摘要：针对起重机械在焊接制造过程中容易产生各种不同类型缺陷的问题，基于虚拟仪器的设计思想及功能模块化的设计方法，在LabVIEW平台上建立计算机辅助超声探伤系统，采用PC机和数据采集卡作为硬件系统，利用软件功能实现数字信号的运算、分析和处理，并开发出具有人性化的界面，便于控制和处理。
关键词：虚拟仪器；LabVIEW；起重机械；超声探伤；值号处理
l. 引言
起重机械的金属结构联接方式主要有焊接和螺栓联接，而在焊接制造过程中因焊接工艺与设备条件的偏差，往往在焊缝中产生不同程度与数量的气孔、夹渣、裂纹等缺陷，对其使用产生不利影响。
超声方法可对材料对接或角接焊缝的内部缺陷进行检测，故在起重机械的焊缝质量检查中，超声检测是较为常用的方法，可检测如锻造吊钩内部的裂纹、白点和夹杂等缺陷；起重真空吸盘主要受力构件的裂纹等内部缺陷；桥门式起重机原材料钢板质量；塔式起重机主要结构的对接焊缝以及门座起重机主要受力构件焊缝质量等。
传统的超声探伤仪采用硬件电路处理信号，开发周期长、仪器成本高，对数据的分析、处理能力较弱，同时，由于检测回波信号中常带有来自信号源、传感器及外界环境等的干扰信号，传统的硬件电路在提高信噪比方面也不够理想。将现代计算机技术和传统超声探伤仪相结合，构建基于虚拟仪器技术的超声探伤仪，可以充分发挥计算机功能强大、价格低廉、人机界面友好的特点，为工业自动化以及测试测量服务。本文介绍以LabVIEW为虚拟仪器软件开发平台，通过图形化的编程语言对采集到的信号实现波形显示、降噪处理、记录回放等。
目前我国的超声波检测主要采用A型脉冲反射式超声波探伤方式，通过测量信号往返于缺陷所需的时间，来确定缺陷距检测表面的距离；测量回波信号的幅度的大小和探头的位置，来确定缺陷的大小和方位。
2.系统硬件结构
系统硬件主要由脉冲发生器、传感器、接收／放大器、数据采集卡和计算机组成。
脉冲发生器由计算机控制发出短时高压脉冲信号，与此同时也向时基触发模块提供了一个电压。电压脉冲到达传感器(即超声换能器)后被转换成超声波传到试样表面，从试样界面或底面反射回来的能量信号被传感器转换成电压信号。经接收／放大器到达数据采集卡，采集卡对此电压信号进行模／数转换后将数据送入计算机的输入端，由计算机软件完成运算处理及显示记录。
同步电路可由程序中的延迟旋钮(或称脉冲移位旋钮)控制，用于调节开始发射脉冲时刻与开始扫描时刻之间的时间差。调节延迟旋钮可使扫描线上的回波位置大幅度左右移动，而不改变回波之间的距离。
传感器是整个超声探伤系统的 前端 ，通常采用具有压电效应的材料(如石英晶体)来产生声波和探测声波，当高频交流发生器激励石英晶体时产生振动，发射超声波。
数据采集卡的作用是将回波的声程进行A／D转换，使计算机能够根据声速和样点进行精确的计算。为使缺陷信号不失真，前置处理电路的频带宽度应在10MHz以上，信号的采样频率应为几十MHz，目前最高已达120MHz。另外，采样的重复频率影响缺陷信号的采集密度，一般应为25～800Hz，以确保正常扫查速度下能在每1~3 mm的工件表面上发射与采集一次数据。考虑到仪器超声部分的同步要求，采集卡应能够接受超声卡同步信号的触发。根据以上要求选用美国NI公司的数据采集卡PCI-5112，它的特点是提供2通道单端输入，采样率达到100MHz，分辨率为8位，能够满足对信号高速采样的要求。
3.虚拟仪器技术
虚拟仪器可让人们利用普通计算机形象地在屏幕上模拟各种仪器面板的操作。软件技术是虚拟仪器系统的核心，选用合适的虚拟仪器编程软件对于虚拟仪器系统的开发很重要。美国NI公司的LabVIEW软件具有直观明了的前面板用户界面和流程图式的编程风格，内置编译器可加快执行速度。内置GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的库函数及多种仪器驱动程序，方便了用户编程。系统软件结构采用模块化设计，主要有以下几项：
(1)数据采集模块
与数据采集过程相关的几个组成部分是数据采集卡、硬件驱动程序和数据采集函数。由于采用了美国NI公司的数据采集卡PCI-5112，因此在安装LabVIEW开发环境时会自动安装硬件驱动程序，不需另外编写。在驱动程序的用户接口MAX (Measurement＆Automation Explorer)中完成数据采集卡的检测、性能测试和属性配置后，调用DAQmx数据采集函数编写数据采集程序，以实现单信道单点模拟输入、多信道单点模拟输入信号的采集或连续波形的采集等。
(2)预处理模块
超声信号回波波形特征的质量是评价材料缺陷的关键，必须获得高质量的波形图才能提取有用的波形信息。缺陷信号往往与系统电噪声及金属组织噪声混在一起，如奥氏体焊缝的组织噪声甚至可淹没缺陷信号。因此，信号处理是无损检测中极其重要的环节。综合运用小波分析和数字滤波等先进的信号处理技术，可改善回波信号的信噪比，提高缺陷的检测灵敏度和准确性。LabVIEW中有大量的数字滤波模块，可以很方便地调用，比较常用的是chebyshev和butterworth滤波器。而利用LabVIEW自带的小波分析工具中的降噪函数denoised.vi进行参数设置，也可以达到很好的降噪效果。
(3)数据分析模块
评定缺陷主要是利用来自缺陷的反射波高、背面反射的损失和沿试件表面检测缺陷的延伸范围。过去提取缺陷信号多数是先制造焊接样块并预埋各种人工与自然缺陷，然后对其进行检测以获得缺陷信号的特征。这不但成本高而且无法得到焊缝中的自然缺陷，如各类裂纹等。利用计算机软件方法模拟检测过程，对检测系统的结构与缺陷参数建立准确的数理模型，根据指定的评判标准处理数据，做出关于缺陷长度、面积、位置和分布情况的报告，可以不通过制造样块就能获得各种缺陷情况。
(4)文件模块
超声波检测技术难度较大，其效果和可靠程度往往受到操作人员的技术水平高低的影响。操作人员必须根据A型脉冲反射式超声波探伤仪提供的 时间 和 回波高度 2个信息对被检材料做出正确判断。为了提高超声检测结果的可靠性，有时需要对采样原始数据及处理后的数据进行保存以便日后进一步分析。所以，计算结果和各种波形的记录保存功能对探伤系统来说是不可缺少的。系统提供了2种保存记录方式：打印保存为纸介质记录形式和磁盘文件保存方式。
4.结论
计算机与传统的超声检测系统相结合，是超声检测技术向数字化、智能化方向发展的一个突破，它具有自动记录数据、对缺陷进行分析、处理等功能，从而实现自动判伤，自动读出和显示缺陷位置与当量值，并存储和打印输出探伤报告的功能，大大提高了探伤结果的可信度。与传统的数字超声仪相比，其最大的特点在于功能的灵活和开发的自主性方面，只要掌握一定的编程方法，就可以设计出适合自己需要的仪器。当把各种数据和波形保存为磁盘文件时，也可以选择保存为HTML格式的网页文件，对远程探伤和远程分析提供技术支持。
此外，如果将不同传感器取得的缺陷信号进行标准化前置处理，送入统一的数据处理系统，只要在软件上调整数据结构的差异，就可以使同样的仪器兼容各种传感器，组成兼有超声检测、测厚、涡流检测的多功能仪器，应用前景非常广阔。