一种基于虚拟仪器的金属棒料自动无损检测系统

湖北工业大学机械学院 朱炳坤

湖北省纤维检验局

湖北工业大学电气与电子工程学院 王 建

一种基于虚拟仪器的金属棒料自动无损检测系统

湖北工业大学机械学院 朱炳坤

湖北省纤维检验局

湖北工业大学电气与电子工程学院 王 建

本文阐述利用超声波进行探伤检测和虚拟仪器编程语言LabVIEW调用动态链接库函数，实现超声信号的发射及采集等的一套棒料自动无损检测的系统。该技术替代传统的使用超声探伤仪检测的方法，提高棒料的检测效率和准确性，降低检测成本与工人劳动强度，实现高精度的非接触式测量和缺陷产品的自动分选，为缺陷信号的处理和解决等提供了一种新方法。

无损检测；虚拟仪器；聚焦液浸法；聚焦探头

0 前言

现在我国的检测技术还处于发展阶段，技术正在不断更新，市场需求不断扩大。伴随着工业生产对检测技能要求的提高，目前国内小型数字探伤设备还不够完善，大多数设备都依赖国外进口，价格高昂。即使我国自行研制出的检测设备，设备之间无法实现共享数据，而虚拟仪器技术是基于计算机技术的自动测试技术，不仅具备功能化、模块化的特点，而且还具有能够实现共享、占地面积小的优点，如果把它应用到超声检测中，它不但可以扩大探伤功能，使检测设备小型化，而且还可以实现自动检测等。

棒料自动无损检测系统通过应用虚拟仪器技术，对超声波信号进行处理与计算，将检测的结果显示出来。该技术替代传统的使用超声探伤仪检测的方法，提高棒料的检测效率和准确性，降低检测成本与工人劳动强度，实现高精度的非接触式测量和缺陷产品的自动分选，降低企业生产成本，提升了企业竞争力。

1 棒料无损检测方法设计

基于PC机的棒料无损检测系统主要包括超声传感器、信号调理电路、采集卡、计算机、显示、键盘输入、运动控制卡、执行机构等部分组成，其系统组成结构如图1所示。

图1 系统组成结构图

棒料的缺陷检测的方法有很多种，在选择检测方法的时候需要根据被检测材料的实际情况以及检测方法的优缺点等因素进行综合性的考虑，才能达到高效、准确检测的效果［1］。对于棒料的缺陷有纵向裂纹、横向裂纹和皮下气孔、鳞状折叠等3种基本形式。

针对该棒料缺陷的特点，确定检测的方案。首先确定液浸法，即探测头和工件之间充入一定量的液体媒介作为传播介质，使声波先在液体媒介中传播，然后再射入检测的工件中。这层液体可以延迟声波传播的速度，并且其不会减弱声波的传播。液浸法中探头不与试件直接接触，这样探头既不会受到磨损也不会接触到那些难以控制的因素，而且探头在液体中能更好的调整方向，声波发射和接收也较稳定。

采用超声无损检测作为棒料表面和近表面缺陷检测的方法具有较高的灵敏度，且设备成本投入低、用户操作简单。根据现场的实际情况选择合适的检测方法，系统采用探头不动、棒料螺旋前进的检测方式，利用超声波来实现对棒料缺陷的检测。

在所有适宜作耦合剂的常用液体中，水是一种很好的耦合剂。因为水对声波无任何影响，所以其常被用作声延迟线，也即水浸法。常规的水浸法中，声波在水和钢的2次扩散中，声束无法聚拢，方向性差。为了改善这种情况，让声能变得集中，不受干扰，因而实际应用中通常采用聚焦水浸润法探测。

2 金属棒料自动无损检测硬件设计

2.1 检测构架设计

金属棒料自动无损检测区包括检测平台、水槽、超声探头以及耦合剂水。如图2所示，金属棒料以恒定的横向速度前进的同时也以恒定的转速转动，超声探头固定在支架上不动，水泵将水抽上来淹没金属棒材和探头下部分，是超声波几乎无损失的耦合到金属棒料中，可以实现高灵敏度的检测。

图2 构架设计图

2.2 聚焦探头的参数和板卡的选型

该检测系统采用的聚焦探头来自于美国某著名超声波检测设备公司，型号为ISl002HR，其探头频率是10MHz，探头晶片直径D＝0.25英寸（即6.35ram），水中焦距F＝1.25英寸。系统选择KW3000超声采集卡和DMC1380运动控制卡，实现对超声波信号的发射和接收以及对步进电机的运动控制。

2.3 检测硬件的设计

（1）强、弱电。检测系统的强电部分主要包括一个42V电源（给雷赛步进电机供电），一个24V电源、一个空开、5个插座（其中一个为预留检修插座）、一个交流接触器。弱电部分主要包括2个ND556电机驱动器、一个ND882电机驱动器、DMC1380板卡接线端子、2个限位开关、5个电磁阀。

（2）气动控制。检测气动控制主要包括气源、调压过滤器、电磁阀组、汽缸等，气源产生足够的压力，经过调压过滤器的调节作用得到需要的稳定气压，通过控制电磁阀的通断实现对汽缸伸缩的控制。

3 金属棒料自动无损检测软件设计

3.1 软件功能

从功能上可以分为：棒料控制模块包括棒料自动控制和棒料手动控制；数据处理模块包括数据采集、数据分析、数据管理；设置模块包括超声参数设置、棒料参数设置。设置模块可以对系统中的某些参数进行设置，控制模块控制棒料的运动，对超声波回波数据进行采集、分析和处理，然后绘制波形图像，将波形结果以扫描的方式显示出来，同时储存采集的数据，方便对数据的管理。

3.2 软件主要流程

图3 软件流程图

软件如图3所示：当探头的位置调整好，即可启动自动扫描命令，系统将自动扫描整个棒料，扫描完成后，处理数据，在屏幕上显示扫描结果，并保存数据。

3.3 缺陷识别软件的人机界面设计

不锈钢棒料超声波自动探伤设备系统软件运行后的主界面主要包括5个部分：状态信息；超声检测信号波形图以及时间；超声参数设置；棒料参数设置；系统的操作按钮区，如图4所示。

图4 主界面图

3.4 缺陷信号处理

模拟超声波的发射与接收；根据显示波形，分析出缺陷的位置和缺陷率。由于设计采用LabVIEW软件，实现了计算机与测试仪器的一体化，这给实际的工作带来了许多便利。用户还可以根据实际需要对前面板及流程图代码图进行修改以满足测试要求，这是传统仪器无法比拟的，实验测得的反馈波形如图5所示。

图5 反馈信号波形

4 总结

本设计将计算机技术、机电控制技术和超声波测控技术进行有机的结合，实现了对棒料缺陷的自动无损检测，基于虚拟仪器的棒料超声检测的研究与开发有效地提高了棒料缺陷检测性能试验数据的精确性和实时性，用计算机软件代替了传统测控系统中的大量硬件。对棒料缺陷存在的形式和检测方案的优缺点进行了分析，从而为杆棒、管道类构件或零件的自动探伤提供了更可靠的检测方法。

［1］丁宇康.基于LabVIEW的测控平台的构建［J］.电子测量技术，2007年11期.

［2］Zang Guan－Jian，Liu Zheng－Ping.The Joint Time Fre－quency Analysis Based on LabVIEW［J］.Journal ofEast China Jiaotong University.China，2007.148－156.

［3］李劲松.超声波检测数据高速采集传输技术的研究，无损检测，2003，25（8）：395～398.57－63.

［4］张凯，郭栋.Labview虚拟仪器工程设计与开发［M］.北京：国防工业出版社，2004.124－128.

［5］刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计［M］.北京：电子工业出版社，2003.143－14.

2012－05－14）