CN103940915B - 一种自适应超声脉冲激励装置及其控制方法 - Google Patents
一种自适应超声脉冲激励装置及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种自适应超声脉冲激励装置及其控制方法，属于超声红外热波无损探伤技术领域。在超声红外热波无损检测技术理论支持下，通过自动调整各检测参数，快速获取较好的超声激励效果，为快速有效检测缺陷提供可能。该装置包括超声控制器，通过超声控制器来自动/手动调节超声脉冲激励时的各实验参数；超声枪多自由度底座，通过控制超声枪多自由度底座可以调节超声枪的方位，加载超声枪变幅杆和被测试件之间的压紧力。该装置在传统设计的基础上，增加多个智能化模块，具有自动调节实验参数的功能，可以快速获取可靠的激励效果；同时，该装置实现超声枪三维度的方向转换，能够为不同的激励场合提供便利，具有实用性价值。
Description
技术领域
本发明涉及超声红外热波无损探伤技术领域的一种超声脉冲激励装置，特别是涉及一种自适应超声脉冲激励装置。
背景技术
目前高铁技术发展迅速，但同时也产生了很多安全隐患，比如高铁车体零部件如齿轮箱体等生产或使用时会产生裂纹等缺陷。如何在生产或者使用时检测出这类缺陷是目前急需解决的难题。超声红外热波无损检测技术是依托红外热波无损检测技术，改用超声波进行激励的新型无损检测技术。该技术主要是通过主动对被检测物进行超声波激励，使得被检测物的表面温度场发生变化，然后利用红外热像仪进行监测记录，并通过现代图像技术处理来获得必要的检测信息和诊断信息。该技术对检测疲劳裂纹、复合材料脱粘等接触界面类型缺陷效果明显，可以很好地解决零部件缺陷的识别问题。该技术主要的设备包含超声脉冲激励装置、微型处理器、红外热像采集装置和其他辅助装置。超声脉冲激励装置包含超声控制器、超声波发射装置和其他辅助设备。
超声激励效果对于超声红外检测技术是至关重要的。效果的好坏，能够直接左右检测结果的可靠性。在该超声脉冲激励实验中，激励频率、激励功率、激励时间、变幅杆与被检试件之间的压紧力、激励位置和其他参数等都对激励效果有很大的影响。目前已有设计出手控式调整激励参数的超声脉冲激励装置，但受主观影响因素太大，不能够在短时间内获得可靠的实验参数以保证最佳检测效果。本文发明专利涉及一种自适应超声脉冲激励装置，可保证在较短时间内获得可靠的实验参数以达到最佳的检测效果。
发明内容
本发明提供了一种自适应超声脉冲激励装置，采用信息反馈的原理，以解决上述背景技术中存在的，实验最佳参数不能快速确定，不能够快速获得最佳激励效果的技术问题。
一种自适应超声脉冲激励装置，该装置包括超声控制器和超声枪多自由度底座；超声控制器包括超声控制器控制面板和超声控制器内部功能模块；超声控制器控制面板包括电源开关(1)、自动/手动模式开关按钮(2)、超声脉冲激励频率调节旋钮及其显示屏(3)、超声脉冲激励功率调节旋钮及其显示屏(4)、超声脉冲激励时间调节旋钮及其显示屏(5)、超声枪变幅杆与被测试件(6)之间的压紧力调节旋钮及其显示屏(7)；超声控制器内部功能模块包括四大模块，分别为参数手控模块(8)、参数自控模块(9)、参数反馈模块(10)和数据存取模块(11)；超声控制器通过电源开关(1)给电路板上电，选取自动/手动模式，根据相应模式调节各实验参数，并启动各模块工作；其中，各参数调节旋钮及显示屏均和参数手控模块(8)相连接；超声控制器的主要功能分为两部分，一是将工业交流电转换为所需高频低压交流电，为超声枪换能器提供转换能量；二是通过反馈获取即时实验参数并判断、确定出最佳实验参数；参数手控模块(8)包括频率控制子模块、功率控制子模块、时间控制子模块、变幅杆与被检试样间的压紧力子模块，参数手控模块(8)主要功能是手动调节获取实验参数；所述的实验参数包括激励时间、激励频率、激励功率和超声枪与试件之间的压紧力；参数自控模块(9)主要是根据已有数据自动进行参数修正，达到最佳实验效果的模块；参数反馈模块(10)主要是根据搜集目前设备工作参数和检测结果来评估和判决下一步设备的工作参数；数据存取模块(11)的功能则是存储和调取已有最佳组合的实验参数；
超声枪多自由度底座包含移动车轮(12)、底盘(13)、平面旋转架及其驱动机构(14)、高度上升架及其驱动机构(15)、角度俯仰架及其辅助机构(16)、超声枪卡具(17)和底座控制面板(18)，主要用于固定超声枪(19)的方向和位置；其上是底盘(13)下面是移动车轮(12)，底盘(13)前表面有底座控制面板(18)，底座控制面板(18)分别连接平面旋转、高度上升及角度俯仰三大驱动机构，在底盘(13)上放置平面旋转架及其驱动机构(14)，在平面旋转架及其驱动机构(14)上放置有高度上升架及其驱动机构(15)，高度上升架及其驱动机构(15)上部是角度俯仰架及其辅助机构(16)和超声枪卡具(17)；其中超声枪卡具(17)包含伺服电机(20)、丝杠(21)和螺纹装卡筒(22)，伺服电机(20)可带动丝杠(21)使与丝杠(21)相旋合的螺纹装卡筒(22)内外伸缩。
该超声脉冲激励装置、红外热像仪(23)及微型处理器(24)是相对具有封闭性和整体性的。每一部分装置在实验时都不可缺少，否则无法进行实验；同时每一部分装置产生的中间数据可以相互交流，超声脉冲激励装置在实验时需要从微型处理器(24)(实验软件)获取红外热像仪(23)传来的经过处理的实验数据，微型处理器(24)可以获取超声脉冲激励装置的最佳工作参数并存储在数据库中。
该超声控制器的参数反馈模块(10)连接微型处理器(24)、参数手控模块(8)、数据存取模块(11)和参数自控模块(9)。参数反馈模块(10)通过反馈输入线(25)获取一组实验参数及其获得的实验结果，并由综合评估系统进行评估，来判断激励效果是否达到最佳范围，最后将最佳实验参数组合自动存储在数据存取模块(11)中；参数自控模块(9)连接数据存取模块(11)、参数反馈模块(10)和参数手控模块(8)，参数自控模块(9)通过数据存取模块(11)获得初始最佳实验参数值，然后利用参数反馈模块(10)来快速获得最佳实验参数。
一种基于自适应超声脉冲激励装置的控制方法，控制方法分为手动控制模式和自动控制模式；自适应超声脉冲激励装置与微型处理器(24)相连接，微型处理器(24)与红外热像仪(23)相连接。
手动控制模式：超声控制器参数手控模块(8)、参数反馈模块(10)和数据存取模块(11)参与工作；在超声控制器面板上，有频率调节旋钮、功率调节旋钮、时间调节旋钮、变幅杆与被测试件之间的压紧力调节旋钮，手动调节后，模块读取所设定的参数，然后通过该模块内部各子模块输出符合设定参数的高频交流电及信号，并将之传输给超声枪及其多自由度底座，由此实现超声枪发射设定频率、功率、激励时间的超声波，与此同时，参数反馈模块(10)也读取所设定的参数，并从微处理器(24)接收红外热像仪(23)所获得的经处理的激励数据，该模块进行分析与评估后，将数据存入数据存取模块(11)。
自动控制模式：参数自控模块(9)、参数手控模块(8)、参数反馈模块(10)和数据存取模块(11)同时工作；。
步骤一、在超声控制器面板下选择自动控制模式，参数反馈模块(10)从数据存取模块(11)读取一组已有的最佳工作参数组合作为最初的工作参数并传递给参数自控模块(9)；
步骤二、经过参数自控模块(9)的数据转换，将信号传递给参数手控模块(8)的电路转换模块，经过参数手控模块(8)内的各子模块的控制，输出符合设定参数的高频交流电及信号，并将之传输给超声枪及其多自由度底座；
步骤三、参数反馈模块(10)接收激励数据，并经过分析和评估，判断是否已达到最佳激励效果的范围，若达到最佳激励效果的范围，则停止进一步的激励，并将该数据写入数据存取模块(11)；若未达到最佳激励效果的范围，则给出修正的实验参数，并传递给参数自控模块(9)；
步骤四、重复步骤一至三的过程，直至达到最佳激励效果；达到要求后，将该参数存入数据存取模块(11)，并停止工作。
所述的各子模块包括频率控制子模块、功率控制子模块、时间控制子模块、变幅杆与被检试样间的压紧力子模块。
频率控制子模块用来控制输出频率大小，功率控制子模块用来控制输出功率大小，时间控制子模块用来控制输出时间长短，变幅杆与被检试样间的压紧力子模块是控制变幅杆与被检试样间的压紧力的大小。
本发明所采用的技术方案是：采用超声控制器和超声枪多自由度底座组成的装置。超声控制器在原有参数手控模块(8)(包含频率控制子模块、功率控制子模块、时间控制子模块、变幅杆与被检试样间的压紧力子模块等主要模块和其他辅助模块)的基础上，设计增加参数反馈模块(10)、参数自控模块(9)、数据存取模块(11)。其中参数反馈模块(10)主要功能是在设备运行时，搜集目前设备工作参数和检测结果来评估和判决下一步设备的工作参数；数据存取模块(11)块则主要是输出设备自带已有的最佳工作参数组合和存储从参数反馈模块(10)写入的最佳工作参数组合；参数自控模块(9)则是和参数手控模块(8)相对应的模块，通过参数反馈模块(10)和数据存取模块(11)的协助，能够自动矫正设备工作参数，实现自动控制设备工作、快速获取实际最佳工作参数的功能。超声控制器具有手动/自动双模式控制实验参数的功能。在手动模式下，超声控制器参数手控模块(8)、参数反馈模块(10)和数据存取模块(11)参与工作。在超声控制器面板上，有频率调节旋钮、功率调节旋钮、时间调节旋钮、变幅杆与被测试件之间的压紧力调节旋钮，手动调节后，模块读取所设定的参数，然后通过该模块内部各子模块(频率控制子模块、功率控制子模块、时间控制子模块、变幅杆与被检试样间的压紧力子模块等)输出符合设定参数的高频交流电及信号，并将之传输给超声枪及其多自由度底座，由此实现超声枪发射设定频率、功率、激励时间的超声波，与此同时，参数反馈模块(10)也读取所设定的参数，并从微处理器(24)接收红外热像仪(23)所获得的经处理的激励数据(激励效果)，该模块进行分析与评估后，将数据存入数据存取模块(11)。该模式适用于实验人员比较熟悉被测试件所需激励的实验参数的情况。在自动控制模式下，参数自控模块(9)、参数手控模块(8)、参数反馈模块(10)和数据存取模块(11)同时工作，但参数手控模块(8)的手动设定部分停止工作。在超声控制器面板下选择自动控制模式，参数反馈模块(10)从数据存取模块(11)读取一组已有的最佳工作参数组合作为最初的工作参数并传递给参数自控模块(9)，然后经过参数自控模块(9)的数据转换，将信号传递给参数手控模块(8)的电路转换模块，经过参数手控模块(8)内的各子模块(频率控制子模块、功率控制子模块、时间控制子模块、变幅杆与被检试样间的压紧力子模块等)的控制，输出符合设定参数的高频交流电及信号，并将之传输给超声枪及其多自由度底座。然后参数反馈模块(10)接收激励数据(激励效果)，并经过分析和评估，判断是否已达到最佳激励效果的范围，若达到最佳激励效果的范围，则停止进一步的激励，并将该数据写入数据存取模块(11)，若未达到最佳激励效果的范围，则给出修正的实验参数，并传递给参数自控模块(9)，重复上述的过程，直至达到要求。达到要求后，将该参数存入数据存取模块(11)，并停止工作。
超声枪多自由度底座，包含底座控制面板(18)、移动车轮(12)、底盘(13)、平面旋转架及其驱动机构(14)、高度上升架及其驱动机构(15)、角度俯仰架及其辅助机构(16)、超声枪卡具(17)。其中超声枪卡具(17)包含伺服电机(20)、丝杠(21)和螺纹装卡筒(22)。在实验时，把超声枪多自由度底座移至合适的位置并固定，并根据实际情况调整三大旋转架的方位，然后接收从超声控制器传来的压紧力控制信号，从而控制伺服电机(20)旋转角位移，进而带动丝杠(21)，推动螺纹装卡筒(22)向前移动，获得设定的压紧力。压紧力可以通过放置在超声枪卡具前端的力传感器来测量，当压紧力不合适时，该力传感器将所测值传输给超声控制器，以便观测和修正。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：能够解决传统手持式超声脉冲激励装置激励效果差、达到最佳激励效果所用时间长的缺点，同时新设计的超声枪多自由度底座能够满足实际使用的需求。
附图说明
图1为自适应超声脉冲激励装置及其工作链示意图；
图2为超声控制器控制面板示意图；
图3为超声控制器内部模块示意图；
图4为参数反馈模块的工作原理示意图；
图5为超声枪多自由度底座三维设计简图；
图6为超声枪卡具示意图。
图7为超声枪多自由度底座内部驱动结构简图；
具体实施方式
为了使本发明的形状、构造以及特点能够更好地被理解，以下将列举较佳实施例并结合附图进行详细说明。
本发明提供一种自适应超声脉冲激励装置，其原理是利用信息反馈原理，通过设备的评估快速获取最佳的实验参数，从而获得最佳的激励效果。该装置包括超声控制器、超声枪以及超声枪多自由度底盘。其中，超声控制器主要包括参数手控模块(8)、参数自控模块(9)、参数反馈模块(10)和数据存取模块(11)。其中，参数手控模块(8)包含频率控制模块、功率控制模块、时间控制模块、变幅杆与被检试样间的压力模块、电源变压器、整流滤波器、功率放大器等部件；参数自控模块(9)包括数据转换处理器、数据接收模块和数据输送模块；参数反馈模块(10)包括反馈输入线(25)、数据评估及判断微处理器、数据读取模块和数据输出模块；数据存取模块(11)包括存储卡和数据写入模块。其中，参数反馈模块(10)和参数自控模块(9)主要是通过写有固定程序的单片机完成。
超声控制器主要通过各模块之间的信息交流，完成两种模式下的超声发射控制。超声控制器拥有参数手控和参数自控模式。参数手控模式是手动调节仪器面板上的实验参数。参数手控模块(8)包含频率控制模块、功率控制模块、时间控制模块、变幅杆与被检试样间的压力模块等子模块。在电路中包含计数器、整流滤波器、功率放大器(场效应管)、变压器和A/D采集器等元器件，以调节时间、频率、功率和压力等参数。通过变压器和整流滤波器使接入电路的工业电压转换为45V的直流电，通过功率放大器后形成45V高频交流电输出。通过控制计数器的工作时间来控制整个电路的工作时间，也即激励时间。通过模数转换器和重力传感器来进行压力采集和显示，同时通过反馈控制超声枪卡具(17)进行力的大小调整。参数自控模式是通过设备的自动控制，获得最佳实验参数的过程。参数自控模块(9)是和参数手动模块(8)、参数反馈模块(10)、数据存取模块(11)协同工作的。当设备切至参数自控模式，设备进入自控状态。刚开始工作的设备从数据存取模块(11)调取初始最佳参数，通过参数反馈模块(10)传递给参数自控模块(9)，然后经过参数自控模块(9)的数据转换，将信号传递给参数手控模块(8)的电路转换模块，经过参数手控模块(8)内的各子模块(频率控制子模块、功率控制子模块、时间控制子模块、变幅杆与被检试样间的压紧力子模块等)的控制，输出符合设定参数的高频交流电及信号，并将之传输给超声枪及其多自由度底座。然后参数反馈模块(10)会接收红外热像仪(23)获得的激励数据(实验结果)，经过该模块的综合评估系统评估，来判决下一步的动作。若激励数据达到最佳范围，则停止工作，并将该数据存入数据存取模块(11)，否则判决下一步的实验参数，并传送给参数自控模块(9)进行数据转换，然后重复上述过程以最终获得最佳实验参数。在获取最佳参数后，系统将该最佳参数组合写入数据存取模块(11)以便被下一个被检试件或下次实验所调用。
超声枪多自由度底座，包含底座控制面板(18)、移动车轮(12)、底盘(13)、平面旋转架及其驱动机构(14)、高度上升架及其驱动机构(15)、角度俯仰架及其辅助机构(16)、超声枪卡具(17)。其中，超声枪卡具(17)包含伺服电机(20)、丝杠(21)和螺纹装卡筒(22)。
超声枪多自由度底座可以通过移动车轮(12)和底盘(13)来进行移动和固定，通过平面旋转架及其驱动机构(14)进行XY面(水平面)的方向变化，通过高度上升架及其驱动机构(15)来实现Z轴方向的高度，通过角度俯仰架及辅助机构(16)来实现YZ面(竖直面)的方向变化。超声枪多自由度底座的控制面板(18)为此三维方位的改变提供控制按钮，可以手动调节控制按钮启动各驱动机构来改变超声枪的方位。超声枪卡具(17)通过螺纹装卡筒(22)和超声枪螺纹装配，以伺服电机(20)带动丝杠(21)使螺纹装卡筒(22)伸缩，从而可以使超声枪获得较为稳定的装卡力，使变幅杆和被检试样之间的滑移降到最低。在实验时，首先将超声枪多自由度底座移至合适的位置并固定，并根据实际情况调整三大旋转架的方位，然后接收从超声控制器传来的压紧力控制信号，从而控制伺服电机(20)旋转角位移，进而带动丝杠(21)，推动螺纹装卡筒(22)向前移动，获得设定的压紧力。
Claims (2)
1.一种自适应超声脉冲激励装置，其特征在于：该装置包括超声控制器和超声枪多自由度底座；超声控制器包括超声控制器控制面板和超声控制器内部功能模块；超声控制器控制面板包括电源开关(1)、自动/手动模式开关按钮(2)、超声脉冲激励频率调节旋钮及其显示屏(3)、超声脉冲激励功率调节旋钮及其显示屏(4)、超声脉冲激励时间调节旋钮及其显示屏(5)、超声枪变幅杆与被测试件(6)之间的压紧力调节旋钮及其显示屏(7)；超声控制器内部功能模块包括四大模块，分别为参数手控模块(8)、参数自控模块(9)、参数反馈模块(10)和数据存取模块(11)；超声控制器通过电源开关(1)给电路板上电，选取自动/手动模式，根据相应模式调节各实验参数，并启动各模块工作；其中，各参数调节旋钮及显示屏均和参数手控模块(8)相连接；超声控制器的主要功能分为两部分，一是将工业交流电转换为所需高频低压交流电，为超声枪换能器提供转换能量；二是通过反馈获取即时实验参数并判断、确定出最佳实验参数；参数手控模块(8)的主要功能是手动调节获取实验参数，所述的实验参数包括激励时间、激励频率、激励功率和超声枪与试件之间的压紧力；参数自控模块(9)主要是根据已有数据自动进行参数修正，达到最佳实验效果的模块；参数反馈模块(10)主要是根据搜集目前设备工作参数和检测结果来评估和判决下一步设备的工作参数；数据存取模块(11)的功能则是调取和存储已有最佳组合的实验参数；超声枪多自由度底座包含移动车轮(12)、底盘(13)、平面旋转架及其驱动机构(14)、高度上升架及其驱动机构(15)、角度俯仰架及其辅助机构(16)、超声枪卡具(17)和底座控制面板(18)，主要用于固定超声枪(19)的方向和位置;超声枪多自由度底座底盘(13)下面是移动车轮(12)，底盘(13)前表面有底座控制面板(18)，底座控制面板(18)分别连接平面旋转、高度上升及角度俯仰三大驱动机构，底盘(13)上放置平面旋转架及其驱动机构(14)，平面旋转架及其驱动机构(14)上放置有高度上升架及其驱动机构(15)，高度上升架及其驱动机构(15)上部是角度俯仰架及其辅助机构(16)和超声枪卡具(17)；其中超声枪卡具(17)包含伺服电机(20)、丝杠(21)和螺纹装卡筒(22)，伺服电机(20)可带动丝杠(21)使与丝杠(21)相旋合的螺纹装卡筒(22)内外伸缩。
2.一种基于如权利要求1所述的自适应超声脉冲激励装置的控制方法，其特征在于：控制方法分为手动控制模式和自动控制模式；自适应超声脉冲激励装置与微型处理器(24)相连接，微型处理器(24)与红外热像仪(23)相连接；
手动控制模式：超声控制器参数手控模块(8)、参数反馈模块(10)和数据存取模块(11)参与工作；在超声控制器面板上，有频率调节旋钮、功率调节旋钮、时间调节旋钮、变幅杆与被测试件之间的压紧力调节旋钮，手动调节后，模块读取所设定的参数，然后通过该模块内部各子模块输出符合设定参数的高频交流电及信号，并将之传输给超声枪及其多自由度底座，由此实现超声枪发射设定频率、功率、激励时间的超声波，与此同时，参数反馈模块(10)也读取所设定的参数，并从微处理器(24)接收红外热像仪(23)所获得的经处理的激励数据，该模块进行分析与评估后，将数据存入数据存取模块(11)；
自动控制模式：参数自控模块(9)、参数手控模块(8)、参数反馈模块(10)和数据存取模块(11)同时工作；
步骤一、在超声控制器面板下选择自动控制模式，参数反馈模块(10)从数据存取模块(11)读取一组已有的最佳工作参数组合作为最初的工作参数并传递给参数自控模块(9)；
步骤二、经过参数自控模块(9)的数据转换，将信号传递给参数手控模块(8)的电路转换模块，经过参数手控模块(8)内的各子模块的控制，输出符合设定参数的高频交流电及信号，并将之传输给超声枪及其多自由度底座；
步骤三、参数反馈模块(10)接收激励数据，并经过分析和评估，判断是否已达到最佳激励效果的范围，若达到最佳激励效果的范围，则停止进一步的激励，并将该数据写入数据存取模块(11)；若未达到最佳激励效果的范围，则给出修正的实验参数，并传递给参数自控模块(9)；
步骤四、重复步骤一至三的过程，直至达到最佳激励效果；达到要求后，将该参数存入数据存取模块(11)，并停止工作；
所述的各子模块包括频率控制子模块、功率控制子模块、时间控制子模块、变幅杆与被检试样间的压紧力子模块。
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| Publication number | Publication date |
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