CN102854251A - 利用虚拟仪器技术的超声波成像系统和成像方法 - Google Patents

Abstract

一种利用虚拟仪器技术的超声波成像系统，包括：图像显示单元、上位机系统、伺服控制箱、机械运动平台、前端数据采集装置、后端数据处理系统、工件定位调整装置。利用气泡水平仪和水平调整支架调整工件的水平，调节探头夹具来调整探头的角度，使探头发出的声波传播方向与工件垂直，再将探头移至工件平面上的另外两点按前述方式微调，完成工件位置调整；将虚拟仪器技术引入，实现了一套高精度的超声波扫描成像系统。通过软硬件结合的方法实现了自动化扫描，数据处理与成像的功能。将最原始的信息呈现出来供专业人员参考，并能精确定位图像上呈现出来的细节特征与空间坐标。整套系统搭建方便，对非吸声材料均可检测，而且尺寸大小不限制。

Description

利用虚拟仪器技术的超声波成像系统和成像方法

技术领域

本发明属于无损检测领域，具体涉及一种利用虚拟仪器技术的超声波成像系统和方法。

背景技术

无损检测技术向着自动化、图像化、数字化的方向发展，现代无损检测设备也呈现多功能化、智能化、小型化的发展趋势。将检测目标转变成图形和声音信号，或者人们能够理解的数据和报告等，是无损检测技术的热点问题。将信息技术和交叉领域的技术同超声技术结合以解决这一问题，才能满足复杂形貌和复合材料构件的质量检测需求。

超声技术作为一项常规NDT（Nondestructive Testing）技术，具有传播能量大、方向性好的优点，超声波在工件中传播时，遇到界面如缺陷时会产生界面反射或者引起声速和能量衰减的变化。这一特性可用于缺陷检测、几何特征测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对工件的特性进行评价。

复杂形貌和复合材料构件的超声扫描及成像技术是现代无损检测的热点问题。超声C扫描技术引入工业探伤领域由来已久，该技术是将超声检测与微机控制和微机进行数据采集、存贮、处理、图像显示集合在一起的技术。同时，利用其得到的图像信息对工件表面及内部层次的缺陷进行分析取得了很好效果。

虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。NI LabVIEW作为图形化开发工具，自1986年问世以来，已被世界各国的工程师和科学家们用于产品设计周期的各个环节，改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。

为解决材料表面质量及层状结构工件的无损检测问题，同时实现检测过程的自动化和图像化，需研制一套可做C扫描运动和信号采集的系统。将虚拟仪器技术引入，可提高效率，节约成本。

发明内容

本发明目的在于解决目前所存在的问题，实现检测过程的自动化、图像化、数字化，并研制一套适应性高的超声波成像系统。

本发明是采用以下技术手段实现的：

本发明的超声波成像系统包括七部分：图像显示单元（显示器），用于实时显示波形和人机交互界面各输入和输出参数显示；上位机系统，用于控制各硬件动作并和底层硬件通信；伺服控制箱，用于控制步进电机动作并和上位机通信；机械运动平台，用于支撑整个运动机械机构并反馈运动及位置信息给伺服控制箱；前端数据采集装置，用于产生和接收超声波并对波形数字化采样；后端数据处理系统，用于处理采集到的数字信息及结果输出；工件定位调整装置，用于定位及调整工件，包括调整工件的水平和工件放置位置。

所述图像显示单元，包括与上位机系统连接的显示器，利用LabVIEW 2009平台开发的人机交互界面和各仪器的显示面板。操作者可在人机交互界面，根据需要输入运动控制参数、数据采集参数以及数据处理参数，对任意层面的回波信息进行超声检测，并输出检测结果。为方便操作者使用，系统有良好的图形化人机交互界面。

所述上位机系统，包括承载上位机硬件的八槽机箱，数据采集卡（完成A/D和D/A转换），运动控制卡，核心的嵌入式控制器和上位机系统软件。数据采集卡和运动控制卡通过PXI总线和嵌入式控制器通信。其他装置通过数据线和八槽机箱上的对应接口连接，以实现数据传递，同时实现各硬件协调工作与自动化控制。

所述伺服控制箱，一方面对步进电机发送脉冲指令，然后步进电机上的光电编码器将脉冲指令转换成步距角，实现电机的转动；另一方面接收光栅尺和光电编码器的反馈信息，实现开环、闭环、半闭环三种控制方式。

所述机械运动平台，由脉冲控制伺服放大器、交流伺服电机、精密丝杠、16位编码器、光栅尺、连动支架、探头连接杆和特制夹具组成。系统需要实现机械运动机构运动位移的自动检测与控制、探头高频超声回波信号的采集、分析与处理、信号的存储、波形显示和结果显示等功能。上位机系统根据运动控制算法程序得到控制输出信号，经运动控制卡传送给电机驱动器，经驱动器放大，输出给电机，电机带动运动平台移动。运动位移经光栅尺检测输出位移检测信号，经运动控制卡输入到上位机中，便于运动控制算法程序处理给出新的运动控制信号，从而调整运动平台位置，实现探头的精确定位。

所述前端数据采集装置，应用了虚拟仪器技术，由三部分组成：第一部分是脉冲发射/接收仪和信号数据线；第二部分是数据采集卡，先进行A/D转换，将脉冲的模拟电信号转换成数字信号，传到上位机进行处理，同时将上位机系统的信号经D/A转换，用于控制数据采集过程；第三部分是点聚焦探头和数据传输线。

所述后端数据处理系统包含三部分，数据载入与定义位置坐标，生成峰值矩阵与降噪，和成像输出。采用数学软件MATLAB，进行算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算。将采集到的波形离散信息通过MATLAB中相关函数进行数值处理，再用图像处理的方法给图像降噪及光滑，最终得到幅值成像图。

数据载入与定义位置坐标是将前面上位机将运动和数据采集的信息存储下来后，将数据文件夹中的电子表格全部导入。需要完成的工作是，读取文件，用定义的序列把表格中的信息读出，再赋予其对应的空间位置坐标。

生成峰值矩阵与降噪，是在扫描结束后，按照幅值成像原理，利用MATLAB编程对其做必要的变换和处理，将处理方法转变为程序语句，实现成像方法程序化。设生成的数字图像有m行和n列，用矩阵表示为公式（1）。

$\mathrm{Image}(m*n)=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{data}\left(\mathrm{0,0}\right)& \mathrm{data}\left(\mathrm{0,1}\right)& ...& \mathrm{data}(0,n)\\ \mathrm{data}\left(\mathrm{1,0}\right)& \mathrm{data}\left(\mathrm{1,1}\right)& ...& \mathrm{data}(1,n)\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ \mathrm{data}(m,0)& \mathrm{data}(m,1)& ...& \mathrm{data}(m,n)\end{array}\right]---\left(1\right)$

原始数据处理后按二维空间分布排列后，生成峰值矩阵，此时矩阵中的每个值可作为像素信息利用MATLAB的图像处理功能将其图形化。生成的矩阵直接用作图像输出会有很多噪声，因此需对其进行降噪处理。降噪处理的方式为设定阈值，各矩阵值与阈值比较再做处理实现降噪。所选阈值根据需要选择为固定值或遵循某一规律的浮动值。

成像与输出，是将各波形值生成二维灰度矩阵，对矩阵的行和列分别进行插值，将插值后的矩阵进行成像。与此同时，利用插值的方法将图像光滑处理，即可得出结果。图像输出形式即可为二维，也可为三维，只要在Z方向上赋予其高度信息，即可得到三维逼真的图像。

所述工件定位调整装置，包括工件和配合工件调整定做的一套水平调整装置。工件材料为金属材料和密度较高的非金属材料，可以是铜，铁、铝、镍和石英。工件为规则形状（长方体或柱体）或外表面轮廓复杂的柱体。在工件上表面可有图案，雕花，孔、槽及镂空等特征。工件也可以是上表面为平面，内部有缺陷的形式。以上只为实验时最佳选择并非限定选择。

一种利用虚拟仪器技术的超声波成像方法，利用气泡水平仪和水平调整支架调整工件的水平。然后，调节探头夹具来调整探头的角度，使探头发出的声波传播方向与工件垂直。再将探头移至工件平面上的另外两点按前述方式微调，完成垂直度调整。

具体包括以下步骤：

步骤1：进行系统连接，设置超声脉冲激励/接收仪，实现聚焦探头超声信号的发射与接收；

步骤2：进行工件水平调整与聚焦调整，将气泡水平仪放置于工件的上表面，调整探头位置，使声束的传播方向与工件表面垂直的时候，波形幅值最大；首先调整工件的水平，调节水平调整架上的旋钮，当气泡处于中心位置的时候，工件系统水平调整完毕；然后调整探头垂直度，先在竖直方向上调整探头的高度，使探头聚焦于工件上表面，当回波波形幅值最大的时候，再调节探头夹具上的旋钮，当波形幅值达到最大时，垂直度初始调整完毕；再将探头移至工件平面上的另外两点按前述方式微调，完成垂直度调整。最后，将探头在竖直方向移动至聚焦平面上，开始扫描；

步骤3：设置运动与采集数据的参数；在人机交互界面上，输入运动参数，采集卡设置参数；采集卡需设置仪器设备号，触发方式采样长度，采样频率，保证采集到的波形信息显示完整；

设置观察窗口的信息，包括起始时间、持续时间，将设置好的存储波形文件的路径输入到用户交互界面存储路径处，点击是否存储文件，然后完成存储设置；检查所有设置及电源开关状态，一切就绪后点击自动运行的开始键，开始自动扫描。

步骤4：进行扫描式测量；定义一个空间坐标系，垂直于X、Y方向的是Z轴；由于采集的点在XY平面是网格分布的，将上述回波取出其峰值；列出幅值矩阵，将其按在试件上对应的实际位置绘出其分布图；

步骤5：进行采样数据还原；自动扫描完毕，将数据提取，每个坐标点采集到的波形作为一个文件，并存成便于处理的.csv格式；对数据进行处理，每个文件将其还原成对应坐标位置的A扫图；

按照传感器的扫描路径，将采集到的回波数据表用MATLAB还原成波形；将每个位置对应的回波生成的表格中的点取出，按测量时的采样率还原的波形；并且通过分析粘结层的反射回波的性质，来分析粘结层的性能和质量状况；

步骤6：进行生成幅值矩阵与降噪；按坐标排列采集数据，提取幅值信息，做出幅值矩阵，对矩阵的偶数行进行翻转，得到原始的图像灰度矩阵，结合坐标信息，输出矩阵信息；

对图像中突起的杂讯，将其与周围点进行比较并设定阈值；若比较后差值超出阈值，则将其取为周围的平均值，得到降噪后的图像；

步骤7：对矩阵做后期处理；对最终矩阵输出图像进行插值光滑，得到最终的图像；

步骤8：将经数值处理后的数据成像；将上一步成像矩阵利用MATLAB进行处理，得到图像像素信息，将得到的灰度值矩阵完整输出，将图像显示在显示器；赋予空间平面及高度信息并光滑处理图像，输出最后的图像结果；

步骤9：分析结果，完成测量；将系统复位并关闭电源；取幅值大小为Z轴，得到三维的幅值分布图。

前述的运动参数包括速度，加速度，减速度，控制运动的启停和速度。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明一种利用虚拟仪器技术的超声波成像系统和成像方法，是基于高频声学显微镜原理设计研制的。可对金属、玻璃及层状结构和表面形貌复杂的工件进行A扫描及C扫描并完成数据采集和成像。同时，对超声探头的夹持和工件定位调整方法做了特殊设计，保证了工件放置的水平及探头在运行过程中与试件表面的垂直度。实现检测过程的自动化、图像化、数字化，为解决材料表面质量及层状结构工件的无损检测问题，同时实现检测过程的自动化和图像化，提高了效率，节约了成本。

附图说明

图1为系统结构示意图；

图2为人机交互界面示意图；

图3为扫描路径示意图；

图4为运动与数据采集逻辑框图；

图5为超声回波波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明的内容做进一步的详细说明。

如图1所示，整个超声波成像系统有以下部分组成：液晶显示器1、带PXI插槽机箱2、嵌入式控制器3、运动控制卡4、数据采集卡5、机械运动平台6、超声脉冲激励/接收仪7、聚焦PZT超声探头8、探头连接杆9、探头精密校准装置10、步进电机11、精密丝杠及导轨12、光栅尺位移传感器13、伺服控制箱14、后端数据处理系统15、工件16、工件定位调整装置17、水槽和耦合剂（通常为水）18、信号数据线19。

液晶显示器1用于实时显示波形和人机交互界面，用户在用户界面输入各参数和观察输出参数。带PXI插槽机箱2、嵌入式控制器3、运动控制卡4、数据采集卡5构成上位机系统，用于控制各硬件动作并和底层硬件通信。探头连接杆9、探头精密校准装置10、步进电机11、精密丝杠及导轨12、光栅尺位移传感器13和通过一些机械搭接部件安装或连接在机械运动平台6上，用于实现机构传动与运动执行，同时支撑整个运动机械机构并反馈运动及位置信息给伺服控制箱14。伺服控制箱14，用于控制步进电机动作并和上位机通信。超声脉冲激励/接收仪7、聚焦PZT超声探头8和信号数据线19构成前端数据采集装置，用于产生和接收超声波并对波形数字化采样输入波形信号。工件16、工件定位调整装置17、水槽和耦合剂（通常为水）18构成工件定位调整装置，用于定位及调整工件，包括调整工件的水平和工件放置位置。后端数据处理系统15，用于处理采集到的数字信息及结果输出。

根据本发明的第一方面内容中第一部分，图像显示单元包括液晶显示器和各仪器显示屏。图像显示单元用于实时显示波形和人机交互界面各输入和输出参数。人机交互界面如图2所示，包括波形全景区，回波显示区，手动控制区和自动控制区以及存储路径和运动状态栏。人机交互界面用于用户设置及获取运动、采集参数，实现对运动、采集过程的控制。

根据本发明的第一方面内容中第二部分，上位机系统是由运动控制模块、数据实时采集模块、实时信号显示模块、数据存储模块和数据分析模块五个功能模块组成。上位机系统用于控制各硬件动作并和底层硬件通信。实现检测过程中运动系统的自动控制、数据的实时采集、波形实时显示、数据自动存储以及扫描结束后自动处理等功能。全面具体功能如下：

（1）对试件进行自动扫描；

（2）自动采集信号，并将结果实时显示；

（3）采集过程中能自动将回波信号分别存储到硬盘上用户指定的目录；

（4）完善的错误捕捉功能，能对用户的各种错误操作迅速做出响应，保证系统使用的稳定性；

（5）可进行历史数据查询，用户可以在指定存储目录下查询采集信息。

结合图1和图2，上位机控制系统具有手动模式与自动模式两种运动控制模式。探头通过一套水平调整方法，保证探头和被测试件的垂直定位精度。进入人机交互界面，设置好运动参数，采用手动方式调整探头上下位置，使之处于目标聚焦面上，以便之后采集聚焦面上的信息。再进行平面上调整探头位置，先调整探头与工件表面的垂直位置，使之垂直于工件上表面进行扫描。最后将探头移至扫描初始点位置，用鼠标点击自动扫描开始键，开始自动扫描与数据采集。

根据本发明的第一方面内容中第二部分，上位机控制系统具体包括嵌入式PC，运动和采集接口及数据线组成。嵌入式PC由PXI 8133控制器、PXI 7340运动控制卡、PXI 5114数字化仪和八槽机箱PXIe-1062Q组成。运动控制是通过对运动参数（速度，加速度，负加速度，X、Y轴步长和扫描距离等）进行控制来实现，并将运动状态如运动的位置、运动正反向等实时显示。采集控制是通过与数据采集卡通信，设置板卡运行参数，使板卡正常工作并获取采集上来的波形来完成。存储控制是将观察波形存储成数字信息，存入用户预先设定好的文件夹中，并自动命名。存储的文件夹名包含日期，脉冲发射/接收仪设置，试件尺寸、材料等信息。存储的波形数据表格命名已在程序的循环中自动写入，从1开始往上累加直到程序运行结束。

结合图3和图4，为实现各硬件协调工作与自动化控制数据采集和运动的逻辑关系如下：自动运行过程，确定X、Y方向的循环数，X方向的循环为，采集初始点，之后X移动一步并判断运动是否完毕，完毕则数据采集。同时，判断X方向循环是否完毕，完毕则Y方向运动，然后判断Y方向循环是否完毕，未完继续上述X方向循环，直至X和Y方向循环完毕。

根据本发明的第一方面内容中第三部分，伺服控制箱用来控制步进电机动作并和上位机通信。PXI 7340运动控制卡以位置指令输出的形式发出控制信号，通过UMI764运动连线接口板连接至伺服电机驱动器。伺服电机在位置模式下接收到控制信号后，控制机械运动平台按照预定方式运动，从而带动探头对试件进行扫描。

根据本发明的第一方面内容中第四部分，机械运动平台由富士脉冲控制伺服放大器和步进电机、丝杠及导轨、16位编码器、光栅尺位移传感器组成。X、Y轴均采用导程为5mm/rev的精密滚珠丝杠，进给步距为1μm/step，通过16位编码器反馈实现X、Y轴位移的半闭环PID控制；Z轴采用导程为2mm/rev的梯形精密丝杠，进给步距为0.1μm/step；R轴直接通过步进电机和16位编码器，使探头以0.01°/step绕Z轴旋转。

根据本发明的第一方面内容中第五部分，前端数据采集装置，用于产生和接收超声波并对波形数字化采样。设置好采样参数和观察窗口，按预先设置的窗口及设定的采样率对回波信号进行采样，获得波形的离散化数字信息。在用户指定路径新建文件夹，按时间、信号采集信息、工件材料和尺寸信息命名，将文件夹路径再输入人机交互界面，系统自动运行时，将按采集顺序将各点波形数字信息存成表格。待程序运行结束，完成数据的采集和存储。每到一个扫描位置，超声脉冲发射/接收仪Panametrics MODEL 5800PR，将高压激励脉冲以重复频率不断加载到点聚焦探头上，完成超声波的发射，并接收探头产生的回波信号，同时PXI5114数字化仪采集回波信号，送入计算机进行后期处理。上位机与数据采集卡通信，完成对硬件的控制和数据的实时显示及存储。

根据本发明的第一方面内容中第六部分，后端数据处理系统，用于处理采集到的数字信息及结果输出将回波选定区域的采样点自动存成表格。做好表格后，将数据调入到MATLAB中处理。后端数据处理系统包含三部分，数据载入与定义位置坐标，生成峰值矩阵与降噪，和成像输出。数据载入与定义位置坐标是将前面上位机将运动和数据采集的信息存储下来后，将数据文件夹中的电子表格全部导入。需要完成的工作是，读取文件，用定义的序列把表格中的信息读出，再赋予其对应的空间位置坐标，即做出各点的A扫图。

请参阅图5所示，说明生成峰值矩阵与降噪，将采集到的回波数据表在MATLAB还原成波形，按照传感器的扫描路径，通过MATLAB实现成像。激励脉冲之后第一个出现的大波形是声波入射到工件表面的直接反射回波，后面紧跟的小波包是透射波传播到粘结层交界处产生的反射波。通过两个波包的时间关系可推断出这个小波包是属于哪个层面上的波形。并且可通过分析它的性质，来分析粘结层的性能和质量状况。每点波形提取后取出波形的最大或最小值，根据需要，若波形在零线的上方只有一个峰值则取最大值，反之，在下方只有一个峰值则取最小值。将各坐标位置的峰值取出生成矩阵，矩阵中的每个元素称作像素，而公式（1）中data(x,y)代表每一扫描点(x,y)的背散射回波幅值，即灰度值。把得到的值按实际扫描路径赋予坐标信息，由于扫描轨迹是“之”字形（如图3所示），故先按行排列完毕，使整个峰值矩阵行列与扫描时采点的行列对应，再把偶数行进行反转。完成这些工作后，峰值矩阵就与坐标位置一一对应，将峰值矩阵保存进定义好的空矩阵中。需要说明的是，扫描时扫描长度除以扫描步长的商加1即为每行得到的采样信息点数，例如扫描长度为30mm扫描步长为0.15mm，则运动需200步，但采集需201点，及换至每行的初始点需采集一次数据。采集得到的信号带有噪声，采用设定阈值消除系统误差的影响，并对信号取平均，消除随机误差以降低噪声。

成像与输出是将各波形值生成二维灰度矩阵，对矩阵的行和列分别进行插值，将插值后的矩阵进行成像。在Z方向上赋予其高度信息，需要考虑两种介质的波速，即利用时间即可得到三维逼真的图像。

根据本发明的第一方面内容中第七部分，工件定位调整装置（图1中的左下方所示），用于定位及调整工件，包括调整工件的水平和工件放置位置。系统使用时，操作人员只需将被测试件浸入水槽中、放到超声探头下方，然后调节探头位置至工件正上方，根据检测的波形来调节校准装置，使探头与工件表面垂直。工件材料为金属材料和密度较高的非金属材料，可以是铜，铁、铝、镍和石英。工件为规则形状（长方体或柱体）或外表面轮廓复杂的柱体。在工件上表面可有图案，雕花，孔、槽及镂空等特征。工件也可以是上表面为平面，内部有缺陷的形式。以上工件类型只为实验时最佳选择并非限定选择。

本发明的第二方面为工件调整水平的方法。先将工件放置于水槽中（水槽先不装水），放置一个气泡水平仪，调整水槽下方水平调整支架，控制气泡位移，使气泡位置居中即完成工件水平调整。再调整探头的垂直度，在水槽中加入水，连接好仪器设备，使显示器界面上出现实时波形。然后，旋转探头夹具上的旋钮调整探头的角度，观察波形变化，当波形处于最大值时，垂直度调整完毕。再平行移动探头到工件上方的其他两个点，按上述过程，调整垂直度，完成工件与探头的位置调整。

结合实例1说明本发明的第三方面超声波成像系统的操作方法，具体包括以下步骤：

步骤1）：连接好系统，插上电源

将系统信号传输、电源线连接好使系统正常工作。设置好Panametrics MODEL 5800PR超声脉冲激励/接收仪，实现聚焦探头超声信号的发射与接收。

步骤2）：工件水平调整与聚焦

将气泡水平仪放置于工件的上表面，调整探头位置，使声束的传播方向与工件表面垂直的时候，波形幅值最大。首先调整工件的水平，调节水平调整架上的旋钮，当气泡处于中心位置的时候，工件系统水平调整完毕；然后调整探头垂直度，先在竖直（Z）方向上调整探头的高度，使探头聚焦于工件上表面，当回波波形幅值最大的时候，再调节探头夹具上的旋钮，当波形幅值达到最大时，垂直度初始调整完毕。再将探头移至工件平面上的另外两点按前述方式微调，完成垂直度调整。最后，将探头在Z（竖直）方向移动至聚焦平面上，开始扫描。

步骤3）：设置好运动与采集数据的参数

在人机交互界面上，输入运动参数，采集卡设置参数。运动参数包括速度，加速度，减速度，控制运动的启停和速度。采集卡需设置仪器设备号，触发方式采样长度，采样频率，保证采集到的波形信息显示完整。

设置观察窗口的信息，包括起始时间、持续时间。将设置好的存储波形文件的路径输入到用户交互界面存储路径处，点击是否存储文件，然后完成存储设置。检查所有设置及电源开关状态，一切就绪后点击自动运行的开始键，开始自动扫描。

步骤4）：扫描式测量

请参阅图3所示，定义一个空间坐标系，垂直于X、Y方向的是Z轴。由于采集的点在XY平面是网格分布的，将上述回波取出其最大值，即图5右边圈出的峰值。列出幅值矩阵，将其按在试件上对应的实际位置绘出其分布图。当粘结层有脱粘、气泡等缺陷时，反射率会增大，反射回波的能量会增强，回波的幅值会明显和其他地方区分开来。

设置X方向160个步长，一步0.5mm。Y方向160个步长，一步0.5mm，每走一步发射脉冲，将回波选定区域的采样点自动存成表格。做好表格后，将数据调入到MATLAB中处理。

步骤5）：采样数据还原

自动扫描完毕，将数据提取，每个坐标点采集到的波形作为一个文件，并存成便于处理的.csv格式。对数据进行处理，每个文件将其还原成对应坐标位置的A扫图。

按照传感器的扫描路径，将采集到的回波数据表用MATLAB还原成波形。图5左边是将每个位置对应的回波生成的表格中的点取出，按测量时的采样率还原的波形。当然，我们关注的是粘结层的反射回波，即圈出的小波形。把这波形所在的区域截取出来，可看到放大的具体波形。

请参阅图5右边所示。第一个出现的大波形是声波入射到工件表面的直接反射回波，后面紧跟的小波包是透射波传播到粘结层交界处产生的反射波。通过在示波器上显示的时间关系可推断出这个小波包就是要找到波形，因为它与传播距离和波速的商吻合。并且通过分析它的性质，来分析粘结层的性能和质量状况。

步骤6）：生成幅值矩阵与降噪

按坐标排列采集数据，提取幅值信息，做出幅值矩阵，对矩阵的偶数行进行翻转，得到原始的图像灰度矩阵，结合坐标信息，输出矩阵信息。

得到的幅值矩阵直接用于成像是带有很多噪声的，降噪是一项很重要的内容。对图像中突起的杂讯，将其与周围点进行比较并设定阈值。若比较后差值超出阈值，则将其取为周围的平均值，即得到降噪后的图像。阈值越小，噪声越小，但随之而来的问题是图像边缘会模糊。故需权衡比较，得到合适的图像。

步骤7）：对矩阵做后期处理

对得到的最终矩阵输出图像，由于一个值代表了一个像素方块的灰度，对其进行插值光滑，得到最终的图像。因此，对矩阵做后期的变换处理。

步骤8）：将经数值处理后的数据成像

将上一步成像矩阵利用MATLAB进行处理，得到图像像素信息，将得到的灰度值矩阵完整输出，利用显示器显示图像。赋予空间平面及高度信息并光滑处理图像，输出最后的图像结果。

步骤9）：分析结果，完成测量。

将系统复位并关闭电源。取幅值大小为Z轴，则得到三维的幅值分布图。

本发明实施实例中，采用中心频率为22.66MHz、焦距为19.05mm的点聚焦探头，对表面有孔、槽缺陷的工件进行检测。实验结果表明，采用本发明的成像系统可以实现金属材料表面缺陷的检测与成像。本发明实现了一套高精度的超声波扫描成像系统，横向和纵向精度达1μm，竖直方向精度达0.5μm。利用虚拟仪器技术，省去了示波器、电气控制设备和成像及显像设备，达到了简化仪器、节约空间、降低成本和能耗的目的。通过软硬件结合的方法实现了自动化扫描，数据处理与成像的功能。与其他成像设备相比，操作简单，用户交互界面简洁直观，将最原始的信息呈现出来供专业人员参考，并能精确定位图像上呈现出来的细节特征与空间坐标。整套系统搭建方便，对非吸声材料均可检测，而且尺寸大小不限制。因此，本发明应用前景广阔、实用性强。

Claims (3)

1.一种利用虚拟仪器技术的超声波成像系统，包括：图像显示单元、上位机系统、伺服控制箱、机械运动平台、前端数据采集装置、后端数据处理系统、工件定位调整装置；其特征在于：

所述图像显示单元，包括与上位机系统连接的显示器，人机交互界面和各仪器的显示面板；操作者根据需要输入运动控制参数、数据采集参数以及数据处理参数，在人机交互界面对任意层面的回波信息进行超声检测，并输出检测结果；

所述上位机系统，包括承载上位机硬件的机箱，数据采集卡，运动控制卡，核心的嵌入式控制器和上位机系统软件；数据采集卡和运动控制卡通过PXI总线和嵌入式控制器通信；以及通过数据线和八槽机箱上的对应接口连接，实现数据传递；

所述伺服控制箱，一方面对步进电机发送脉冲指令，然后步进电机上的光电编码器将脉冲指令转换成步距角，实现电机的转动；另一方面接收光栅尺和光电编码器的反馈信息，实现开环、闭环、半闭环的控制；

所述机械运动平台，由脉冲控制伺服放大器、交流伺服电机、精密丝杠、编码器、光栅尺、连动支架、探头连接杆和特制夹具组成；系统需要实现机械运动机构运动位移的自动检测与控制、探头高频超声回波信号的采集、分析与处理；信号的存储、波形和波形结果的显示；上位机系统根据运动控制算法程序得到控制输出信号，通过运动控制卡传送给电机驱动器，经驱动器放大，输出给电机，电机带动运动平台移动；运动位移经光栅尺检测输出位移检测信号，经运动控制卡输入到上位机中，根据新的运动控制信号，调整运动平台位置，实现探头的精确定位；

所述前端数据采集装置，第一部分是脉冲发射/接收仪和信号数据线；第二部分是数据采集卡，先进行A/D转换，将脉冲的模拟电信号转换成数字信号，传到上位机进行处理，同时将上位机系统的信号经D/A转换，用于控制数据采集过程；第三部分是点聚焦探头和数据传输线；

所述后端数据处理系统的数据载入与定义位置坐标，生成峰值矩阵与降噪，和成像输出；采用数学软件MATLAB，进行算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算；将采集到的波形离散信息通过MATLAB中相关函数进行数值处理，再用图像处理的方法给图像降噪及光滑，最终得到幅值成像图；

数据载入与定义位置坐标是将前面上位机将运动和数据采集的信息存储下来后，将数据文件夹中的电子表格全部导入；需要完成读取文件，用定义的序列把表格中的信息读出，再赋予其对应的空间位置坐标；

在扫描结束后生成峰值矩阵与降噪，按照幅值成像原理，利用MATLAB编程对其做变换和处理；

原始数据处理后按二维空间分布排列后，对生成的峰值矩阵进行降噪处理；降噪处理的方式为设定阈值，各矩阵值与阈值比较再做处理实现降噪；所选阈值根据需要选择为固定值或遵循某一规律的浮动值；

成像与输出，是将各波形值生成二维灰度矩阵，对矩阵的行和列分别进行插值，将插值后的矩阵进行成像；利用插值的方法将图像光滑处理得出结果；图像输出形式为二维或三维；

所述工件定位调整装置，包括工件和配合工件调整定做的一套水平调整装置；工件材料为金属材料或密度较高的非金属材料；工件为规则形状或外表面轮廓不规则的柱体。

2.一种利用虚拟仪器技术的超声波成像方法，利用气泡水平仪和水平调整支架调整工件的水平，调节探头夹具来调整探头的角度，使探头发出的声波传播方向与工件垂直，再将探头移至工件平面上的另外两点按前述方式微调，完成工件位置调整；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：进行系统连接，设置超声脉冲激励/接收仪，实现聚焦探头超声信号的发射与接收；

步骤2：进行工件水平调整与聚焦调整，将气泡水平仪放置于工件的上表面，调整探头位置，使声束的传播方向与工件表面垂直的时候，波形幅值最大；首先调整工件的水平，调节水平调整架上的旋钮，当气泡处于中心位置的时候，工件系统水平调整完毕；然后调整探头垂直度，先在竖直方向上调整探头的高度，使探头聚焦于工件上表面，当回波波形幅值最大的时候，再调节探头夹具上的旋钮，当波形幅值达到最大时，垂直度初始调整完毕；再将探头移至工件平面上的另外两点按前述方式微调，完成垂直度调整。最后，将探头在竖直方向移动至聚焦平面上，开始扫描；

步骤3：设置运动与采集数据的参数；在人机交互界面上，输入运动参数，采集卡设置参数；采集卡需设置仪器设备号，触发方式采样长度，采样频率，保证采集到的波形信息显示完整；

设置观察窗口的信息，包括起始时间、持续时间，将设置好的存储波形文件的路径输入到用户交互界面存储路径处，点击是否存储文件，然后完成存储设置；检查所有设置及电源开关状态，一切就绪后点击自动运行的开始键，开始自动扫描。

步骤4：进行扫描式测量；定义一个空间坐标系，垂直于X、Y方向的是Z轴；由于采集的点在XY平面是网格分布的，将上述回波取出其峰值；列出幅值矩阵，将其按在试件上对应的实际位置绘出其分布图；

步骤5：进行采样数据还原；自动扫描完毕，将数据提取，每个坐标点采集到的波形作为一个文件，并存成便于处理的.csv格式；对数据进行处理，每个文件将其还原成对应坐标位置的A扫图；

按照传感器的扫描路径，将采集到的回波数据表用MATLAB还原成波形；将每个位置对应的回波生成的表格中的点取出，按测量时的采样率还原的波形；并且通过分析粘结层的反射回波的性质，来分析粘结层的性能和质量状况；

步骤6：进行生成幅值矩阵与降噪；按坐标排列采集数据，提取幅值信息，做出幅值矩阵，对矩阵的偶数行进行翻转，得到原始的图像灰度矩阵，结合坐标信息，输出矩阵信息；

对图像中突起的杂讯，将其与周围点进行比较并设定阈值；若比较后差值超出阈值，则将其取为周围的平均值，得到降噪后的图像；

步骤7：对矩阵做后期处理；对最终矩阵输出图像进行插值光滑，得到最终的图像；

步骤8：将经数值处理后的数据成像；将上一步成像矩阵利用MATLAB进行处理，得到图像像素信息，将得到的灰度值矩阵完整输出，将图像显示在显示器；赋予空间平面及高度信息并光滑处理图像，输出最后的图像结果；

步骤9：分析结果，完成测量；将系统复位并关闭电源；取幅值大小为Z轴，得到三维的幅值分布图。

3.根据权利要求2所述的一种利用虚拟仪器技术的超声波成像方法，其特征在于：所述的运动参数包括速度，加速度，减速度，控制运动的启停和速度。

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