CN105067705A - 一种基于LabVIEW的超声无损检测特征成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LabVIEW的超声无损检测特征成像系统，该系统包括硬件部分和软件部分，硬件部分包括工控机、高速数据采集卡、超声脉冲发射接收仪等；软件部分包括同步控制模块、运动控制模块、波形数据采集模块、特征值计算模块等。该系统可记录超声C型扫描过程的A扫描信号，并据此自动求解超声检测特征值；按特征值进行B、C型超声成像，可直观显示缺陷形状、尺寸、位置，材料组织结构均匀性等重要的无损检测信息，并可达到层析检测材料缺陷及不均匀性的目的。本发明的优点是：该系统采用模块化构建方式，结构简单、成像功能强大，功能扩展性强、操作简便、为材料的超声无损检测提供了一种更为强大的软硬件系统。

Description

一种基于LabVIEW的超声无损检测特征成像系统

技术领域

本发明属于测试计量技术与仪器——超声无损检测领域，涉及一种基于LabVIEW开发平台的超声无损检测特征成像系统。

背景技术

无损检测是指以不损及其将来使用和使用可靠性的方式，对材料或制件或此两者进行宏观缺陷检测，集合特性测量，化学成分、组织结构和力学性能变化的评定，并进而就材料或制件对特定应用的实用性进行评价。

超声波无损检测的图像显示可直接显示物体内部缺陷的形状及位置，可提供直观和大量的信息，具有可靠性高、复现性高、定量准确的优势。常用的超声图像包括B扫描和C扫描图像，可分别用于显示与检测声束传播方向平行且与检测对象的测量表面垂直的剖面、以及与检测声束传播方向垂直的剖面。商用超声检测设备附带的B、C成像功能大多是基于波形幅度的成像功能，对于超声波传播特性的表达能力具有较大局限性。超声波传播特性，如：幅度、相位、传播速度、衰减系数与材料结构特征密切相关，将这些特征信息以图像的形式直观的显示出来对于全面评价材料缺陷及自身结构状态具有重要作用。

LabVIEW是美国国家仪器公司基于G语言开发的一种虚拟仪器平台。它提供了丰富的数据采集、分析和存储库函数。采用图形模式的结构框图构建程序代码，具有直观的图形化开发环境，强大的数据处理功能，丰富的可视化显示功能等特点。基于LabVIEW平台开发虚拟仪器及分析软件系统具有开发周期短、界面美观、使用灵活、扩展性强、接口众多等优点，已经广泛的用于高等院校、科研院所的教学科研与技术研发中。

发明内容

在充分了解国内外超声波无损检测成像检测系统的发展现状基础上，充分利用以LabVIEW为代表的虚拟仪器技术，提供了一种基于LabVIEW开发平台的超声无损检测特征成像系统。本发明的超声无损检测特征成像系统采用虚拟仪器的模块化仪器设计思路，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成超声波无损检测任务。

本发明采用的技术方案为：一种基于LabVIEW开发平台的超声无损检测特征成像系统，其特征在于；该系统由负责检测信号采集的硬件部分和负责控制、分析、成像、测量的软件部分构成；硬件部分由工控机、高速数据采集卡、超声脉冲发射接收仪、运动控制器、扫描支架、检测探头组成；软件由同步控制模块、运动控制模块、数据采集模块、特征值计算模块、成像模块、分析模块、存储模块组成；该系统以C型扫描（运动）方式自动采集全波形检测数据、计算多种超声波传播特征值，并基于特征值进行B、C型成像，达到层析检测缺陷尺寸、位置及材料不均匀性的目的。该系统记录和存储C型扫描路径上各位置的超声A扫描信号，并按超声检测原理及检测标准求解超声检测特征值；据特征值着色成像，可直观显示缺陷形状、尺寸、位置，材料组织结构均匀性等重要的超声无损检测信息；由于采用了全波形数据记录方式，本系统可达到层析检测材料缺陷及不均匀性的目的。本发明的优点是：该系统采用模块化构建方式，结构简单、成像功能强大，模块功能清晰、扩展性强、操作简便、为材料的超声无损检测提供了一种更为强大的软硬件系统。

本发明所述硬件部分的部件连接方式为；工控机连接运动控制器，运动控制器连接扫描支架，扫描支架连接检测探头（即为超声传感器），检测探头连接超声脉冲发射接收仪，超声脉冲发射接收仪连接高速数据采集卡，高速数据采集卡连接工控机；采用模块化的仪器设计思路，各模块相对独立，可方便的对模块进行增减、更换、升级；仪器具有兼容性好、可扩展性强、便于二次开发及功能升级的优势。

本发明所述的软件部分均基于LabVIEW开发平台及其附属软件包研发而成，充分利用LabVIEW程序执行的数据流驱动特征构建各功能模块的连接组合方式：运动控制模块与同步控制模块连接、同步控制模块与数据采集模块连接、数据采集模块与特征值计算模块连接、特征值计算模块与成像模块连接、成像模块与数据/图像分析模块连接、数据/图像分析模块与存储模块连接。数据流驱动程序执行的过程如下：在运动控制模块中可设置扫描范围、扫描速度及扫描精度；同步控制模块按运动控制模块中设置的扫描精度控制数据采集模块同步记录、存储全波形检测信号数据，特征模块依据数据采集模块提供的全波形检测信号数据计算检测特征值，成像模块按特征值计算模块输出的特征值着色成像形成B/C扫描图像。

本发明所述波形数据采集模块将全波形检测信号数据保存至多个.Excel格式的表格文件中，具有较好的数据格式兼容性，其中，完整C扫描由多次等间距的纵向扫描路径构成，单个.Excel文件存储的是单次纵向扫描路径中所有采样点上的A扫描波形数据，整个检测面的C扫描波形数据保存于多个.Excel文件中。

本发明所述的特征值计算模块可依据超声检测理论及相关检测标准快速计算超声波传播特征值，包括：缺陷反射波的幅度、相位、声波传播速度、衰减系数。

本发明所述成像模块按超声波传播特征值着色形成B、C扫描检测图像，颜色模式可按特征值分布特点及人眼辨识能力进行调整。

本发明所述分析模块提供了丰富的信息提取功能，可通过检测图上的标尺线提取缺陷尺寸、位置、数量；可同时获得检测对象的A/B/C显示并进行对比分析。

超声无损检测特征成像系统硬件部分各组件的作用及功能：工控机系统，包括主机、显示器、鼠标、键盘、系统软件和应用软件LabVIEW8.5，其作用是完成对检测信号的采集、存储、显示、处理、分析、运动控制，等；数据采集卡的作用是完成超声检测信号的模/数转换、缓存、与工控机间的通信；超声脉冲发射接收仪的作用是将电脉冲传输给超声传感器以激发检测超声波、并接收由超声传感器经压/电转换的超声波检测信号，超声脉冲发射接收仪还可将触发信号传输给数据采集卡、激励数据采集卡对检测信号进行模数转换；运动控制器包括单片机、直流电源、步进电机驱动器，其作用是接收工控机指令产生驱动脉冲控制扫描支架上的步进电机转动；工控机按照发送给运动控制模块的指令同步记录、存储全波形检测信号；扫描支架由三维步进电机、丝杆、滑台等构成，其作用是搭载超声波传感器进行C扫描运动。

超声无损检测特征成像系统软件部分包括：运动控制器、同步控制模块、波形数据采集模块、特征值计算模块、成像模块、存储模块。运动控制模块的功能是向单片机发送运动控制信号驱动步进电机运动。同步控制模块的作用是按脉冲发射接收仪发出的触发信号及运动控制模块设置的扫描精度同步记录、存储经数据采集卡模/数转换后的全波形超声检测信号。波形数据采集模块的作用是按上述触发信号采集C扫描路径上的A扫描信号并将其存入多个.Excel数据文件中。特征值计算模块的功能是根据超声检测原理及检测波形数据计算特定深度的信号幅度、声速、衰减。成像模块的功能是基于上述超声传播特征值进行着色成像，颜色与数值的对应规则可依据人眼对颜色的敏感程度以及特征值的变化进行调整。分析模块的功能是测量缺陷尺寸、位置，并可对缺陷的A、B、C扫描图像进行对比分析，提高对检测对象的无损检测能力。存储模块支持存储图像及数据结果，便于检测结果的存档记录。

发明目的：针对于目前商用超声检测设备成像功能中特征显示单一、分析功能不足，设备结构复杂的问题；本发明提供了一种能够以多种超声传播特征参数进行超声B、C成像及图像分析的基于LabVIEW的超声波无损检测特征成像系统。

本发明的优点是：该系统采用模块化构建方式，结构简单、成像功能强大，功能扩展性强、操作简便、为材料的超声无损检测提供了一种更为强大的软硬件系统。

附图说明

图1本发明成像系统的硬件部分组成原理图。

在图中，1为工控机，2、运动控制器，3、扫描支架，4、检测探头（即为超声传感器）5、超声脉冲发射接收仪，6、高速数据采集卡。

图2本发明成像系统的软件部分组成原理图。

7、运动控制模块，8、同步控制模块，9、数据采集模块连接，10、特征值计算模块，11、成像模块连接，12、数据/图像分析模块连接，13、存储模块连接。

图3本发明C扫描路径示意图。

图4本发明C扫描成像的软件界面

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1显示基于LabVIEW的超声无损检测特征成像系统的硬件部分组成原理图，工控机通过串口向运动控制器的单片机发送运动控制命令，使得步进电机驱动器发送驱动脉冲驱动三维运动支架上的步进电机转动，步进电机配合丝杆使滑台上搭载的超声传感器做C扫描运动。超声脉冲发射接收仪通过超声传感器激发和接收超声波检测信号，同时还为数据采集卡提供数模转换的触发信号；数据采集卡按脉冲发射接收仪发出的触发信号接收检测信号并做模数转换；工控机按发送给运动控制器的控制命令同步记录、存储经数据采集卡模数转换后的超声波全波形检测A扫描数据，并将其保存于多个.Excel文件中。

图2是基于LabVIEW的超声无损检测特征成像系统的软件部分组成原理框图。处理过程如下：运动控制模块设置C扫描的扫描范围、扫描速度、扫描精度（数据记录的空间间隔/分辨率）；同步控制模块将运动控制模块中设置的扫描精度和超声脉冲发射接收仪发出的触发信号输入至数据采集模块作为数据记录和存储的同步信号；数据采集模块按同步控制模块输出的同步信号在C扫描路径上逐点采集超声A扫描信号数据并存储于多个.excel文件中；特征值计算模块基于超声检测原理及工艺计算信号幅度、声速、衰减；其中幅度与缺陷性质及尺寸相关、声速与弹性模量相关、衰减与组织晶粒尺寸相关；基于上述超声传播特征值在成像模块中进行着色成像，颜色与数值的对应规则可依据人眼对颜色的敏感程度以及特征值的变化进行调整。分析模块则可计算缺陷尺寸、位置、可对缺陷的A、B、C扫描图像进行对比分析，提高对检测对象的无损检测能力。存储模块支持存储图像及数据结果，便于存档记录。

图3显示了C扫描运动方式及数据采集方式：传感器在丝杆滑台的带动下做“几”字形C扫描运动；在运动控制模块可设置扫描范围X*Y及扫描精度dx、dy，其中dy控制运动过程中同步存储和记录数据。具体过程如下：检测探头做正向的纵向扫描，系统在纵向扫描过程中按扫描精度每隔dy记录和存储全波形A扫描信号并存入一.Excel文档中；完成Y长度扫描后，探头做横向步进dxmm，步进后再做负向的纵向扫描并按上述方式记录数据、生成另一.Excel文档，完成Y长度扫描后做横向步进dxmm，如此反复。数据采集模块在纵向扫描线（y方向）上每间隔dymm采集超声A扫描信号依次记录至.Excel文件的数据列中，单次纵向扫描所有的超声A扫描信号存储于单个.Excel文件中，数据列数=y/dy、数据行数=A扫描信号数据点数；整个C扫描波形数据存储于多个.Excel文件中，文件数=x/dx。

波形数据文件的数据输入至特征值计算模块中，可基于超声检测原理及工艺计算超声传播特征值，包括：缺陷反射波幅度、声速、声衰减系数。按照超声检测标准的要求，声速c可表示为：

(1)

其中：d—工件厚度；t—始波与底波之间的时间差。

根据超声检测标准，声衰减系数α可据下式测量计算：

(2)

其中：m，n—底波的反射次数；B _m、B _n—第m、n次底波高度；δ—反射损失，每次反射损失约为（0.5～1.0）dB；t—板厚。

成像模块：成像模块选取了与缺陷状态、组织结构特征密切相关的三种声波传播特征值进行超声成像，包括：反射波幅度、声速、声衰减系数。基于幅度成像的C扫描图表示的是特定深度层上的缺陷分布，设置了幅度成像门槛功能，通过在A扫描信号上设置沿时域方向移动的成像门槛可达到对检测对象层析成像的目的；其中，门槛位置表示成像成像层的深度、门槛高度可限定对高于门槛的幅度特征值进行成像，避免噪声的干扰、门槛宽度则可用于设置成像层的厚度，如图4所示。基于声速和声衰减成像可形成检测对像组织结构的C扫描图，能够用于组织结构均匀性的评价。成像模块具有成像模式、色阶调整功能，可依据人眼的分辨能力及数据的分布特点在着色设置框的调色标尺上进行调整。分析模块可通过鼠标拖动视图上的游标显示缺陷的尺寸，及相应位置的B、C扫描图；可显示C扫描图像y方向的B扫描图。此外，还可实时显示B、C扫描图上任意位置的A扫描信号便于将图像与信号相结合用于综合分析缺陷特征。

Claims (7)

1.一种基于LAbVIEW的超声波无损检测特征成像系统，其特征在于；该系统由负责超声信号采集的硬件部分和负责控制、分析、成像、测量的软件部分构成；硬件部分由工控机、高速数据采集卡、超声脉冲发射接收仪、运动控制器、扫描支架、检测探头组成；软件由同步控制模块、运动控制模块、波形数据采集模块、特征值计算模块、成像模块、数据/图像分析模块、存储模块组成。

2.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的超声波无损检测特征成像系统，其特征在于；硬件部分的部件连接方式为：工控机连接运动控制器，运动控制器连接扫描支架，扫描支架连接检测探头，检测探头连接超声脉冲发射接收仪，超声脉冲发射接收仪连接高速数据采集卡，高速数据采集卡连接工控机。

3.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的超声波无损检测特征成像系统，其特征在于；所述的软件部分均基于LabVIEW开发平台及其附属软件包研发而成，各软件模块的连接方式为：运动控制模块与同步控制模块连接、同步控制模块与数据采集模块连接、数据采集模块与特征值计算模块连接、特征值计算模块与成像模块连接、成像模块与数据/图像分析模块连接、数据/图像分析模块与存储模块连接。

4.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的超声波无损检测特征成像系统，其特征在于：所述的波形数据采集模块采集超声检测的全波形数据，并保存在多个.Excel格式的表格文件中。

5.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的超声波无损检测特征成像系统，其特征在于：所述的特征值计算模块依据超声检测原理及超声检测标准计算检测信号的幅度、相位、声速、衰减系数。

6.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的超声波无损检测特征成像系统，其特征在于：所述成像模块按特征值计算模块输出的超声特征值进行着色成像，着色方式按特征值分布特点及人眼辨识能力进行调整。

7.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的超声波无损检测特征成像系统，其特征在于：所述的分析模块包括对A/B/C型图像对比分析，尺寸、位置、数量的测量与分析。