[發(fā)明專(zhuān)利]利用虛擬儀器技術(shù)的超聲波成像系統(tǒng)和成像方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210312911.9
• 申請(qǐng)日: 2012-08-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102854251A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 龔裕;胡躍剛;宋國(guó)榮;呂炎;李楠
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N29/06
• 分類(lèi)號(hào): G01N29/06
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種利用虛擬儀器技術(shù)的超聲波成像系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)向著自動(dòng)化、圖像化、數(shù)字化的方向發(fā)展，現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)設(shè)備也呈現(xiàn)多功能化、智能化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)。將檢測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)變成圖形和聲音信號(hào)，或者人們能夠理解的數(shù)據(jù)和報(bào)告等，是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的熱點(diǎn)問(wèn)題。將信息技術(shù)和交叉領(lǐng)域的技術(shù)同超聲技術(shù)結(jié)合以解決這一問(wèn)題，才能滿足復(fù)雜形貌和復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量檢測(cè)需求。

超聲技術(shù)作為一項(xiàng)常規(guī)NDT（Nondestructive?Testing）技術(shù)，具有傳播能量大、方向性好的優(yōu)點(diǎn)，超聲波在工件中傳播時(shí)，遇到界面如缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生界面反射或者引起聲速和能量衰減的變化。這一特性可用于缺陷檢測(cè)、幾何特征測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而對(duì)工件的特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

復(fù)雜形貌和復(fù)合材料構(gòu)件的超聲掃描及成像技術(shù)是現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)的熱點(diǎn)問(wèn)題。超聲C掃描技術(shù)引入工業(yè)探傷領(lǐng)域由來(lái)已久，該技術(shù)是將超聲檢測(cè)與微機(jī)控制和微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存貯、處理、圖像顯示集合在一起的技術(shù)。同時(shí)，利用其得到的圖像信息對(duì)工件表面及內(nèi)部層次的缺陷進(jìn)行分析取得了很好效果。

虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上通過(guò)增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的儀器。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。NI?LabVIEW作為圖形化開(kāi)發(fā)工具，自1986年問(wèn)世以來(lái)，已被世界各國(guó)的工程師和科學(xué)家們用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)效率。

為解決材料表面質(zhì)量及層狀結(jié)構(gòu)工件的無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化和圖像化，需研制一套可做C掃描運(yùn)動(dòng)和信號(hào)采集的系統(tǒng)。將虛擬儀器技術(shù)引入，可提高效率，節(jié)約成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于解決目前所存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化、圖像化、數(shù)字化，并研制一套適應(yīng)性高的超聲波成像系統(tǒng)。

本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明的超聲波成像系統(tǒng)包括七部分：圖像顯示單元（顯示器），用于實(shí)時(shí)顯示波形和人機(jī)交互界面各輸入和輸出參數(shù)顯示；上位機(jī)系統(tǒng)，用于控制各硬件動(dòng)作并和底層硬件通信；伺服控制箱，用于控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作并和上位機(jī)通信；機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，用于支撐整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)并反饋運(yùn)動(dòng)及位置信息給伺服控制箱；前端數(shù)據(jù)采集裝置，用于產(chǎn)生和接收超聲波并對(duì)波形數(shù)字化采樣；后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用于處理采集到的數(shù)字信息及結(jié)果輸出；工件定位調(diào)整裝置，用于定位及調(diào)整工件，包括調(diào)整工件的水平和工件放置位置。

所述圖像顯示單元，包括與上位機(jī)系統(tǒng)連接的顯示器，利用LabVIEW?2009平臺(tái)開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互界面和各儀器的顯示面板。操作者可在人機(jī)交互界面，根據(jù)需要輸入運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)、數(shù)據(jù)采集參數(shù)以及數(shù)據(jù)處理參數(shù)，對(duì)任意層面的回波信息進(jìn)行超聲檢測(cè)，并輸出檢測(cè)結(jié)果。為方便操作者使用，系統(tǒng)有良好的圖形化人機(jī)交互界面。

所述上位機(jī)系統(tǒng)，包括承載上位機(jī)硬件的八槽機(jī)箱，數(shù)據(jù)采集卡（完成A/D和D/A轉(zhuǎn)換），運(yùn)動(dòng)控制卡，核心的嵌入式控制器和上位機(jī)系統(tǒng)軟件。數(shù)據(jù)采集卡和運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)PXI總線和嵌入式控制器通信。其他裝置通過(guò)數(shù)據(jù)線和八槽機(jī)箱上的對(duì)應(yīng)接口連接，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各硬件協(xié)調(diào)工作與自動(dòng)化控制。

所述伺服控制箱，一方面對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖指令，然后步進(jìn)電機(jī)上的光電編碼器將脈沖指令轉(zhuǎn)換成步距角，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；另一方面接收光柵尺和光電編碼器的反饋信息，實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)三種控制方式。

所述機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，由脈沖控制伺服放大器、交流伺服電機(jī)、精密絲杠、16位編碼器、光柵尺、連動(dòng)支架、探頭連接桿和特制夾具組成。系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移的自動(dòng)檢測(cè)與控制、探頭高頻超聲回波信號(hào)的采集、分析與處理、信號(hào)的存儲(chǔ)、波形顯示和結(jié)果顯示等功能。上位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制算法程序得到控制輸出信號(hào)，經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制卡傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大，輸出給電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)位移經(jīng)光柵尺檢測(cè)輸出位移檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制卡輸入到上位機(jī)中，便于運(yùn)動(dòng)控制算法程序處理給出新的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，從而調(diào)整運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位置，實(shí)現(xiàn)探頭的精確定位。

所述前端數(shù)據(jù)采集裝置，應(yīng)用了虛擬儀器技術(shù)，由三部分組成：第一部分是脈沖發(fā)射/接收儀和信號(hào)數(shù)據(jù)線；第二部分是數(shù)據(jù)采集卡，先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將脈沖的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳到上位機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)將上位機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，用于控制數(shù)據(jù)采集過(guò)程；第三部分是點(diǎn)聚焦探頭和數(shù)據(jù)傳輸線。