（通信与信息系统专业论文）基于时间反转法的铝合金板材无损检测系统软件实现.pdf

哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 基于时间反转法的铝合金板材 无损检测系统软件实现 摘要 铝合金板材无损检测领域近年来有许多理论突破，但传统的用于研究铝 合金板材残损状况的实验平台设备多、程序复杂、成本极高，不适合广泛的 用于工业、交通运输及其它高新领域。 时间反转法能够通过将声波进行时间反转再发射实现声波的自适应聚 焦，从而判断缺陷大小、位置。本文将时间反转法与无损检测理论相结合， 通过软件编程的方法设计并实现了一个通过u s b 接口进行数据传输的铝合 金无损检测系统软件，该软件具有实用意义。 本文对时间反转自聚焦方法进行了实验研究，给出了系统的整体设计方 案，设计了软件系统的整体流程，设计了时间反转方法的软件实现，并最终 实现了铝合金板材无损检测系统软件功能。描述和分析了时间反转技术、u s b 上位机应用开发技术、m f c 框架下的程序运行机制。系统软件设计在s t m 3 2 处理器和w i n d o w sx p 操作系统下开展，系统由u s b 驱动程序、u s b 应用程 序、客户软件界面和客户应用程序等几部分构成。软件编程实现了u s b 驱动、 u s b 接口的数据传输、客户界面和具体功能模块的功能。具体功能模块有发 送波形选择模块、发送波形显示模块、数据发送模块、数据采集模块、e x c e l 数据导入及导出模块、数据分析模块、接收波形显示模块、数据处理模块及 打印模块。 经过系统整体测试，验证了本文设计的铝合金板材无损检测系统实现了 信号的时间反转功能，并且实现了铝合金板材无损检测系统所要求的其它基 本功能。 关键词铝合金；无损检测；时间反转；u s b 接口：软件设计 哈尔滨珲t 大学工学硕士学位论文 i m p l e m e n t a t i o no fn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e m s o f t w a r ef o ra l u m i n u m a l l o ys h e e t b a s e do nt i m er e v e r s a lm e t h o d a b s t r a c t a l t h o u g hm a n yt h e o r e t i c a lb r e a k t h r o u g h sh a v eb e e nm a d ei nt h er e c e n t y e a r si nt h ef i e l do fn d t o fa l u m i n u ma l l o ys h e e t ，t h et r a d i t i o n a le x p e r i m e n t a l p l a t f o r m sf o rt h es t u d yo ft h ed e s t r u c t i o ni na l u m i n u ma l l o ys h e e ta r en o ts u i t a b l e f o rt h ew i d eu s ei ni n d u s t r y ，t r a n s p o r t a t i o na n dt h eo t h e rh i g h t e c ha r e a sb e c a u s e o ft h e i rh u g ed e m a n d so fe q u i p m e n t s ，c o m p l i c a t ep r o c e d u r e sa n dh i g hc o s t s t i m er e v e r s a lm e t h o dc a na c h i e v et h ea c o u s t i ca d a p t i v ef o c u s i n gb ya c o u s t i c t i m er e v e r s a la n ds e n d i n ga g a i n ，a n dt h e nw ec a nd e t e r m i n et h es i z ea n dt h e l o c a t i o no ft h ed e f e c t b y t h ef o c u s e dw a v e i nt h i s p a p e rw ed e s i g na n d i m p l e m e n tt h en d ts o f t w a r eb yc o m b i n i n gt i m er e v e r s a lm e t h o dw i t hn d t t h e o r y t h es o f t w a r eh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o ri t ss u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o n o ft h en d ts o f t w a r ef o ra l u m i n u ma l l o ys h e e tw h i c ht r a n s f e r sd a t ab yt h eu s b i n t e r f a c e t h i sp a p e rg i v e st h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft i m er e v e r s a lm e t h o da n dt h e o v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e m ，d e s i g n st h eo v e r a l lp r o c e s so ft h es o f t w a r es y s t e m a n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft i m er e v e r s a lm e t h o da n di m p l e m e n t st h ef u n c t i o n o ft h en d ts o f t w a r es y s t e mf o ra l u m i n u ma l l o ys h e e t i ta l s od e s c r i b e sa n d a n a l y z e st h et i m er e v e r s a lt e c h n i q u e ，p ca p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g ya n d t h eo p e r a t i o nm e c h a n i s mu n d e rm f cf r a m e w o r k t h ed e s i g no ft h es o f t w a r e s y s t e mi sb a s e do nt h es t m3 2p r o c e s s o ra n dt h ew i n d o w sx po p e r a t i n gs y s t e m ， a n dt h es y s t e mc o n s i s t so fu s bd r i v e r , u s b a p p l i c a t i o n s ，c l i e n ts o f t w a r e i n t e r f a c e ，c l i e n ta p p l i c a t i o n s ，e t c s o f t w a r ep r o g r a m m i n gi m p l e m e n t st h eu s b d r i v e r , t h ed a t at r a n s f e ro ft h eu s bi n t e r f a c e ，t h ec l i e n ti n t e r f a c ea n dt h es p e c i f i c f u n c t i o n a lm o d u l e s t h es p e c i f i cf u n c t i o n a lm o d u l e si n c l u d ew a v e f o r ms e l e c t i o n m o d u l e ，s e n d i n g w a v e d i s p l a ym o d u l e ，d a t a t r a n s m i s s i o n m o d u l e ，d a t a i i 哈尔滨理工人学工学硕一l 学位论文 a c q u is i t i o nm o d u l e ，i m p o r ta n de x p o r to ft h ed a t ao fe x c e lm o d u l e ，d a t aa n a l y s i s m o d u l e ，r e c e i v e dw a v e f o r md i s p l a ym o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l ea n dp r i n t m o d u l e a f t e rt h eo v e r a l lt e s t ，w ev e r i f yt h en d ts y s t e md e s i g n e df o ra l u m i n u m a l l o ys h e e ta c h i e v e st h et i m er e v e r s a lf u n c t i o na n do t h e rb a s i cf u n c t i o n so ft h e n d t s y s t e m f o ra l u m i n u ma l l o ys h e e t k e y w o r d s a l u m i n u ma l l o y , d e f e c td e t e c t i o n ，t i m er e v e r s a l t e c h n o l o g y , u s b i n t e r f a c e ，s o f t w a r ed e s i g n i 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 1 1 课题来源及意义 第1 章绪论 本课题的题目为“基于时间反转法的铝合金板材无损检测系统软件实现， 来源于国家自然科学基金项目。 统计数据表明，随着社会进步和科学技术发展，金属板材正越来越广泛地 被应用于工业、建筑业、机械制造业、海洋运输业和航空航天事业等。铝合金 板材与传统金属板材相比具有质轻、加工性好、耐高温、耐磨、抗拉强度高、 抗氧化和抗腐蚀性能强等众多突出优点，是当今使用最广泛的有色金属合金板 材。然而板材的制作过程中容易出现分层、裂纹、折叠、夹杂等铸造缺陷，并 且由于铝合金板材耐疲劳性差，往往造成一些灾难性事故，为了避免这些事故 发生，铝合金板材的健康质量监测十分必要【。 无损检测( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 是在物理学、材料科学、机械工程、 电子学、计算机技术、信息技术以及人工智能等学科的基础上发展起来的 一门工程技术【2 1 。它是在非破坏条件下，对生产制造过程中材料、零部件 和最终产品的质量及性能进行健康检测与评定，对所生产的产品在服役期 间的使用可靠性及安全性进行评估和灾难预警的技术，又称为无损探伤 ( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ) 或无损评价( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ) 。无损检 测技术是产品安全性能检测中不可或缺的基础技术和保证产品质量的主要手 段。超声无损检测技术( u t ) 是无损检测的主要方法之一，它利用板件( 或工 件) 内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响，非破坏性地检测材料内部和表 面缺陷的大小、形状和分布状况以及测定材料性质【3 ，4 l 。 声波时间反转法是一种新兴的声学理论，是将传感器接收到的声源发射信 号进行时间反转处理后再发射出去的方法，是一种实现声能聚焦的检测方法 5 1 。 采用声波时间反转法的优势在于可以获得聚焦的兰姆波增益，使峰值更大，非 线性效果更明显。将超声兰姆波无损检测技术与时间反转法相结合，对聚焦波 形进行非线性分析可以精确判断缺陷的存在性、大小、类型和方位。电子、通 信技术的飞速发展推动着无损检测技术的进步，实现一种方便快捷的基于时间 反转法的铝合金板材无损检测系统软件有着重要的意义。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 1 2 国内外相关研究状况及发展趋势 1 2 1 超声无损检测技术和铝合金无损检测的研究和发展 2 0 世纪8 0 年代，小型化、多功能化成为无损检测仪器的发展趋势。9 0 年代 以来，各种智能检测机器人的出现形成了机器人检测的新时代。目前中国已经 拥有u t ( 超声检测) 、r t ( 射线检测) 、m t ( 磁粉检测) 、p t ( 渗透检测) 、 e t ( 涡流检测) 和a e ( 声发射检测) 材料和仪器制造商，1 0 个主要的超声波探 伤系统制造商，5 个主要的超声换能器制造商1 6 】。已有1 0 多家企业能够生产数字 家庭便携和多通道超声波探伤仪，产品支持的最高通道数为1 2 8 ，最大采样频率 1 0 0 m h z 。然而国内的仪器设备发展多致力于数字化形式和外观形式的美观小 巧，在检测应用领域的拓展方面还无法与国外产品抗衡1 7 1 。铝合金无损检测技术 是一种新兴技术。2 0 世纪末，d e b b o u z o 等人利用超声检测技术研究开发了2 0 1 7 铝铜合金焊接头自动探伤系统，该系统可以对铝铜合金焊接头进行无损检测。 2 1 世纪初，盲区小、分辨力高的大角度t r 双晶探头国内研制成功，准确检出 6 m m 一1 0 m m 厚度的铝板缺陷【8 l 。此外，建立了红外热波铝合金腐蚀检测系统，能 够识别直径3 m m 、深度1 2 m m 以上铝合金缺陷【9 1 。 1 2 2 兰姆波检测的研究和发展 实际上，当传统的横波或纵波在薄板内传播一定距离之后，由于薄板上下 表面的不断反射使得此时的超声波已不再是普通的横波或纵波，而是一种新的 超声波形式即兰姆波( l a m bw a v e ) 1 1 0 1 。与目前常规超声检测的逐点扫查法不同， 超声l a m b 波检测一次能够扫查一条线，并且激励和接收探头可置于被检测试 件的同一侧，这在很多实际应用中是十分方便的【1 。 英国力学家h l a m b 上世纪初研究无限大板中正弦波问题时，按平板自由 边界条件解波动方程，得到了一种特殊的波动解，人们为了纪念他的贡献把这 种波动命名为兰姆波，通常还将其称为板波【1 2 1 。超声探伤的发明者e a f i r e s t o n e 于1 9 6 4 年使用兰姆波对板材进行探伤获得了成功。j e o n r b e o mi h n 采用压电 陶瓷( p z t ) 片对金属结构的裂纹和分层进行了分析i ”i 。中科院声学研究所对兰姆 波传播与散射进行了观察和研究，并且用光弹方法首次对兰姆波的应力分布进 行直接观察。国内还对板材无损检测中l a m b 波的应用进行了大量研究，得到 了复合板材弹性参数变化时l a m b 波变化规律，设计了兰姆波电磁超声换能器， 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 克服了斜探头、叉指传感器只能在单一方向范围内进行无损检测的缺点，实现 了3 6 0 。方向范围内精确检测，提高了兰姆波检测能力【1 4 ，1 舶。兰姆波在导波结构 的研究上非常有用，然而由于超声兰姆波模式的复杂性和分散性，在导波中预 测时间波形的反射波形或透射波形显得非常有效。但是由于模式的转换，信号 变得相对复杂，计算量往往非常大并且只适用于明显的缺陷【1 6 1 。更重要的是因 为分散，脉冲兰姆波在板中传播持续时问长、能量衰减大，导致信噪比低1 1 7 i 。 理论研究表明，在线性和非线性介电常数已知的条件下，可以对直流电场下压 电板的超声兰姆波模式色散特性进行详细分析【1 8 】。 1 2 3 时间反转技术的研究和发展 声学时间反转法是由多个收发合置的传感器组成的基阵对入射声波进行采 样、量化、存储、时反和再发射，它所完成的这些内容可以使不均匀介质中的 入射声波在原声波发射的位置形成聚焦【1 9 1 。f i n k 等人利用压电换能器阵列开发 了超声波域的一面镜子时间反转镜，并提出了引用光学中的相位共轭镜方 法对移动或静止目标的波形进行聚焦。时间反转法最早应用于压电传感器阵 列的超声波应用开发，后来实验证明通过时间反转算子的奇异值可估计不同实 验参数【2 1 】。美国科学家研究表明当玻璃体中存在两处缺陷或者裂纹时，聚焦在 裂纹处的时反信号窄频带频谱比聚焦在远离裂纹处的时反信号窄频带频谱展现 出更高阶模式的谐波【2 2 】。巴黎大学实验研究证明了不论发射源最初处于什么位 置，介质是否均匀，利用时间反转的方法都可以使超声波聚焦瞄】。近年来时间 反转法的应用领域已扩展到除无损检测外的众多领域。医学成像及诊断治疗、 水下通信是时间反转法应用研究发展最快的领域阻1 。另外微波、超宽带雷达、 汽车通信定位、非均匀介质光声成像等领域中时间反转法的应用已经开始起至 关重要的作用 2 s z 6 l 。 中科院声学研究所汪承灏院士验证了反转镜在不需要阵列配置和介质先验 知识的情况下就可以实现白聚焦【2 7 1 。近几年来，国内时间反转技术的应用也开 始深入到超宽带通信、光声成像及医学等领域。我校已成功使用美国f l u k e 2 9 4 型可编程任意波形发生器、日本v 1 0 0 2 非接触激光振动测量仪、美国t e k t r o n i x d p 0 4 0 5 4 型可编程数字荧光示波器组成的实验系统对铝合金板材进行测试，对 超声波信号的聚焦特性、激励波波形、薄板铝合金材料缺陷及损伤的声学非线 性特性、材料缺陷及损伤位置的确定等进行了许多实验，对实验数据进行分析 并证明了采用超声兰姆波结合时间反转法能够简单有效的检测出薄板材缺陷的 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 大小、位置和特征。中科院水声研究所、哈尔滨工程大学水声工程学院一直致 力于时间反转技术在水声通信中的应用，研究表明将时间反转法应用于水声通 信可以达到提高测距精度、抗多径、抗噪声干扰的目的，实现被动检测和定位， 并且在输出信号能量强的地方表现出极好的聚焦特性【勰i 。 1 3 本文主要研究内容 板材的裂纹及孔型缺陷的检测系统的设计需要解决的问题是如何设计一种 系统，这种系统能够发射脉冲兰姆波，接收波形信号并将其进行时间反转处理 后再次发射，最后对接收波形进行成像，利用非线性声学知识分析波形从而判 断缺陷的存在性、大小、类型和方位。 本文研究的主要内容是上位机软件，将时间反转技术应用到无损检测软件。 本文以系统软件功能的实现为研究重点，首先根据项目的具体要求，查阅相关 资料，对时间反转法进行实验研究；然后进行上位机软件的整体规划并对软件 进行功能模块划分；最后针对具体的功能模块编写代码和调试软件。旨在 w i n d o w sx p 环境的v i s u a lc + + 6 0 平台下设计一种铝合金板材无损测试系统软 件，该软件具有美观且人性化的软件界面，能够通过u s b 接口识别铝合金板材 无损检测系统的硬件模块并实现数据传输，能够实现铝合金板材无损检测所要 求的信号的选择、发射和接收以及对信号的时间反转处理、波形成像和保存、 打印等功能。设计主要分为三大部分：软件界面、数据处理、u s b 驱动和数据 传输。主要进行以下方面的研究和设计： 1 对时间反转自适应聚焦方法进行实验研究，设计检测系统整体方案。 2 研究u s b 驱动开发原理，编写u s b 驱动程序并通过u s b 接口实现与 硬件设备的数据传输。 3 编写铝合金板材无损检测系统软件的客户界面。 4 设计时间反转处理的实现方法，实现时间反转处理的软件编程。 5 实现v c 调用m a t l a b 显示l a m b 波形，e x c e l 数据的导入、导出和接 收波形成像，并实现无损检测软件所需的参数设置、波形选择、保存和打印等 其它具体功能。 6 对系统进行整体测试。 。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 第2 章时间反转自聚焦方法和实验研究 2 1 时间反转自适应聚焦原理 2 1 1 时间反转的定义及基本原理 时间反转( t i m e r e v e r s a l ，简称t r 或时反) 是声互易性原理的应用之一， 时域中的时间反转在频域中表现为相位共轭，是光学中相位共轭法的引申。通 常将时间反转法按照收发单元的特点分为无源时间反转和有源时问反转f 2 9 1 。超 声无损检测中使用的时间反转法一般是有源时间反转，它是将接收到的声源发 射的时域信号进行时间反转后再发射出去的方法。时间反转声学可以实现在不 均匀介质中的声束聚焦成像，实现对位置未知的反射体的聚焦定位【3 0 i 。当有多 目标存在时，可通过反复的时间反转操作达到弱反射体聚焦退化，强反射体聚 焦依然存在的效果【3 1 】。其聚焦原理时域波形图如图2 1 所示，激励源发出一定 波形信号后，传感器接收到检测信号并对其进行时间反转后用时反信号作为激 励源再次同时加载到发射传感器，波形在介质中叠加后形成聚焦的增强信号。 瓯目。 x 7 yj 艮罟 瓯鞴。 舟c瓣c 镜 x 7 八介 1 v v 7 ， 、l 八 。vv u 接收监测信号时间反转后信号 同时到达波源位置叠加后的聚焦效果 图2 - 1 时间反转法聚焦原理图 f i g 2 - 1f o c u s i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo ft i m er e v e r s a lm e t h o d 哈尔滨理t 大学丁学硕十学位论文 时间反转镜采用收发合置传感器阵列实现对接收波形的采样、量化、存储， 并将采集到的声源波形进行时间反转后再次向声源位置发射，最后在声源位置 形成增强的声能聚焦信号【3 2 1 。理论研究表明，在自由空间中，线型阵列要得到 收敛的阵列增益响应所需的传感器个数比圆弧型阵列少，即线型阵列在传感器 个数较少的情况下就能得到收敛的阵列增益响应【3 3 1 。f i n k 等人采用6 4 阵元直线 型阵列验证了时间反转镜可在不均匀介质中实现多途补偿，修j 下畸变，形成聚 焦。用时i 日j 反转法来实现声波自适应聚焦既不需要知道介质的先验知识，又不 需要知道阵列性质和阵列结构的先验知识，信号能量增强的同时也提高了传感 信号的信噪比，被广泛用于医疗成像、碎石和无损检测等领域 3 4 1 。 2 1 2 超声兰姆波检测中的时间反转技术 兰姆波在存在缺陷的板类结构中传播时，会因为缺陷的存在发生散射和反 射现象，利用兰姆波的散射和反射特性检测损伤并确定缺陷的大致位置是近年 来无损检测研究的重点之一。超声兰姆波对于薄板无损检测具有传输距离远、 速度快的特点，非常适合薄板材的大面积无损检测【3 5 】。然而在非均匀介质中传 播的l a m b 波存在频散现象和多模式现象，使单单靠l a m b 波多次探伤的方法来进 行板类结构的缺陷检测变得非常困难。 实验研究发现，采用时间反转处理后无论来自同一阵元还是不同阵元不同 路径的信号都会同时同相加载到接收传感器，故同一时刻时间反转信号经过 f l o u r i e r 变换同相叠加将得到一个主相关峰值，即得到的频域信号为聚焦响应， 其时域信号为聚焦信号【3 6 】。根据l a m b 波特性，若彳；表示第f 阶反对称模式，s ，表 示第i 阶对称模式，当仅存在第七阶模式时，我们可以推导出聚焦信号的时域表 达式，该聚焦信号是两部分l a m b 波模式信号的相关叠加。若遍历( 叠加) 所有 传感器阵元和各阶模式信号，则第一部分信号表现为各模式信号的聚焦，构成 信号主瓣波峰，而第二部分构成信号旁瓣波峰 3 7 , 3 8 】。 2 1 3 自聚焦评价参数 聚焦增益和主副瓣比值是评价时间反转法聚焦效果的两个重要参数。若舢 为时间反转前接收器接收声波幅度最大值，4 为时间反转后接收器接收的声波 最大幅度( 实际上即为聚焦声波最大幅度) ，彳m 缸为时反后聚焦声束最大峰值， 4 s u b 为聚焦声束次大峰值，则聚焦增益g i 一2 0 1 9 ( 4 a o ) ，聚焦波形主副瓣比值 r ：2 0 l o g 一4 曲) 。 哈尔滨理t 大学t 学硕_ j 学位论文 2 2 实验研究 2 2 1 实验系统组成和实验步骤 检测系统需要解决的问题是如何设计一种系统，该系统能够发射脉冲兰姆 波，接收波形信号并将其进行非线性时间反转处理后再次发射，最后对二次接 收波形进行成像。近年来在丰厚的理论研究基础上，我们应用美国f l u k e 2 9 4 型任意波形发生器、激光非接触振动测量仪、计算机数据采集系统( 包括传感 器、l a b v i e w 图像采集器、t e k t r o n i x 数据采集卡和计算机系统) 、t e k t r o n i xd p 0 4 0 5 4 型数字荧光示波器，建立了时间反转超声检测系统，采用超声兰姆波和时间反 转方法对超声波信号的聚焦特性、激励波波形、薄板铝合金材料缺陷及损伤的 声学非线性特性、材料缺陷及损伤位置的确定进行了大量实验。实验系统组成 如图2 2 所示：计算机控制可编程波形发生器和数字示波器发送、接收和显示波 形：任意波形发生器采样率i o o m s s ，可同时输出1 、2 - - 或4 路任意波形信号，可 直接发送白带标准波形信号或通过软件编程产生波形；非接触激光测振仪测量 点的大小为2 0 j _ t m ，能够输出波长6 3 2 8 n m 的激光，精确实时地采集板内信号并 同步反馈给可编程数字示波器；可编程数字示波器的4 个独立通道均能达到 2 5 g h z 的采样速率，带宽5 0 0 m h z ，记录长度为1 0 m 点，可准确、快速将采集到 的信号传给计算机进行分析并显示成时域波形图像或频谱图。 图2 - 2 铝合金板材无损检测实验系统组成图 f i g 2 - 2c o m p o s i t i o nd i a g r a mo fn d te x p e r i m e n t a ls y s t e mf o ra l u m i n u ma l l o ys h e e t 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 实验在硬铝合金样板中进行，实验步骤如下： 1 分别用可编程任意波形发生器产生中心频率2 7 0 k h z 、幅值1 0 v 的兰 姆波、正弦波、方波、三角波作为激励信号； 2 激励信号通过2 路发送通道控制2 个发射传感器( 压电晶体) 产生压电 效应，从而将声波信号发送到待测样板中； 3 样板中的信号被激光测振仪采集后通过2 路接收通道传给数字示波器成 像并由计算机进行数据分析； 4 计算机将采集到的数据进行时间反转处理后控制可编程任意波形发生器 向发射传感器发送时反波形，重复步骤3 。 2 2 2 实验结果 兰姆波、正弦波、方波、三角波作为激励信号，各自聚焦波形如图2 3 所示： 聚焦信号聚焦洁号 i 山u l j i j h j l 一一 一1 1 几1 r - r 。丌1耵v i _ ” 时间( u s ) a ) 兰姆波聚焦波形 聚焦瞎号 一 i l j k _l h j l - 1 j 1 a , h 。l 一一f 7 ”。t r t 1 1 i np i q t r 叩 -_ k l i 山山- 。 _ tr ”| _ ? 时间( u s ) b ) 正弦波聚焦波形 聚焦信号 r- - 一虬一- u j 。l i i jl - h l l 一 。- t t 。 1 q 1 1 1 - 丌1r 。_ r 。1 1 一 t 时同( u s )时闻( u s ) c ) 方波聚焦波形d ) 三角波聚焦波形 图2 - 3 不同波形信号聚焦波形图 f i g 2 - 3f o c u s i n gg r a p h so fd i f f e r e n tw a v e f o r m s 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 以上四种波形产生各自聚焦波形的聚焦参数列入表2 1 中： 表2 1 各波形的聚焦参数 t a b 2 - 1f o c u s i n gp a r a m e t e r so ft h ew a v e f o r m s 采用波形时反前时反后聚焦波形聚焦增益主副瓣比值 最人值最人值次大值 兰姆波o 3 33 3 40 8 4 2 0 1 11 1 9 9 正弦波 o 2 02 2 81 0 42 1 1 36 8 1 方波 0 2 62 - 3 81 7 81 9 2 32 5 2 三角波 o 1 52 6 01 8 42 4 7 73 0 0 比较以上图表可以发现，四种波形进行时间反转处理后的接收波形都得到 较高的聚焦增益，但是兰姆波的聚焦信号幅值较大且主副瓣比值明显高于其它 三种波形。得到结论：时间反转技术适用于各种激励波形，而兰姆波经时间反 转处理后，聚焦信号的瓣表现较其它几种波形更清晰，有利于信号分析。 然而这套实验仪器均由美国、日本进口，造价成本高，市面上始终没有我 国自己研发使用的小型铝合金薄板材无损检测系统。 2 3 本章小结 本章首先介绍了时间反转法的基本理论、发展前景及超声兰姆波检测方法， 实际上，由于介质的不均匀性，兰姆波在介质中传播时表现出多模式和频散特 性。阐述了将时间反转法引入超声兰姆波检测的理论依据，得到了存在多模式 时超声兰姆波检测中时间反转聚焦波形的时域和频域表达式及评价参数。根据 理论分析建立了试验系统，描述了试验步骤，通过大量实验验证了实际检测中 引入时间反转法的可行性和效果，同时证明了兰姆波是所选激励信号中效果最 佳的波形形式。 哈尔滨理工人学工学硕i j 学位论文 第3 章铝合金板材无损检测系统总体设计方案 u s b 接口有着许多r s 2 3 2 接口无法比拟的优点，本章给出基于u s b 接口 和时间反转法的铝合金无损检测系统总体设计方案。 3 1 系统可行性论证和功能需求 传统的超声检测通常需要许多仪器协作完成，绝大多数无损检测仪采用 r s 2 3 2 串口与计算机进行通信，但是r s 2 3 2 接口本身体积大、兼容性差、不 支持热插拔、可扩展性能差、数据传输距离有限且速率低、易产生共模干扰等 不利因素影响其使用方便性。u s b ( 通用串行总线) 接口的出现，是计算机接 口技术的一次革命，它与传统接口相比较，具有连接简单，速度快，即插即用 的优削3 们。现在u s b 串行总线克服了传统外设独占计算机接口的缺点，已发展 成为移动存储，数码相机，m p 3 等设备的标准接口，甚至是唯一接口。 a r m 处理器是当今处理器的主流，被广泛应用到汽车电子、无线通信、数 码产品等各个领域。s t m 3 2 处理器是基于高性能、低成本、低功耗的a r m c o r t e x m 3 内核的新型3 2 - b i t 处理器，带有u s b 2 0 接口，具有1 2 b i t 精度的1 6 通道a d 转换器，双通道a d c ，l l , t s 的转换速度，在性价比、复杂度、安全性、 稳定性、运算效率、通信速率等方面都有极大优势【加】。该处理器能够满足铝合 金板材无损检测系统对通道数、数据传输速率及转换精度等方面的要求，又因 为该处理器本身带有u s b 2 0 接口和d 转换器，故只需采用一片s t m 3 2 f 1 0 3 x 为主控芯片附加常见外部电路即可完成硬件系统模块，大大简化了硬件开发的 难度。 综上所述，以s t m 3 2 f 1 0 3 为硬件系统主控芯片，采用u s b 接口与计算机 通信来发开整个系统是可行的。 铝合金板材无损检测系统用于对铝合金板材缺陷进行检测，通过对板中传 播信号的分析判断缺陷的存在性、大小及位置，从而保证铝合金板材的质量和 使用安全性，避免安全隐患的发生。该系统可用于机械制造业及航空航天事业 等中对铝合金板材裂纹和孔型缺陷进行检测。系统要求：具有u s b 接口，独立 通道数为4 个，两收两发，采样频率1 0 m s s ，能够满足中心频率为2 7 0 k h z 的 激励频率，记录长度为1 0 0 0 0 点，波形显示幅值2 0 v ，可以迅速将采集到的信 号传给计算机，计算机将信号保存并显示到波形图上，对数据进行时问反转处 哈尔滨理工人学工学硕l ：学位论文 理和再次发送、接收，具有保存图像、打开历史和打印功能。 3 2 系统总体设计 根据以上要求设计一个基于u s b 接口的铝合金板材无损检测系统，系统总 体设计框图如图3 - 1 所示：系统由便携式电脑、带有u s b 接口的检测系统硬件 模块、压电传感器和样板组成。便携电脑通过软件编程实现友好的人机界面、 控制信号数据的产生和发送、时间反转处理、绘制波形图功能；检测系统的硬 件模块由a d 数据采集、d a 数据采集和数据传输两大部分构成，实信现号的 转换和分组传输；p c 机和系统的硬件模块之间通过u s b 接口连接，控制对硬 件模块的数据传输；硬件模块与样板间通过压电晶体连接，控制将信号传入板 中或接收板中传播的信号。 p c 机 u s 系统硬件模块 c p u 转换l 4 磊聂聂乖型型 副| | 样 板 图3 1 系统总体设计框图 f i g 3 - 1o v e r a l ls y s t e md e s i g nd i a g r a m 检测系统的硬件模块通过u s b 接口与p c 机相连接时，该铝合金板材无损 测试系统对硬件模块进行驱动安装和初始化，通过计算机编程产生指定频率的 l a m bw a v e ( 由于板中传播的兰姆波模式复杂，为了研究方便，我们截取波形中 的一部分进行实验) 传送给系统硬件模块进行信号转换后发送给样板上的发射 传感器，由接收传感器将接收到的信号存储到硬件存储模块上并由计算机读取 和显示波形，上位机将接收到的信号波形经过时间反转处理后再次发射到对应 传感器实现波形的声能聚焦，检测样品中的缺陷信息会包含在响应信号中，通 过对响应信号进行采集绘图，利用时间反转的聚焦特性及有缺陷弹性波的非线 性提取出信号中所包含的缺陷信息。 霎一囊一 哈尔滨理工人学工学硕l j 学位论文 3 3 软件系统设计方案 3 3 1 软件系统基本结构 客户软件包括u s b 通信部分和软件界面及数据处理部分。u s b 通信部分由 u s b 设备驱动和数据通信组成；软件界面及数据处理部分包括人机界面、波形 信号的传输、时间反转处理、信号波形接收、绘制波形图、图像保存及打印。 软件系统的基本结构如图3 2 所示。 u s b 驱动及初始化图像保存及打印 ，上，t 无损测试软件界面绘制图形 2 上 。i i 兰姆波及发送控制数据时间反转处理控制l o 3 j6 t7 0 l u s b 数据传输 ji 4 85 9 1r ：丽天祷j：壤收i 再j 硬件模块 图3 2 软件系统基本结构 f i g 3 - 2b a s i cs t r u c t u r eo fs o f t w a r es y s t e m 系统采用u s b 2 0 接口进行数据传输，然而w i n d o w s 操作系统环境下如果 想要对硬件接口进行操作，驱动程序是必不可少的桥梁，所以编写u s b 设备驱 动程序实现u s b 接口数据通信是实现该铝合金板材无损检测系统的基础和关 键。界面设有控制按钮控制波形的选择、发送、接收和显示，用户通过点击界 面按钮指挥向系统硬件模块传送发射信号波形数据，然后将从硬件模块接收到 的信号波形数据存储并显示在波形图中，对该接收波形进行时间反转处理，并 将时反波形数据传送到硬件模块控制相应发送传感器向样板发送时反信号，最 后将最终接收到的聚焦波形信号以电子表格的形式存储到计算机上并绘制波形 图，用户可根据需要保存或打印图像。 哈尔滨理t 大学工学硕j ：学位论文 3 3 2 软件基本模块 应用软件基本模块示意图如图3 3 所示：应用软件主要包括通信模块、波 形选择模块、数据存储模块、数据分析模块、波形显示模块、图像存储模块、 打印模块和时反处理模块构成。通信模块由u s b 驱动模块、数据发送模块和数 据采集模块组成，实现u s b 通信，即u s b 设备驱动和数据传输的功能。波形 显示模块又分为接收波形显示模块、时间反转波形显示模块和聚焦波形显示模 块，能够将数据采集模块采集到的信号导出到电子表格中，再将电子表格数据 导入到v c 中，从而将板内传播的超声波形或历史波形直观的显示出来。时间 反转处理模块的原理是将首次接受波形的电子表格中数据反序显示及存储后再 次发送。 图3 - 3 应用软件基本模块 f i g 3 - 3b a s i cm o d u l e so fa p p l i c a t i o ns o f t w a r e 3 3 3 开发工具和编程方式的选择 m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o6 0 家族成员之一的v i s u a lc + + 6 0 是一款功能强大 的可视化编程工具，它以c c + + 语言为基础，与w i n 3 2 紧密相连，其支持多任 务多线程、对操作系统访问权限高、代码执行效率高、底层和应用层操作均能 使用等特点使其成为w i n d o w s 环境下软件开发工具的首选。另外，v i s u a lc + + 6 0 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 配套的m s d n 中包含了大量的技术文档和实例，提供了全面的辅助信息，可以 帮助开发人员准确拼写函数和调用语法进而提高开发效率。w i n d o w sx p 系统是 目前使用最广泛的操作系统，技术成熟、性能突出，所以本设计采用w i n d o w sx p 操作系统下的v i s u a lc + + 6 0 开发环境作为软件系统开发平台。 v i s u a lc + + 6 0 的编程方式有两种：基于w i n d o w s a p i 的c 编程方式和基于 m f c 的c + + 编程方式。基于w i n d o w s a p i 的c 编程方式具有代码执行效率高的 优点，但是这种编程方式的开发难度与工作量大导致它在程序开发中并不受欢 迎。m f c 微软基础类库是微软公司为了提高程序开发效率所开发的一套面向对 象的函数库，这个类库以c + + 类的形式封装了w i n d o w s a p i ，它是在w i n d o w s 环境下进行应用程序开发的框架，类库中的对象功能强大，完全可以完成绝大 部分应用程序中所需的功能。m f c 提供了自动生成m f c 框架向导( m f c a p p w i z a r d ) ，自动生成基于m f c 框架的源代码，这些源代码以类的方式 呈现，程序员只需在这些类中添加或修改代码来扩展框架从而完成程序的 开发，简化了程序员的开发工作。基于m f c 的c + + 编程方式代码执行效率比 基于w i n d o w s a p i 的c 编程方式略为逊色，但m f c 源代码效率较高，并且它是 通过类封装后由m f c 对象来调用a p i ，我们不必去详细了解大量的a p i 函数， 也不需要关心对象方法的实现细节，这样就降低了开发难度与工作量，成为 w i n d o w s 应用程序开发的主流方式。程序与w i n d o w s 系统之间运作机制如图3 4 所示。 图3 - 4 程序与w i n d o w s 系统之间运作机制 f i g 3 - 4o p e r a t i n gm e c h a n i s mb e t w e e np r o g r a m sa n dw i n d o w ss y s t e m 1 4 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 u s b 接口具有很高的传输速率、极好的可扩展性和兼容性，同时支持热拔 插且使用便捷，因而成为最受消费者青睐的接口方式。由图3 4 可以看出，u s b 设备的证常运行需要以驱动程序作为支持，简洁高效的驱动程序的开发也就成 为u s b 设计的关键【4 1 1 。 目前，在w i n d o w s 平台下，开发驱动程序可以使用3 种方式：m i c r o s o f t 的 d d k ( d e v i c e d r i v e r sk i t ) i 具；k r f t e c h 公司的w i n d r i v e r 工具；c o m p u w a r e 公 司的d r i v e r s t u d i o 工具。使用d d k 开发驱动程序工作量相当大，过程繁琐，需 要耗费大量的精力和时间。w i n d r i v e r 作为简化的驱动开发工具可以快捷的创建 驱动程序框架却无法细致的刻画驱动程序。d r i v e r s t u d i o 的d r i v e r w o r k s 可以用 于w d m 驱动程序开发，利用c + + 语言高效、细致、精确的刻画驱动程序的每 一个细节，在驱动开发中获得广泛应用。d r i v e r s t u d i o3 2 对大部分u s b 设备驱 动所必须的基本框架进行了封装，开发者只需要对其进行直接修改和添加配置 就可以完成功能设备驱动程序的设计。因此系统的u s b 驱动及数据传输部分选 择在v i s u a lc + + 6 0 + w i n x pd d k4 - d r i v e r s t u d i o3 2 环境下开发，实现上位机 和下位机的数据通信。 3 4 本章小结 本章主要介绍了系统设计的总体