基于虛擬儀器的無損檢測系統設計

潘正濤 王鶴春 王繼楠

摘 要：計算機技術的發展為無損檢測提供了新的解決方案，文章論述了以虛擬儀器實現無損檢測的設計原理，分析了陣列渦流傳感器的硬件實現，然后對虛擬儀器面板的集成性、便捷性和可擴展性進行了重點研究，并結合工程實踐進行了試驗驗證，證明了該方法的有效性和可行性。

關鍵詞：虛擬儀器；無損檢測；陣列渦流；數據采集

中圖分類號：TH878 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）28-0081-02

Abstract： The development of computer technology provides a new solution for NDT. In this paper， the design principle of NDT based on virtual instrument is discussed， and the hardware realization of array eddy current sensor is analyzed. Then， the integration， convenience and expansibility of the virtual instrument panel are studied in detail， and the validity and feasibility of the method are proved by the experiment in combination with the engineering practice.

Keywords： virtual instrument； nondestructive testing； array eddy current； data acquisition

1 概述

工程中常見的無損檢測技術就是在對被測物不造成任何損傷的條件下判斷其有無缺陷存在，該技術可以有效判別設備是否健康，常見無損檢測大多是通過材料表面或內部缺陷所引起的對電、磁、光、聲、熱等反應的不同，來檢測被測物的表面及內部缺陷，根據檢測過程數據以及檢測結果的數據分析，可以對缺陷的性質、形狀、類型、數量、分布、尺寸、位置及其變化做出判斷和評價。無損檢測技術的發展過程中，常規檢測方法已日趨成熟，主要包括超聲、射線、磁粉、渦流、滲透等。但是，隨著科技的進步，各種新結構材料的出現及新制造工藝的突破不斷給無損檢測提出了新的要求。在此背景下，工程師不斷研究開發了很多新型的檢測方法和改進的檢測技術。比如聲發射技術、超聲相控陣技術、紅外熱成像技術、數字射線技術、銀涂層損傷監測技術及陣列渦流檢測技術等新技術不斷進步和發展。其中陣列渦流檢測技術在航空發動機結構的無損檢測領域體現出快速性、便捷性、先進性等工程應用前景。

2 陣列渦流傳感器設計

傳感器主要包括信號發生裝置、功放裝置、一個激勵線圈和四個檢測線圈、預置裂紋鋁板、四路差分放大裝置、四路濾波裝置、四路滑動變阻器、四路數據采集卡。激勵信號由信號發生裝置產生，該信號可設定幅值、偏振、相位及頻率，以滿足設計要求，經過功放裝置驅動陣列渦流傳感器的激勵線圈，激勵線圈產生的電磁場作用到待測試件上。

在以上思路基礎上，設計了單激勵發射接收式陣列渦流傳感器。如圖1所示，激勵線圈龍骨材質為尼龍，長寬分別為45mm，圓弧半徑為4mm。具體尺寸以滿足線圈安裝匹配為原則，在設計過程中滿足條件的前提下優先考慮設計成本的節約。

電渦流傳感器的基本原理是渦流效應的應用，檢測過程中待測試件上感生渦流，感生渦流在被測試件上檢測到缺陷時，會發生明顯變化，由缺陷引起的渦流的變化直接影響渦流的電磁場發生變化，表現在物理量的輸出即檢測線圈的檢測電壓幅值和相位也發生直接變化。實際操作過程中，相關物理量的變化非常小，受到噪聲干擾比較明顯，為解決干擾問題，引入一個差分放大器將檢測線圈輸出的結果輸出，直接將這個微小的電信號進行放大處理。再通過濾波裝置和滑動變阻器使其電壓幅值和相位穩定，提高其測量精度。檢測過程中，可以使用示波器來實時觀察其中檢測信號的電壓幅值和相位，此時示波器可以直觀觀察測量數據的波形圖，此時我們發現示波器不能將檢測信號的檢測結果的幅值和相位進行分析、儲存及研究，這就對檢測過程帶來了不便，與此同時示波器只能用于觀察某一路的檢測信號，這對多通道檢測過程提出了挑戰，面對此類問題，工程中主要通過數據采集卡將數據采集到計算機終端，然后開發軟件進行實時顯示和數據的保存及分析。本文在此基礎上進行虛擬儀器的研發，可以對數據進行有限存儲和顯示，以確保數據直觀、有效的進行分析。

3 界面設計

考慮到無損檢測系統的實際應用過程中測量試件較多，需要對無損檢測進行集中管理，采用界面設計將多通道測量進行集成管理，實現無損檢測系統的實時監測和數據回收，如圖2所示，界面設計主要包括無損檢測曲線的顯示區域和人機交互區兩個主要部分。

4 試驗驗證

傳感器實現后對某一試件的裂紋進行了檢測驗證，首先用示波器對檢測信號以及電壓相位進行觀察，然后通過采集卡和計算機實現數據采集，將采集結果在虛擬儀器進行顯示，其采集處理結果如圖2顯示區所示。采集結果表明，該虛擬儀器實現了無損檢測的數據在線采集與處理，在工程中能夠方便技術人員進行人機交互，加快了檢測效率，進而提高了檢測精度，最終起到節約成本的效果。

5 結束語

在驗證過程中，由于環境的影響檢測信號遭遇了噪聲干擾，檢測通道的濾波裝置不能有效屏蔽較大程度的噪聲，所以該設備對使用環境要求較高。后續研究工作要從硬件方面入手，設計更靈敏的濾波裝置。本文設計的無損檢測設備有效加快了工業生產進度，使人從繁瑣的切換過程中解放出來，具備一定的推廣價值。

參考文獻：

[1]朱炳坤，王建.一種基于虛擬儀器的金屬棒料自動無損檢測系統[J].湖北農機化，2012（3）：65-66.

[2]朱佳震，陳鐵群.基于虛擬儀器的脈沖渦流掃描成像無損檢測系統設計[J].科學技術與工程，2010，10（3）：791-794.

[3]楊樂平，李海濤，等.虛擬儀器概論[M].北京：電子工業出版社，2003.

[4]袁淵，古軍，等.虛擬儀器教程[M].北京：電子工業出版社，2002.

[5]柏林，王見.虛擬儀器及其在機械測試中的應用[M].北京：科學出版社，2007.

[6]周強，劉建輝，龔川森，等.虛擬儀器技術及其在航空測試領域中的應用[J].科技創新應用，2015（36）：61.

[7]李秀芬.基于虛擬儀器的發動機故障檢測系統的研究[J].科技創新應用，2017（16）.