基于LabVIEW的超聲信號采集和處理系統設計

◎任海平 楊 錄 丁宗梅

基于LabVIEW的超聲信號采集和處理系統設計

◎任海平1楊 錄1丁宗梅2

基于LabVIEW軟件和NDAQ-120614數據采集卡，開發了一套超聲信號采集、存儲、處理和顯示的虛擬儀器系統。解決了傳統超聲波探傷儀無法對信號進行存儲和處理的問題。數據采集設備通過USB總線實現和上位機的實時數據傳輸。文章重點闡述了虛擬儀器系統的設計思路以及數據處理的算法實現。通過實驗論證表明：該系統運行穩定，數據處理結果正確，實現了雙通道高速動態信號的采集、處理等功能。

無損檢測是現代工業發展必不可少的工具，它在某種程度上反映了一個國家的工業發展水平，其重要性己得到世界公認。超聲波探傷廣泛應用于無損檢測領域，用于檢測物體的內部缺陷。但傳統的超聲波探傷儀存在無法對信號進行存儲和處理的問題，這在很大程度上制約了檢測的效率和準確度。所以超聲信號的采集、存儲和實時處理就顯得尤為重要。國際上一些技術先進的國家，已經將信號采集系統廣泛地應用在軍事、航空電子設備及宇航技術、工業等領域。文章在CTS-23A型超聲波探傷儀的基礎上，結合四川拓普科技的高速雙通道數據采集卡NDAQ-120614，并利用LabVIEW軟件，設計了一套虛擬儀器系統。該系統集超聲波數據采集、存儲、處理和顯示于一身，實現了超聲無損檢測的自動化控制、超聲波數據的數字化以及數據的實時顯示和處理等功能。

虛擬儀器系統的設計

系統總體設計框架介紹。系統主要由三部分組成：數據采集模塊，數據處理模塊，結果顯示模塊。如圖1所示為系統的總體設計框圖。上位機通過USB接口發送采集命令給數據采集卡。采集卡發送超聲波觸發信號給超聲波探傷儀，以此為時間起點，延長指定的時間以后，采集卡開始采集數據，并把數據保存到板卡緩存。存儲在采集卡中的數據通過USB接口傳送到上位機，上位機對數據進行處理和顯示等操作。需要指出的是探傷儀是超聲收發一體的，即在發送超聲波的同時也可以接收超聲回波信號。

NDAQ-120614是同步并行高速數據采集設備，采用14Bit高精度A/D，單通道最高采樣率為125 MSps，通道連接最高采樣率可達250 MSps，板載緩存為2 G，模擬輸入信號帶寬為0～40 MHz，可實現雙通道高速動態信號的實時記錄。此外，該采集卡具有觸發探傷儀發射超聲波的功能，觸發信號為寬度10us，幅值12V的窄脈沖，觸發頻率分六檔，最高頻率為2KHz，最低頻率為50Hz，可以根據實際需要選擇觸發頻率。

探傷儀采用的是汕頭超聲儀器研究所研發的CTS-23A型超聲波探傷儀。該探傷儀是攜帶式A型脈沖反射式超聲波探傷儀，可用交流電或電池供電工作。儀器具有頻帶可變的寬頻放大器，寬掃描范圍的時基電路，并設置了細調及微調的高精度衰減器；儀器采用高亮度、內刻度矩形示波管。探傷靈敏度高、穩定性好、波形清晰、體積小、重量輕、耗電省且操作方便，并且具有報警功能。

數據采集控制模塊的程序設計。在微軟的Windows操作系統下，以LabVIEW軟件為平臺開發了虛擬儀器系統。LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instruments，NI)推出的一種基于“圖形”方式的集成化程序開發環境。與傳統的文本式編程語言相比，圖形化編程語言LabVIEW具有開發周期短、調試方便、人機交互界面友好等優點。此外，LabVIEW還包含了大量的工具與函數用于數據采集、顯示、儲存和分析等。所以LabVIEW在測試與測量、過程控制等方面都得到了廣泛的應用。

程序主要分為以下幾個模塊：設備初始化，數據采集和存儲，數據處理，結果顯示。程序流程圖如圖2所示。

程序啟動以后首先執行設備的初始化，設備初始化包括采樣次數、采樣長度、延時長度等的初始化工作。上傳到上位機的超聲回波數據以二進制方式存儲在TDMS文件中。TDMS文件是NI公司最新推出的數據管理系統，它在具備二進制文件優點的同時，又具備關系型數據庫的一些有點。據NI公司測試，TDMS格式文件的存儲速度能達到600MB/s。這樣的存儲速度能滿足絕大多數數據采集系統的需要。

超聲回波信號處理

對超聲回波信號的處理主要包括原始信號預處理，信號的分離和重構以及確定“傷”位置的算法實現。

信號預處理。原始信號的預處理包括去直流分量和滑動平均，滑動平均的目的是去除原始信號中的噪聲。主要程序代碼如下所示：

x1 = x0 - mean(x0);M = 10;x2 = hdpj(x1,M);

原始信號為x0，去除原始信號中的直流分量得到x1信號，M是滑動平均算法中的一個參數，表示對信號中每M個相鄰點作平均。x2為經過滑動平均處理以后的信號。如圖3所示為原始回波信號和經過去直流以及滑動平均處理以后的信號對比圖。

信號的分離和重構。原始波形中包含被測對象末端和缺陷處返回的超聲波信號，末端的回波信號下面簡稱端波信號，缺陷處的回波信號簡稱傷波信號。從原始波形中提取待分析信號，需要包含傷波信號和端波信號。無論是端波信號還是傷波信號，其特征相同，都是按指數規律衰減的正弦波。通過超聲波的傳播時差可以確定二者的相對位置。從圖3中可以看出，幅值最大值所在位置處的波形即為端波信號。所以確定原始波形的最大值點即可提取出端波信號和傷波信號。部分程序代碼如下所示。

[mx1,kx1]=max(x2);%獲取端點波峰值

x2=x2(dst:dend-1);%截取待分析數據

x3=x2(1:dfj);%截取傷波

x3=x2(jdsz:jdez); %重構長度為11個探頭周期的傷波

x4=x2(jdez+1:dlen);%截取端波

xbl=zeros(1,N3);%對截取的傷波補零

x4=[xbl x4];%重構端波

如圖4所示為截取到的傷波信號和端波信號。

確定缺陷位置的算法實現。互相關運算廣泛應用于信號分析與統計分析，通過相關函數峰值的檢測可以測量兩個信號的時延差。計算傷波信號和端波信號的互相關函數，從而得到互相關函數的最大值點，再結合信號的采樣頻率以及被測對象中的超聲波的傳播速度即可確定“傷”的具體位置。部分程序如下所示。

xk=fft(x3,2*N3);%計算傷波信號的傅里葉變換

yk=fft(x4,2*N3);%計算端波信號的傅里葉變換

rm0=real(ifft(conj(xk).*yk)); %計算傷波信號和端波

信號的相關函數，并去其實部

如圖5所示為傷波信號和端波信號的互相關函數曲線。設缺陷距離被測對象末端的距離為d，被測對象中的超聲傳播速度為v，信號的采樣頻率為f，傷波信號和端波信號的互相關函數最大值的位置為n。則可得：

實驗驗證

利用PC機，采集卡NDAQ-12064，探傷儀CTS-23A以及氧化鋁陶瓷搭建了如圖6所示的實驗平臺，參數設置如表1所示。

圖6 超聲波探傷實驗系統

被測對象是直徑為6mm的氧化鋁陶瓷棒，在陶瓷上人工刻有一定深度的“傷”，“傷”與陶瓷棒端頭的距離為27 mm。如圖7所示。

在LabVIEW環境下，利用Matlab Script節點可以實現LabVIEW對Matlab程序的直接調用。在該虛擬儀器系統中就是采用這種方式實現了對信號的實時處理。

如圖8所示為“傷”距陶瓷棒末端的距離，與實測值27 mm之間的差距不到2mm，在誤差允許范圍內。結果說明該虛擬儀器系統成功測得了“傷”的具體位置。

以LabVIEW為平臺，設計了一套集數據采集、存儲、處理和顯示為一體的超聲波虛擬儀器系統。解決了以往超聲波探傷儀數據記錄困難，無法進行實時數據處理的問題。同時借助LavVIEW強大的數據處理能力，提高了探傷的準確性，避免了人為誤差。該虛擬儀器系統可以廣泛應用到基于超聲的測距、測速、測溫等工程中，具有非常廣闊的應用前景。

（作者單位：1.中北大學信息與通信工程學院；2.北京恒信陸峰科技發展有限公司)