（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的超声成像检测系统研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于虚拟仪器的超声成像检测系统研究 机械电子工程 魏娜( 签名) 马宏伟( 签名) 摘要 超声检测技术广泛应用于工业产品质量控制和在役设备检测中，对于保障人民生命 和国家财产安全具有重要意义。提高超声检测仪器的自动化程度、检测效率和可靠性对 于提高超声检测技术的水平具有影响。 本课题以虚拟仪器结构为体系平台，以系统集成思想为指导，以传统超声探伤仪为 基础，借助机电一体化技术、信号处理技术、图像处理和分析技术等，开发了对各类工 程构件的缺陷检测和识别具有普遍指导意义的超声水浸扫描成像系统。该系统具有二维 超声图像显示、数据处理和存储、图像坐标定位、缺陷图像处理、检测报告自动生成和 打印等功能，实现了超声检测的数字化、图像化和自动化。 在l a b w i n d o w s c v i 虚拟仪器软件平台上，借助计算机i o 接口和串口通信技术完 成了对超声数据采集卡和三坐标探头自动扫描机构的驱动和控制；利用a c t i v e x 技术， 解决了l a b w i n d o w s c v i 和m a t l a b 、o f f i c ew o r d 软件的接口，使得检测系统集成了 多个软件的功能优势，实现了对超声扫描图像的处理和检测报告的生成和打印；构建了 超声水浸检测平台，通过研究自动扫描成像的关键技术及其软件实现方法，成功实现了 以伪彩色和灰度模式显示超声a 扫描、b 扫描和c 扫描图像；通过对采样信号位置坐 标的转换实现了缺陷的自动定位；通过对缺陷扫描图像进行滤波去噪、基于阈值分割的 二值化处理、边缘的精确检测等技术的研究，以便针对不同检测对象缺陷的不同性质和 特点进行缺陷特征提取，并为缺陷的定性、定量评价奠定了基础。 关键词：超声成像；虚拟仪器；b 扫描；c 扫描；图像处理 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nu l t r a s o n i ci m a g i n gt e s t i n gs y s t e mb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n t s p e c i a l t y ：m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e：w e in a i n s t r u c t o r ：m ah o n g w e i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) u l t r a s o n i ct e s t i n gt e c h n i q u e ，w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e dt oc o n t r o lt h eq u a l i t yo f p r o d u c ti ni n d u s t r ya n dt ot e s tt h ee q u i p m e n to ns e r v i c e ，h a sa ni m p o r t a n tm e a n i n gt o s a f e g u a r dt h el i f eo fp e o p l ea n dt h es a f e t yo fn a t i o n a lp r o p e r t y i th a sa ne f f e c ti ni m p r o v i n g t h eu l t r a s o n i ct e s t i n gc o n d i t i o nt oe n h a n c ea u t o m a t i z a t i o n ，e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo f u l t r a s o n i ct e s t i n gi n s t r u m e n t t a k i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n ts t r u c t u r ea st h ea r c h i t e c t u r ep l a t f o r m ，t h ei d e ao fs y s t e m i n t e g r a t i o n a sg u i d a n c e ，t h et r a d i t i o n a lu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o ra sb a s e ，t h eu l t r a s o n i c i m m e r s i o ns c a n n i n gi m a g i n gs y s t e m ，w h i c hp r o v i d e st h eg e n e r a lg u i d e l i n e st ot h ed e f e c t d e t e c t i o na n dr e c o g n i t i o no fv a r i o u se n g i n e e r i n gc o m p o n e n t s ，h a sb e e nd e v e l o p e d 谢t l la i do f e l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y , s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i m a g ep r o c e s s i n ga n d a n a l y z i n gt e c h n o l o g y , e t c t h en u m e r a l i z a t i o n ，i m a g i n ga n da u t o m a t i z a t i o no fu l t r a s o n i c t e s t i n g h a sb e e nr e a l i z e di nt h es y s t e mw i t l lt h ef u n c t i o no fd i s p l a y i n g2 - d i m e n s i o n a l u l t r a s o n i ci m a g e s ，p r o c e s s i n ga n ds a v i n gd a t a ，p o s i t i o n i n gi m a g ec o o r d i n a t e s ，p r o c e s s i n g d e f e c ti m a g e ，g e n e r a t i n ga n dp r i n t i n gt e s t i n gr e p o r t sa u t o m a t i c a l l ya n ds oo n o nt h ev i r b l a li n s t r u m e n ts o f t w a r ep l a t f o r m ，l a b w i n d o w s c v i ，t h ed r i v ea n dc o n t r o lt o u r r a s o a i cd a t aa c q u i s i t i o nc a r da n d3 - c o o r d i n a t et r a n s d u c e ra u t o m a t i cs c a n n i n gm e c h a n i s m h a sb e e nd o n ew i t ht h eh e l po fc o m p u t e ri oi n t e r f a c ea n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n m a k i n gu s e o fa c t i v e xt e c h n o l o g y , t h es o f t w a r ei n t e r f a c eb e t w e e nl a b w i n d o w s c v ia n dm a t a l b ， o f f i c ew o r dh a sb e e nc a r r i e do u t ，w h i c hm a k e ss u r et h et e s t i n g s y s t e mi n t e g r a t e st h e a d v a n t a g e so fs e v e r a ls o f f w a r e sa n dr e a l i z e st h ep r o c e s s i n go fu l t r a s o n i cs c a n n i n gi m a g ea n d t h eg e n e r a t i n ga n dp r i n t i n go ft e s t i n gr e p o r t t h eu l t r a s o n i ci m m e r s i o nt e s t i n gp l a t f o r mh a s b e e nc o n s t r u c t e d b yr e s e a r c h i n go nt h ek e yt e c h n o l o g yo fa u t o m a t i ci m a g i n gb ys c a n n i n g a n di t sa p p l i c a t i o n ，t h ed i s p l a yo fu l t r a s o n i ca s c a n ，b - s c a na n dc - s c a ni nt h ef o r mo fg r a y i m a g ea n dp s e u d o c o l o ri m a g eh a sb e e na c h i e v e ds u c c e s s f u l l y t h ea u t o m a t i cp o s i t i o n i n go f d e f e c th a sb e e nr e a l i z e d b yt r a n s f o r m i n gp o s i t i o nc o o r d i n a t eo f s a m p l es i g n a l t h e t e c h n o l o g i e so ff i l t e r i n ga n dd e n o i s i n gs c a n n i n gd e f e c ti m a g e ，b i n a r i z a t i o np r o c e s s i n gb a l s e d 0 1 1t h r e s h o l dm e t h o d so fi m a g e s e g r h e n t a t i o na n dd e t e c t i n ga c c u r a t ee d g eh a v eb e e n r e s e a r c h e d ，w h i c hi sc o n v e n i e n tf o rt h ed e f e c tf e a t u r ee x t r a c t i o na c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t d e f e c tp r o p e r t i e sa n dc h a r a c t e r so f t e s t i n go b j e c t s ，a n dl a y saf o u n d a t i o nf o rt h eq u a l i t a t i v e a n dq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o n k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ci m a g i n g v i r t u a li n s t r u m e n t b s c 卸 1 c s c a i l i m a g ep r o c e s s i n g d e f e c tr e c o g n i t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西妻料技支学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：希蛔p 日期：h 一7 撤销操作”菜单，随时取消对数据的处理，查看原始信号的实时波形。 ( 4 ) 文件存储模块 文件存储模块主要 完成对扫描图像的矩阵 数据和扫描图像的存 储，其中扫描数据以d a t 格式保存，扫描图像 以b m p 格式保存。如图 3 3 中“s a v ei m a g et o f i l e ”对话框所示，为保 存b 扫描图像的操作。 后续进行图像处理和缺 陷识别时，只需根据不 同的处理模式调用保存 图3 3 模块功能与软件界面对照 1 9 西安科技大学硕士学位论文 的图像或数据文件即可。 ( 5 ) 图像处理模块 图像处理模块承担着对缺陷图像进行滤波去噪、图像增强、边缘检测等处理，为缺 陷的识别和评价提取特征和重要参数，其性能直接影响缺陷检测与识别的可靠性。因此 需要用本模块对获取的扫描图像进行进一步的处理。 在软件界面中选中“图像处理) 进行图像处理”菜单，进入图像处理操作界面，如 图3 4 所示。 ( 6 ) 检测报告生成和打印模块 为了清晰地记录每次检测所使用的器材、检测的条件、检测对象、检测结果等信息， 同时克服人工记录检测报告速度慢、过程复杂等缺点，需要设计检测报告生成和打印模 块。该模块可以通过输入若干简单的信息参数，自动记录相关检测信息，并能自动生成 和打印检测报告，非常方便、快捷。清晰的图像和可靠的数据有利于今后的缺陷分析， 对症下药，进一步提高检测产品的质量。通过点选“检测报告) 生成并打印检测报告” 菜单，进入报告生成和打印界面如图3 5 所示，生成的报告样例如图3 6 所示。 图3 4 图像处理界面 一 l 焊缝超声检测报告 撞舅基奉情5 槐嘬 】嚯名纛 嘲，辔铺虹矬西螂惴呔学 阳期2 1 0 0 7 - 0 4 - 0 2霸l 艚 0 1 材髓t 5 i 锕覃匪8 鼻撇对接捍奠脚辱鲫黼 台蓿承 量肇当霞c 静2 弘 器撇水燃灵旺) 摄卿1 慨撰肘1 4 m i 垂- ， 缺陷情况记录 m 马霸嘲缸咖 图3 5 报告生成和打印界面图3 6自动生成的焊缝超声检测报告样例 2 0 3 超声成像检测系统软件的开发 3 2 超声数据采集卡驱动程序的开发和调用 开发w m d o w s 环境下的设备驱动程序可使用m i c r o s o r 的d d k ( d r i v e rd e v e l o p k i t s ) ，但它要求开发人员非常熟悉操作系统平台，掌握核心开发调试的知识。而使用 一些专用的驱动程序开发工具如k r f t e c h 公司的w i n d r i v e r 、n u m e g a 公司的d r i v e r s t u d i o 等则可使开发人员不必知道操作系统的内部结构，不必熟悉k e r n e l 、d d k 编程及其他 驱动程序的知识，便可以在短时间内开发出基于p c i 、e i s a 、i s a 等不同总线的硬件设 备驱动程序，从而大大减小了开发的难度和缩短开发周期。 3 2 1 超声数据采集卡驱动程序动态链接库的生成 本超声数据采集卡的驱动程序是使用w m d r i v e r 专用驱动开发软件来完成的。利用 w i n d r i v e r 开发设备驱动程序，不需要熟悉操作系统的内核，开发者在自己熟悉的开发 环境下，利用用户模式( u s e r m o d e ) 来开发所需的驱动程序如使用v c 、b o l a n d c - h - 、 c + + b u i l d e r 、d e l p h i 或v b 等任何w m 3 2 编译器，通过与w i n d r i v c r 的v x d 或者s y s 文 件交互来达到驱动硬件的目的，使用w i n d r i v e r 开发的驱动程序均可用于w i n d o w s9 8 、 w mn t 2 0 0 0 等操作系统p ”。 采集卡驱动程序的动态链接库生成步骤是： ( 1 ) 打开w m d r i v e r 的d r i v e rw m a r d 工具； ( 2 ) 在d r i v e rw l z ；a r d 的“c a r di n f o r m a t i o n ”对话框中选择卡对象的类型为i s a 卡； ( 3 ) 在黜! s o 嗽对话框中的i o 和m e m o r y 选项卡下，设置采集卡占用的硬件资 源地址空间所占用的i o 端口地址和共享内存地址； ( 4 ) 设置完毕，点击“g e n e r a t ec o d e ”按钮，选择v c + + 6 0 生成环境，d r i v e rw w _ a r d 自动生成驱动程序框架以及一个用于测试的w m 3 2 控制台程序，使用测试程序可以测试 驱动程序； ( 5 ) 测试成功后，在v c + + 6 0 环境下根据采集卡使用的需要改写驱动程序，写入 动态链接库需要导出的接口函数名，生成动态链接库。 本超声数据采集卡驱动程序提供以下几个接口函数。 ( 1 ) 用于打开超声数据采集卡的函数： b o o lu c a r d o p e n ( u c a r dh a n d l e * p h u c a r d ) ： ( 2 ) 用于关闭超声数据采集卡的函数： v o i du c a r d c l o s e ( u c a r d _ h a n d l eh u c a r d ) ； ( 3 ) 用于读i 0 端口的函数 b y t eu c a r d _ _ r e a d b y t e ( u c a r d _ h a n d l eh u c a r d ，u c a r d _ a d d ra d d r s p a c e ，d w o r d d w o f f s e t ) ： 2 l 西安科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 用于写i 0 端口的函数 v o i du c a r dw r i t e b y t e ( u c a r dh a n d l eh u c a r d ，u c a r da d d ra d d r s p a c e ，d w o r d d w o f f s e t ，b y t ed a t a ) ； 3 2 2 在l a b w i n d o w s c v i 下实现对超声数据采集卡驱动的调用 要在l a b w m d o w s c v i 下实现对超声数据采集卡的驱动，需调用3 2 1 节中生成的 动态链接库，在i a b w m l o 硼，c v i 下直接使用驱动程序提供的接口函数来完成。 具体驱动方法是：首先将用w i n d r i v e r 开发的动态链中的u c a r d h 、u c a r d 1 i b 和 u c a r d d l l 三个关键文件拷贝到本系统软件应用程序的目录下；然后将u c a r d h 和 u c a r d 1 i b 添加到l a b w m d o 、 噶c v i 的工程文件中，就可以如使用l a b v 岍m d o w s c v i 库函 数一样方便的使用超声数据采集卡提供的四个接口函数。 在接口电路中总共有9 个f o 端口，根据微机中i o 端口的使用情况，为本采集卡 分配了如表3 1 的f o 端口地址，在程序中就是通过对这些f o 端口进行读写操作，实 现对采集卡的控制和数据传输的。 表3 1i o 端口地址分配表 3 3l a b w i n d o w s c v i 与外部程序接口的实现 在l a b w m d o w s c v i 中，应用a c t i v e x 自动化库中的函数可以方便地访问a c t i v e x 服务器接口。在多数情况下，不直接使用a c t i v e x 自动化库中的函数，而是应用由a c t i v e x a u t o m a t i o nc o n t r o l l e rw 他a r d 工具生成的自动化仪器驱动器，这样就不必关心如何应用 a c t i v e x 自动化函数库编程。经过此工具转换生成的驱动器函数库与一般的驱动器函数 库没有区别，只要将驱动器载入到开发环境中即可。 2 2 3 超声成像检测系统软件的开发 3 3 1a c t i v e x 技术 a c t i v e x 是一种软件组件，它可以插入到多种不同的程序中，并被当作程序的一部 分来使用。a c t i v e x 技术建立在微软的c o m ( 组件对象模型) 技术上，并使用c o m 接 口和交互模型使其完全无缝的集成。a c t i v e x 中最关键的技术之一是自动工作，即 a c t i v e x 自动化，它不需要程序员在使用a c t i v e x 时对其内部进行修改，能将单个应用 程序和其他应用程序结合在一起。也就是说，服务器端应用程序就是一个服务提供者， 客户端应用程序通过i n v o k e 方法访问服务器内部并设置服务器应用程序的属性。在本系 统中，m 呲w 北v i 要调用的软件可以看作是一个服务器端应用程序，而 l a b w i n d o 哪m 奠r i 本身则可看作客户端应用程序，它可以自动访问被调用软件的内部， 并通过设置该软件程序的属性来为本系统要实现的功能要求服务。 3 3 2l a b 晰n d o w s c 与m a t l a b 软件接口的实现 m a t l a b 是专业科学的计算软件，其具有神经网络、图像处理、小波分析等众多 新技术工具箱，这些工具箱被广泛应用于包括图像处理在内的众多领域。为了在本系统 中充分使用m a t l a b 软件中成熟、方便的技术，需要对该软件进行调用。 如上面介绍的，在l a b w m d o w s c v i 环境下调用m a t l a b 函数这一过程的实质， 是要在l a b w m d o w s c v i 环境下建立一个数据交换a c t i v e x 服务控件，其方法如下 3 2 3 3 | ： 首先应用a c t i v e x 自动化服务器向导生成m a t l a b 驱动器函数库。生成步骤为： ( 1 ) 在l a b g r m d o w s c v i 开发环境下选择“t o o l s ) c r e a t ea c t i v e xa u t o m a t i o n c o n t r o l l e r ”菜单，弹出选择a c t i v e x 自动化服务器选择框，该框中列出了所有在操作系 统中注册的自动化服务器； ( 2 ) 在选择框中选中m a t l a b 软件在操作系统中注册的自动化服务器m a t l a b a u t o m a t i o ns e r v e rt y p el i b r a r y ，打开相应的生成自动化仪器驱动器的对话框； ( 3 ) 在对话框中选择目标仪器驱动器文件的保存路径，并将其命名为m a t l a b s r v r 审。 目标文件中还会生成m a f l a b s r v r c 、m a t l a b s r v r h 、m a t l a b s r v r o b j 、m a t l a b s r v r s u b 四个文件。 ( 4 ) 将m a t l a b s r v r f p 、m a t l a b s r v r c 、m a t l a b s r v r h 文件加入系统软件所在文件夹中， 并添加到工程文件，就可以调用生成的函数库，从而实现l a b w m d o w s c v i 与m a t l a b 的混合编程。 需要特别注意的是，出于对环境变量的考虑，要求将m a a b 在l a b w m d o w s c v i 之前安装。否则需要从别的地方复制这三个文件到系统软件所在的目录中，并将它们添 加到工程文件。 生成了m a t l a b 驱动函数库以后，就可以在l a b g r m d o w s c v i 开发环境下通过调 用表3 2 所示的函数来操作m a n 。a b 了。为方便开发者实现l a b w i n d o w s ，c v i 环境下与 西安科技大擘硕士学位论文 m a t l a b 的混合编程，n i 公司还专门配置了一个更加友好的接口函数文件。该文件在 l a b w m d o w s c v i 的目录下，名称为m a t l a b u f i l a 通过这个接口文件，以上的函数可以 转型为其它更容易操作的函数。例如s e n d m a t r i x 函数可将矩阵送入m a t l a b 工作空间， g e t m a t r i x 函数可从m a t l a b 工作空间获得矩阵，r u n m a t l a b c o m m a n d 函数可运行 m a t l a b 命令，r u n m a t l a b s c r i p t 函数可运行m a t l a b 的m 函数等。 函数功能和说明 m l a p p - n e w d i m l a p p m l a p p - d 1 m l a p p q u i t m l a p p - d i m l a p p m i n i m i z e c o m m a n d w m d o w m l a p p - d i m l a p p p u t f u l m a l r i x m l a p p - d i m l a p p g e t f u l m a t r i x m l a p p - d i m l a p p e x e c u t e 启动m a t l a b ，并返回句柄 退出m a t l a b 环境 将m a t l a b 窗口最小化 将矩阵发送给m a t l a b 工作空间 从m a t l a b 工作空间获得矩阵 执行m a t l a b 命令 3 3 3l a b w m d o w s c v i 与o f f i c ew 砌软件接口的实现 超声检测报告需要以一定的文本文件格式存储，因此，本系统选择采用最通用的微 软公司的文字处理软件m i c r o s o f tw o r d 来生成超声检测报告。 与m a u a b 的调用类似，首先必须应用a c t i v e x 自动化服务器向导生成m i c r o s o f tw o r d 自动化服务器的驱动函数库( 具体办法与前面类似) ；再将生成的w o r d r e p o r t f p 、 w o r d r e p o r t h 和w o r d r e p o r t c 文件添加到工程文件中，就可在l a b 晰n d o w 们v i 中直接对 将要生成的w o r d 格式的检测报告的具体内容和属性进行设置了。 3 4 超声成像检测系统软件包的生成 在l a b w i n d o w 北v i 环境下开发的超声检测软件只能运行在特定的c v i 环境中，必 须有相应驱动引擎的支持才行，如果没有安装c v i 软件，则程序无法运行。为了解决这 一问题，方便程序开发完成后，面向用户的应用，需要为本应用程序制作一个安装文件， 这样，只要在目标机器上安装该应用程序，软件就可以运行了。 3 4 1l a b w m d o w s c v i 应用程序的发布 l 曲w i n d o w s c 提供了发布应用程序软件包的工具，利用该工具可以非常方便的 制作应用程序的安装程序。该安装程序将运行l a b w m d o w s ，c v i 程序所必须的驱动模块 和可执行程序一起打包并同时发布。这样，只要执行此安装程序，就可在没有安装 l a b w m d o w s c v i 开发环境的机器上运行用它开发的应用程序了。 为了能独立运行在l a b w m d o w s c v i 环境中开发的本系统软件程序，需要包含以下 2 4 3 超声成像检测系统软件的开发 一些文件： 应用程序可执行文件：j td b g e x e ； c v i 引擎文件：c v i r t d 1 1 、c v i r t e d l l 、c v i a u t o m l 、c v i n t d r v s y s 等； 用户界面资源文件：v u r u 缸 用户界面中使用到的图像文件：a x i s b m p 、b o r d c r b m p ，c u r s o r b m p ： 面板状态文件：s a v e p a n e l s t a t e 或r e c a l l p a n e l s t a t e 函数使用的面板状态文件； 动态链接库文件：u c a r d d l l ； 外部的目标代码文件：w o r d 2 0 0 0 o b j 、t o o l b o x o b j 、d i b p r o o b j ； 外部的静态库文件：u c a r d 1 i b ； 其他引用的文件：m a f l a b s r v r f p 、m a t l a b s r v r c 、w o r d r e p o r t f p 、w o r d r e p o r t h 、d i b p r o c t o o l b o x f p 、w o r d 2 0 0 0 c 、w o r d 2 0 0 0 f p 。 3 4 2 安装程序的建立 在建立安装程序前，必须先生成应用程序的可执行文件。然后，在工程项目窗口中， 选择菜单项“b u i l d c r e a t e d i s t r i b u t i o nk i t ”，弹出生成软件 包对话框，在该对话框中进行关 键参数设置，最后点击b u i l d 按 钮打包，生成本系统软件的安装 包。系统软件命名为“v u t ”，安 装后软件出现在电脑程序菜单 中，如图3 7 所示。选中该菜单 即可执行本软件，无需安装 l a b w m d o w s c v i 。图3 7 电脑程序菜单中的本系统软件“v u t ” 3 5l a b w in d o w s c v i 与单片机的串口通信 在2 3 3 节中已经介绍了自动扫描控制部分的设计方案， 为了实现对机械扫描装置运动控制的单片机系统的控制参数 传递，p c 机需要与8 9 ( 2 5 2 单片机系统进行串口通信。 串行端口的标准接口称为c o m 口，通信数据的传输通 过p c 机的c o m i 口完成。该端口通常使用9 针d 型连接器 d b 9 ，其引脚排列如图3 8 。主要使用的引脚为： 图3 8 p c 机串口引脚排列 2 - r x d ：p c 机接收数据；3 - t x d ：p c 机发送数据；5 - g n d ：信号地。 l a b w m d o w s c v i 提供的r s 2 3 2 通信函数库，共包括6 大类通信控制和i o 函数凹： 西安科技大学硕士学位论文 打开关闭函数、l o 读写函数、x m o d e m 函数、串口控制函数、状态函数、回调函数。 为了控制机械扫描装置按照规定的方式运动，在本上位机系统软件与下位机软件的 通信和数据传输过程中，主要用到了以下函数： ( 1 ) 打开关闭函数：o p e n c o m 、o p e n c o m c o n i i g 和c l o s e c o m 。 ( 2 ) i o 读写函数：总计有7 组函数，主要用到以下2 组： c o m r d ：从串口的接收缓冲区读指定长度的字符： c o m w r t ：向串口的输出缓冲区中写指定长度的字符； ( 3 ) 串口控制函数：总计有7 组函数，主要用到以下2 组： f l u s h i n q ：清空输入队列； f l u s h o u t q ：清空输出队列； ( 4 ) 状态函数：主要包括端口状态信息和通信错误代码信息等。 3 6 本章小结 本章主要介绍了基于虚拟仪器的超声成像检测系统软件的设计开发。首先根据超声 成像检测需要实现的功能和检测的特点，把软件设计为6 大模块，并分别介绍了各模块 的功能。然后介绍了为了在虚拟仪器开发平台上设计功能强大的超声检测软件，所用到 的软件开发关键技术，并结合超声检测的具体要求给予了详细阐述。 4 超声成像检测关键技术研究 4 超声成像检测关键技术研究 超声水浸扫描成像技术以其成像原理简单，性能价格比高等特点而被广泛采用，因 此本课题提出以超声水浸检测方法对工件缺陷进行检测的方案。超声水浸聚焦检测技术 和数字超声成像技术是实现本系统超声成像检测功能的重要基础，本章将着重研究在系 统开发过程中所涉及到的超声水浸聚焦理论和数字超声成像的实现方法，并通过一系列 试验，验证本系统的成像检测功能。 4 1 超声水浸检测技术研究 使探头发射的超声波经过一段水后再进入工件的超声检测方法，称为超声水浸检测 法d 5 1 。在水浸法中，探头与工件不接触，可以避免接触法检测中手工操作压力的影响。 与接触法检测相比，超声波的发射和接收都比较稳定，而且，由于不必将探头与工件直 接接触，便于实现自动化探伤。因此，在对工件的超声成像检测中，采用了超声水浸检 测技术。 水浸法检测中，根据与水耦合方式的不同，可分为全部 水浸法、局部水浸法、喷流水浸法等。根据本课题的实际检 测需要，选择如图4 1 所示的最常用的全部水浸法既可满足 试验要求。 4 1 1 超声水浸聚焦技术 图4 1 全部水浸法检测原理图 卜探头2 一水3 一被测物体 超声水浸聚焦检测法与普通超声检测法的主要区别就是在检测过程中所使用的探 头为水浸聚焦探头。聚焦探头与平探头的主要区别是在压电晶片前面加了声透镜。一般 声透镜是用环氧树脂浇注在晶片上然后加工形成的，声透镜靠晶片一面是平面，另一面 是球面。 从几何超声学的观点来看，当晶片直径远小于焦距时，而且仅考虑焦点处的声场时， 一个聚焦探头发射的声波在焦点处的“行为”，其效果等于由一个探头所限定的、半径 为焦距、圆心在焦点的一部分球面波波面的行为。在这一基本前提下，再加上h u y g e n s 原理及声的波动理论，就可以计算焦点附近的声压分布，从而推导出探头的几个重要的 参数的计算公式。 从使用角度看，超声水浸聚焦探头的主要参数是直径、工作频率、水中焦距、水中 焦柱直径和焦柱长度。聚焦探头的工作频率是指它处于收发兼用时所接收到的大平板反 射波或小球反射波的频谱的中心频率( 或幅值最高的频率) 值。工作频率越高，纵向分 辨率越强，半波长是纵向分辨率的极限值。 西安科技大擘硕士学位论文 i m l l l l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i i _ _ _ _ i i i i i i i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 4 1 2 超声水浸聚焦探头的焦距 超声水浸聚焦探头的聚焦原理【3 6 1 如图4 2 所示，根据几何超声学求探头在水中的焦 点位置，经过简化得探头在水中的焦距计算公式为： f = r i o c 2 ，c 1 ) ( 4 1 ) 式中：p 探头在水中的声透镜焦距，单位为m ； j 一声透镜的曲率半径，单位为m ； c 广透镜的声速，单位为m s ； 勿一水的声速，单位为m s 。 利用聚焦探头进行探伤时，声束进入工件后会发生折射，焦距随之发生变化，原理 如图4 3 所示，探头在工件中的焦距计算公式为： e = f j l 二三( 4 2 ) c 2 式中：n 探头在工件中的焦距，单位为m ； 办一工件表面至被测界面的距离，单位为m ； 臼一工件材料的声速，单位为m s 。 因此，机械扫描装置的z 轴带动探头从扫描工件表面移动的实际距离为： = e h = f 一0 + = _ 0 ( 4 3 ) 此外，值得一提的是聚焦探头的焦距随水温t 的变化而变化。将式( 4 1 ) 对温度t 求导可得： 塑：矗dcl置一必(c。-c2)dt 4 ， q c 2 。 4 超声成像检测关键技术研究 因此， ，”c ! 出- - - z _ c 2 如 - i 堡：型 型 d r c i ( q c 2 ) ( 4 5 ) 4 2 超声扫描成像技术研究 超声扫描成像技术是一种以灰度图像或伪彩色密度图像的形式显示工件内部缺陷 形状等信息的无损检测技术。数字化超声扫描成像的原理是：利用脉冲回波法，按照一 定的扫描路径对工件某一界面进行扫查，按照一定的采样间隔对超声反射回波信号进行 采样，对每个采样点采集到的电压信号进行2 5 6 级数字化处理，就得到该点的灰度值( 或 密度值) 。沿路径对该界面扫查完毕，按各采样点在工件中的位置分布排列它们的灰度 值( 或密度值) ，并保存在二维数组中，最后以图像矩阵的形式显示出来，就得到该界 面的扫描图像。 4 2 1 超声a 扫描成像方法 传统的a 扫描图像实际上是超声脉冲回波图形，如图4 4 ( c ) 和图4 5 ( c ) 所示。它是 当超声探头停留在工件上方某一点时，沿工件深度方向的回波幅值分布。其横坐标代表 超声波的传播时间，纵坐标代表回波高度即超声波的幅值。在同一均匀介质中，传播时 间与深度成正比，故由纵坐标的回波位置可确定缺陷深度。这种回波波形不能直观地显 示缺陷形态、大小等特征。 4 2 2 超声b 扫描成像方法 超声b 扫描图像实质是由二维图像矩阵组成的，呈现的是工件纵断面的图像，即超 声波入射方向上的截面图像，如图4 4 ( a ) 中虚线框所示。 b 扫描成像时，探头沿工件表面上方的直线路径扫描，获得纵断面上各采样点的回 波，将数字化后每点的灰度值( 或密度值) 作为一个元素对应存储在二维矩阵中，形成 b 扫描图像。图4 “b ) 中每一个小方块表示矩阵的一个元素，其横、纵坐标分别对应实 际物体的长度。 4 2 3 超声c 扫描成像方法 超声c 扫描图像实质也是由二维图像矩阵组成的，呈现的是工件横断面的图像，即 垂直于超声入射方向的截面图像，如图4 5 ( a ) 中虚线框所示。 c 扫描成像时，探头需要作二维运动，由于扫描图像以b m p 格式存储，而b m p 文 件是从下到上，从左到右排列的，因此本系统在扫描中采用如图4 5 ( a ) 中所示的矩形扫 描路径。显示方法和图像矩阵元素的意义与超声b 扫描相似，在此不赘述。 西安科技大学硕士学位论文 图4 4 b 扫描原理示意图 4 3 扫描图像的显示模式 图4 5c 扫描原理示意图 为了实现超声信号的二维数字化成像，我们需要以a 扫描回波波形中的数据信息为 基础，根据b 扫描或c 扫描成像方法的不同，从中提取出我们需要的数据作为图像矩 阵的组成元素。 在获得了扫描图像的二维矩阵以后，就要研究 如何将矩阵中对应的数值转化为图像显示，本系统 可实现的显示模式有两种：一种是灰度图像显示方 式，即用0 2 5 5 的灰度级表示图像，将经过2 5 6 级 量化处理后的矩阵中的数值与灰度级一一对应得到 的图像；另一种是伪彩色密度图像显示方式，即把 从0 2 5 5 的数值等分为n 个区间，给每个区间指定 一种颜色，如图4 6 所示，然后将矩阵相应位置的数 值用对应区间的颜色显示成图像。对于超声检 测，缺陷幅值一般分为8 1 0 个区问即可，区间太 多会使图像变得繁杂0 7 1 。 0m 幅值 图4 6 回波幅值和 伪彩色密度间映射关系 4 4 扫描成像软件实现的关键技术 以超声伪彩色图像成像方法为例说明如何利用l a b w m d o w s c v i 软件实现超声图像 3 0 4 超声成像检测关键技术研究 的显示。 要实现伪彩色显示首先需要建立调色板，将它与幅值划分的n 个区间对应起来，在 这里我们使用8 个区间。在i a b w 【耐o w s c v i 中使用c o l o r m a p e n t r y 结构体类型的数组 建立调色板，该结构体内包含两个成员变量：d a t a v a l u e 变量用于指定颜色对应的数值； c o l o r 变量用于指定该数值对应的颜色。我们命名数组为c o l o r m a p $ ，则使用以下语句 可定义调色板： c o l o r m a p 0 d a t a v a l u e v a l d o u b l e = o ； c o l o r m a p o c o l o r = v a l _ b l a c k ； ( 中间省略) c o l o r m a p 7 d a t a v a l u e v a l d o u b l e = 2 5 5 ； ， c o l o r m a p 7 c o l o r = v a l _ r e