圆盘水浸超声自动检测系统设计及实现.docx

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1、盘水浸超声自动检测系统设计及实现学院：数理与.土木工程学院专业：应用物理学姓名：王粤桐学 号：161202105438指导老师：张国才职 称：讲师中国珠海二。二。年五月存在缺陷。最后通过软件对扫查数据进行存储，处理以及成像。通过最终的超声检测波 形对被检工件进行分析，来反映被测零件的质量，可用于缺陷统计、定位、定量等操作。电脑主机：探伤卡A 连接Labview发送信息码探头带动mvRIO控制器连接电源三轴丝杆步进电机 200mm。其中X轴的滚珠丝杆 长520mm, Y轴的滚珠丝杆长680mm。水平负载量为56kg,垂直（拉力）负载量为15kg, 足以夹持本设计中的探头。在Labview中输入指

2、令并发送信息码到控制器，经过步进电 机驱动器驱动步进电机转动滚珠丝杆。三轴上夹持的液浸线聚焦探头进行扫查工作。图3. 12三轴扫查架3.4控制系统本设计检测系统的控制部分以Labview为主。通过计算机软件Labview输入参数、 发射信号给myR10-1900控制器，以步进电机驱动器为指引，使得步进电机控制三轴移 动，并通过探头夹持装置带动探头移动。超声波通过水作为耦合剂，到达圆盘进行扫查 检测，在计算机Labview的前面板中能够实时显示出A型波形，从而实现圆盘的端面扫 查检测。3.4.1 labview操作前面板Labview的控制操作主要分为三个部分：（1）探伤卡设置：用于输入基本参数

3、（见图3.13）；（2）机械设置：调节三轴的移动方向、移动距离和移动速率（见图3. 14）；（3）图像显示：扫查结果的显示（见图3.15） o在本设计中，在探伤卡设置界面、机械设置界面中输入任何参数都可触发事件结构内部的程序。图3.13探伤卡设置前面板图3. 14机械调整前面板图3. 15图像显示前面板3.4.2具体操作步骤i步骤一：在探伤卡设置界面输入基本参数（如波幅、增益等）。i步骤二：在机械设置界面，通过调整“三轴移动距离”“三轴移动速度”“三轴移动方向”使检测探头检测起始位置处于圆盘端面边上。输入单轴信息码确定探头扫 查的水平探测距离（即圆盘端面的半径）、移动方向等。i步骤三：待所有参

4、数都调整好后，点击“发送信息码”按键开始进行自动扫查检测, 可通过点击“停止检测”暂停扫查过程。i步骤四：通过图像显示界面，采集扫查结果，可实时查看扫查出来的波形图。当扫 查到缺陷时，波形图会显示缺陷对应的缺陷回波。可记录采集到的声波变化结果， 并将扫查结果保存在计算机中，便于后续分析结果或回看。3.4.3程序框图设计整个自动检测控制系统的核心是程序框图。本检测系统的程序编程主要使用了平铺 式顺序结构、Whilc循环、事件结构。平铺式顺序结构为程序的最外层结构，内包含有五帧，具体内容见图3.16。这种结 构能使程序按一定的顺序执行，本程序中的五帧是从左至右的执行相关的命令。在本程 序中，从初始

5、化并启动探伤卡、初始化控制面板、While循环执行系统、保存参数并停 止探伤卡到关闭探伤卡听。事件结构1A型脉冲显示（初始化并启动探伤卡；|初始化控制备就While循环执行系统I ；|保存参数并停止探伤卡 I关闭探伤卡事件分支1事件分支2迭定轴迭择调整的轴袖方向扫查精度袖速度调节扫查速度袖移动距离轴移动距离单轴信息码扫查信息迭择事件结构2调整探伤卡设置，包括卡 号、零点、增益等设置。发送单轴信息码 发送扫查信息事件分支3图3. 16程序设计整个程序编程设计的核心部分则是While循环执行系统执行的内容。该循环执行系 统中包括了两个事件结构：事件结构1、事件结构2。两个事件结构跟A型脉冲显示又

6、是息息相关的。（1）事件结构1：连接着前面板中的探伤卡设置界面。在这个事件结构中主要是针 对卡的参数设置。在这个界面中可以输入探伤卡的通道、卡号、零点、范围、增益、报 警方式等等。在事件结构1中包含着22个事件分支，每个事件分支对应着一个值的设置，例如事件分支1是“控制面板.卡号”：值改变，这就代表这个事件分支1是表示 探伤卡的卡号，可通过前面板输入。0超町拉副国版.卡号.： ifl改支2) 控制网板.通道通道&:更瞄3 .控制面板.通酒.闸门.W： 6改变 ，5典板.发JT电任(VT： tfl汶受 .控制画成.;宜方式： fiSS6 .控制面伍改变7 ，投制面板.重复超Hz):值欢8 .笠制

7、m氐.遍道.顿网e：值改竟9 .控制面S.iifi.fWSit-： 1BK210 .控制面版.通道.通裁.:值改芟11 .技制成孜通道.虢(C).:值改受12 控制直配.通道.方吱H(n沪ffi213 .按制面板.通道薄点(10ns):值改变14 .&刨宜成通退.范国(10”).: ifi汶受15 .控制IE友通道.移位(10ns).: 1H3S16 .控制面坂.通循.23烘(0.1 db).:值改变17 技制II夜.通道词门启用用(丁：值改受 【18) 笠制厦嗔.通道.闻门.报警方式.：值茹19 控制面？S.通酒.阐门.rXfi(IOns):值改受20 ,投制西S.通道.闻门.OBOOns)

8、:值改安21 .控制IB板.通道.闻门JF5(%).:值222 门： t&KSE图3. 17事件结构1(2) 事件结构2：连接着前面板中的机械设置界面。在这个事件结构中主要用于调 节探头位置，以及设定要扫查多大的一个平面。在此事件结构中包含着3个事件分支。 事件分支1：主要是用于设置探头的起始位置。如探头一开始不是位于理想位置, 可将通过选定某个轴、选择轴方向(有正向、反向两种选择)、调节轴移动速度和移动 距离调整探头位置。若要通过三个轴调整，那么可再设置一个事件结构，里面包含三个 事件分支(X轴、Y轴、Z轴)。单选定某轴，确定轴方向、移动速度、移动距离后，形 成一个由10个字符组成的单轴信息

9、码。第0个字符(图3. 18第根线)一一发送单轴信息，为“9” ；第1个字符(图3. 18第根线)一一选定需要控制的轴，X轴是1, Y轴是2, Z 轴是3；第2个字符(图3. 18第根线)一一移动方向，反向用0表示，正向用1表示；第345个字符(图3. 18第根线)一一移动距离；第678个字符(图3. 18第根线)一一移动速度；第9个字符(图3. 18第根线)结束符，为“9”。先输入单个字符，最后利用连接字符串连接形成一个单轴信息码。在这以选定X轴 为例：9101235409,这就是X轴的单轴信息码。若要调整三个轴，也可把三个轴调节好 后，选择三维信息码，点击发送信息码后，系统就执行这个指令了

10、。图3. 18单轴信息码 事件分支2：主要设定扫查面。在本设计中，检测时是防水步进电机带动圆盘转 动，同时检测探头以一定的速度从圆盘边往圆盘中心移动，两者配合完成整个圆盘端面 的扫查。根据这种情况，可以知道扫查过程中只需要移动X轴进行端面检测，故而在事 件分支2中的扫查信息码也为单轴信息码，设定好参数后就点击发送信息码。但与事件 分支1中的单轴信息码的移动速度、距离等参数不同。在本设计中，被检工件圆盘的周 长为471mm，根据GB/T47013标准扫查速度不得超过150nun/s,所以探头检测时的速度 是4s移动7mm。而防水电机要与探头配合工作，所以电机的转速也是4s转1转。 事件分支3：主

11、要是发送事件分支1的单轴信息码和事件分支2的扫查信息码。 当事件分支1和事件分支2的信息码设定好后，点击发送信息码，将会发送到myRIO-1900 控制器。也就是说Labview发送到myRIO-1900控制器的主要有单轴信息码和扫查信息 码。图3. 20事件分支3（3）While循环执行系统中还包括了事件结构之外的一件事：探伤卡波形数据的采 集与显示，使得呈现出A型脉冲波形While循环中的两个事件结构不断的被监控，若 是两个事件结构中任何一个事件结构被触发，都会改变波形数据的采集与显示。Labview 与控制器通讯后，以驱动器作为指引，探伤卡对超声回波数据进行实时采集，采集的超 声回波数据

12、传输到软件中进行处理并显示波形。（下图3.21为随机数形成的波形，并 非是检测结果的波形）波形图表澳|图3. 21随机数组形成的波形3.5图像显示的结果分析扫查出来的结果通过计算机软件Labview前面板，结合超声发射接收卡将A型波形 图反馈显示出来.为了对圆盘的检测结果进行准确性和稳定性的评估，我们通过人工手 动进行检测来验证本设计的成功性。首先确保能明显看出图像上缺陷的存在，操作重复性较高。以图像分析前面板显示 的结果，确定缺陷数量与圆盘的缺陷是否一致。再使用CTS-9006或CTS-1002探伤仪进 行反复检测圆盘，对检测到的缺陷进行定性定量的分析。实际检测的结果和自动检测的 结果进行对

13、比，若与使用自动检测系统的结果类似，自动检测结果得以验证。若本设计不仅能对此圆盘进行自动化检测，对其他的圆盘工件也可以进行精确稳定诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计圆盘水浸超声自动 检测系统的设计及实现是在指导教师的指导下，独立开展研究取 得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参 考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名：王粤桐日期：2020年5月13日的检测，那么可得本设计是成功的。4总结4.1结论通过对超声自动检测系统一系列的学习和研究，设计了一套圆盘水浸超声自动检测 系统。此检测系统可代替传统的人工检测，避免了很多不确定因素，提高了检测质量和 检测效果。但是

14、，本设计还存在着不足的地方，对于探头起始位置的设置，并不能完全 做到自动化定位，这步需要人工设定，这就带来相应的误差。其次本设计中只涉及到一 维方向的扫查，如果进行三轴扫查，即可实现对圆盘的平面扫查了。针对本设计，己经 完成了对圆盘的水浸超声自动检测，实现了自动化的基木功能，达到了本设计的目的了。4.2展望针对以上存在的不足，希望能对系统进行以下升级改造：（1）实现完全自动化检测，减少人工误差。（2）能对扫查检测得到的结果进行更深一步的分析，如能直观缺陷的相对位置， 自动对缺陷结果进行分析。（3）实现对不同类型圆盘的检测。谢辞通过对圆盘水浸超声自动检测的设计，我学到了很多有关于水浸检测以及自动

15、检测 的一些知识，并且对Labview有了进一步的认识。在此十分感谢学校以及给予我在这次 的毕业设计上帮助与付出的老师和同学，如果没有老师和同学给予理论和技术上的帮 助，估计很难完成本次设计。此设计的完结也意味着我在北京理工大学珠海学院的四年大学生涯即将进入尾声， 十分的感谢本校四年来的栽培与照顾。我将会为步入社会做好准备，在未来的道路上做 好自己！圆盘水浸超声自动检测系统设计及实现摘要五大常规无损检测技术中的超声波检测在各个领域都有着广泛的应用，圆盘是一种 应用范围非常广泛的零件。本文针对目前国内外水浸超声自动检测系统研发的现状及圆 盘检测的现状，结合超声检测原理，设计了一套圆盘水浸超声自动

16、检测系统。根据设计的检测系统，选择了适用于本系统的探头、步进电机、驱动器、探伤卡和 myRI0-1900控制器等硬件，并结合图形化编程软件Labvicw编写系统控制程序。设计出 来的检测系统能实现对三轴扫查装置的灵活控制、超声回波信号的采集和波形的形成。 关键词：水浸超声检测；Labview；自动检测系统；圆盘Design and implementation of automatic ultrasonic testing system for disc water immersionAbstractFive kinds of conventional ultrasonic nondestru

17、ctive testing techniques have been widely used in various fields, and disk testing is one of the most widely used parts.In this paper, according to the research and development of automatic plate immersion ultrasonic testing system at home and abroad, the current situation of ultrasonic testing plat

18、e immersion liquid, combined with the principle of ultrasonic testing, a group of automatic plate immersion ultrasonic testing system design.According to the designed detection system, the hardware suitable for the system, such as probe, stepping motor, driver, flaw detection card and myrio-1900 con

19、troller, is selected, and the system control program is compiled by combining with the graphical programming software LabVIEW. The detection system designed can realize the flexible control of the three-axis scanning device, the acquisition of ultrasonic echo signal and the formation of waveform.Key

20、 words: Key words: water immersion ultrasonic testing; LabVIEW; automatic testing system; disk目录1前言11.1课题背景及研究意义11.2研究现状11.2.1水浸超声自动检测系统的国内外进展11.2.2圆盘检测的研究进展21.3研究目标及主要解决问题21.4本设计的优点及特色22相关理论32.1检测原理32.1.1超声波检测的工作原理32.1.2水浸超声波无损检测原理32.2Labview 的简介323研究设计的方法、系统的检测方法43系统的设计43.1材料的定制53.1.1 水箱53.1.2被检工件

21、（圆盘）63.1.3转动装置63.2重要零部件的选用73.2.1 探头73.2.2步进电机73.2.3驱动器83.2.4控制器83.2.5发射接收卡93.3扫查装置93.4控制系统103.4.1 labview操作前面板103.4.2具体操作步骤103.4.3程序框图设计113.5图像显示的结果分析144总结154.1结论154.2展望15参考文献16谢辞171前言1.1课题背景及研究意义五大常规无损检测技术中的超声波检测在各个领域都有着广泛的应用。超声检测具 有操作方便等优点，但缺点是检测时有一定的近场长度。随着对超声检测的要求不断提高，原有的手工检测方式不再能满足当今时代的检测 需求，逐渐

22、的从人工检测向自动检测发展。水浸超声检测与接触法超声检测相比，更易 实现自动探伤，同时还减少了近场区的影响。圆盘是一种应用范围非常广泛的零件，如法兰盘、轴承盖等。如果对圆盘零件的检 测进行得不彻底、不准确，将这个检测不彻底又有质量问题的圆盘零件运用到生活或生 产当中去，会导致重大的不良后果。因此，为确保检测的质量，需要从源头上解决探伤 不彻底的问题，从而提高检测质量。1.2研究现状1.2.1水浸超声自动检测系统国内外进展(1) 国外：在20世纪，超声检测仪已经实现了与计算机技术结合在一起使用，形成的超声检 测仪器可以自动识别、报警等功能。随着科技的发展以及检测技术的不断提升，人们开 始朝着水浸

23、超声检测的方向进行研究。美国物理声学公司(PAC)和英国超声波科学公司(USL)研制了可以对表面复杂的 工件进行A扫和A、B、C扫描的水浸超声检测系统。(2) 国内：不仅国外能成功研制出水浸超声自动检测系统，国内的各个研究所也对水浸超声自 动检测系统作了大量的研究。哈尔滨焊接研充所成功开发了能够实现对环状焊缝高精度 检测的超声自动检测系统。中国科学院武汉物理与数学研究所研制了成像效果良好的水 浸超声检测成像系统。1.2.2圆盘检测的研究进展目前，国内的检测圆盘类零件主要是靠手工接触式的方法进行超声波的扫查检测。 然而人工检测的方式效率低下，同时要检测人员有一定检测经验和有着较高的检测技术 要求

24、。由于手工扫查不均匀，不可避免地存在漏检现象，检测质量不稳定，且容易出安 全事故。1.3研究目标及主要解决问题本课题研究的目标主要是根据水浸超声波无损检测原理，利用以Labvicw为控制核 心的工控机，设计一套可控检测圆盘的水浸超声自动检测系统。i主要解决的问题有：（1）设计一套圆盘水浸超声自动检测系统的装置，包括水缸的购买、如何使得圆 盘被检工件转动、各个零件如何连接起来。（2）根据实验室已有的圆柱水浸超声自动检测装置，选择合适的探头，并实现探 头的运行。根据圆盘工件的尺寸，设计好探头与工件间的距离，水层厚度为多少。（3）能够控制三轴步进电机和防水步进电机，选择合适的电机和驱动控制器。（4）

25、研究如何通过运动控制卡控制四台电机。（5）掌握软件Labview,并会操作控制整个检测系统，设置好参数（包括步进参数、 圆盘转速等），使电机带动探头实现对圆盘端面的自动扫查。（6）研究测控界面如何对接收的缺陷信号进行采集、处理和实时成像。1.4本设计的优点及特色超声波检测可以分为接触式和非接触式，水浸法是非接触法的一种。由于接触法对 被检工件表面的光洁度要求高，容易造成耦合不良的现象等缺点，对于工业生产来说， 检测工件数量较多，若采用人工接触法检测，会导致成本高、检测效率低等，因此采用 非接触检测较好。水浸超声检测法，对于本设计来说，是将探头和被检工件（圆盘）全部没入水中， 用水做耦合剂，这样

26、的耦合方式稳定。探头和被检工件（圆盘）没有直接接触，探头发 射的信号通过水层传播到达被检工件。水浸超声检测因为探头并非直接接触被检工件，这种检测方式能够很好的克服被检 工件由于表面光洁度不够而造成耦合不良和声能损失等不利于检测的因素。并且将探头 压电效应所造成的盲区淹没在液体中，相当于无盲区检测，提高了探伤灵敏度气表1.1人工接触法和水浸超声自动检测的不同人工接触法水浸超声自动检测（非接触式）耦合剂机油（耦合层难均匀）水（耦合层均匀）速度难控制、效率低易控制、效率同被检工件的表面要求较光滑要求相对较低检测结果不直观、精确度较低直观、精确度较高2相关理论2.1检测原理2.1.1超声波检测的工作原

27、理声源产生超声波，超声波以一定的方式进入被检工件。探伤仪根据接收反射回来的 超声波及传播过程中的衰减程度，对其进行处理和分析。评估被检工件是否存在缺陷， 并对缺陷进行定位、定性与定量的分析。2.1.2水浸超声波无损检测原理水浸超声检测的原理与普通超声检测的原理无太大差异。区别是将聚焦探头和被检 工件都放入水中，但在水中将会产生多次水界面反射波，和工件底波互相干扰。可通过 调整探头与圆盘之间的水层厚度解决这一问题，详见式2.1。2.2 Labview 的简介水浸超声自动检测系统是通过图形化编程软件Labview开发设计的。Labview是类似于C语言的一种程序开发环境。但是Labview与C语言

28、有着显著的 区别：C语言是采用基于文本的语言产生代码，而Labview使用的是图形化编辑程序， 产生的程序是框图的形式并提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。在本设计中Labview作为整个检测系统的控制核心，在其中进行编程形成检测流程, 控制整个检测系统的运作。2.3研究设计的方法、系统的检测方法研究设计的方法有文献分析法、实验室实验法、探索研究法。（1）文献研究法：通过查阅报刊等相关文献资料，研究分析水浸超声的发展状况 及设计圆盘水浸超声自动检测系统。（2）实验室实验法：根据实验室已有的圆柱水浸超声检测，研究圆盘水浸超声自 动检测。（3）探索研究法：根据棒材、管材等水浸超声检测，探索

29、圆盘水浸超声自动检测。系统检测方法：（1）水浸法：进行检测时，探头不直接与被检工件圆盘接触，而是通过水层作为 耦合剂。（2）多次重合法：用水浸法进行探伤时，水和圆盘的界面波与圆盘多次底波互相 干扰，不利于检测。这时需要通过调整水层厚度使水和圆盘的界面波分别与圆盘多次底 波重合。H = n-Tn-6盘 4（式 2.1）式中H一一水层厚度，n一一重合波次数，C水一一水的声速，C瞄一一圆盘的声速，T- 一圆盘厚度。在水浸多次重合法中一般常用四次重合法，根据本设计圆盘的厚度，n=4、C水 = 1500m/s、C 帅=5900m/s、T=15mm,所以水层厚度应为 15mm。3系统的设计整个圆盘水浸超声

30、自动检测系统以Labview为控制核心，通过在Labview前面板中 输入必要相关的参数，使探头到达检测起始位置。待发出信息码给myRI0-1900控制器, 控制器发送的运动控制指令，使驱动器驱动步进电机，使探头夹持器带动探头在X、Y、 Z三轴上移动。探头从起始位置向圆盘圆心方向匀速移动，防水步进电机带动圆盘匀速转动。与此 同时探伤卡接收扫描信号进行反馈，计算机屏幕上实时显示扫查波形。另外，运动控制 指令要准确可靠地传输给电机驱动器，从而保证运动执行机构按照指定要求带动探头进 行自动扫查。对圆盘进行自动扫描时，如遇到缺陷，可通过调节波幅设置报警系统。通过设定好 一个特定的增益和波高，当高于此波高时计算机自动发出报警信号，提示检测人员圆盘