（机械制造及其自动化专业论文）虚拟涡流检测仪的信号采集与处理.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的进步，现代社会对检测技术的要求越来越高，对仪器的性能 要求也越来越高。钢零件是机械传动中的基础件，用量巨大，在很多使用钢零件 的场合，对质量要求“零缺陷”但是目前，检测主要依赖检测人员的经验，工作 量大，效率低。受主观因数影响大。因此，研究检测方法及开发一套行之有效的 数据采集和分析处理软件具有重要的意义。针对上述状况，本文通过对钢的表面 裂纹无损检钡4 方法研究，提出了基于虚拟仪器的电涡流无损检测方法，并据此来 研制钢材的表面裂纹检测系统。 其主要成果如下： 1 电涡流检测是五大常规无损检测方法之一，检测方便、快捷。通过对无损检 测方法进行分析与比较，在几种方法中优选了电涡流检测方法，用于钢零件的裂 纹检测，并提出了基于虚拟仪器的电涡流无损检测方法 2 将虚拟仪器技术引入到本课题，完成了检测系统的软件设计，实现了涡流信 号的采集、分析与显示技术。 3 对现代信号处理技术进行了研究与借鉴，使用滤波和小波对信号实现了各种 噪声的降低和消除。利用小波分析将信号的商低频成分分开，使得在消除噪声方 面有着显著的效果。文中还详细的介绍了如何在l a b v i e w 中使用m a t l a b 工具箱中的 小波对信号分析，并且在获取特征值后，利用神经网络对样本进行区别。 通过上述的工作，最后对缺陷零件进行正确判断。 关键词：虚拟仪器，信号处理。小波，涡流检测，人工神经网络 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t 釉t h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm o d c n lt e c h n o l o g y , t h ed e m a n df o r m e a s u r i n gt e c h n o l o g ya n d 钯s 血l ge q u i p m e n ti sr a i s i n g t h es t e e l - c o m p o n e n t sa r ct h e b a s i cp a r t si nm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o na n du s e dl a r g e l y , i nm a n yw a y s ，t h e z e r o - d e f e c t i v ei sd e m a n d e do nt h eq u a l i t yo fs t e e l - c o m p o n e n t s a tp r e s e n t , t e s t i n g m a i n l yr e l i e so bt h ei n s p e c t o r s e x p e r i e n c e s t h i se v a l u a t i o nm e t h o di st e d i o u s ，l o w e f f i c i e n t , s i m u l t a n e o u s l yi sa f f a 曲e db yt h es u b j e c t i v ef a c t o r si ng r e a td e g r e e t h e r e f o r e ， t h er e s e a r c ho nt h em e t h o do fd e f e c tt e s t i n ga n dd e v e l o p m e n to f 锄e f f e c t i v e8 0 觚r a l o s y s t e mf o rg a t h e r i n g , a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gh a sv i t a ls i g n i f i c a n c e a i n 恤ga tt h e a b o v e - m e n t i o n e dg i r o u m s t 缸o e b ym e 黜o ft h er e s e a r c ho ft h en o n d e s w a c t i v e d e c e c c i o no bt h es t e e l - c o m p o n e n t s s u r f a c ef l a w , i th a sb e e np u tf o r w a r dt ot h ew a yo f t h ee d d yc u r r e n tn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gb a s e d 姐t h ev i r t u a li l 塔n l l m e mt od e v e l o pt h e s t l - c o m p o n e n t s 鞠卫慨f l a wd e t e c t i n gs ) r s t e m m a i nw o r ka sf o l l o w s ： 1 - e d d yc u r r e n tt c 啦i so n eo ft h ef i v em a j o rr o u t i n en o n d e s t r u c t i v et e s t i n g m e t h o d s ，a n di ti sc o n v e n i e n ta n dh i g h l ye f f i c i e n t b ym 嘲so ft h er e s e a r c ha n d a n a l y s i so f t h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n g , t h ee d d yc u r r e n tt e s 血gi sc h o o s ea m o n g s e v e r a l d e 雠f i n gm e t h o d sa n du s e dt od e t e c tt h es t e e lo fc o m p o n e n tp a r t s d e f e c t s oi ti sp u t f o r w a r dt h a tt h ee d d yc u r r e n tn 眦i d 佃廿v et c s 血培w h i c hb a s e do nt h e 、，i r 讥a l i n s t r u m e n tt od e v e l o pt h es t e e l - c o m p o n e n t s 羽j r f hf l a wd e t e c t i n gs y s t e m 2 d e p e n d i n go nt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s m u n e n t ，t h ed e t e c t i o ns y s t e mh a s b e e nd e s i g n e d i ti sc a p a b l eo ft h es y s t e m sd a mg a 血c r m aa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g , d i s p l a y i n ga n ds oo i l 3 b ys t u d y m ga n dr e f e r e n c i n gt h em o d 啪s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , f i l t e r i n g a n dw a v e l e ta l bu s e do nw a v ed e d u c i n gn o i s e s b e c a u s ew a v e l e ta n a l y z e 啪d i v i d e i n t oh i g h 舶嗍a n dl o wf r e q u e n c y ，i ts h o w sap r o m i n e n c ee f f e c ti nd e - n o i s e 啦 p a p e ri n t r o d u c e st h e 切= o 鼹o f h o wt ou 5 e w a v e l e tm a r l a bt o o l b o x e st oa n a l y z es i 罂1 a l i nl a b v i e wt o o a f t e rg e t t i n gc h a r - t e d s f i cv a l u e 。i ti sd i s c d m i n a t e ds p e c i m e no ft h e s t e e lb ya r t i f i c i a ln g u r a ln e t w o r k b yt h ea b o v ew o r k , i tc a nt e l lt h ed e f e c ts t e e l - c o m p o n e n t sa tl a s t k e y w o r d s ：v l r t u a li n s m 衄e n t , e d d yc u r r e n tt e s t i n g , s i 印l a lv r o c e s s i n g ， w a v e l e t , a r t i f i c i a ln g i n - a ln e t w o r k n 讯 j l 亡工繁火港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：、锶辫，日期：2 一7 年毛月1 - v 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、便用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文作者签名：鱼i 坼喜导教师签名：了之乏问 一1 一 日期：x 弦婷 月( 日日期：“净6 月，l ，日 、| 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究的目的和意义 随着经济的发展，钢成品、钢零件是企业不可缺少的生产或消费部件，部件 的质量很大程度上是取决于钢材的质量现在。用户对产品的可靠性要求越来越 高，特别是在汽车、航空、国防、精密仪器等要求可靠性的高的领域，要求产品 达到“零缺陷”我国钢制品制造企业采用的人工按比例抽测的方法，已经远远不 能适应用户的要求，因为用户要求1 0 0 9 6 产品都必须符合质量要求，必须对整个产 品进行全检；用户不但要求表面质量，如杜绝表面裂纹、黑点、划伤、空洞小碰 伤、小擦伤等明显伤痕，而且对内部的质量( 如裂纹) 也有严格的要求，以满足整 个系统的可靠性“1 。仅靠人工完成这一工作量。劳动强度大、成本高、漏检错检率 大，不适合现在企业生产的要求如何低成本对产品进行全检成为了需要迫切解 决的难题。 通过对钢零件如钢材、钢球、钢轨等无损检测的研究，使用电涡流检测、小 波去噪、神经网络判断等先进方法开发出无损检测仪，降低检测设备的价格，使 该技术在应用得到全面推广从而提高企业钢产品的市场竞争力，提高产品的附 加值。 1 2 常规无损检测方法归纳及比较 所谓无损检测( n o nd e s t r u c t i v et e s t i n g 或n o nd e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ， 简称n d t 或n d e ) ，又称非破坏性检测，是以不损害被检测对象的使用性能的情 况下，应用多种物理原理和化学现象，对各种零部件、结构、工程材料进行有效 她检验和测试评价它们的完整性、连续性、安全可靠性及其某些物理性能。包 括探测材料或构件中是否有缺陷，并对缺陷的形状，大小、方位、取向、分布和 内含物等情况进行判断；还能提供组织分布、应力状态以及某些机械和物理量等 信息协”。 1 2 1 传统的简单检测方法 1 观察法( 直观检验) ：检查人员用眼睛或借助放大镜等观测零件表面的裂纹、 磨损、腐蚀等情况其准确程度与检验人员有关，易受人为干扰。 湖北工业大学硕士学位论文 2 测量法：分直接测量和间接测量。通过千分尺、干分表、塞尺等工具测量 检测零件的磨损和腐蚀情况等。 3 昕响法：其工作原理是通过敲击零件，根据零件发出的声音来判断零件有 无缺陷。如；声音清脆，表明零件完好；声音沙哑，表明零件内部有缺陷。这方 法只能进行定性分析，完全依赖于检验人员的经验。 4 。液压试验法：对要求具有较高密封性的零件进行液压或气压试验。通过检 查表面有无渗漏现象，来检查表面有无穿透性裂纹等。试验用液体可用水或油， 也可用空气，依有关要求而定。 1 2 2 现在的常规检测方法 目前，常用的无损检测的方法有：射线检测、超声波检测、涡流检测、磁粉 检测、液体渗透检测等。从国外前些年出版的文献资料中可以看到无损检测技术 的资料发表，五类常规无损检测方法的文献约占全部文献数的7 l 到7 3 ，涡流 检测占全部文献数1 3 踟，并且近年来呈上升的趋势。 1 射线检测是五种常规无损检测技术之一。当射线( 即电磁辐射或粒子辐射) 透过被检物体时，有缺陷部位与无缺陷部位对射线吸收能力不同( 以金属物体为 例，缺陷部位所含空气或非金属夹杂物对射线的吸收能力大大低予金属对射线的 吸收能力) ，透过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位的射线强度，选用合适的 检测器( 主要是射线胶片) 拾取射线照射被检试件所形成的透射射线强度分布图 像，依据所得到的图像判断试件中是否存在缺陷。其缺点是：只适宜检验体积型 缺陷，即具有一定空间分布的缺陷，特别是具有一定厚度的缺陷；检验成本高：射 线照相检测对裂纹类缺陷有方向性限制；需考虑安全防护问题。 2 超声检测是一种利用超声波在介质中传播的性质来对试件进行宏观缺陷检 测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征。其缺点是：使声源 在试件中传播需要耦合剂；试件的形状不能太复杂；只能对试件的缺陷定性表征。 3 磁粉检测是用于检测铁磁性材料( 包括铁、镍、钴等) 表面或近表面的裂纹 以及其它缺陷当被磁化的铁磁性材料表面或近表面存在缺陷( 或组织状态的变化) 从而导致该处的磁阻有足够的变大时，在材料表面空间可形成漏磁场，将微细的 铁磁性粉末( 磁粉) 施加在此表面上，漏磁场吸附磁粉形成磁痕显示出缺陷的存在 及形状。其缺点是：只能用于铁磁性材料；对表面缺陷最灵敏，随深度的增加检 测灵敏度迅速下降；只能作定性的分析；对试件表面光洁度要求严格，不能有油 污或者粘附物：磁粉也可能对环境造成污染。 4 液体渗透检测法是检验非疏孔性金属和非金属试件表面上开口缺陷的种 2 湖北工业大学硕士学位论文 无损检测方法。将溶有荧光染料或着色染料的渗透力比较强的液体施加在试件表 面，利用液体对微细孔隙的渗透作用，将液体渗透到各种类型开口于表面的细小 缺陷中，然后用水和清洗液清洗材料或试件表面的剩余渗透液，将显示材料喷涂 在被检试件表面，在黑光或自光下观察，缺陷处可分别相应地发出黄绿色的荧光 或呈现红色，用目视检验就能发现。其缺点是：只能定性的检出试件开口于表面 的缺陷；工序比较多；检测效果多凭检验人员经验，易受人为因素的影响；渗透 液可能对环境有污染 5 涡流检测是以研究涡流与试件的相互关系为基础的一种常规无损检测方 法。当载有交变电流的检测线圈靠近导电材料时，由于线圈磁场的作用，材料中 会感生出涡流。当材料有裂纹时，会使涡流场发生畸变，最终会导致检测线髑的 阻抗发生变化。通过测定检测线圈阻抗的变化，可以得到被检材料有无缺陷的结 论 与其他无损检测方法比较，涡流检测的主要特点有：对导电材料表面和近表 面缺陷的检测灵敏度较高；应用范围广。对影响感生涡流特性的各神物理和工艺 因素均能实施检测；在一定条件下，能反映有关裂纹深度的信息；可在高温、薄 壁管、细线、零件内孔表面等其他检测方法不适用的场合实施检测；不需用耦合 剂，易于实现管，棒，线材高速、高效的自动检测扼町因此，涡流检测是一种重 要的无损检测技术，在实际中得到广泛的应用 近几年来，涡流检测技术有了较快的发展，尤其在检测金属材料的裂纹、腐 蚀等方面。但长期以来，由于涡流信号包含了较为复杂的变量关系，它阻碍了涡 流检测技术的发展，然而随着计算机技术和信号处理技术，尤其是虚拟仪器技术 的迅速发展，又大大的促进了涡流检测技术的发展。 本课题要求的是在线检测规则钢零件的表面裂纹，检测速度要求较高。通过 对五种常规无损检测方法分析与比较后，得出选用电涡流技术来检测钢材表面裂 纹是很合适的。 1 3 涡流检测概述 1 3 1 涡流检测原理 涡流检测是建立在电磁感应原理之上的一种无损检测方法，它适用于导电材 料交变电磁场中的金属或导电材料，会因交变磁场的作用而产生涡流。如果把 一块导体置于交变磁场之中会使交变电磁场发生畸变，在导体中就有感应电流存 在，即产生涡流由于导体自身各种因素( 如电导率、磁导率、形状、尺寸和缺 3 湖北工业大学硕士学位论文 陷等) 的变化，会导致感应电流的变化。相同的材料，一个有缺陷，一个无缺陷 时，交变电磁场的畸变也不会相同。畸变后的交变电磁场会影响激励交变电磁场 的线圈中的电流振幅和相位的数值或激励交变电磁场的电极中的电压振幅和相位 的数值。根据交变电磁场的分析与计算，可以看到振幅和相位的数值变化，可分 辨出材料中的缺陷。 简单地说，涡流无损检测的原理为：当载有交变电流的检测线圈靠近导电试 件时，由于线圈磁场的作用，试件中会感应出涡流，涡流的大小，相位及分布受 到试件导电性等性能的影响，涡流又反作用于线圈，使检测线圈的阻抗发生变化 通过测定检测线圈阻抗的变化j 就可以知道被测试件的导电性能和试件是否存在 缺陷等信息。利用这种现象而判知导体性质、状态的检测方法，叫做涡流检测方 法n 帕。 1 3 2 涡流检测的应用 ( 1 ) 位移的测量 可对某些旋转机械的轴向位移测量利用电涡流原理还可以测量诸如汽轮机 主轴的轴向位移、电动机轴向窜动、磨床换向阀、先导魍的位移和金属试件的热 膨胀系数等。 ( 2 ) 振动的测量 电涡流式传感器可以无接触地测量各种振动的振幅、频谱分布等参数能够 在汽轮机、空气压缩机中用电涡流式传感器来监控主轴的径向、轴向振动，测量 发动机涡流叶片的振幅等方法 ( 3 ) 转速测量 在转轴上开k 个槽( 或齿) ，测量时需在被测体加工一个或多个凹槽或凸键标 记，一个凹槽或凸键标记产生每转一个脉冲的信号。用计数器对脉冲计数时，如 果每秒钟计数n 个，标记的数量或者齿轮的齿数为k 个，则转速v 按下式计算： y ：! 鱼! 兰丝( r m i n ) k ( 4 ) 镀层厚度测重 用电涡流传感器铡量塑科表面金属镀层的厚度，以及印刷线路板铜箔的厚度 等。 ( 5 ) 电涡流式通道安全检查门 在安检门出入口检测系统，可有效地探测出枪支、匕首等金属武器及其它大 件金属物品 4 湖北工业大学硕士学位论文 ( 6 ) 电涡流表面探伤 利用电涡流传感器检查金属表面( 己涂防锈漆) 的裂纹以及焊接处的缺陷等 此即为本论文所讨论的问题“” 1 4 本课题研究的主要内容 目前电涡流检测已经广泛应用，并且已有很多成功之例。在利用电涡流进行 金属管( 棒) 材表面裂纹检测也已经取得了许多经验，但是如何更经济更准确的应用 涡流检测这一原理还待进一步的提高。本课题对这一项目认真研究考虑后，认为 主要的关键问题有： 1 电涡流信号的采集 使用虚拟仪器方法，搭建系统平台方便快捷的对信号进行采集，并利于下一 步的分析和结果显示 2 检测信号的处理 因为测量信号是一个模拟电压信号，所以要进行采样、截断等预处理，将其 变成关于每个样本的数字信号。此外，信号比较微弱，影响因素很多，干扰严重， 硌须采取滤波、小波分析等有效的方法，对信号进行去嗓处理，最大限度的消除 误差。 3 缺陷信号特征值的提取 测量信号只从处理过的检测数据很难做出解释，还要提取它的特征值来进行 表征。可以采用数字滤波的手段，通过对比有、无裂纹的样件滤波后的不同情况， 来进行缺陷识别。 4 基于神经弼络的识别 对采集到的信号必须进一步分析和处理后，对样本进行识别。样本中的缺陷 识黝有很多方法。在这里用小波对与神经网络福结合的方法，鄞采集弱的信号用 小波处理得到特征值，获得所需的样本后，通过样本训练神经网络。用训练好的 神经两络对样本识别，并用验证样本进行检验 5 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章虚拟涡流无损检测仪工作原理 一个正在高速发展的社会，要在有限的时空内实现大量的信息交换，随之而 来的是信息密度急剧增大因而在研究和生产过程中要求电子系统对信息的处理 速度越来越高，功能越来越强。各种检测仪器种类繁多，大多的仪器不仅价格昂 贵、体积大、占用空问、而且面对不同厂家生产的设备，需要学习不同设备的使 用方法。另外，仪器互联通信也十分繁琐，而其使用效率及利用率往往都较低， 硬件也存在较大的冗余。在先进的测控系统中，不仅希望设备能够单独进行测试， 还希望他们之间能够互相通信，构成测试系统，甚至是测试网络系统，实现信息 共享，以便对众多的被测信号进行对比、综合和自动分析、从而得出准确的判断。 这是电子行业本身给测试设备提出的要求，传统的测试仪器在此方面受到很大的 限制。 随着科技的发展，新的技术不断出现。电子技术和计算机技术在各领域各学 科得到广泛的应用，仪器与计算机技术的结合开始了测量仪器的新时代，产生了 全新的仪器概念虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 。它使原来部分由硬件完 成的功能，现在能由软件实现，使得测试仪器与计算机之间的界线消失，并提出 了“软件就是仪器”的概念虚拟仪器是现代计算机技术、通信技术和测量技术 相结合的产物。它从根本上更新了仪器的概念，具有传统仪器无法比拟的优势。 它的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信 息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。 随着市场的需求和相关技术支持下，虚拟仪器技术得到迅速的发展。虚拟仪器已 有3 0 年左右的历史，在发达国家已被广泛应用于通信、半导体、交通、生物医学 和工业自动化等领域。近年来，我们国家的虚拟仪器技术的应用也有了很大的发 展m 2 1 虚拟仪器简介 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具 有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机系统。其实质就是利用计算 机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果， 利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用i 0 接口设 备来完成信号的采集、测量与调理，使其成为完成各种测试功能的一种计算机仪 6 湖北工业大学硕士学位论文 器系统。虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。 ( 1 ) 虚拟仪器面板上的各种“仪器图标”与传统仪器面板上的各种“器件” 所完成的功能是大抵相同的由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的 “通”、“断”，实现被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，以及实 现测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。 传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作 的。虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放 大”等动作所完成的功能是通过用户操作计算机鼠标或键盘点击打或旋转面板上 的“仪器图标”来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆 放所需的图标，然后在框图中进行程序编写 ( 2 ) 虚拟仪器的测量功能是通过在框图( b l o c kd i a g r a m ) 中对图形化软件 流程图的编程来实现的。 虚拟仪器是在以p c 为核心组成的硬件平台支持下，通过控件模块( c o n t r o l s p a l e t t e ) 和函数模块( f u n c t i o np a l e t t e ) 等软件编程来实现仪器的功能的。我 们可以通过对不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能嘲。 2 1 1 虚拟仪器的特点 虚拟仪器测试系统由三大功能模块组成：信号的采集与控制、信号的分析与 处理、结果的显示与输出，即由完成数据采集功能的硬件部分和完成数据分析处理 功能的软件部分组成。硬件部分一般为各种形式的数据采集设备，将采集到的各 种形式的信号转换为电信号后输入到计算机内计算机通过软件实现从计算机的 各种接口中读取数据，并用软件实现信号分析处理的过程，并将处理结果显示出 来。 虚拟仪器是在计算机的基础上完成各种测试分析功能的一种计算机化仪器系 统。它将计算机资源和数据采集卡及用于数据采集、信号分析、图形用户界面的 应用软件，有效地结合起来进行数据的分析测试。与传统仪器相比，虚拟仪器有 以下几个特点。 ( 1 ) 虚拟仪器的软、硬件具有开放性、模块化、重复使用及互换性等特点 设计的仪器所要完成的功能由用户自己定义，基于计算机技术开放的功能模块可 构成多种仪器： ( 2 ) 面向应用的系统结构，可方便地与网络外设、应用程序等连接； ( 3 ) 展开图形操作界面，由计算机完成读数并分析处理； ( 4 ) 数据可编辑、存储、打印； 7 湖北工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 基于软件体系的结构，大大节省开发维护费用且技术更新快； ( 6 ) 价格低廉( 是传统仪器价格的五至十分之一) 2 1 2 虚拟仪器的构成 ( 1 ) 计算机 计算机是虚拟仪器硬件平台的核心。 ( 2 ) i o 接口设备 它主要完成被测试输入信号的采集、放大和模数转换。这里采用数据采集卡。 ( 3 ) 软件 软件部分分为两部分。一为用户编写的应用程序，一为i o 接口的驱动程序。 目前开发虚拟仪器的软件有v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b v i e 阿等嘲 2 1 3 数据采集系统的构成 在工程技术应用和科学研究中，数据采集和处理系统是最常用的虚拟仪器。 数据采集系统通常包括以下部分： ( 1 ) 个人计算机； ( 2 ) 传感器： ( 3 ) 信号调理板： ( 4 ) 数据采集卡： ( 5 ) 应用软件；如图2 - 1 ： 现场信号、传感器 执行机构 冀嚣望 放大、卜j 磊 过滤等)ii ”4 2 图2 - 1 数据采集控制系统框图 2 2 涡流检测分析 2 2 1 涡流检测的阻抗分析 数据采集控 制软件 在涡流检测中，被检试件自身各种因素( 如电导率，磁导率，形状，尺寸和 缺陷等) 的变化，会导致感应电流的变化，最后反映在检测线圈的阻抗或次级线 圈感应电压的变化。而且各因素对阻抗或电压的影响程度各不相同，因此为了了 8 湖北工业大学硕士学位论文 解涡流检测中被检对象的某些性质与检测线圈的电气参数问的联系，就需要对检 测线圈进行阻抗分析“1 阻抗分析法是以分析涡流效应引起的线圈阻抗及其相位变化之间的密切关系 为基础，从而鉴别各影响因素的一种分析方法从电磁波传播的角度来看，这种 方法实质上根据信号有不同相位延迟的原理来区别试件中的不连续性。因为在电 磁波的传播过程中，相位延迟是与电磁信号进入金属中的不同深度和折返回来所 需的时间联系在一起的。阻抗分析法直到目前仍是涡流检测中应用最广泛的一种 方法。在阻抗分析法的发展过程中，由于傅斯特的开拓性工作和实用化资料的积 累，在一般的实际应用中，以傅斯特建立的阻抗分析法表述较为著称“。 1 线圈的阻抗分析 在涡流检测过程中，检测线圈与被检对象之间的电磁联系可以用两个线圈的 耦合来类比。如图2 2 ，设通以交变电流的初级线圈( 检测线圈) 的自身阻抗为z ， 当初级线圈与次级线圈( 被检对象) 相互耦合时，由于互感的作用，闭合的次级 线圈内会产生感应电流；反过来，这个感应电流又会影响到初级线圈中的电流和 电压的关系，这种影响可以用次级线圈中的阻抗通过互感折合到初级线圈电路的 折合阻抗来体现。 如 图 1 j 图2 - 2 耦合线圈电路 用交流电路的分析方法，可以求得耦合线圈中互感电路中初级线圈的视在阻 抗： z t 7 咄+ 而6 0 2 m 砸2 玛+ 扣一毒码卜+ 弘 协， 式中为交变电流的角频率； ；裔( 如一，翻岛) 为次级线圈通过互感肘折合到初级线圈上的等效阻抗 引入了视在阻抗的概念，就可以认为初级线圈中电流或电压的变化，是由于 电路中的视在阻抗的变化引起的，这样只要根据这种阻抗变化就可以知道次级线 9 湖北工业大学硕士学位论文 匿l 对初级线圈的效应。从而确定被检试件的某些性质h 4 ”。“。 2 阻抗平面图 如果把次级线圈开路，即局_ ，则由式( 2 - 1 ) 可以得到初级线圈的空载 阻抗； z 1 7 = z l = r l + _ ，鸸 如果次级线圈r 2 _ 0 。则由式( 2 - i ) 可得 z 。7 = r i + ，鸸o 一茁2 ) k 2 = 厶 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 在岛从逐渐变为0 的过程中。可以得到一系列相对应于视在阻抗的两个分量( 即 视在电阻, e s 和视在电抗j 名= 翻正) 的值，将其描绘在以视在电阻磁为横轴，视在 电抗x s 为纵轴的坐标平面内，就可以得到如图2 _ 3 所示的一条圆曲线，这就是所 谓的阻抗平面图。 z ， 鸸 鸠( 1 一置2 ) 图2 - 3 阻抗平面图 3 归一化阻抗平面图 虽然阻抗平面直观的反映了被检对象阻抗的变化对初级线圈视在阻抗的影 响，但是半圆形的位置与初级线圈本身的电参数、两个线圈之间的耦合系数以及 电流的频率有关。为了消除初级线圈自身阻抗的变化对圆曲线轨迹位置的影响， 需要对图2 - - 3 进行归一化处理。如果把坐标纵轴的位置向右移动墨的距离，随 后将新的曲线坐标除以缸，这样得到的轨迹半圆的直径重合于纵轴，半圆上端坐 标为( o ，1 ) ，下端坐标为( o ，1 一k 2 ) ，半径为k 么于是这个圆的存在仅仅取决于耦 合系数鬈，曲线上点的位置依然取决于参变量恐( 或k ) 。图2 - 4 即为经过归一 l o 湖北工业大学硕士学位论文 化处理的线圈阻抗轨迹。经过归一化后，电抗和电阻都是无量纲的量，而且都恒 小于l ，由该方法得到的阻抗平面图消除了初级线圈自身阻抗的变化对z 1 7 的影响， 在涡流检测中具有通用性“旧 x i 鸠 l 1 一k 2 o 足2 r 。一丑。 一= i 2 鸩 图2 - 4 归一化阻抗平面图 2 2 2 影晌涡流无损检测的指标 ( 1 ) 激励频率f 激励频率f 表示为检测线圈的频率。频率的高低决定着检测的深度 ( 2 ) 标准透视深度6 通常定义为材料内部涡流密度为表面涡流密度的i e 的深度为标准渗透深度 1 其数学表达式为万= ，= ；一式中，f 为激励信号频率，o 为材料的电导率，l i 为材料 q 码妒 的磁导率。 渗透深度6 定性地反映了涡流检测深度，6 大，涡流渗透大，可检测的深度 相应也大。反之则小。但6 并不是涡流检测所能达到的最大深度，涡流检测的最 大深度可达6 的三倍左右，在这个深度上，涡流密度仅为表面密度的5 ，这时检 测灵敏度已经很低，超过这个深度，涡流检测就显得无能为力了。因此，6 是选 择试验频率的一个重要依据 ( 3 ) 提离效应 探头与试件之间的距离称为“提离”，它对阻抗产生的影响称为提离效应。 ( 4 ) 边缘效应 湖北工业大学硕士学位论文 当检测线圈接近试件的边界或端面时，涡流被追改变流动路径，导致线圈的 阻抗变化，即产生边缘效应。该效应严重影响了祸流检测在边缘附近区域的正常 使用。 ( 5 ) 探头线圈 探头线圈是涡流检测仪器的重要组成部分，它是涡流探伤中把由导体厚度、 裂纹等引起的磁场变化量转化为易测量的阻抗变化量的传感器。探头线圈的灵敏 度、分辨率、准确度直接影响到涡流探伤的成败和可靠性。为了提高空间分辨率， 采用激励与接收线匿分离式的探头是较好的选择帆伽 2 3 虚拟涡流无损检测仪的硬件 在本课题中，硬件设计部分较少，但是在整个检测系统中，仍然占有很重要 的地位，主要集中在信号采集的前面部分图2 5 是样件检测模式图 2 3 1 激励信号源的选用 检验样件 图2 - 5 样件检测模式图 电涡流无损检测中。信号频率对检测效果的影响很大。因为信号频率不稳定 将给后继电路对信号的处理带来极大的困难，甚至使得电涡流检测无法进行，所 以必须保证信号频率在检测过程中恒定不变。激励信号源是整个检测系统的信号 源，它的信号频率是否稳定将对整个检测系统的工作起着十分关键的作用。 为了保证系统在大部分的场合及环境下使用，选择的激励信号源应该有多种 输出选择，例如方波信号，正弦波信号等等。当选择方波信号进行多参数测量时， 与正弦波相比，相同幅值的信号会有不同的灵敏度。这是因为方波信号可以看作 是不同频率的正弦波的叠加，多参数测量时只是选择方波信号中的某些谐波作为 激励信号，能量比单独的正弦波作为激励信号要小，这样导致灵敏度会降低。为 了保证有较高的灵敏度，以及提高系统的信噪比，要求激励源应该可以在幅值方 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 面有较大的可调范围。另外，由于激励源的频率过高，会导致“集肤效应”，过低 会导致灵敏度下降，这就要求激励源的频率可以调整，在检测时能够选择最佳频 率，保证系统在最佳的检测状态。 根据以上的分析，激励源选择已经封装好了的信号发生器，其幅值与频率可 调范围很大，并且波形很稳定，可以选择不同的激励波如方波，正弦波等“蝴。 2 3 2 外围电路的选择 涡流传感器输出信号电压值比较小，因此为了提高后续信号处理的灵敏度及 信噪比，需要在其后加入电压放大电路以提高含有待测参数信息的有效信号幅度。 图2 - 6 为外围电路图： 图2 - 6 外围电路图 本电路分为四个部分：输入、放大、检波、输出。 2 3 3 传感器( 探头) 的选择 电涡流传感器的传感元件是一只线圈，俗称为电涡流探头。由于被检测样件 的形状不同、检测部位的不同，所以检验传感器的线圈形状与接近样件的方式也 不尽相同。线圈结构大多用多股较细的绞扭漆包线( 能提高q 值) 绕制而成，置 于探头的端部。外部用聚四氟乙烯等高品质因数塑料密封。表2 - 1 为c z f - 1 系列 电涡流探头的性能： 湖北工业大学硕士学位论文 表2 - 1c z f - 1 系列传感器的性能 线性范围线圈外径分辨力线性误差使用温度 型号 f a t m姗( )。c c z f l - 1 0 0 01 0 0 0士71 3- 1 5 , - , + 8 0 c z f i - 3 0 0 03 0 0 0扪53 3- 15 , , - + 8 0 c z f l - 5 0 0 05 0 0 0小2 8 5 3- 1 5 , , - + 8 0 图2 - 为涡流传感器外形，可检测平整样件。 图2 - 7 涡流传感器外形 常规的涡流检测操作常常应用环形或螺线管检测线圈系统。若检验样件为球 形，这种装置可能因部分检测对象远离激励线圈的绕组而导致激励线圈与检测对 象材料之间电磁耦合不良，对于特定的场合，可以使检测线圈组件的形状精确地 符合检测对象的外形。从而保证良好的电磁耦合图2 8 表示的是在对球形样件 的比较检测时所采用的三种基本的检测线圈形状。 在涡流检测过程中，短螺线管与长短螺线管线圈的区别在于填充系数的不同， 短螺线管填充系数可以为1 ，而长螺线管填充系数总小于1 。由于基本阻抗或复平 面图通常作为相应于1 0 0 的充填系数，因此，为确定球状检测试样的基本阻抗图， 应选用短螺线管线圈，或者球形检测线圈。实际上发现在检测过程中，半球形的 日围翻 半球形线圈短螺线管长螺线管 图2 _ 8 三种基本检测线圈图 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 检测线圈等效于完全球形的检测线圈在应用中，为了使填充系数尽可能大，以 及线圈对钢形样件的表面有比较好的覆盖度，可选用半球形线圈m “町嘲。 2 3 4 数据采集卡介绍 在本课题中选用的是北京阿尔泰科贸有限公司的p c i 2 0 0 3 数据采集卡。它是 一种基p c i 总线的数据采集卡，可直接插在i 跏一p c a t 或与之兼容的计算机内的 任一p c i 插槽中，装有1 2 b i t 分辨率的枷转换器和d a 转换器。可以提供8 个 双通道或者1 6 个单通道的模拟输入和2 路模拟输出通道。输入信号幅度可以经程 控增益仪表放大器调到合适的范围。a d 转换器输入信号范围：5 v 、1 0 v 、o 1 0 v 。 具体的说明如下： ( 1 ) 3 2 位p c i 总线，支持p c i 2 2 协议； ( 2 ) 1 0 0 k h z l 2 位a d 转换器，通过率为l o o l1 2 位o a 转换器。建立时间1 0 u s ； ( 3 ) 1 6 通道单端模拟输入或8 路双端模拟输入； ( 4 ) 支持软件查询方式、中断方式，两种方式的传输率均可达到1 0 0 k ； ( 5 ) i k 深度的f i f 0 保证数据的完整性： ( 6 ) 1 6 路开关量输入，1 6 路开关量输出； ( 7 ) 程控增益选择：1 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 倍嘲。 2 3 5 信号输入输出插座定义及连接方式 1 信号的输入输出是通过输入输出插座来连接的，采用3 7 芯d 型插头x s l 的 表2 2输入信道的管脚定义 管脚号管脚定义管脚号管脚定义管脚号管脚定义 l c h 3 1 ( i n l 5 - - ) 1 4 c h 5 ( n q 5 + ) 2 7 c h l 6 ( i n 0 - ) 2 c h 2 9 ( i n l 3 - - ) 1 5 c h 3 0 n 3 + ) 2 8 c h l 4 f i l l 4 + ) 3 c h 2 7 ( i n il - ) 1 6 c h i o n i 十) 2 9 c h l 2 0 n 12 n 4 c h 2 5 0 n 0 9 - ) 1 7a g n d3 0 c h l 0 0 n l o n 5 c h 2 3 ( i n 0 7 - ) 1 8a g n d 3 l c h 8 0 n 8 。n 6 c h 2 1 ( i n 0 5 - ) 1 9d g n d3 2 c h 6 ( i n 6 + ) 7 c h l 9 ( 1 n 0 3 - ) 2 0 c h 3 0 ( i n l 4 - ) 3 3 c h 4 ( i n 4 + 1 8 c h l 7 0 n 0 1 9 2 1 c h 2 8 ( r n l 2 - ) 3 4 c h 2 0 n 2 + ) 9 c h l 5 ( i n l 5 + ) 2 2 c h 2 6 0 n 1 0 - ) 3 5 c h 0 ( i n 0 + ) 1 0 c h l 3 ( i n l 3 + ) 2 3 c m 4 ( r n s - ) 3 6a g n d l l c h l l ( i n l l + ) 2 4 c h 2 2 ( i n 6 - ) 3 7t r 1 2 c h 0 9 ( i n 0 舛、 2 5 c m 0 0 m - ) 1 3 c h 0 7 ( i n 0 7 + ) 2 6 c h l 8 ( r n 2 - ) 1 5 湖北工业大学硕士学位论文 管脚定义( 模拟输入信号) 如表2 2 c h o o c h 3 1 ：p c i 2 0 0 0a i d 卡输入通道号 i n 0 0 + i n o l 5 + ：双端模拟信号输入正端 i n 0 0 - - i n 0 1 5 一：双端模拟信号输入负端 t r - 外部触发信号，当t r 有一由低至高的变化( 上升沿) 时，k i ) c 1 2 0 0 0a d 卡 将按预先设定的采集通道总数进行采集，直至采集结束。程序举倒见软件说明书 相应部分。 a g n d ：模拟地 d g n d ：数字地嘲 2 采用单端输入方式 k p c i 2 0 0 0 板均可按图2 9 连接成模拟电压单端输入方式，3 2 路模拟输入信号 连接到c h o o c h 3 1 端，其公共地连接到a g n d 端嘲如图： 入方式示意图 2 4 虚拟涡流无损检测仪的软件设计 2 4 。1l a b v l 酬简介 图形化编程语言l a b v i b w 是著名的虚拟仪器开发平台。l a b v i e w 是美国国家仪 器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 推出的一种基于图形开发、调试和运行程序的集成 化环境，是目前国际上唯一的编译型的图形化编程语言在以p c 机为基础的测 量和工控软件中，l a b v i e w 的市场普及率仅次于c + + c 语言。l a b v i e i 开发环境具 有一系列优点。从其流程图式的编程、不需预先编译就存在的语法检查、调试过 程使用的数据探针，到其丰富的函数功能、数值分析、信号处理和设备驱动等功 能，都令人称道。 l a b v i e w 使用了一种称为g 的数据流编程模式，它有别于基于文本语言的线性 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 结构在l a b v i e w 中执行程序的顺序是由块之间的数据流决定的，而不是传统文 本语言的按命令行次序连续执行的方式。 对于美国n i 公司生产的数据采集卡，可以利用l a b v i e w 本身自带的驱动函数 实现数据采集。设计者只需正确设置输入参数，就可实现数据采集的任务对于 本课题使用的数据采集卡，其厂方已以动态链接库的形式将相应的驱动函数封装 好，并且对于在l a b v i 明环境下的使用，其厂方提供