裝甲結(jié)構(gòu)缺陷集成無損檢測系統(tǒng)設(shè)計

李建增，敬人可，周海林，褚麗娜

（軍械工程學(xué)院 電氣工程系，石家莊 050003）

裝甲武器系統(tǒng)已經(jīng)形成了一個比較完善的體系，包括裝甲戰(zhàn)斗車輛和裝甲保障車輛等。裝甲防護性能是裝甲車輛最基本的性能［1］。裝甲車輛經(jīng)常運行在沖擊震動、高溫、高速或高負載等比較惡劣的條件下，在使用過程中，時常會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)脫粘、裂紋等機械缺陷。為了提高裝甲車輛的可靠性，提高戰(zhàn)場生存能力，作者在裝備定期維護及維修時，按照裝備技術(shù)條件，對裝備的性能進行全面檢測，以便確定裝備的狀態(tài)。

1 總體方案

鋼裝甲是坦克裝甲車輛的“堅固防線”，也是構(gòu)成坦克裝甲車輛殼體的剛性支架，在輕型戰(zhàn)車上得到了大量應(yīng)用。鋁裝甲的剛度大大超過鋼裝甲，鋁裝甲的合理利用能減輕裝甲的質(zhì)量。在步兵戰(zhàn)車和裝甲輸送車上，鋁合金裝甲得到了廣泛應(yīng)用。針對這兩種最常用的裝甲材料，集成系統(tǒng)應(yīng)用了微磁和超聲無損檢測兩種技術(shù)，對裝甲結(jié)構(gòu)的脫粘、裂紋等缺陷進行檢測。超聲微磁集成檢測原理如圖1 所示。該技術(shù)充分發(fā)揮微磁檢測快速、便捷、無需表面處理的優(yōu)勢，對鐵磁材料進行表面或近表面缺陷的檢測。利用超聲技術(shù)檢測鐵磁材料內(nèi)部、鋁合金材料表面及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷。

圖1 超聲、微磁集成檢測示意

檢測系統(tǒng)硬件由控制系統(tǒng)、信號調(diào)理系統(tǒng)和探測裝置構(gòu)成如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)通過數(shù)字量輸入輸出卡主要用于對微磁信號調(diào)理卡及超聲發(fā)射接收卡的控制及參數(shù)調(diào)整，對信號進行處理、分析、缺陷特征提取和缺陷判別。信號調(diào)理系統(tǒng)分為微磁和超聲信號調(diào)理卡。微磁信號調(diào)理卡用于對微磁檢測信號的濾波、放大及電平轉(zhuǎn)換，調(diào)理后的信號送入控制系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。超聲發(fā)射接收卡用于發(fā)射和接收超聲信號，接收的超聲信號含有檢測信息，送入控制系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換卡進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。探測裝置分為磁探頭和超聲探頭，分別用于檢測漏磁信號以及超聲的回波信號。為適應(yīng)大型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，探測裝置的結(jié)構(gòu)分為多種。

圖2 系統(tǒng)硬件組成框

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括微磁檢測模塊和超聲檢測模塊，兩個模塊均采用PCI總線接口和工控計算機控制系統(tǒng)連接。

2.1 微磁檢測模塊

微磁檢測是通過檢測鐵磁材料表面的微磁場來發(fā)現(xiàn)缺陷的，尤其是裂紋類缺陷的檢測。檢測時無需打磨、清洗等表面處理和充磁等工序，使用方便靈活，適應(yīng)性強。對于大型裝備，不需拆卸，即可實現(xiàn)原位無損檢測。但該方法只能檢測鐵磁材料表面和近表面缺陷。

微磁檢測模塊組成框圖如圖3所示。其中信號調(diào)理系統(tǒng)的主要功能是從被測零部件上高效、準確地采集鐵磁材料表面的微磁場，完成對檢測信號的濾波和放大，同時為磁傳感器提供置／復(fù)位信號，確保其工作狀態(tài)穩(wěn)定。最終控制系統(tǒng)對檢測信號進行分析、處理、顯示、輸出，并對數(shù)據(jù)進行管理。

圖3 微磁檢測系統(tǒng)

2.2 超聲檢測模塊

脈沖反射式超聲檢測技術(shù)靈敏度高、檢測深度大，適合檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷。超聲檢測模塊組成框圖如圖4。

圖4 超聲檢測系統(tǒng)

超聲發(fā)射接收卡是多個超聲波發(fā)射－接收模擬通道、高速A／D 轉(zhuǎn)換及數(shù)字控制和信號處理器集成在一起組成的數(shù)?；旌想娐纺K。超聲發(fā)射接收卡激勵發(fā)射電路產(chǎn)生一定頻率的振蕩脈沖，驅(qū)動超聲探頭產(chǎn)生超聲波，傳播到被檢測部件中，缺陷反射回波信號被探頭接收，轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過一系列信號處理后提取材料缺陷信息特征，判別缺陷位置及其類型。

3 數(shù)據(jù)處理方法

傳統(tǒng)的缺陷檢測中，檢測結(jié)果需要人工進行判別，對檢測人員的專業(yè)知識要求較高。信號處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了缺陷的自動判別，降低了對操作人員的技術(shù)要求，提高了缺陷檢測系統(tǒng)的檢測效率及檢測可靠性。

3.1 小波分析的應(yīng)用

小波分析克服了短時傅立葉變換在單分辨率上的缺陷，具有多分辨率分析的特點，在時域和頻域都有表征信號局部信息的能力，不僅能反映信號的頻率成分，還能反映信號的頻率成分隨時間變化的規(guī)律和趨勢。小波包能對信號進行更精細的分析，它將頻帶進行多層次劃分，對多分辨率分析沒有細分的高頻部分進行分解，并能夠根據(jù)被分析信號的特征，自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號頻譜相匹配，從而提高了時－頻分辨率。

通過小波分析的方法對檢測信號進行預(yù)處理及缺陷特征提取。由于系統(tǒng)故障一般會對各個頻率成分的抑制和增強作用產(chǎn)生影響，即改變了系統(tǒng)輸出的各個頻率特性，因此小波包分解并提取的特征值能準確描述系統(tǒng)的故障狀態(tài)［2］。

微磁檢測中，基于模糊小波包變換方法解決了微磁信號的噪聲抑制問題；基于小波包分解和能量譜的“小波包最優(yōu)基子帶能量比較法”的裂紋特征提取方法，為裝甲的缺陷檢測提供了有效數(shù)據(jù)［3］。

超聲檢測中，將超聲回波信號進行小波包變換，材料的內(nèi)部缺陷信號被分解后表示為能量特征。經(jīng)試驗比較，選用haar3小波作為處理超聲波檢測信號的小波基，對信號進行3層小波包分解如圖5所示，將第三層8個節(jié)點的能量值作為特征量。

圖5 超聲信號小波包分解后各節(jié)點的能量值

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將未知缺陷的回波特征參數(shù)與數(shù)據(jù)庫中已知缺陷的回波特征參數(shù)進行比較，來確定未知缺陷的類型。在進行BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，需要考慮以下問題：樣本數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式；網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)（隱層的層數(shù)及各層的神經(jīng)元的數(shù)目）；神經(jīng)元變換函數(shù)的選??；網(wǎng)絡(luò)初始化（連接權(quán)值和閾值的初始化）；訓(xùn)練參數(shù)的設(shè)置；訓(xùn)練樣本的歸一化處理等。選擇合適的初始網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，將有利于網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和提高識別率。

采用BP網(wǎng)絡(luò)對缺陷類型進行模式識別。采集各種缺陷數(shù)據(jù)作為樣本，將提取的缺陷特征量作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。檢測時將實時采集的信號用相同方法提取特征后，用該網(wǎng)絡(luò)仿真，實現(xiàn)缺陷類型的分類識別［4］。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示，8個輸入節(jié)點對應(yīng)提取的8 個特征值，兩個隱含層各包含17 個結(jié)點，輸出層的2 個節(jié)點對應(yīng)4 種缺陷類型：無缺陷（0，0）、缺陷A（0，1）、缺陷B（1，0）、缺陷C（1，1）。

圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4 軟件設(shè)計

檢測系統(tǒng)軟件選擇Visual studio（C＋＋）開發(fā)環(huán)境和Matlab數(shù)學(xué)軟件。軟件設(shè)計主要包括以下模塊：

①公用函數(shù)庫模塊：控制引擎類、分析引擎類、數(shù)據(jù)庫操作庫、矢量圖形處理庫、系統(tǒng)信息處理庫。②參數(shù)設(shè)置模塊檢測參數(shù)和運行參數(shù)設(shè)置，記錄存儲設(shè)置等。③檢測操作模塊。④混合編程接口模塊。⑤數(shù)據(jù)管理模塊。

4.1 VC＋＋下檢測軟件的開發(fā)

VC＋＋在Windows系統(tǒng)環(huán)境下可以直接與系統(tǒng)及底層硬件交換數(shù)據(jù)。用VC＋＋開發(fā)的軟件具有容易維護升級、界面友好、代碼效率高、執(zhí)行速度快等一系列優(yōu)點［5］。

在VC＋＋工程中編寫程序和界面，實現(xiàn)對檢測模塊的初始化、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、圖形顯示和結(jié)果輸出等功能。

4.2 Matlab下檢測數(shù)據(jù)的處理

大量微磁和超聲檢測數(shù)據(jù)的分析處理中需要用到各種復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法。Matlab作為一個完整的數(shù)學(xué)平臺，是當今世界上應(yīng)用最為廣泛的數(shù)學(xué)軟件，具有非常強大的數(shù)值計算、符號運算、數(shù)據(jù)分析處理、系統(tǒng)分析及圖形顯示等能力［6］。

在Matlab 下編程實現(xiàn)信號的預(yù)處理、特征提取、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和仿真等功能。

4.3 Matlab與VC＋＋混合編程技術(shù)

由于Matlab的強大功能只能在它所提供的平臺上才能使用。將在Matlab下開發(fā)好的復(fù)雜算法、程序或函數(shù)直接應(yīng)用到VC＋＋開發(fā)的程序中，并且可以不依賴Matlab軟件運行，在VC＋＋中充分發(fā)揮Matlab 的數(shù)值計算功能，這就是Matlab 與VC＋＋的混合編程問題。在編寫微磁／超聲實時檢測軟件時，可以在VC＋＋下做出友好的人機界面和與微磁／超聲檢測卡的接口驅(qū)動，而把復(fù)雜的數(shù)值處理交給Matlab去做，這樣可以大大減輕編程的負擔，減少軟件開發(fā)的時間。

COM 是一種通用的對象接口，任何語言只要按照這種接口標準，就可以實現(xiàn)調(diào)用。該方法實現(xiàn)簡單，通用性強，而且?guī)缀蹩梢允褂肕atlab的任何函數(shù)。用Matlab的Deployment Tool將m 文件編譯為COM 組件提供給VC＋＋調(diào)用的方法，能實現(xiàn)微磁／超聲檢測信號數(shù)據(jù)的實時處理和缺陷類型的智能識別［7］。

在Deployment Tool中添加所需的m 文件和數(shù)據(jù)文件到新建的組件類中［8］，如圖7所示。工程編譯后即可生成COM 組件，并自動在系統(tǒng)中進行注冊。如果要在另一臺未安裝Matlab的計算機上使用該組件，則需要在項目設(shè)置的packaging選項里選中“Include MATLAB Compiler Runtime”，然后打包COM 組件。復(fù)制編譯后生成的distrib文件夾并運行里面的＿install.bat即可注冊組件。

圖7 建立Deploytool Project并添加文件

Matlab與VC＋＋進行基于COM 組件的混合編程，使Matlab程序脫離Matlab環(huán)境運行，不僅能更好地發(fā)揮Matlab的強大功能，還能快速地進行軟件開發(fā)，尤其是當微磁／超聲實時檢測軟件開發(fā)中需要實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法時尤顯優(yōu)點。

5 檢測試驗及結(jié)果

檢測系統(tǒng)選用PXI架構(gòu)的便攜式工業(yè)控制計算機，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全等優(yōu)點，且具有加固便攜、防震等特性，適用于野外作業(yè)。試驗中使用的超聲探頭為5M－PT06雙晶直探頭，磁探頭包含單路及三路兩種。試驗采用的裝甲鋁（10mm×150mm×210 mm），按HB／Z 59－1997超聲波檢驗標準在側(cè)面加工了三個直徑分別為1.2，2.0，3.2mm，深度為20mm 的孔狀缺陷。鋼試件（100mm×100mm×10mm）上加工了深度分別為2mm，5mm，寬度為0.2mm 的兩條裂紋。

在Visual Studio中新建Visual C＋＋項目，調(diào)用COM 組件，編譯生成exe可執(zhí)行文件，便可脫離VC＋＋和Matlab環(huán)境獨立運行。實驗結(jié)果表明該程序能正常運行，實時采集檢測數(shù)據(jù)，并調(diào)用Matlab生成的COM 組件分析數(shù)據(jù)后將檢測結(jié)果返回，在VC＋＋程序界面作出顯示如圖8所示。

綜合采用微磁及超聲檢測方法，可使兩種方法優(yōu)勢互補，既可以實現(xiàn)對表面及近表面缺陷的檢測，又可以對深層缺陷進行檢測；既可以大大降低工作量和勞動強度，又可以保證缺陷檢測的可靠性。

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