基于LabVIEW的多輪對超聲探傷系統設計

吳 凡， 郭前崗， 周西峰

(南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023)

基于LabVIEW的多輪對超聲探傷系統設計

吳 凡， 郭前崗， 周西峰

(南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023)

針對目前車輪檢測方法大多以傳統手持式人工探傷儀為主的現狀，本文在國內某企業現役多通道超聲探傷儀硬件結構的基礎上設計了一套多輪對超聲探傷系統。系統基于LabVIEW平臺，可以實現系統自檢、用戶信息管理、數據接收、數據分析、顯示結果、數據存儲、自動判傷、輸出檢測報告等功能。系統采用可變分辨率的數據處理方法，保證了檢測過程的實時性及結果的準確性。

多輪對；超聲探傷；LabVIEW；實時性

0 引言

車輪是列車的主要受力部件，其幾乎承擔了列車的全部重量并完成在鋼軌上的轉動。車輪的擦傷、剝離、不圓度、非正常磨耗加劇以及輪輞周向裂損故障會直接影響行車安全[1]。目前的探傷手段主要依靠檢測人員的手動探傷[2]，勞動強度大，探傷效率低，而且探傷依賴檢測人員的經驗，準確性和可靠性難以保證。因此列車車輪無損檢測受到了高度重視。

目前常用的列車車輪檢測技術可以分為電渦流探傷(EC)、磁粉探傷(MT)、超聲探傷(Ultrasonic Test，UT)等[3]。超聲探傷具有適用范圍廣、成本較低、靈敏度相對較高、便于缺陷的定位和定量分析等優勢，而其中的多探頭多通道組合掃查技術可以根據各通道的探頭類型對采集數據進行綜合處理來判定車輪內部的傷損情況[4]。可用于大型的自動化和信息化程度較高的車輪探傷系統。

基于上述背景，本文根據國內某企業現役多通道超聲探傷儀硬件結構設計一套多輪對超聲自動探傷系統。主要介紹了自動探傷系統的總體方案，包括總體架構、采集單元、探頭陣列及上位機軟件系統，闡述了重要環節的設計方案，并對所做工作進行總結。

1 系統總體方案概述

1.1 總體架構

多輪對超聲自動探傷系統通過多通道組合的超聲波探頭，分別由上位機控制獨立通道進行超聲激勵和信號采集，最終根據各通道的探頭類型對采集數據進行綜合處理并分析被測車輪的健康狀態。采集單元以及控制顯示平臺為系統的核心，如圖1所示。每3個采集單元為一組，通過交換機將采集數據傳送至無線模塊，再通過無線傳輸方式將數據傳送至路由器，并最終送入上位機進行處理并顯示結果。探傷數據通過TCP協議(傳輸控制協議)傳輸。而上位機的控制指令通過UDP協議(用戶數據報協議)，以相反的傳輸路徑送至各個采集單元，以控制儀器工作。

圖1 總體架構圖

圖2 采集單元結構圖

1.2 采集單元

采集單元以UT控制器[5]為核心，將探頭陣列、水路裝置、編碼器以及接口控制器等集成在一起，其結構如圖2所示。UT控制器通過超聲激勵與采集電路控制探頭，產生激勵并采集超聲波信號，接口控制器控制水路裝置的打開和關閉以及采集編碼器數據，最終所有數據通過UT控制器以無線傳輸方式傳送至上位機。

1.3 探頭陣列

探頭陣列由編碼器和多個探頭構成。探頭包括2個單晶大角度探頭和6個雙晶直探頭，分別用于檢測踏面及輪緣部分的缺陷和輪輞部分的缺陷。系統根據多個通道超聲探頭的連續掃查，可以發現某一位置的連續缺陷；根據不同類型的超聲探頭，可以從多個角度對同一缺陷掃查，獲取該缺陷的大致形狀。根據多通道多探頭的組合掃查方式，綜合各個探頭的檢測數據，可以對缺陷進行一定程度上的定量表示和定性分析。同時探頭陣列中加入編碼器用于測量探頭陣列在檢測過程中的位置。

2 探傷系統軟件設計

多輪對超聲自動探傷軟件系統是整個探傷檢測系統的核心。系統的軟件設計主要完成上位機與采集單元之間數據的高速傳輸，采集數據的快速處理，處理結果的實時顯示、過限報警，以及系統自檢、用戶信息管理、檢測過程記錄、數據存儲、輸出檢測報告等綜合功能。系統工作流程如圖3所示。

圖3 工作流程圖

2.1 軟件運行及開發環境

軟件采用美國國家儀器有限公司(NI)的LabVIEW軟件作為開發工具。LabVIEW的應用范圍廣泛，支持SQL、Access等數據庫編程及多種格式的報表生成；LabVIEW還提供了豐富的數據采集、分析及存儲的庫函數(控件)，其基于圖形化的編程方式使得編程過程簡潔方便。

系統的運行環境為基于X86的Win7及以上操作系統的控制主機，CPU要求雙核心以上，顯卡要求為獨立顯卡以上。

2.2 系統功能模塊設計

多輪對超聲自動探傷系統主要功能模塊如圖4所示。包括人機交互模塊、數據處理模塊、可視化模塊以及數據存儲模塊。

人機交互模塊中用戶信息按普通操作人員及工程師分別設置相應的權限，根據用戶名的不同進行區分，登錄時根據相應權限進入不同的操作界面。參數設置部分采用一鍵設置功能省去復雜的配置過程，使操作更加人性化。

數據處理模塊包括連接通信、數據分析及成像3個部分。系統中上位機與采集單元設置命令制定了詳細規范的通信協議，保證了通信過程的可靠性，所以超聲檢測單元命令設置的通信協議的可靠性可以在一定程度上有所降低，故本系統中采用UDP協議作為超聲檢測單元命令設置的傳輸層協議，而探傷數據的傳輸通過TCP協議實現。TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議，其端到端的傳輸方式可以保證通信過程中的數據不丟失[6]。建立連接后每個采集單元會以最大1.5 Mb/s的速度將數據傳輸至軟件系統中供后期處理。LabVIEW中提供了很多關于TCP和UDP連接的庫函數，可以方便地實現數據的通信。采集與處理分別開辟不同的循環[7](LabVIEW中多線程體現在多循環)，它們之間通過隊列實現數據傳輸。采集到的數據經過解析提取出探傷數據，以數組的形式放入隊列，方便成像算法處理。成像部分是整個系統功能的核心部分，分為實時顯示的成像算法以及回放的成像算法，兩種算法具有相似之處，都是根據每次接收到的探傷數據，先判斷探頭類型，對雙晶直探頭和單晶大角度探頭分別選擇相應處理方法，接著根據編碼器信息計算對應在車輪上的位置，最后改變相應位置的色值形成圖像。

圖4 軟件系統功能框圖

可視化模塊包括過程記錄回放、B掃顯示及檢測數據回放。B掃顯示指的是在探傷過程中對數據的實時顯示。實時顯示的目的在于：監測探傷設備是否處于正常工作狀態；初步判斷車輪的傷損情況。由于是簡單初步的診斷，所以采用將采集的數據(即聲壓大小)與設定的閾值相比較的方法，小于閾值(無傷)用灰色表示，大于閾值(有傷)則用紅色表示，從而對傷損情況進行標識。這種方式更加直觀地將有傷的部分與無傷的部分區分開來。而檢測數據的回放則是為了對數據進行分析，所以采用灰度函數，對于每一個聲壓值都有一個相應的色值來對應，形成圖像。圖像的顏色可以根據閾值的變化而變化，根據閾值及相應的顏色對傷損情況做出最終判斷。

數據存儲模塊包括數據存儲及歷史查詢功能。LabVIEW提供了快速測量數據的存儲解決方案——TDMS文件，其實質為一種二進制數據文件存儲類型。TDMS格式的特點是占用磁盤空間小，讀寫速度快，可讀性強，是LabVIEW推出的一種用于數據快速存儲的數據存儲格式[8]。TDMS的邏輯結構主要分為3層：根目錄、通道組、通道號，其中每一層都可以添加特定的屬性，方便讀取和存儲，有助于數據的準確分類和有效檢索。該存儲方案不僅解決了系統實時存儲問題，而且便于歷史數據的查詢。存儲過程開始時打開文件直至存儲完成將文件關閉，避免頻繁打開關閉文件減緩讀寫速度。數據按不同采集單元和不同通道分別存儲，方便后期管理。另外系統還采用Access數據庫對重要數據進行綜合管理。

3 重要環節設計方案

3.1 數據解析環節方案設計

采集單元中的數據以一定形式發給上位機軟件，數據解析即是對接收到的數據進行解析，轉換成成像算法所需的數據類型。接收到的數據首先要對幀頭進行判斷，數據的幀頭為兩個字節，如果按照每次取兩字節進行比較，一旦傳輸過程中發生數據丟失造成數據錯位，那么之后接收到的數據可能將全部是錯誤數據。這樣系統的容錯能力將會很低，這是不允許的。因此系統中采用逐個字節比較的方法，對于幀頭正確的數據，系統將數據體部分一次性全部取出，重排成數組的形式，放入隊列中；而幀頭錯誤的數據，系統予以丟棄。接收一幀數據的解析流程如圖5所示。

圖5 數據解析流程圖

3.2 成像環節方案設計

前文提到采集單元是以1.5 Mb/s的速度傳輸數據的，當6臺設備同時工作時數據量是非常大的。LabVIEW中圖像數據主要由LabVIEW中的簇結構構成[9-10]，其中以像素點的排列順序描述圖像中各像素顏色的字節數組是圖像處理的主要內容。該數組是非常大的。每來一次數據，系統就要對如此龐大的數組進行一次修改，工作量非常大。這會對CPU造成很大負擔，導致整個系統工作效率減慢，無法滿足實時顯示的要求。因此系統在采集分辨率不變的前提下，應改變畫圖分辨率進行圖像繪制。首先判斷數據是否為有傷的數據，對于有傷的數據，系統以高分辨率的方式在圖像上進行標示；對于沒有傷的數據，系統對位置靠近的一組數據只取一幀進行畫圖，處理過程中降低分辨率，以較粗的線條將這一組數據的位置覆蓋，這樣與每一幀數據都進行繪制形成的圖像相比在視覺效果上并無明顯差別，而實際上卻大大提高了CPU的處理速度，并能保證傷損不丟失。同時為避免頻繁刷新占用太多CPU資源，系統采用延遲前面板刷新的方式[11]，以200幀/次的刷新頻率對前面板進行刷新顯示，實際中該頻率并不影響人眼的觀察，并且能使系統達到實時顯示的效果。

4 結論

本文所介紹的多輪對超聲自動探傷系統可以對一節車廂3對車輪同時進行檢測，節省人力，大大提高了檢測車輪的效率。同時基于LabVIEW平臺設計了一套系統軟件，其優點為：(1)設置不同的操作權限，防止由于操作人員的誤操作而導致探傷結果的不準確；(2)采用友好的人機交互界面及一鍵設置方式，省去了復雜的參數配置，操作人員只需簡單培訓而無需具備相關專業知識即可操作儀器；(3)軟件采用B掃的顯示方式來呈現探傷結果，更加直觀易懂；(4)軟件采用可變分辨率的方法形成B掃圖像，同時延遲前面板刷新，即使大量探傷數據也可完成實時顯示。

軟件功能豐富齊全，除探傷顯示等基礎功能外還包括系統自檢、用戶信息管理、檢測過程記錄、數據查看、數據存儲以及輸出檢測報告等綜合功能，滿足目前對探傷設備的功能需求，并具有可擴展性。

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Design of multiple wheel pairs flaw detection system using ultrasonic based on LabVIEW

Wu Fan, Guo Qiangang, Zhou Xifeng

(College of Automation, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

In view of the current wheel detection methods which are mostly based on the traditional manual detection device, this paper designs a set of multi wheel ultrasonic flaw detection system based on the hardware structure of a domestic enterprise active multi channel ultrasonic flaw detector. System is based on LabVIEW platform, and it can achieve self check, user information management, data receiving, data analysis, display results, data storage, automatic judgment, detection report output and other functions. The data processing method with variable resolution is adopted to guarantee the real-time performance and the accuracy of the results.

multiple wheel pairs; ultrasonic flaw detection; LabVIEW; real-time

TP277

A

1674- 7720(2016)03- 0015- 03

吳凡，郭前崗，周西峰. 基于LabVIEW的多輪對超聲探傷系統設計[J].微型機與應用，2016,35(3)：15- 17，20.

2015-11-03)

吳凡(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：檢測技術與自動化裝置。

郭前崗(1960-)，男，教授，主要研究方向：智能控制理論與技術及其在電氣系統中的應用。

周西峰(1960-)，男，教授，主要研究方向：計算機監測與控制技術及智能與網絡化控制系統。