基于虛擬儀器的無損檢測系統(tǒng)設(shè)計

潘正濤 王鶴春 王繼楠

摘 要：計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為無損檢測提供了新的解決方案，文章論述了以虛擬儀器實現(xiàn)無損檢測的設(shè)計原理，分析了陣列渦流傳感器的硬件實現(xiàn)，然后對虛擬儀器面板的集成性、便捷性和可擴(kuò)展性進(jìn)行了重點研究，并結(jié)合工程實踐進(jìn)行了試驗驗證，證明了該方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；無損檢測；陣列渦流；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TH878 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）28-0081-02

Abstract： The development of computer technology provides a new solution for NDT. In this paper， the design principle of NDT based on virtual instrument is discussed， and the hardware realization of array eddy current sensor is analyzed. Then， the integration， convenience and expansibility of the virtual instrument panel are studied in detail， and the validity and feasibility of the method are proved by the experiment in combination with the engineering practice.

Keywords： virtual instrument； nondestructive testing； array eddy current； data acquisition

1 概述

工程中常見的無損檢測技術(shù)就是在對被測物不造成任何損傷的條件下判斷其有無缺陷存在，該技術(shù)可以有效判別設(shè)備是否健康，常見無損檢測大多是通過材料表面或內(nèi)部缺陷所引起的對電、磁、光、聲、熱等反應(yīng)的不同，來檢測被測物的表面及內(nèi)部缺陷，根據(jù)檢測過程數(shù)據(jù)以及檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，可以對缺陷的性質(zhì)、形狀、類型、數(shù)量、分布、尺寸、位置及其變化做出判斷和評價。無損檢測技術(shù)的發(fā)展過程中，常規(guī)檢測方法已日趨成熟，主要包括超聲、射線、磁粉、渦流、滲透等。但是，隨著科技的進(jìn)步，各種新結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)及新制造工藝的突破不斷給無損檢測提出了新的要求。在此背景下，工程師不斷研究開發(fā)了很多新型的檢測方法和改進(jìn)的檢測技術(shù)。比如聲發(fā)射技術(shù)、超聲相控陣技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、數(shù)字射線技術(shù)、銀涂層損傷監(jiān)測技術(shù)及陣列渦流檢測技術(shù)等新技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展。其中陣列渦流檢測技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的無損檢測領(lǐng)域體現(xiàn)出快速性、便捷性、先進(jìn)性等工程應(yīng)用前景。

2 陣列渦流傳感器設(shè)計

傳感器主要包括信號發(fā)生裝置、功放裝置、一個激勵線圈和四個檢測線圈、預(yù)置裂紋鋁板、四路差分放大裝置、四路濾波裝置、四路滑動變阻器、四路數(shù)據(jù)采集卡。激勵信號由信號發(fā)生裝置產(chǎn)生，該信號可設(shè)定幅值、偏振、相位及頻率，以滿足設(shè)計要求，經(jīng)過功放裝置驅(qū)動陣列渦流傳感器的激勵線圈，激勵線圈產(chǎn)生的電磁場作用到待測試件上。

在以上思路基礎(chǔ)上，設(shè)計了單激勵發(fā)射接收式陣列渦流傳感器。如圖1所示，激勵線圈龍骨材質(zhì)為尼龍，長寬分別為45mm，圓弧半徑為4mm。具體尺寸以滿足線圈安裝匹配為原則，在設(shè)計過程中滿足條件的前提下優(yōu)先考慮設(shè)計成本的節(jié)約。

電渦流傳感器的基本原理是渦流效應(yīng)的應(yīng)用，檢測過程中待測試件上感生渦流，感生渦流在被測試件上檢測到缺陷時，會發(fā)生明顯變化，由缺陷引起的渦流的變化直接影響渦流的電磁場發(fā)生變化，表現(xiàn)在物理量的輸出即檢測線圈的檢測電壓幅值和相位也發(fā)生直接變化。實際操作過程中，相關(guān)物理量的變化非常小，受到噪聲干擾比較明顯，為解決干擾問題，引入一個差分放大器將檢測線圈輸出的結(jié)果輸出，直接將這個微小的電信號進(jìn)行放大處理。再通過濾波裝置和滑動變阻器使其電壓幅值和相位穩(wěn)定，提高其測量精度。檢測過程中，可以使用示波器來實時觀察其中檢測信號的電壓幅值和相位，此時示波器可以直觀觀察測量數(shù)據(jù)的波形圖，此時我們發(fā)現(xiàn)示波器不能將檢測信號的檢測結(jié)果的幅值和相位進(jìn)行分析、儲存及研究，這就對檢測過程帶來了不便，與此同時示波器只能用于觀察某一路的檢測信號，這對多通道檢測過程提出了挑戰(zhàn)，面對此類問題，工程中主要通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)采集到計算機(jī)終端，然后開發(fā)軟件進(jìn)行實時顯示和數(shù)據(jù)的保存及分析。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬儀器的研發(fā)，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行有限存儲和顯示，以確保數(shù)據(jù)直觀、有效的進(jìn)行分析。

3 界面設(shè)計

考慮到無損檢測系統(tǒng)的實際應(yīng)用過程中測量試件較多，需要對無損檢測進(jìn)行集中管理，采用界面設(shè)計將多通道測量進(jìn)行集成管理，實現(xiàn)無損檢測系統(tǒng)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)回收，如圖2所示，界面設(shè)計主要包括無損檢測曲線的顯示區(qū)域和人機(jī)交互區(qū)兩個主要部分。

4 試驗驗證

傳感器實現(xiàn)后對某一試件的裂紋進(jìn)行了檢測驗證，首先用示波器對檢測信號以及電壓相位進(jìn)行觀察，然后通過采集卡和計算機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，將采集結(jié)果在虛擬儀器進(jìn)行顯示，其采集處理結(jié)果如圖2顯示區(qū)所示。采集結(jié)果表明，該虛擬儀器實現(xiàn)了無損檢測的數(shù)據(jù)在線采集與處理，在工程中能夠方便技術(shù)人員進(jìn)行人機(jī)交互，加快了檢測效率，進(jìn)而提高了檢測精度，最終起到節(jié)約成本的效果。

5 結(jié)束語

在驗證過程中，由于環(huán)境的影響檢測信號遭遇了噪聲干擾，檢測通道的濾波裝置不能有效屏蔽較大程度的噪聲，所以該設(shè)備對使用環(huán)境要求較高。后續(xù)研究工作要從硬件方面入手，設(shè)計更靈敏的濾波裝置。本文設(shè)計的無損檢測設(shè)備有效加快了工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)度，使人從繁瑣的切換過程中解放出來，具備一定的推廣價值。

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