基于虚拟仪器技术的超声C扫描系统构建

蔡笑风，徐卫昌，李永峰，黄威

(第二炮兵工程大学士官学院，山东青州 262500)

基于虚拟仪器技术的超声C扫描系统构建

蔡笑风，徐卫昌，李永峰，黄威

(第二炮兵工程大学士官学院，山东青州 262500)

基于虚拟仪器技术，应用图形化测控软件LabVIEW构建了一套超声C扫描系统，该系统具有数据采集、数据处理、波形图像实时显示、三维曲面图像显示等功能。介绍该系统的检测原理及软硬件的实现过程，并通过实验检验该系统的有效性。

虚拟仪器;超声C扫描;回波

近年来，数字化、自动化、智能化和图像化成为超声无损检测技术的研究热点。人们研制出了很多的超声检测系统。如德国Krautkraemer公司研制的自动化超声检测系统和专用自动化超声检测设备，可以广泛用于管材、棒材、方坯、厚板、薄板、钢螺旋焊管和直焊管的超声检测;英国SONOMATIC公司研制出基于微机的快速实时检测系统;日本佳能公司推出了数字化、多功能的超声探伤成像系统 (超声C扫描);加拿大路赛尔技术有限公司研制出针对管道检测的机器人系统;美国物理声学公司 (PAC)推出了超声C扫描图像系统和各种声发射检测设备;美国泛美公司推出的自动扫描测试系统可用于大型复合材料零部件的自动化检验、管道储藏的原位检测等［1］。

国内，北京航空航天大学的黄志刚等为研究材料的机械性能，设计了一个超声C扫描系统，实现了对超声波换能器的三维运动控制，继而在软件上实现了超声A、C扫描功能，解决了电机加减速过程中超声C扫描易漏检的问题［2］，但是系统设计过于复杂。西安理工大学的周军伟基于虚拟仪器技术对超声检测进行了研究，从硬件和软件两方面设计了超声A扫系统［3］，虽然实现了超声信号的采集，但是功能还不够强大。

虚拟仪器技术的优势在于充分利用计算机来实现和扩展测试系统与仪器的功能，它通过硬件来获取真实的被测信号，通过软件来控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境［4］。作者采用虚拟仪器技术，实现超声C扫描检测系统的构建。

1 系统介绍

1.1 系统原理

进行超声波水浸C扫描检测时，探头放置在试件界面上，电脉冲激励的超声脉冲信号通过耦合剂水进入试件，如试件中无缺陷，它可一直传播到试件的底面。如果底面光滑且平行于探测面，按照反射原理，超声脉冲被底面反射而返回探头，探头将返回的声脉冲转变为电脉冲，经A/D转换在显示器上显示出来。由于发射的超声信号为连续脉冲信号，频率很大，所以在某点处的回波信号比较稳定，波形也不会移位。探头在步进电机轴的带动下，进行来回扫查，一方面要采集扫描位置处超声回波的特征量，得到试件的回波波形数据，另一方面要通过获取扫描位置得到试件的位置数据，将波形数据与位置数据进行对应便能绘制出试件的扫描图像，超声C扫描的原理示意图如图1所示。

图1 超声C扫描原理示意图

式中:Zd为缺陷阻抗，Zc为试件阻抗。

由式 (2)— (4)可知:缺陷反射波比界面反射波滞后zi/c，比底面波超前 (zT－zi)/c。若以z=zi为切面，则可以得到超声波在材料中沿传播方向任意一点的入射波为:

如果在z=zi处的切面存在缺陷，则入射声波将在缺陷界面产生缺陷回波:

因此，只要检测到探头在xOy平面扫描某深度切面时的声波信号，即可获取对应深度层的扫描检测结果。

1.2 系统的组成

超声波通过探头入射到被测材料内部，它在材料中沿传播方向的波动方程［5－6］为:

该系统的硬件主要有超声波发射/接收卡、水槽、步进电机、工控箱、检测试件、PC机以及各种频率的水浸聚焦探头，其硬件系统和及组成分别如图2、图3所示。

图2 超声C扫描系统

图3 系统组成图

检测系统采用武汉中科公司生产的“HSD-4超声波发射/接收卡 (以下简称‘板卡’)”。在设计上，该卡采用计算机广泛应用的32位PCI局部总线结构，集成了超声波的发射与接收、100 MHz高速信号采集、存储、多通道自动控制以及超声波成像等多种功能，能够与计算机良好地结合在一起。该卡具有4个独立的发射/接收通道，采用多级信号放大模式，通道的开闭由程控电子开关控制，检波方式 (全检波、正/负检波、射频)和工作模式 (一发一收、自发自收)可调，超声波数据采集深度可达32 K［7］。

1.3 软件平台

系统的总体结构如图4所示，包括信号采集、信号调节、运动控制、实时成像以及结果保存5个模块，其中信号采集和信号调节模块相互配合，实现了超声A扫功能;而运动控制、实时成像以及结果保存模块则共同实现了超声C扫描功能。

图4 软件系统总体结构图

系统运行时的主界面如图5所示，它有两个波形显示窗口，上面窗口用来显示采集的回波波形，下面窗口用来显示闸门内波形，右边是波形调节按钮和一些子模块按钮，其中有实时成像模块及结果保存模块等，波形显示窗口上方有3个菜单，分别用来设置波形采集参数、手动控制运动机构以及设置自动扫查参数，点击菜单按钮就可以弹出相应的工作界面。

图5 超声C扫描系统主界面

2 实验验证

试验制作的检测试件为一粘接结构，上层为钢，下层为三元乙丙橡胶，在钢和橡胶的粘接界面上预置了一个空气夹层脱粘缺陷区域，在橡胶层中预置了两个圆底孔缺陷，试件的长宽分别为220、120 mm，钢层厚度为3 mm，橡胶层厚度为5 mm，其实物照片和结构示意图分别如图6中 (a)、(b)、(c)所示。

图6 粘接结构试件

超声C扫描成像之前，首先需对试件外、试件上无缺陷处以及试件上有缺陷处的回波波形进行采样，采样时的采样深度、基线、采样频率、增益等参数均设置为相同，各部分信号对比如图7所示，其中横坐标表示采样时间，纵坐标代表回波波形幅值。经分析，信号一中第1部分为始波，第2部分为水槽底座回波，第3部分则为底座中孔或者杂质形成的杂波;信号二中第4部分为钢壳体试件上表面回波，第5部分为钢壳体试件上表面的二次回波;介于第2部分和第4部分即上表面回波和底座回波之间的波形为超声波在试件内部传播时的回波，通过观察这部分回波的波形变化即可判断出试件中是否存在缺陷。如信号三中第7部分与信号2中相同采样时间处的第6部分信号相比，幅值明显较高，通过它的二次回波如信号三中的第8部分，也可以看出幅值较高，所以可以判断该试件存在缺陷。

图7 试件各部分信号对比图 (信号一为试件外信号;信号二为试件上无缺陷处信号;信号三为试件上缺陷处信号)

通过以上分析，以信号中的第9部分区域作为闸门，区域内的波形即为闸门内波形。

试验中考虑到探头频率的有效范围和奈奎斯特采样定律的要求，选定采样频率为25 MHz。为了使采样波形能够在虚拟示波器上完整地显示，设定基线为47，采样深度为8 K。

对于该试件，增益调节为63 dB时，缺陷回波波形分辨率较高，最大幅值不超过示波器的显示范围。其扫查参数依据试件的长宽来设定，但是由于探头晶片为一个圆面而不是一个点，x、y轴行程很难刚好设置为试件的长宽值。实际检测中，x、y轴行程比试件的尺寸稍大，它们的值分别为132、226 mm，x、y轴间隔均为2 mm。粘接结构试件超声C扫描图像及其三维曲面图分别如图8(a)、(b)所示。

图8 钢壳体试件检测图像

超声C扫描图像的颜色对应了回波的幅值，幅值越高，颜色值也越大。因此从图中可得出以下结论:

(1)可明显看出试件的表面形状。从图8(a)中可以看出钢壳体的表面形状为长方形，另外可以通过刻度值计算出钢壳体的尺寸约为220 mm×120 mm。

(2)可以判断出试件中是否存在缺陷以及缺陷的大小、形状和位置信息。结合图 (a)、(b)可以看出试件中有3个缺陷:1个面积较大的矩形缺陷和2个面积较小的圆形缺陷，其中矩形缺陷的大小约为60 mm×50 mm，距底边和左边分别约为30 mm和28 mm，两个小圆形缺陷的直径约为14 mm，它们距上边均约为28 mm，左侧小圆形缺陷距左边约为26 mm，右侧小圆形缺陷距右边也约为26 mm。

(3)从图8(b)明显看出矩形缺陷面所处的高度较高，表示此处回波最强。

(4)从图8(b)中可以明显看出试件边缘处的回波幅值较高，这是由于试件在制作时切割不齐整造成的。

(5)从三维曲面图中可以明显看出:除了缺陷处的回波幅值较高以外，其他无缺陷区域的各部分回波幅值也有较大差异，这说明试件上无缺陷区域的粘接质量也有所差异。

3 结束语

基于虚拟仪器技术构建的超声C扫描系统具有用户界面友好、信号处理能力强大、结果显示直观并且集成了数据采集卡等硬件通讯等特点，可应用于工程结构的超声C扫描无损检测成像与分析等工程应用中。

【1】张旭辉，马宏伟.超声无损检测技术的现状和发展趋势［J］.机械制造，2002，40(7):24 －26.

【2】黄志刚，周正干.超声波C扫描系统研及其关键技术［J］.军民两用技术与产品，2007(12):40 －42.

【3】周军伟.基于虚拟仪器的超声检测的研究［D］.西安:西安理工大学，2005.

【4】杨乐平，李海涛.虚拟仪器技术概论［M］.北京:电子工业出版社，2003:4－6.

【5】刘松平，郭恩明，张谦琳，等.复合材料深度方向C扫描检测技术［J］.无损检测，2001，23(1):13 －15.

【6】王浩全，曾光宇.玻璃纤维复合材料超声C扫描检测研究［J］.兵工学报，2005，26(4):570 －572.

【7】尼涛.SRM复合材料壳体粘接结构声－超声检测方法研究［D］.西安:第二炮兵工程学院，2010.

Construction of Ultrasonic C-scan System Based on Virtual Instrument Technology

CAIXiaofeng，XUWeichang，LIYongfeng，HUANGWei
(Officer Academy of the Second Artillery Engineering University，Qingzhou Shandong 262500，China)

Based on virtual instrument technology，LabVIEW was used to build an ultrasonic C-scan system.The system has functions of data acquisition，data processing，wave and image real-time display，3D surface display and so on.The principle and realization process of the proposed system were introduced，and then its validity was verified by experiment.

Virtual instrument;Ultrasonic C-scan;Echo signal

TN911.7

A

1001－3881(2013)8－098－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.034

2012－02－22

蔡笑风 (1985—)，男，博士，研究方向为动力系统无损检测。E－mail:caixf@126.com。