复杂断面重轨在线无损检测系统设计虚拟仪器实现

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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计说明书（毕业论文）复杂断面重轨在线无损检测系统设计 利用虚拟仪器实现激光检测摘 要近年来，随着现代工业和科学技术的发展，无损检测（NDT）在各个领域正发挥着越来越大的作用。激光全息无损检测方法与其它的NDT方法相比，发展较早、技术较成熟，应用范围较广，是全息干涉计量技术的重要应用之一。此外，虚拟仪器（VI）技术是计算机技术与仪器技术深层次相结合的产物，通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可通过友好图形界面操作这台计算机，利用软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。 本设计主要是利用虚拟仪器实现激光无损检测。激光探头利用激光全

2、息检测技术，对重轨断面进行检测并输出电量信号，经信号处理电路处理，变成标准信号。数据采集卡采集此信号并转换为计算机能处理的数字信号。通过设备驱动程序，数字信号进入计算机。在 LabVIEW 平台下，调用程序，在虚拟仪器前面板显示检测到的波形，通过分析比较，判断被检测的重轨是否存在缺陷及其受损程度，并对数据进行保存，至此完成了对重轨的无损检测。该系统集信号采集、 数据分析处理、波形显示于一体，是一个开放灵活的模块化系统，本设计系统的实现对铁路运输业以及工业的发展的影响意义深远。关键词：无损检测；激光全息；重轨；虚拟仪器内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）The Design of Onlin

3、e Non-destructive TestingSystem of Complex Cross-section Heavy Rail Laser Testing Base on Virtual InstrumentAbstract In recent years,Non-destructive testing (NDT) technology is playing an increasingly important role in various fields with the modern industry,the scientific and the technologicals dev

4、elopment.Laser Holography Non-destructive testing methods compare with other NDT method,the development is the older,the technological is more mature,the scope of application is the broader,it is one important application of the holographic interferometry technology. In addition,Virtual Instrument (

5、VI) technology is come from the computer technology and equipments deeper integration.Through the application process,the general computer hardware will be combined with the equipment.User can operate the compute through friendly graphical interface.Make use of the software,data Analysis,expression

6、and user interface graphically will be realized. The design is that Virtual Instrument (VI) technology finish Laser Non-destructive testing. Make use of Laser Holography Detection Technology,Laser probe tests Heavy rail section,the signal of electricity is outputed.Through the signal processing circ

7、uits processing,it will produce a standard signal. Data Acquisition acquise the signal,it is convered the digital signal,which the computer may handle.Make use of the device drivers,digital signal into the computer.In LabVIEW platform, user calls the process,the detected wave will be displaied in vi

8、rtual instrument frontpanel.Through the analysis and the comparison,the judgement is that the detected heavy rail whether there is defects and damage,and preserve data.The design of heavy rails Non-destructive testing system is completed.The system is made of signal Acquisition,data analysis and wav

9、eform display.It is the open and flexible modular system.The design systems realizing,it will be have far-reaching significance for the impact of the railway transport industry and the industrial development. Key words: Non-destructive Testing;Laser Holography; Heavy rail; Virtual Instrument内蒙古科技大学毕

10、业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 无损检测技术11.1.1无损检测技术概述11.1.2无损检测技术的方法21.1.3激光全息无损检测技术的地位和优势21.2 虚拟仪器技术的发展、演变和前景展望31.2.1虚拟仪器技术的演变和发展31.2.2虚拟仪器技术的前景展望41.3 激光无损检测系统研究的背景、目的及意义6第二章 激光无损检测系统总体设计方案及相关介绍82.1 激光无损检测系统的总体设计方案82.2激光及激光全息检测技术92.2.1激光基本知识的介绍92.2.2激光全息检测技术142.3虚拟仪器222.3.1虚拟仪器的概念222.3.2虚拟仪

11、器的特点232.3.3虚拟仪器的构成232.3.4虚拟仪器的测试系统252.4重轨26第三章 激光无损检测系统硬件的介绍283.1激光探头283.2采集系统硬件（PCI-6221）的介绍303.3信号调理电路313.3.1信号放大处理323.3.2信号滤波处理33第四章 激光无损检测系统的软件设计374.1 虚拟仪器软件开发平台简介374.1.1虚拟仪器软件开发平台的功能374.1.2虚拟仪器软件开发平台的特点374.2 激光无损检测系统的软件设计384.2.1 激光无损检测系统程序框图的设计384.2.2激光无损检测系统前面板设计和波形显示474.2.3 激光无损检测系统探伤信号的分析49第

12、五章 激光无损检测设计系统的调试与总结515.1 激光无损检测系统软件运行和调试515.1.1 激光无损检测系统软件的运行515.1.2 激光无损检测系统软件的调试515.2 总结53参 考 文 献55附录 激光全息无损检测系统软件程序框图57致谢58内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言1.1 无损检测技术1.1.1无损检测技术概述无损检测是以不损坏被检验对象的性能为前提，应用多种物理原理和化学性能，对各种工程材料、零部件、结构件进行有效地检验和测试，借以评价它们的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能。无损检测可以预测构件或产品是否满足工程使用要求，或在生产过程中进行监控

13、，以保证产品满足设计要求。无损检测技术的特点：无损检测不会对构件造成任何伤害；无损检测技术为查找缺陷提供了一种有效方法；无损检测技术能够对产品质量实施监控；无损检测诊断技术能够防止因产品失效引起的灾难性后果；无损检测技术的应用范围广阔。无损检测技术功能有：对产品质量作出评价，无论是锻件、铸件、焊接件、钣金件或机加件以至于非金属结构都能用无损检测技术找出它的表面或内部的缺陷，并能对缺陷进行定性或定量分析；用无损检测技术能测定材料的物理性能、机械强度和组织结构，能判别材料的品种和热处理状态，进行混料分选；产品的几何尺寸、涂层或镀层厚度、表面腐蚀状态、硬化层深度和应力应变状态都能用无损检测技术来测定

14、；可对在役或生产中的产品进行现场的或动态的检测，将产品中的缺陷变化信息连续地提供给检测者以实行监控3。无损检测技术经历了三个发展阶段，即无损检查（Non-destructive Inspection，NDT）、无损检测( Non-destructive Testing，NDT)和无损评估( Non-destructive Evaluation，NDE)，目前统称无损检测（NDT）。20世纪70至90年代是国际无损检测技术发展的兴旺时期，其特点是微机技术不断向无损检测领域移植和渗透，无损检测本身的新方法和新技术不断出现，而使得无损检测仪器的改进得到很大提高。随着现代化水平的提高，我国无损检测技术

15、已取得了很大的进步。已建立和发展了一支训练有素、技术精湛的无损检测队伍。与此同时，我国已有一批生产无损检测仪器设备的专业厂，主要生产常规无损检测技术所需的仪器和设备。1.1.2无损检测技术的方法无损检测测试方法很多，最常用的有射线检测RT(X-Radiography testing)、渗透检测PT(Penetrate Testing)、磁粉检测MT(Magnetism Testing)、超声波检测UT(Ultrasonic Testing)和涡流检测ET(Eddy Testing)等，已成为生产中常规检测技术。另外，还有各种新技术，如激光全息照相技术、声振检测、红外检测和声发射检测等3。近几十

16、年来，无损检测技术发展很快，已成为生产过程中不可缺少的一个重要手段，但因各种无损检测方法都是通过一定的中间过程来显示材料缺陷信息的，不可避免地会受到材料本身和检测时主观因素的影响。因此，每一种检测方法都还不能百分之百地对检测结果绝对保证无误，各种方法都有其各自的优点和不完善的地方，在生产应用中要结合实际情况来选择。本设计系统主要采用的无损检测方法是激光全息照相技术。1.1.3激光全息无损检测技术的地位和优势激光全息检测技术具有灵敏度高、检测速度快、不用探头接触零件表面、不需要耦合剂、对构件的形状和表面状态无特殊要求、能全场直观显示缺陷情况等优点，而且检测结果易于保存。常规的射线照相法，可用于探

17、测有间隙的缺陷裂纹、气孔、夹杂、腐蚀和厚度变化，对紧贴型缺陷无能为力，激光全息采用适当的加载方式，可检测出间隙型和紧贴型缺陷。而且射线照相法还必须要求射线与裂纹平行，这样对复杂形状的构件检测困难较大，容易造成漏检。超声波法是一种较成熟的无损检测技术，主要应用于表面的穿透裂纹和表层下缺陷的检测，但需要耦合剂进行接触性检测。对不允许接触溶剂类的产品固体火药柱超声波法检测受到限制，而激光全息非接触检测发挥了其优势。声波发射法作为一项常规的检测技术，可用于裂纹的产生和扩散的探测，但它很难区分裂纹产生的信号和噪音信号，而且声波发射法检测具有不可重复性。激光全息检测卸载后，可重新加载进行重复性检测，为准确

18、、可靠地检测提供了条件。其它如渗透法、涡流法、磁性粒子法等技术都存在着对试件及操作者具有严格的要求。因此激光全息无损检测方法能解决常规检测手段难以解决的问题具有不可替代的独特地位6。1.2 虚拟仪器技术的发展、演变和前景展望1.2.1虚拟仪器技术的演变和发展传统的电子测量仪器、测试系统由“信号采集”、“数据处理与分析”和“数据结果的最终显示”三部分组成放在一个仪表机箱内，这三部分都是用电子线路来实现的，即都是采用硬件来实现的。传统仪器经历了从模拟仪器到数字化仪器的变革，随着现代科学技术和生产的不断发展，测试项目日益增多，测量范围日渐扩大，对测试系统在精度、速度及功能方面有了更高的要求，这就促使

19、需要不断地改进和完善测量仪器和测试方法，组建自动测试系统，使测试仪器逐步向智能化、自动化和虚拟化发展演变。智能仪器是将微处理器置入测试仪器，使其能进行自动测量，并具有一定的数据处理能力。它的全部功能都是以硬件的形式存在，并通过键盘和鼠标来实现。随着计算机技术、数字信号处理技术的进步，实现各种信号处理功能的软件算法精度越来越高，速度越来越快，在仪器的“数据处理与分析部分”，用软件代替硬件成为可能，即用算法代替电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功能。同时，“处理结果的最终显示”原本就是计算机的“长项”。这样，把传统仪器的后两部分用计算机软件来实现，而不再采用硬件来实现，就形成了所谓的虚拟仪器。但

20、是虚拟仪器的“面板”显示在计算机的屏幕上，仪器的操作是通过鼠标选中不同的按键和旋钮来完成的。根据实际生产的需要，采用不同的软硬件组合，用户就能在屏幕上定义自己的仪器，生成各种不同的“仪器面板”。“传统的独立仪器由制造商来定义它的功能，而虚拟仪器完全由用户自己来定义仪器的功能”，透彻地说明了虚拟仪器与传统仪器的根本区别。虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，是传统仪器观念的一次巨大变革，将代表仪器未来发展的一个重要方向14。1.2.2虚拟仪器技术的前景展望目前，虚拟仪器的应用受到了一定的限制。这是因为面向微波、通信等领域的专用测试仪器，包括通用仪器的高端产品一直以来是台式仪器垄断着市场，相应的模块化仪

21、器产品为数不多。不过，近年来已有多家仪器厂商正在研制、开发面向测试高端领域的宽带、高速、复杂的模块化仪器。从目前计算机、微电子和软件行业发展情况来看，基于计算机的虚拟仪器已将单台仪器所具备的高品质测量功能完全嵌入到计算机中。这种新型的、可直接编程的仪器，随着计算机的功能与灵活性的不断改进而进步。它在保持高档仪器测量品质的同时，还可以满足目前各种应用的多样性要求。同时又具有进一步扩展其功能。一定的灵活性，更直接地解决使用过程中所遇到的各种难题。虚拟仪器技术采用通用计算机平台，用软件算法代替硬件实现仪器功能，这可以绕过复杂的工艺问题和传统仪器的知识产权，与国外公司在一个全新的领域，展开竞争，大力发

22、展虚拟仪器。近些年，虽然有很多VXI产品在国内推广，但能够大面积应用的不多，过高的价格限制了VXI产品的推广应用。发达国家在传统仪器市场已有相当规模，如果退出太快，就会造成巨大的退出成本。作为发展中国家中国，在传统仪器领域尚未形成优势，如果集中力量，迅速进入下一代虚拟仪器市场，由于不存在退出成本的问题，能够迅速形成后发优势，从而略过传统仪器的发展阶段，迅速进入虚拟仪器发展阶段，形成跨跃式发展态势。目前，整个虚拟仪器市场都在增长，PXI总线市场增长的速度远远超过了VXI总线，平均年增长率为37.9%。可以预测，未来几年虚拟仪器领域将会是PXI总线的天下。这是就全球虚拟仪器市场而言，就国内市场，我

23、们可以大力发展PXI总线。“软件就是仪器”，表明软件是构成虚拟仪器的核心，是虚拟仪器的灵魂。随着测量和控制应用领域对系统性能和灵活性要求的不断提高，软件的设计功能也日渐重要。用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，功能强大、现成即用的软件使整个过程自动进行。购置工程应用开发平台并拥有其最佳性能，可以使企业大大缩短开发时间并提高每个工程师的工作效率。配备了这样强有力的工具，企业才能在剧烈的竞争中赢得最终胜利。为了便于用户使用，仪器制造商同时对硬件和软件标准化，将虚拟仪器、虚拟仪器测试系统细分为硬件模块、驱动程序和软件开发平台等若干层，对各层与相邻层之间的接口都加以规范。软硬件厂商都按标准的

24、规范开发各自的软硬件产品，使其具有最佳的互换性能。标准化的结果将使不同厂商生产的产品或不同体系结构（如GPIB、VXI、USB、PCI等）的产品相互兼容，开放性进一步增强。虚拟仪器的另一个方向是各种标准仪器的互连及与计算机的连接，未来的仪器也应当是网络化的。虚拟仪器技术是将仪器仪表技术与计算机技术及以太网络相结合，利用实时控制与嵌入式控制器技术革新，促进测量和自动化技术的发展。虚拟仪器技术可利用以太网络的功能，将来自测量或控制设备中的资料直接传送到web网页上，甚至将数据传输到手机上读取资料。使用虚拟仪器技术，可以使用以太网络的强大功能远程控制仪器设备，或是与远在其他办公地点甚至其它国家的同事

25、合作处理一个项目。由于虚拟仪器本身是以计算机为平台，具有方便、灵活的互联能力，随着通信技术、总线技术和网络技术的发展与应用，虚拟仪器向网络方向发展，网络化虚拟仪器的出现是一种必然。它除了必要的硬件接口支持，虚拟仪器软件开发平台使用户可以借助于Windows系统的远程桌面、LabVIEW的网络通信功能、网络协议等，用户能很快在Web上发布虚拟仪器的面板，直接在本地打开并操控虚拟仪器，以实现远程测试、诊断和维修。利用 Data Socket技术，用户可以和其他有 Internet功能的程序迅速建立连接并共享数据，而无需担心网络协议和数据格式等问题。科学技术高速发展的今天，无论是计算机还是组建虚拟仪

26、器用的板卡的性能和价格都将发生更大的变化。现在，越来越多的科技公司加入到虚拟仪器的产品开发中来，更多新的测量仪器系统采用了虚拟仪器的技术。这一方面使虚拟仪器的种类更加完善、技术更加成熟；另一方面，也使虚拟仪器的竞争更趋激烈，技术的发展与竞争的激烈将使虚拟仪器的性能越来越好，价格越来越低，因而其普及率也将会越高。虚拟仪器从问世以来，基于计算机的虚拟仪器出现时间更短，但由于它具有独特优势，因而发展迅猛。可以预计，测试仪器的变革，虚拟仪器的普及已为期不远。1.3 激光无损检测系统研究的背景、目的及意义工业发达的国家对无损检测技术十分重视，普遍认为现代工业是建立在无损检测技术之上的，大多数国家都建有不

27、同规模的无损检测技术中心。有政府和企业拨款专门从事无损检测技术的研究与开发，大家都争先把物理学方面的新成就应用于无损检测，以提高产品质量、竞争力以及使用过程中的安全性等。激光全息无损检测是无损检测技术中的一个新分支，是60年代末期发展起来的，是全息干涉计量技术的重要应用之一。多年来，激光全息无损检测的理论、技术、照相系统和图像处理系统都有了很大发展，在航空航天工业中，对复合材料、蜂窝夹层结构、叠层结构、航空轮胎和高压管道容器的检测具有某些独到之处，解决了用其他方法无法解决的问题，因此激光全息无损检测由于具有诸多优点而使其得到了迅速发展和广泛应用。我国使用仪器对铁路钢轨进行探伤始于上世纪50年代

28、，铁路是较早开展无损检测工作的部门之一，钢轨探伤是无损检测技术应用的一个重要领域。由于钢轨是铁路系统中一个极其重要的组成部分，在使用过程中被暴露于野外，要在各种环境条件下工作，要承受各种不同类型、频率及方向的高强度应力的作用而产生各种疲劳缺陷。这些疲劳缺陷如不及时检出，会造成钢轨折断以致引起列车颠覆、中断交通等恶性事故，因而各国对钢轨探伤十分重视，不惜投入大量人力和物力，对在役钢轨进行定期检测，以便及早发现疲劳伤损，防止断轨，确保安全1。随着计算机技术、数字信号处理技术和人工智能等高新技术的飞速发展，钢轨探伤技术也在向高速度、自动化、智能化的方向发展。鉴于以上所述，了解到了利用虚拟仪器对钢轨断

29、面实现激光全息无损检测系统研究的必要性。此检测系统的应用并不仅仅限于铁路运输业，而且也可以推广其他各个领域的发展中。第二章 激光无损检测系统总体设计方案及相关介绍2.1 激光无损检测系统的总体设计方案利用虚拟仪器软件对重轨断面实现激光全息无损检测系统的总体设计的工艺流程框图如图2.1所示。检测系统主要由光电传感器（激光探头）、信号处理电路、数据采集卡（PCI-6221）和计算机四部分组成。图2.1 系统设计工艺流程图本设计系统检测的基本原理如下所述：由氦氖激光器产生一束激光，它的波长为632.8纳米，频率为赫兹，谱线宽度为赫兹。利用激光全息照相技术，激光全息干涉光路图如图2.4所示，产生的激光

30、由分光镜产生两束光，一束用来照射需检测的重轨断面，再由重轨表面漫反射到光电转换元件上，这束光称为物光束；另一束光经过反射镜反射照射到光电转换元件上，这束光称为参考光束。当这两束光在光电转换元件上叠加后，形成了亮暗交替变化的干涉条纹，利用光电转换元件将干涉条纹亮暗变化的光信号，转换为电脉冲信号，进而输出电压信号。信号处理电路将激光探头输出的电压信号进行整形、转换、滤波和隔离等处理，变成标准电压信号。数据采集卡采集信号处理电路基于 PC-DAQ 的虚拟仪器测试系统的电压信号，通过放大、A /D转化等处理，并转换为计算机能处理的数字信号。通过设备驱动程序，数字信号进入计算机。在 LabVIEW 平台

31、下，调用信号处理子模板，编写仪器功能流程和功能算法，设计虚拟仪器前面板，设置好相关参数，运行程序，将在虚拟仪器前面板上显示检测结果，通过分析比较，判断被检测的重轨断面是否存在缺陷，并确定被检测的重轨断面受损程度及位置，然后对数据进行保存和读取处理，至此完成了本设计系统所需要完成的任务。2.2激光及激光全息检测技术2.2.1激光基本知识的介绍激光在我国最初被称为“莱塞”，即英语“Laser”的译音，而“Laser”是“Light Amplification by Stimutated Emission of radiation”的缩写，意思是“辐射的受激发射光放大”。虽然在1917年爱因斯坦就预

32、言了受激辐射的存在，但在一般热平衡情况下，物质的受激辐射总是被受激吸收所掩盖，未能在实验中观察到。直至1960年，第一台红宝石激光器才面世，它标志了激光技术的诞生。从此激光技术的发展十分迅速，现已在几百种工作物质中实现了光放大或制成了激光器。激光的出现是对传统光源的一次革命，它应用于工业、农业、军事、交通、科研以至日常生活等几乎所有的国民经济领域。它大大丰富了传统光学的内容，并发展形成了数门，乃至数十门新型的边缘科学。在此主要对激光产生的基本的特性、原理、应用和氦氖激光器的基本结构、工作原理及其特性等的基本知识作以下简单介绍。2.2.1.1激光的基本特性就本性而言，激光和普通光源发出的光波并无

33、差别，它们都是电磁波。但是就光的产生机制与产生方式而言，两者却有很大区别。首先，激光是受激发射占优势，而普通光则是自发发射占优势；其次，绝大多数激光器都具有普通光源所没有的谐振腔。正因为如此，激光才具有普通光束所不具备的特点。一般情况下，激光的特性概括为四个方面，即单色性好，方向性好，相干性好和亮度高。实际上，它们的量子性根源相同。激光的上述四个特性，是激光具有很高的光子兼并度的不同表现，它们不是相互独立的，它们之间有着深刻的内在联系。另外，激光还具有聚焦性质、调谐性和超短脉冲等特性，下面对其作简单介绍。方向性所谓激光的方向性好，是指激光器发出的光能流在空间方向上高度集中，或者说激光束具有高度

34、的准直性。普通光源是向着三维空间的所有可能的方向发光的，即使经过光学系统把光能流进行集中，其发射度亦较激光大得多。一般激光束的发散角在毫弧度的数量级上，即使是方向性最差的半导体激光器发出的激光束，其发散角一般是（510）10-2弧度，这是普通光束所无法比拟的。单色性通俗地说，单色性好，就是颜色纯。表现在光谱上，谱线宽度越小，单色性越好。通常, 单色性系表示激光具有一种颜色或一种波长，一条有一定宽度的谱线对应着波长在一定范围内变化的一系列的单色光，一般光的波长或频率都有一定的谱宽和频宽，人们便用该波长的变化范围来表示这条谱线的宽度。通常光频率宽度越窄和波长宽度越窄，光的单色性越好。在普通光源中，

35、氪同位素86灯发出的波长=6957埃的光谱线的单色性最好。在低温条件下，其宽度为=0.0047埃。与此同时，氦氖激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到210-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。空间相干性和时间相干性空间相干性与准直性有着密切联系。理想的平行光束是完全相干的，即在光束截面上处处相干。单模激光器发出的激光，在整个光束截面上几乎有理想的空间相干性。激光的空间相干性还表现在两个相互独立的同类型激光器发出的光是相干光，而两个普通光源所发出的光绝不会是相干光。时

36、间相干性与单色性存在着简单联系。由于激光的单色性好，其相干时间就长，相干长度也就越长。理论上讲，激光的相干长度为10101011米的数量级。当然受种种因素的限制，激光的相干长度不可能这么大。实验上已经获得的激光的相干长度在几百公里以上，甚至达到了几万公里。亮度由于激光束的方向性好，光能可集中到达某一区域从而形成极高的亮度。一台1毫瓦的小型He-Ne激光器所发出的激光辐射的亮度可达太阳亮度的100倍，其光谱亮度则可达太阳光谱亮度的106倍。现在亮度最高的普通光源是高压脉冲氙灯，其亮度可达太阳亮度的几十倍。然而，采用开关技术的巨脉冲红宝石激光器的辐射亮度可达太阳的100亿倍，这个亮度相当于氢弹爆炸

37、时闪光的亮度。上述几点是激光的主要特性，它和激光的另外几条特性也是相互联系的。我们可以把这些特征概括为三个方面：激光的频率高度集中，激光能量在空间分布的高度集中和发射时间上的高度集中。当然，就某一台具体的激光器而言，它所发射的激光并不一定具有上述全部特性，更不一定具有那些特性的最佳指标。但就激光领域所达到的那些性能而言，普通光源是望尘莫及的。2.2.1.2激光产生的基本原理在受激辐射跃迁的过程中，一个诱发光子可以使处在上能级上的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子，这两个光子又可以去诱发其它发光粒子，产生更多状态相同的光子。这样，在一个入射光子的作用下，可引起大量发光粒子产生受激辐射，并

38、产生大量运动状态相同的光子，这种现象称受激辐射光放大。由于受激辐射产生的光子都属于同一光子态，因此它们是相干的。通常，受激辐射与受激吸收两种跃迁过程是同时存在的，前者使光子数增加，后者使光子数减少。当一束光通过发光物质后，究竟是光强增大还是减弱，要看这两种跃迁过程哪个占优势。在正常条件下，即常温条件以及对发光物质无激发的情况下，发光粒子处于下能级的粒子数密度大于处在上能级的粒子数密度。此时当有频率等于的一束光通过发光物质时，受激吸收将大于受激辐射，故光强减弱。如果采取诸如用光照、放电等方法从外界不断地向发光物质输入能量，把处在下能级的发光粒子激发到上能级上去，便可使上能级的粒子数密度超过下能级

39、的粒子数密度，我们称这种状态为粒子数反转。只要使发光物质处在粒子数反转的状态，受激辐射就会大于受激吸收。当频率为的光束通过发光物质，光强就会得到放大。这便激光放大器的基本原理。即便没有入射光，只要发光物质中有一个频率合适的光子存在，便可像连锁反应一样，迅速产生大量相同光子态的光子，形成激光。这就是激光振荡器或简称激光器的基本原理。因此可见，形成粒子数反转是产生激光或激光放大的必要条件，为了形成粒子数反转，须要对发光物质输入能量，我们称这一过程为激励、抽运或者是泵浦。2.2.1.3激光在工业的应用中的优点 由于激光具有高度方向性和高强度性，应用在工业检测及控制系统上有很多优点，诸如：待测工件与测

40、量仪器之间为非接触性测量，所以不易伤及待测工件的表面。待测工件与测量仪器间的距离可不必很接近。较不易受工作环境影响，如热的影响、电磁干扰。信号的反应时间仅受限于光电感测组件与电子组件，所以反应时间很短，测量非常快速，且准确性高。利用现有的电子组件，如光电二极管等，光的信号很容易转换成电的信号，且容易在后级中作处理与放大，并可由数字技术作数值分析统计等工作。可测量动态物体，如自动化机械的感测系统的车削振动等。2.2.1.4氦氖激光器氦氖激光器是在1960年成功运转的第一台气体激光器，也是继红宝石激光器后出现的第二台激光器，由于它结构简单、使用方便、工作可靠、寿命长、频率稳定性好等优点，作为一种新

41、型光源，应用比较广泛。氦氖激光器在可见区和红外区可以产生多种波长的激光谱线，主要有632.8nm红光和1.15微米和3.39微米的红外光。氦氖激光器通常是由工作物质（He、Ne气体）、谐振腔以及激发电源三部分构成。氦氖激光器的长度一般是250毫米到1米。目前最小的氦氖激光器的长度长仅25厘米，直径0.05厘米。氦氖激光器是用气体放电方式激励的，当在放电管中通以适当的电流时，被加速的电子首先把氦原子通过碰撞激发到它的两个亚稳态，然后处于亚稳态的氦原子与基态氖原子碰撞将能量转移给氖原子并使其激发到4s和5s能级（如图2.2所示）。4s、5s能级也是两个亚稳态，原子处于4s、5s能级寿命较处于3P、

42、4P能级的寿命长；又因为氦原子密度比氖原子密度高，这样就有较多的亚稳态氦原子和氖原子碰撞，使较多的氖原子处于4s、5s能态，不仅如此，从4s、5s自发辐射的概率很小，这样就实现了氖原子的4s、5s能态相对3P、4P能态的粒子数反转，当适当频率的光子入射时，就会产生相应能级间受激辐射放大，分别发出3.39微米、632.8纳米、1.15微米波长的激光。如果采取适当措施抑制其中波长3.39微米、1.15微米两种辐射，就可输出本设计所需的单一波长为632.8纳米的激光10。 图2.2 氦氖激光器能级简图氦氖激光器有如下特性：He-Ne激光器在可见区和红外区可产生多种波长的激光谱线；它具有一般的气体激光

43、器所固有的方向性好，单色性好，相干性强的优点。如632.8纳米这一激光波长，有非常好的空间相干性，其波前接近于理想的平面波或球面波；氦氖激光器的多模震荡带宽=纳米，而其相应的相干长度=20cm，一般情况下用多模氦氖激光器来拍摄和观察一般小物件的全息照片，但若应用要求更高的相干长度，氦氖激光器必须单纵模工作并稳频，单纵模震荡线宽可达到纳米；在外腔式和半外腔式氦氖激光器中，由于布氏窗的存在，输出的激光呈线偏振光，偏振的电矢量振动在管轴与布氏窗的法线所构成的平面内，内腔式氦氖激光器也存在一定的偏振，但较复杂；氦氖激光器中的放电是放电电流比较小，放电电压比较高的辉光放电，放电电流一般只有几到几十毫安。

44、 2.2.2激光全息检测技术激光全息无损检测是无损检测技术中的一个新分支，是全息干涉计量技术的重要应用之一。 激光全息无损检测技术与其它检测方法相比有如下特点：由于是一种干涉计量技术，其干涉计量精度与激光波长同数量级。因此极微小的变形也能被检测出来，检测灵敏度很高；由于作为光源的激光的相干长度很大，因此可以检测大尺寸的产品，只要激光能够充分照射到整个产品表面，就能一次检验完毕；对被检对象没有特殊要求，可以对任何材料和粗糙表面检测；可借助干涉条纹的数量和分布来确定缺陷的大小、部位和深度，便于进行定量分析；直观感强，非接触检测，检测结果便于保存。2.2.2.1激光全息检测的原理 激光全息检测是利用

45、激光全息照相技术来检测物体表面和内部缺陷的。因为物体在受到外界载荷作用下会产生变形，这种变形与物体是否含有缺陷直接相关。在不同的外界载荷作用下，物体表面变形的程度是不相同的。激光全息照相技术，是将物体表面和内部的缺陷，通过外界加载的方法，使其在相应的物体表面造成局部的变形，用全息照相来观察和比较这种变形，并记录下不同外界载荷作用下的物体表面的变形情况，进行观察和分析，然后判断物体内部是否存在缺陷。任何物体在外力作用下都会发生变形，物体内有无缺陷，其表面的变形程度是不同的，通过观察物体表面的异常变形来判断其内部缺陷的存在。激光全息检测是以激光全息照相技术为基础，分别摄取不受力状态和受力状态的全息

46、图，将其一同在激光照射下镜像产生较粗大的干涉条纹，条纹间距表示物体受力变形时表面位移的大小。当物体内部无缺陷时，这种条纹的形状和间距是连续的，并与物体外形轮廓的变化同步调。当被检物体内部存在缺陷时，由于受力的作用，缺陷对应的表面则发生异常，条纹与无缺陷部位不同，根据条纹情况即可分折判断物体内部是否含有缺陷，以及缺陷的大小和位置。激光全息检测实际上就是将不同受载情况下的物体表面状态用激光全息照相方法记录下来从而评价被检物体的质量。 激光全息检测对被校验对象没有特殊要求，可以对任何材料粗糙的表面进行检测。检验大尺寸物体，可借助干涉条纹的数量和分布状态来确定缺陷的大小、部位和深度，这种检测方法灵敏度

47、高，还具有非接触检测、直观、检测结果便于保存等特点。为了了解这种检测方法的原理，首先简单介绍光的干涉现象。根据电磁波理论，表示光波中电场的波动方程为 （2-1）其中：是光波的振幅，表示相位。我们知道，波是可以叠加的，假设有两个波长相同的光波相叠加，当它们的相位相同时，叠加后所合成的光波振幅增强，如图2.3a所示；如果两个光波相位相反，则合成的光波的振幅就相互抵消而减弱，如图2.3b所示。把光波在空间叠加而形成明暗相间的稳定分布的现象叫做光的干涉。 图2.3 光波的叠加产生干涉的光波必须满足下列条件：频率相同的两束光波在相遇时，有相同的振动方向和固定的相位差。两束光波在相遇处所产生的振幅差不应太

48、大，否则与单一光波在该处的振幅没有多大的差别，因此也没有明显的干涉现象。两束光波在相遇处的光程差，即两束光波传播到该处的距离差值不能太大。满足上述条件的两束光波叫相干波。 图2.4 激光全息干涉光路图图2.4是激光全息照相检测的光路示意图。从激光器发出的激光束经过分光镜，由分光器分成两束光。一束被扩束镜扩大，照射到被检测的物体上，再由物体表面漫反射到全息干板胶片上，这束光称为物光束；另一束光由分光器表面反射，经过反射镜到达扩束镜，被其扩大后再由反射镜反射照射到胶片上，这束光称为参考光束。当这两束光在胶片上叠加后，形成了干涉图案，胶片经过显影和定影处理后，干涉图案以条纹的明暗和间距变化的形式被显

49、示出来，它们记录了物体光波的振幅和相位信息。被记录的全息图是一些非常细密的、很不规律的干涉条纹，它是一种光栅，与被照射的物体在形状上毫无相似之处，为了看到物体的全息像，通常采用再现技术来实现,如图2.5所示。 图2.5 蜂窝结构板脱粘区的全息再现干涉条纹激光全息检测技术实际上就是将不同受载情况下的物体表面状态用激光全息照相方法记录下来，进行比较和分析，从而评价被检测物体的质量。2.2.2.2拍摄全息图的条件光源激光全息摄影是一个干涉过程，因此其光源必须是具有良好的时间相干性和空间相干性的相干辐射源。在拍摄离轴全息图时，对物体的照明光束没有空间相干性要求，但要求参考光束有良好的空间相干性。空间相

50、干性不好，会使再现像的分辨力局部或整体上降低，严重的会使再现像消失。时间的相干性是以时间度量两个相继波前的相位恒定性。通常以长度单位表示，在此长度中两个相继波前彼此保持恒定的相位关系。如把一个相干光源用于干涉仪的相干测量，当干涉仪的两个臂光程相等时，它们干涉产生的干涉条纹的调制度定义为： （2-2）式中，、分别是干涉条纹幅强度的极大值和极小值。调制度越大，在底片上形成的光栅衍射效率就越高，而全息再现像的亮度及分辨率也就越高。改变一个臂的长度直到干涉现象消失为止，此时两臂的光程差就是该干涉光源的时间相干性，也叫相干长度。相干长度与光源的频带宽度成反比。具有单一频率的光源相干长度为无穷大。感光材料

51、全息拍摄是光波相互干涉的过程，参考光束与物光束之间有一不小的夹角，全息底片记录下来干涉条纹的频率很高，因此要求全息底片必须有很高的分辨力。空间分辨率的表达式为： （2-3）上式提出的是最低限度的要求，在记录三维漫反射景象时分辨力要求还要更高些。这样高的分辨力要求，一般照相底片是达不到的，必须使用全息记录介质。如卤化银乳胶。摄影过程中的防振在全息摄影过程中，由于振动而使物光和参考光之间的光程差产生的随机变化要小于1/4波长，或由于某光学元件的抖动使干涉条纹相对于底片产生了位移要小于1/4条纹间隔，否则不但得不到高反差的干涉条纹，甚至有可能会使全息底片均匀曝光而得不到干涉条纹。因此在摄影过程中必须

52、采取防振措施，一般是把全息摄影器件、激光器连同被拍摄物体放在防振台上。其他条件为得到高质量的全息图，除了上面三个条件外，还要考虑物光和参考光的等光程、物光与参考光的光强比以及物光与参考光之间的夹角等因素。2.2.2.3物体表面微差位移的观察方法激光全息照相用于产品的无损检测，采用的是全息干涉计量技术，它是激光全息照相干涉计量技术的综合。这种技术的依据是物体内部的缺陷在外力作用下，使它所对应的物体表面产生与其周围不相同的微差位移。然后，用激光全息照相的方法进行比较，从而检测物体内部的缺陷。对于不透明的物体，光波只能在它的表面上反射。因此，只能反映物体表面上的现象。然而，物体的表面与物体的内部是相

53、互联系的，在不使物体受损的条件下，给物体一定的载荷，如能表现为表面的异常，则可实现无损检测。观察物体表面微差位移的方法有三种。实时法先拍摄物体在不受力时的全息图，冲洗处理后，把全息图精确地放回到原来拍摄的位置上，并用与拍摄全息图时的同样参考光照射，则全息图就再现出物体三维立体像（物体的虚像），再现的虚像完全重合在物体上。这时对物体加载，物体的表面会产生变形，受载后的物体表面光波和再现的物体虚像之间就形成了微量的光程差。由于两个光波都是相干光波（来自同一个激光源），并几乎存在于空间的同一位置，因此，这两个光波叠加就会产生干涉条纹。由于物体的初始状态（再现的虚像）和物体加载状态之间的干涉度量比较是

54、在观察时完成的，所以称这种方法为实时法。这种方法的优点是只需要用一张全息图就能观察到各种不同加载情况下的物体表面状态，从而判断出物体内部是否含有缺陷。因此，这种方法既经济，又能迅速而确切地确定出物体所需加载量的大小。其缺点是：为了将全息图精确地放回到原来的位置，就需要有一套附加机构，以便使全息图位置的移动不超过几个光波的波长；由于全息干版在冲洗过程中乳胶层不可避免地要产生一些收缩，当全息图放回原位时，虽然物体没有变形，但仍有少量的位移干涉条纹出现；显示的干涉条纹图样不能长久保留。两次曝光法这种方法是将物体在两种不同受载情况下的物体表面光波摄制在同一张全息图上，然后再现这两个光波，而这两个再现光

55、波叠加时仍然能够产生干涉现象。这时，所看到的再现现象、除了显示出来原来物体的全息像外，还产生较为粗大的干涉条纹图样。这种条纹表现在观察方向上的等位移线，两条相邻条纹之间的位移差约为再现光波的半个波长，若用氦-氖激光器作光源，则每条条纹代表大约0.316微米的表面位移。可以从这种干涉条纹的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。两次曝光法是在一张全息图上进行两次曝光，记录了物体在产生变形之前和之后的表面光波。这不但避免了实时法中全息图复位的困难，而且也避免了感光乳胶层收缩不稳定的影响，因为这时每一个全息图所受到的影响是相同的。其主要缺点是对于每一种加载量都需要摄制一张全息图，无法在一张全息图上看到不

56、同加载情况下物体表面的变形状态。这对于确定加载参数来说是比较费事的。时间平均法这种方法是在物体振动时摄制全息图。在摄制时所需的曝光时间要比物体振动循环的一个周期长得多，即在整个曝光时间内，物体要能够进行许多个周期的振动。但由于物体是作正弦式周期性振动，因此，把大部分时间消耗在振动的两个端点上。所以全息图上所记录的状态实际上是物体在振动的两个端点状态的叠加。当再现全息图时，这两个端点状态的像就相干涉而产生干涉条纹，从干涉条纹的图样的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。这种方法显示的缺陷图案比较清晰，但为了使物体产生振动就需要有一套激励装置。而且，由于物体内部的缺陷大小和深度不一，其激励频率各不相

57、同，所以要求激励振源的频带要宽，频率要连续可调，其输出功率大小也有一定的要求。同时，还要根据不同产品对象选择合适的换能器来激励物体。2.2.2.4激光全息检测的加载方法用激光全息照相来检测物体内部缺陷的实质是比较物体在不同受载情况下的表面光波，因此需要对物体施加载荷。一般使物体表面产生0.2的微差位移，就可以使物体内部的缺陷在干涉条纹图样中有所表现。但是，如果缺陷位置过深，在加载时，缺陷反映不到物体表面或反映非常微小时，则无法采用激光全息检测。常用的加载方式有以下几种。内部充气法对于蜂窝结构（有孔蜂窝）、轮胎、压力容器、管道等产品，可以用内部充气法加载。蜂窝结构内部充气后，蒙皮在气体的作用下向

58、外鼓起。脱胶处的蒙皮在气压作用下向外鼓起的量比周围大，形成脱胶处相对于周围蒙皮有一个微小变形，根据这个微差位移，就可以用激光全息方法来摄制全息图。表面真空法对于无法采用内部充气的结构，如不连通蜂窝、叠层结构、钣金胶接结构等，可以在外表面抽真空加载，造成缺陷处表皮的内外压力差，从而引起缺陷处表皮变形，在干涉条纹图样中会出现干涉条纹的突变或呈现出环状图案。热加载法这种方法是对物体施加一个温度适当的热脉冲，物体因受热而变形，内部有缺陷时，由于传热较慢，该局部区域比缺陷周围的温度要高。因此，造成该处的变形量相应也较大，从而形成缺陷位置相对于周围的表面变形有了一个微差位移。用激光全息照相记录时，就要在全

59、息图中显示出突变的干涉条纹图样。2.3虚拟仪器在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键。当用户的测试要求发生变化或需增加或减少测试项目时，用户只需适当地更改软件程序，即可生成满足测试要求全新的测试仪器系统。2.3.1虚拟仪器的概念虚拟仪器(Virtul Instrument，简称VI)是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术，它是利用计算机强大的图形环境，组合相应的硬件，编制不同的测试软件，建立界面友好的虚拟仪器前面板，通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，构成多种仪器，完成对被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成的仪器，以透明的方式将计算

60、机资源和仪器硬件的测量与控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理与表达，如图2.6所示。图2.6 虚拟仪器内部功能的划分2.3.2虚拟仪器的特点虚拟仪器与传统仪器相比，具有以下特点：传统仪器的面板只有一个，其表面布置着种类繁多的显示与操作元件，由此可能导致操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。仪器的功能可以根据用户需要由软件自行定义，而不是由厂家事先定义的，增加了系统灵活性。仪器性能的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计，而不需购买新的仪器，节省了物质资源。研制周期较传统仪器大为

61、缩短。虚拟仪器是基于计算机的开放式标准体系结构，可与计算机同步发展，与网络及其周边设备互联。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件”。2.3.3虚拟仪器的构成虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。硬件平台由计算机和 I/O 接口设备构成。它的构成方式主要有5种类型。参见图2.7。图2.7 虚拟仪器构成框图PC-DAQ系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用PCI或计算机本身的ISA总线，将数据采集卡/板(DAQ) 插入计算机的空槽中即可；GPIB系统是以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平

62、台组成的虚拟仪器测试系统；VXI系统是以VXI标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统标准总线；PXI系统是以PXI标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统标准总线；串口系统是以串口系统标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统标准总线14。虚拟仪器软件主要由两部分组成，即应用程序和I/O接口仪器驱动程序。应用程序主要包括实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序两类。输入接口仪器驱动程序主要完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。虚拟仪器技术最核心的思想就是：利用计算机的硬件/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化(虚拟化)，以便

63、最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。2.3.4虚拟仪器的测试系统测试软件是虚拟仪器的“主心骨”。测试软件的主要任务是：规范组成虚拟仪器的硬件平台的哪些部分被调用，并且规范这些部分的技术特性；规范虚拟仪器的调控机构，设置调控范围，其中不少功能和性能直接由软件实现；规范测试程序；调用数据处理和高级分析库，处理和变换测试结果；在电子计算机的显示屏上显示测试结果的数据、曲线簇、模型甚至多维模型；规范测试结果的信息存储、传送或记录。测试系统软件的结构大体可以分为 4 个层次16：测试管理层、测试程序层、仪器驱动层和 I/O 接口层。由于使用LabVIEW平台，使4 个层次的软件实现变得容易了许多。采用 LabVIEW 开发平台设计的基于 PC-DAQ 的虚拟仪器测试系统结构，参见图2.8。测试系统的工作流程为：将传感器测量的被测信号转换为电量信号。信号处理电路将传感器输出的电量信号进行整形、转换和滤波处理，变成标准信号。数据采集卡采集信号处理电路基于 PC-DAQ 的虚拟仪器测试系统的电压信号，并转换为计算机能处理的数字信号。通过设备驱动程序，数字信号