非接觸超聲木材缺陷檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

王蔓琳，王 軍，李強鑫，王瀟淞，操 謙

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引言

非接觸超聲檢測技術(shù)是超聲換能器與待測板材之間以空氣作為耦合介質(zhì)的一種檢測方式[1]。該技術(shù)解決了傳統(tǒng)超聲檢測需要在待測樣品表面涂抹液體耦合劑的問題[2]。近年來，隨著工業(yè)加工水平的進步，非接觸式超聲檢測高靈敏度的換能器得以制造，有效地提高了該技術(shù)檢測信號的信噪比[3,4]。同時，數(shù)字信號處理技術(shù)在非接觸式超聲檢測中的應(yīng)用也同樣推動著該技術(shù)的發(fā)展進步[5]。目前，該技術(shù)已在金屬檢測、復(fù)合材料檢測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是一種有效的材料缺陷無損檢測手段[6,7]。為采用該技術(shù)實現(xiàn)對板材進行缺陷自動檢測和呈現(xiàn)，需要相關(guān)上位機軟件的支持[8]。本文首先介紹了非接觸超聲掃描成像系統(tǒng)的原理及系統(tǒng)對上位機軟件的需求，其次闡述了上位機軟件系統(tǒng)各個功能的實現(xiàn)流程，最后將該上位機軟件應(yīng)用于檢測系統(tǒng)中對其性能進行綜合測試。

1 非接觸超聲檢測系統(tǒng)原理

1.1 非接觸超聲檢測成像系統(tǒng)構(gòu)成

非接觸超聲檢測成像系統(tǒng)主要包含上位機、信號發(fā)生器、超聲換能器以及電機控制器。其中，上位機作為整個系統(tǒng)的控制核心，其主要功能為接收用戶輸入指令、協(xié)調(diào)各模塊之間的工作。信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集器以及電機控制器則需要通過USB總線與上位機之間進行連接。系統(tǒng)首先由電機控制器實現(xiàn)對超聲發(fā)射和接收換能器位置的移動、調(diào)整，當換能器到達目標位置時，上位機控制信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵電壓驅(qū)動發(fā)射換能器。發(fā)射換能器產(chǎn)生的超聲波通過空氣到達待測板材，穿透待測板材后，再次通過空氣到達接收換能器。上位機控制數(shù)據(jù)采集卡對接收換能器兩端的壓電信號進行采集。最后，由上位機對采集信號進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)對待測板材實時成像可視化。非接觸超聲檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 非接觸式超聲檢測成像系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 上位機功能分析

根據(jù)非接觸超聲檢測控制系統(tǒng)的需求，上位機需要完成對用戶輸入的控制參數(shù)的讀取，控制電機以實現(xiàn)改變超聲換能器位置，控制信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號，對數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)進行讀取以及對數(shù)據(jù)進行實時處理并進行成像操作。此外，該軟件還應(yīng)具備高實時性的特點以及對數(shù)據(jù)和圖像進行保存的功能。

2 系統(tǒng)流程設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的需要，其軟件部分主要分為四個模塊：電機控制處理模塊、采樣控制模塊、實時成像模塊以及圖像后處理模塊。

2.1 電機控制處理模塊

電機控制處理模塊用來向電機控制器發(fā)送控制指令。首先由用戶對上位機與電機控制器之間的通信串口進行配置并打開該串口，以建立與電機控制器的連接。其次，上位機讀取用戶根據(jù)檢測需要輸入的掃描目標參數(shù)。最后，根據(jù)輸入的參數(shù)計算電機控制相關(guān)的參數(shù)，并向電機控制器發(fā)送控制指令。該模塊的工作流程圖如圖2所示。

2.2 采樣控制模塊

采樣控制模塊中通過接收步進電機返回的數(shù)據(jù)來判斷換能器的位置是否到達了采樣點。若到達了采樣點，上位機通過USB數(shù)據(jù)總線控制信號發(fā)生器產(chǎn)生功率信號激勵發(fā)射換能器。上位機控制數(shù)據(jù)采集器開始對接收信號進行采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進行讀取。該模塊流程圖如圖3所示。

圖2 電機控制處理模塊流程圖圖3 采樣控制模塊流程圖

2.3 實時成像模塊

當檢測到有采樣點采樣完畢后，上位機將對從數(shù)據(jù)采集器中讀取的數(shù)據(jù)進行處理、分析，計算該采樣點超聲透射信號的幅值；將該采樣點的位置信息以及檢測信號幅值等信息轉(zhuǎn)化為成像的數(shù)據(jù)，并實時更新上位機中的超聲掃描成像結(jié)果，其流程圖如圖4所示。

圖4 實時成像模塊流程圖

2.4 圖像后處理模塊

由于采用非接觸式超聲檢測技術(shù)對板材檢測時實際采樣點個數(shù)為有限值，根據(jù)有限的采樣點繪制的檢測圖像會出現(xiàn)不平滑的現(xiàn)象。圖像后處理模塊即針對這一問題進行解決，主要對C掃描成像的圖像質(zhì)量及平滑度進一步處理，通常采用插值的方法，即利用已知的離散像素點來求取其他點的未知數(shù)據(jù)的圖像處理方法。利用插值算法可以實現(xiàn)對圖像的平滑度、質(zhì)量進行提升，使其更逼近實際的待測樣本。常用的插值算法有一階線性插值、三階樣條插值算法和五階樣條插值算法。其中，三階樣條插值算法由于其計算量適中、成像效果好等優(yōu)點在圖像處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[9]，因此本上位機軟件采用三階樣條插值算法作為圖像后處理的主要算法。

3 檢測系統(tǒng)實現(xiàn)

為獲得更靈活的圖像處理能力和更優(yōu)的用戶交互體驗，系統(tǒng)軟件采用Python語言編寫，PyQt工具包作為界面核心[10]。根據(jù)軟件的需求以及軟件流程的設(shè)計方案，將該軟件分為兩個界面，其主界面為電機控制交互界面，子界面為圖像處理交互界面。

3.1 電機控制交互界面的設(shè)計

軟件的主界面主要用來實現(xiàn)對電機控制器的設(shè)置，其界面設(shè)計包含5個區(qū)域：

1) 下位機返回的數(shù)據(jù)交互界面，在此區(qū)域中可以查看下位機向上位機返回的交互信息。

2) 電機參數(shù)傳輸與控制界面，用戶可在此區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對電機控制器的配置。

3) 串口設(shè)置界面，主要用來對與電機控制器之間的通信串口進行設(shè)置。

4) 采樣點設(shè)置界面，在此區(qū)域可以設(shè)置X軸和Y軸的采樣點個數(shù)，上位機會根據(jù)設(shè)置的采樣點個數(shù)對電機的步進距離、成像數(shù)據(jù)的像素點數(shù)進行自動配置。

5) 成像操作面板設(shè)置界面，通過該界面實現(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)的清空、保存等操作以及對圖像處理子界面的打開與關(guān)閉。

3.2 圖像處理交互界面的設(shè)計

圖像處理交互界面的設(shè)計主要用來實現(xiàn)圖像顯示、插值的操作。上位機首先通過對超聲檢測信號進行處理，其次將超聲檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為色度值，最后實時顯示在該界面中。當檢測完畢后，可通過圖像操作面板，實現(xiàn)對圖像的后處理。

4 檢測系統(tǒng)試驗

4.1試樣準備

為測試該檢測系統(tǒng)的綜合性能，驗證其是否滿足非接觸超聲檢測系統(tǒng)中上位機的需求，本次試驗使用搭載該軟件的非接觸式超聲檢測系統(tǒng)對一塊帶有缺陷的木質(zhì)板材進行檢測。木板還有多個裂紋的節(jié)子缺陷，木板尺寸為10 cm*10 cm，實物如圖5所示。

圖5 帶缺陷的木材試樣

4.2 試驗結(jié)果

本次試驗設(shè)置相鄰兩個采樣點之間的間距為3 mm，橫軸設(shè)置35個采樣行，縱軸設(shè)置35個采樣列，總計采樣點個數(shù)為35*35個。對非接觸超聲檢測系統(tǒng)進行檢測后的未插值原始圖像采用500*500點數(shù)插值后的圖像為圖6所示。結(jié)果表明，檢測結(jié)果符合圖5所示木板的實際缺陷情況，采用該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)電機運動、激勵信號的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集以及實時圖像顯示的協(xié)同工作。同時，該軟件具有圖像插值處理以及保存成像數(shù)據(jù)和圖像的功能。

圖6 木材缺陷試驗

5 結(jié)論

1) 針對非接觸超聲檢測成像系統(tǒng)，設(shè)計了配套的上位機軟件。通過該上位機軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對電機控制器的控制以及實時處理檢測信號并進行圖像顯示的操作。

2) 通過該軟件能夠?qū)Τ暀z測原始圖像進行插值處理，實現(xiàn)更高質(zhì)量的成像效果。經(jīng)測試，該系統(tǒng)能夠滿足非接觸超聲自動檢測的要求，且運行穩(wěn)定、實時性好。