂纹；一些胶接结构可能会发生开胶现象。这些问题的存在，极大影响了飞机各相关结构的完整性，严重威胁着飞机的飞行安全。利用无损探伤手段及时、准确地检测和发现裂纹、腐蚀、开胶等故障，对于保证飞机的飞行安全，降低飞机维护修理费用，杜绝飞行事故都具有十分重要的意义。

现在广为使用的无损检测仪器一类是完全基于模拟电路的模拟式仪器；另一类是采用了单片机、工控板等作为控制中枢的数字式仪器。使用这些仪器进行检测，不仅要求工作人员熟练掌握仪器的操作方法，还要求他们有扎实的检测理论基础；没有丰富的探伤经验很难针对具体的检测对象设置合适的工作参数。而操作方法的掌握、检测理论的学习、探伤经验的获取都需要较长的周期。同时，无损探伤人员流动性很大，多数经过培训的探伤人员工作不久就转业或调动，技术力量不能长久保留。人员培训的周期长和人员的流动性大之间的矛盾已成为当前无损检测存在的主要问题之一。

超声、涡流探伤法是目前航空维修无损探伤的主要方法；声阻探伤法是目前检查胶接件的唯一方法。但目前的无损探伤仪全都是分体式，即每种探伤方法对应一种探伤仪，如涡流探伤仪、超声探伤仪、声阻探伤仪。而飞机、发动机结构件探伤需要多种方法检查，探伤人员检查飞机需要携带多个仪器到外场检查，机动性较差；原有仪器为模拟机和一般性智能仪，人机对话差；常规检测不方便；数据、结果难以保存。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能化探伤方法，用以解决现有技术中存在的分体式探伤仪机动性较差，以及探伤仪智能化程度低，对探伤人员的技术水平要求较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明所提出的探伤方法包括以下步骤：

a、选择探伤设备；

b、选择探伤模式；

c、获得探伤参数；

d、进行探伤操作；

e、处理所述探伤操作得到的数据。

其中，在所述步骤d与所述步骤e之间还包括步骤d1：判断是否需要调整探伤参数，若需要在本探伤模式下调整探伤参数，则转向步骤c；若需要在另一探伤模式下调整探伤参数，则转向步骤b；若不需要调整探伤参数，则转向步骤e。

进一步地，步骤a中对探伤设备的选择为通过电信号激活若干个探伤设备中的其中一个，该多个探伤设备至少包括：超声波探伤头、涡流探伤头和声阻探伤头。

可选地，步骤b中探伤模式包括：智能探伤模式、常规探伤模式。

其中，步骤b中在选择智能探伤模式时，所述步骤c中获得探伤参数为调用预设探伤参数；在选择常规探伤模式时，所述步骤c中探伤参数为用户直接输入的参数。

所述步骤e中对所述探伤操作得到的数据进行显示输出、保存或者打印处理。

本发明结合上述探伤方法又提供了一种探伤装置，包括用于发出探伤设备选择信号、选择探伤模式及获得探伤参数的主控设备；用于根据所述探伤设备选择信号并根据所述探伤参数对相应探伤设备进行激励并接收所述探伤设备的返回信号的信号发生设备；用于接收所述信号发生电路处理后输出的返回信号并对其进行模数转换后输出至所述主控设备的采集设备，以及将所述信号发生设备产生的激励信号施加给探头，对待检测物进行探伤操作，并接收探头返回的信号，发送至所述的信号发生设备的探伤设备。

其中，所述主控设备为通用计算机，所述采集设备与所述通用计算机之间采用PCI总线方式通信，所述信号发生设备与所述通用计算机之间采用ISA总线方式通信，所述探伤设备至少包括超声波探伤头、涡流探伤头和声阻探伤头。

可选地，所述信号发生设备包括超声波收发电路、涡流收发电路和声阻收发电路，所述超声波收发电路、涡流收发电路和声阻收发电路分别连接所述的采集设备。

所述超声波收发电路与所述采集设备采用双通道连接，其中一个通道为超声波信号传输通道，另一个通道为时钟同步通道。

本发明将超声、涡流、声阻三个系统集成于一个系统中，取代了目前使用的三台仪器，具有高集成度和高智能化特点。采用本探伤装置，极大减轻了探伤人员的劳动强度，提高了检测的可靠性，为飞机安全提供了有力的技术保障。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

图1为本发明中探伤装置的总体系统框图；

图2为图1中超声探伤子模块的原理框图；

图3为图2中同步电路的原理图；

图4为图2中发射电路的原理图；

图5为图2中接收电路的原理图；

图6为图1中涡流探伤子模块的原理框图；

图7为图6中电桥电路的原理图；

图8为图1中声阻探伤子模块的原理框图；

图9为本发明中探伤方法的流程框图；

图10为本发明中选择探伤设备的操作流程图；

图11为本发明中超声探伤流程框图；

图12为本发明中涡流探伤流程框图。

具体实施方式

本发明将超声、涡流、声阻三个探伤子系统集成于一个系统中，通过智能探伤操作实现探伤装置的一体化和智能化，其硬件组成主要包括：包含有多个探头的探伤设备、信号发生设备、采集设备和一台主控设备，如图1所示。

在所述探伤设备中至少包括：超声探头(即超声换能器)、涡流探头和声阻探头，其作用是接收信号发生电路发出的激励信号，并将此激励信号施加到待检测对象上，进而将待检测对象作用后返回的信号反馈至信号发生电路。

在所述信号发生设备中，其信号发生电路部分主要包括超声波收发电路、涡流收发电路和声阻收发电路，主要用来发生一定频率、幅值的激励信号，经过调理、放大，施加给探头，与待检测对象相互作用，并接收探头返回的信号，适当调理后传送至采集设备的模拟信号输入端。它的另外一个重要功能是在超声探伤部分，为波形显示提供一个同步触发，以保证超声波形在时基线上的稳定。此外，对检测信号所做的滤波、降噪、增益、衰减等调理工作也由信号发生电路完成。

在所述采集设备中包含有一信号采集卡，所述采集卡将信号发生电路传送来的模拟检测信号进行数字化处理后，通过PCI高速总线传输到系统的最后一个环节——主控设备。在这里需要指出，超声收发电路与采集卡之间有两个模拟量传输通道，其中一个用于传输超声波信号，而另一个通道为超声时钟同步通道，用于采集卡对超声信号的采集提供触发源。

所述主控设备可以采用通用的计算机或者工控机实现，它是整个系统的控制中枢，也是采集卡和本探伤装置软件部分的载体。它一方面对采集卡进行控制，另一方面要对检测信号进行实时和事后处理，并在需要的时候进行声光报警、存储打印探伤结果等操作。

在本发明中，信号发生电路部分的三个收发电路实际上被集成在一块板卡上，它和采集卡分别插在主控机的ISA插槽和PCI插槽中；其中，采集卡与主控机之间采用PCI总线方式通信，信号发生电路板卡与主控机之间采用ISA总线方式通信，而各个探头和装置主体之间通过同轴电缆相连接。

图2为超声探伤子模块的原理框图。本装置的超声探伤子模块相当于一台A型脉冲反射式超声波探伤仪，同传统的该类仪器相比，它省去了扫描电路和示波管显示电路。

在传统仪器中，同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路，扫描电路受触发产生锯齿波扫描电压，加至示波管水平偏转板，使电子束发生水平偏转，在荧光屏上产生一条水平扫描基线，即时基线。而本仪器中的超声探伤子仪器的时基线完全由软件控制，一改过去时间刻度比例不能灵活改变的问题。同时超声波形的显示也不再由示波管显示电路来完成，而是通过LabVIEW软件中的波形显示控件Wave Graph来完成，从而使操作者可以更加灵活的观测波形。

如图2所示，同步电路产生的触发脉冲一路连接至采集卡的超声同步通道，另一路去触发发射电路产生宽带窄脉冲，加至探头，激励压电晶片振动，在待检测对象中产生超声波。超声波在待检测对象中传播，遇到缺陷或底面将发生发射，返回探头时，又被压电晶片转变为电信号，经接收放大和检波，被传输到采集卡的超声信号通道，进而交由主控计算机进行处理、显示。

同步电路，即触发波电路，它产生一个尖脉冲触发超声探伤子模块中其它电路有条不紊地工作，是整个超声探伤子模块的总指挥。在传统模拟式超声波探伤仪中，多采用矩形波变换电路、正弦波变换电路或双基极二极管来完成同步电路的设计。本仪器中采用输入端具有施密特电路功能的单稳态触发器74LS221来实现，具有较强的抗干扰能力。本发明的同步电路原理图参见图3所示，初始信号经过两级施密特反相器74LS14进行两次反相处理后，再经过单稳态触发器74LS221触发后变为窄脉冲，此时的窄脉冲的前沿还不够陡直，且负载能力不够，所以还需要经过与门74F08及后面的电阻、电容和二极管所组成的小型微分加速电路，以利用F系列高速器件的特性改善脉冲的边沿，并提高负载能力。此时的输出脉冲已经符合后续电路的要求。

发射电路利用同步电路输出的同步信号和几百伏的直流高压，产生用于激励超声波探头的负脉冲信号，原理如图4所示。图中，电阻R1、R2和电容C1组成微分电路；二极管D1、D2和电阻R3用于将微分后的正脉冲部分去除；而电位器W1和电阻R4构成阻尼电路部分，用以调整脉冲的能量。

接收电路用以接收底波、缺陷波等超声回波通过换能器转变而来的电信号。在本装置的超声接收电路部分中，包含了放大电路和接收限幅电路。

激励电压的高低、被检工件的材料、缺陷的大小和深度、传感器的灵敏度等都直接影响缺陷回波信号的大小。通常情况下，回波信号非常微弱，因此在接收电路设计了一个放大电路。

超声检测中通常有两种检测方式：单探头方式和双探头方式。在用单探头方式检测时，发射传感器和接收传感器为同一个传感器，因此激励传感器的高压脉冲必然会耦合到接收通道。从而使接收到的回波信号中，不仅包括从被检物体内部反射回来的携带各种缺陷信息的回波信号，也包括从激励源直接耦合过来的大幅度窄脉冲信号。如果不对此信号进行限幅，可能会损坏接收通道的电路元件。所以，在接收电路的前端必须加入限幅电路以限制信号的幅度。

理想的限幅电路只限制幅度大的高压激励脉冲，而对幅度小的超声检测信号没有影响。在本装置中，采用了图5所示的超声波接收限幅电路。它采用了两个嵌位二极管D1和D2反向并联，利用二极管的特性，分别对正向和负向大脉冲进行限幅。由于本电路的射极跟随器N1、N2是双向的，去掉了一般的接收电路的检波功能，便于进行全波采集，进行优于半波分析的全波分析。

可见，同传统的超声探伤仪器相比，本仪器不仅在结构上简化了不少(采集卡为三台子仪器所共用)，而且在操作与波形观测上也更加灵活方便。

图6为涡流探伤子模块的原理框图；它的收发电路包括由振荡器、交流电桥、放大器组成的前端部分和由移相器、检波器、滤波器组成的后端部分。前端的振荡器产生交变信号供给电桥和探头线圈组成的一个桥臂，一般在电桥的对应位置上有一个比较线圈构成另一个桥臂。电桥平衡后，如果工件存在缺陷，电桥的不平衡将产生一个微小信号输出，经过放大器适当放大之后进入收发电路的后端调理部分。后端电路在对该信号进行移相、相敏检波和滤波等处理之后，最后进入采集卡的涡流信号输入通道，交由主控计算机进行处理、显示。

前端部分的振荡器用以产生正弦电流，激励被测工件中形成涡流。由于激励电流需要具有足够的功率才可以使工件中产生较为显著的涡流，因此在振荡器中正弦信号产生之后进行了一级放大。

本装置采用交流电桥来检测由于工件的缺陷而引起的微小阻抗变化。原理如图7所示。在完好区将电桥调平衡之后，一旦探头靠近缺陷处，将会输出一个不平衡信号，这也正是所需要的缺陷信号。但通常情况下，该信号很微弱，因此在它进入后端调理部分之前，设计了放大电路。上述信号进入后端部分后将由移相器、相敏检波器和滤波器完成对信号的进一步调理。

图8为声阻探伤子模块的原理框图，其收发电路包括振荡器及其放大器、声阻信号的测量放大器等。

振荡器是收发电路的起始环节，也是关键环节。振荡器的频率选择对于区分完好区和缺陷区的力阻抗十分关键。所以，在声阻探伤子模块中，根据航空维修的实际背景，分析并选择了最有利于检测复合材料和复合构件胶接质量的激励频率。振荡器谐振电路产生的原始信号通常较为微弱，所以在激励信号施加到换能器的压电晶片之前，进行了一级放大。

工件各处不同的力阻抗经过压电晶片产生的声阻信号一般较为微弱。而采集卡在量程选定之后，它的AD转换位数决定了有限的转换精度，通常很难对声阻信号实现顺利的采集。所以，在收发电路中，设计了测量放大器，它不仅放大了微弱的声阻信号，而且能够抑制共模干扰，降低了噪声。

在装置的研制中，为了实现其小型化和集成化，将超声检测电路、涡流检测电路和声阻检测电路设计在一块板卡上，并通过ISA扩展槽和主控计算机连接，检测电路中所用的电源均是通过±5V和±12V的微机电源转换得到。

本发明结合上述探伤装置，又提出了一种探伤方法，如图9所示，包括如下步骤：

a、选择探伤设备；

b、选择探伤模式，包括智能探伤模式和常规探伤模式；

c、获得探伤参数；若步骤b中选择智能探伤模式，则本步骤中获得探伤参数为调用预设探伤参数；若步骤b中选择的是常规探伤模式，则本步骤中探伤参数要求用户直接输入参数；

d、进行探伤操作；

e、判断是否需要调整探伤参数，若需要在本探伤模式下调整探伤参数，则转向步骤c；若需要在另一探伤模式下调整探伤参数，则转向步骤b；若不需要调整探伤参数，则转向步骤f；

f、处理所述探伤操作得到的数据。

其中，所述预设探伤参数为往次成功对与本次探伤对象同类型的探伤对象探伤后所保存的当次探伤参数。

所述步骤f中对所述探伤操作得到的数据进行显示输出、保存或者打印处理。

本装置采用虚拟仪器技术，开发虚拟仪器必须选用合适的软件开发平台，目前虚拟仪器软件开发平台有如下两类：

①基于文本式编程语言的开发工具：如VC++，C++Build，LabWindows/CVI及Delphi等。

②基于图形化编程语言的开发工具：如LabVIEW(NI公司)，HP VEE(HP公司)。

根据开发周期和本装置的具体要求，本发明选择LabVIEW作为本仪器软件部分的开发环境。

参考图10，图示了本发明选择探伤设备的一个处理流程。探头连接完毕，主控机供电启动等硬件准备就绪之后，运行系统程序，首先看到的是其友好的欢迎界面，在方法选择界面中探伤人员根据具体的探伤任务，选择相应模块，选择之后即进入相应模块。在每一模块运行之后，都需要在智能探伤与常规探伤两种模式中选择一种。对于已经制定探伤工艺的零部件，应选择智能探伤，因为对这些工件，已经存储了最为合适的探伤参数。而对那些尚未制定探伤工艺的零部件，则需要选择常规探伤模式。探伤结束后，如果所用探伤参数适合于该零件或优于所保存参数，则应该将其保存下来。完成探伤任务后即可退出程序。例如要进行声阻探伤，则只需要点击声阻探伤系统按钮，即可进入声阻探伤界面，进而通过观察指针的摆动，并结合探头在工件上的滑动，对复合材料的胶结质量进行检查。同样，超声探伤与涡流探伤也采用这样的步骤进入。

从图10所示的软件流程可以看出，在完成一次探伤任务之后，可以继续探伤，也可以选择退出系统，结束本次探伤任务。

参考图11，图示了本发明中超声探伤步骤的具体流程。超声探伤程序运行之后，要在智能探伤和常规探伤两种模式中进行选择。在本装置中，所谓的“智能”指主控机的相关路径中已经有一组工作参数适合于将要被检测的工件，探伤人员可以直接从该目录将其调出，而不需要根据工件和缺陷的具体情况重新设置工作参数。而常规模式只适用于那些探伤经验丰富、检测理论扎实的检测人员。对于未曾被检测过的工件类型，一般都要选择常规模式对其工作参数进行合理的设置。

工作参数设置或调用成功后，工件中包含底波、缺陷波等各种信息的检测信号都会反映在虚拟示波器上。探伤人员根据回波的波形并结合自己的探伤知识与经验，对缺陷是否存在、性质、大小、位置等做出判断。

在完成一次探伤后，可以选择退出超声探伤系统，也可以对其它工件继续进行检测。如果选择退出系统，程序将提示操作人员是否需要保存探伤参数和探伤结果。如果这组工作参数非常适合于该类工件的检测或者需要对探伤结果进行进一步的事后分析，则可以将工作参数或检测结果保存在指定目录中。

参考图12为本发明涡流探伤流程，与超声探伤类似，启动涡流探伤后，也必须在智能与常规两种模式中选择其一。通过对主面板上XY-chart控件中检测图像的观察，判断缺陷的存在情况。完成一次探伤任务后，可以将工作参数保存后退出系统，也可以继续进行其他工件的检测。

同超声探伤不同，涡流探伤不是通过对波形的观测去判断工件内部情况，而是根据实时检测值的大小判断有无缺陷。这种检测方式便于在程序中实现声光报警。

声阻探伤程序的流程与超声和涡流探伤模块基本相似，连接好探头并启动程序后，探伤人员首先进行探伤模式的选择，工作参数设置完之后便可以通过观察虚拟仪表指针的摆动，对工件的胶结质量进行判断。如果指针摆动在完好区则说明胶结质量完好；反之，若指针指示于缺陷区则说明可能存在开胶等缺陷。

本发明的智能探伤软件是针对技术水平相对不高的操作人员，应用仪器所提供的智能操作功能达到轻易驾驭仪器的目的。为此，除了硬件上要有效提取有用检测信号外，智能操作软件是重要的部分。智能操作软件为操作人员提供了全中文的人机对话环境，将操作人员使用仪器的步骤减少到最低程度，每个操作步骤均有提示，图形存贮过程中仪器自动设置，不需操作者输入任何参数，真正做到了智能化。

智能操作软件的操作界面为全中文人机对话模式，操作人员用鼠标点击相应菜单就可以选择探伤方法、探伤机型和探测的零件。操作人员连接相应的探头即可进行探伤，且每一操作步骤均有中文提示和工艺帮助服务。

除智能操作外，仪器提供了具有先进水平的常规探伤应用软件，最大限度地发挥仪器硬件所能提供的优良检测性能，为探伤人员检测智能探伤工艺中没有涉及的工件和摸索探伤方法时使用，尤其为高级检测人员服务。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种探伤方法，包括以下步骤：

a、选择探伤设备；

b、选择探伤模式；

c、获得探伤参数；

d、进行探伤操作；

e、处理所述探伤操作得到的数据。

2、如权利要求1所述的探伤方法，其特征在于，所述步骤d与所述步骤e之间还包括步骤d1：判断是否需要调整探伤参数，若需要在本探伤模式下调整探伤参数，则转向步骤c；若需要在另一探伤模式下调整探伤参数，则转向步骤b；若不需要调整探伤参数，则转向步骤e。

3、如权利要求1或2所述的探伤方法，其特征在于，所述步骤a中对探伤设备的选择为通过电信号激活若干个探伤设备中的其中一个，该多个探伤设备至少包括：超声波探头、涡流探头和声阻探头。

4、如权利要求3所述的探伤方法，其特征在于，所述步骤b中探伤模式包括：智能探伤模式、常规探伤模式。

5、如权利要求4所述的探伤方法，其特征在于，当所述步骤b中选择智能探伤模式时，所述步骤c中获得探伤参数为调用预设探伤参数。

6、如权利要求4所述的探伤方法，其特征在于，当所述步骤b中选择常规探伤模式时，所述步骤c中探伤参数为用户直接输入的参数。

7、如权利要求1或2所述的探伤方法，其特征在于，所述步骤e中对所述探伤操作得到的数据进行显示输出、保存或者打印处理。

8、一种探伤装置，其特征在于，包括：

主控设备，发出探伤设备选择信号、选择探伤模式及获得探伤参数；

信号发生设备，根据所述主控设备发出的探伤设备选择信号和探伤参数对相应探伤设备进行激励并接收所述探伤设备的返回信号；

采集设备，接收所述信号发生设备输出的返回信号并对其进行模数转换后输出至所述的主控设备；

探伤设备，将所述信号发生设备产生的激励信号施加给探头，对待检测物进行探伤操作，并接收探头返回的信号，发送至所述的信号发生设备。

9、如权利要求8所述的探伤装置，其特征在于，所述主控设备为通用计算机，所述采集设备与所述通用计算机之间采用PCI总线方式通信，所述信号发生设备与所述通用计算机之间采用ISA总线方式通信，所述探伤设备至少包括超声波探伤头、涡流探伤头和声阻探伤头。

10、如权利要求9所述的探伤装置，其特征在于，所述信号发生设备包括超声波收发电路、涡流收发电路和声阻收发电路，分别连接所述的采集设备。

Images