《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于LabVIEW的多輪對超聲探傷系統(tǒng)設(shè)計
2016年微型機與應(yīng)用第3期
吳凡, 郭前崗, 周西峰
(南京郵電大學 自動化學院,江蘇 南京 210023)
摘要: 針對目前車輪檢測方法大多以傳統(tǒng)手持式人工探傷儀為主的現(xiàn)狀,本文在國內(nèi)某企業(yè)現(xiàn)役多通道超聲探傷儀硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套多輪對超聲探傷系統(tǒng)。系統(tǒng)基于LabVIEW平臺,可以實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、用戶信息管理、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、顯示結(jié)果、數(shù)據(jù)存儲、自動判傷、輸出檢測報告等功能。系統(tǒng)采用可變分辨率的數(shù)據(jù)處理方法,保證了檢測過程的實時性及結(jié)果的準確性。
關(guān)鍵詞: 多輪對 超聲探傷 LabView 實時性
Abstract:
Key words :

  摘要:針對目前車輪檢測方法大多以傳統(tǒng)手持式人工探傷儀為主的現(xiàn)狀,本文在國內(nèi)某企業(yè)現(xiàn)役多通道超聲探傷儀硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套多輪對超聲探傷系統(tǒng)。系統(tǒng)基于LabVIEW平臺,可以實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、用戶信息管理、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、顯示結(jié)果、數(shù)據(jù)存儲、自動判傷、輸出檢測報告等功能。系統(tǒng)采用可變分辨率的數(shù)據(jù)處理方法,保證了檢測過程的實時性及結(jié)果的準確性。

  關(guān)鍵詞: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(zhuǎn)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(jīng)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(shù)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(yōu)勢,而其中的多探頭多通道組合掃查技術(shù)可以根據(jù)各通道的探頭類型對采集數(shù)據(jù)進行綜合處理來判定車輪內(nèi)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(tǒng)。

  基于上述背景,本文根據(jù)國內(nèi)某企業(yè)現(xiàn)役多通道超聲探傷儀硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計一套多輪對超聲自動探傷系統(tǒng)。主要介紹了自動探傷系統(tǒng)的總體方案,包括總體架構(gòu)、采集單元、探頭陣列及上位機軟件系統(tǒng),闡述了重要環(huán)節(jié)的設(shè)計方案,并對所做工作進行總結(jié)。

1系統(tǒng)總體方案概述

  1.1總體架構(gòu)

  多輪對超聲自動探傷系統(tǒng)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(jù)各通道的探頭類型對采集數(shù)據(jù)進行綜合處理并分析被測車輪的健康狀態(tài)。采集單元以及控制顯示平臺為系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳送至無線模塊,再通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳送至路由器,并最終送入上位機進行處理并顯示結(jié)果。探傷數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議(傳輸控制協(xié)議)傳輸。而上位機的控制指令通過UDP協(xié)議(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議),以相反的傳輸路徑送至各個采集單元,以控制儀器工作?! ?/p>

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  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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(guān)閉以及采集編碼器數(shù)據(jù),最終所有數(shù)據(jù)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(gòu)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(tǒng)根據(jù)多個通道超聲探頭的連續(xù)掃查,可以發(fā)現(xiàn)某一位置的連續(xù)缺陷;根據(jù)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(jù)多通道多探頭的組合掃查方式,綜合各個探頭的檢測數(shù)據(jù),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(tǒng)軟件設(shè)計

  多輪對超聲自動探傷軟件系統(tǒng)是整個探傷檢測系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要完成上位機與采集單元之間數(shù)據(jù)的高速傳輸,采集數(shù)據(jù)的快速處理,處理結(jié)果的實時顯示、過限報警,以及系統(tǒng)自檢、用戶信息管理、檢測過程記錄、數(shù)據(jù)存儲、輸出檢測報告等綜合功能。系統(tǒng)工作流程如圖3所示?!?/p>

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  2.1軟件運行及開發(fā)環(huán)境

  軟件采用美國國家儀器有限公司(NI)的LabVIEW軟件作為開發(fā)工具。LabVIEW的應(yīng)用范圍廣泛,支持SQL、Access等數(shù)據(jù)庫編程及多種格式的報表生成;LabVIEW還提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)(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(tǒng)的運行環(huán)境為基于X86的Win7及以上操作系統(tǒng)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(tǒng)功能模塊設(shè)計

  多輪對超聲自動探傷系統(tǒng)主要功能模塊如圖4所示。包括人機交互模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、可視化模塊以及數(shù)據(jù)存儲模塊。

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  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(shè)置相應(yīng)的權(quán)限,根據(jù)用戶名的不同進行區(qū)分,登錄時根據(jù)相應(yīng)權(quán)限進入不同的操作界面。參數(shù)設(shè)置部分采用一鍵設(shè)置功能省去復(fù)雜的配置過程,使操作更加人性化。

  數(shù)據(jù)處理模塊包括連接通信、數(shù)據(jù)分析及成像3個部分。系統(tǒng)中上位機與采集單元設(shè)置命令制定了詳細規(guī)范的通信協(xié)議,保證了通信過程的可靠性,所以超聲檢測單元命令設(shè)置的通信協(xié)議的可靠性可以在一定程度上有所降低,故本系統(tǒng)中采用UDP協(xié)議作為超聲檢測單元命令設(shè)置的傳輸層協(xié)議,而探傷數(shù)據(jù)的傳輸通過TCP協(xié)議實現(xiàn)。TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議,其端到端的傳輸方式可以保證通信過程中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸至軟件系統(tǒng)中供后期處理。LabVIEW中提供了很多關(guān)于TCP和UDP連接的庫函數(shù),可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。采集與處理分別開辟不同的循環(huán)[7](LabVIEW中多線程體現(xiàn)在多循環(huán)),它們之間通過隊列實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過解析提取出探傷數(shù)據(jù),以數(shù)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(tǒng)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(jù)每次接收到的探傷數(shù)據(jù),先判斷探頭類型,對雙晶圖4軟件系統(tǒng)功能框圖

  直探頭和單晶大角度探頭分別選擇相應(yīng)處理方法,接著根據(jù)編碼器信息計算對應(yīng)在車輪上的位置,最后改變相應(yīng)位置的色值形成圖像。

  可視化模塊包括過程記錄回放、B掃顯示及檢測數(shù)據(jù)回放。B掃顯示指的是在探傷過程中對數(shù)據(jù)的實時顯示。實時顯示的目的在于:監(jiān)測探傷設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài);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(shù)據(jù)(即聲壓大?。┡c設(shè)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(qū)分開來。而檢測數(shù)據(jù)的回放則是為了對數(shù)據(jù)進行分析,所以采用灰度函數(shù),對于每一個聲壓值都有一個相應(yīng)的色值來對應(yīng),形成圖像。圖像的顏色可以根據(jù)閾值的變化而變化,根據(jù)閾值及相應(yīng)的顏色對傷損情況做出最終判斷。

  數(shù)據(jù)存儲模塊包括數(shù)據(jù)存儲及歷史查詢功能。LabVIEW提供了快速測量數(shù)據(jù)的存儲解決方案——TDMS文件,其實質(zhì)為一種二進制數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)快速存儲的數(shù)據(jù)存儲格式[8]。TDMS的邏輯結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)的準確分類和有效檢索。該存儲方案不僅解決了系統(tǒng)實時存儲問題,而且便于歷史數(shù)據(jù)的查詢。存儲過程開始時打開文件直至存儲完成將文件關(guān)閉,避免頻繁打開關(guān)閉文件減緩讀寫速度。數(shù)據(jù)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(tǒng)還采用Access數(shù)據(jù)庫對重要數(shù)據(jù)進行綜合管理。

3重要環(huán)節(jié)設(shè)計方案

  3.1數(shù)據(jù)解析環(huán)節(jié)方案設(shè)計

  采集單元中的數(shù)據(jù)以一定形式發(fā)給上位機軟件,數(shù)據(jù)解析即是對接收到的數(shù)據(jù)進行解析,轉(zhuǎn)換成成像算法所需的數(shù)據(jù)類型。接收到的數(shù)據(jù)首先要對幀頭進行判斷,數(shù)據(jù)的幀頭為兩個字節(jié),如果按照每次取兩字節(jié)進行比較,一旦傳輸過程

  中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失造成數(shù)據(jù)錯位,那么之后接收到的數(shù)據(jù)可能將全部是錯誤數(shù)據(jù)。這樣系統(tǒng)的容錯能力將會很低,這是不允許的。因此系統(tǒng)中采用逐個字節(jié)比較的方法,對于幀頭正確的數(shù)據(jù),系統(tǒng)將數(shù)據(jù)體部分一次性全部取出,重排成數(shù)組的形式,放入隊列中;而幀頭錯誤的數(shù)據(jù),系統(tǒng)予以丟棄。接收一幀數(shù)據(jù)的解析流程如圖5所示。

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  前文提到采集單元是以1.5 Mb/s的速度傳輸數(shù)據(jù)的,當6臺設(shè)備同時工作時數(shù)據(jù)量是非常大的。LabVIEW中圖像數(shù)據(jù)主要由LabVIEW中的簇結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)數(shù)組是圖像處理的主要內(nèi)容。該數(shù)組是非常大的。每來一次數(shù)據(jù),系統(tǒng)就要對如此龐大的數(shù)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(tǒng)工作效率減慢,無法滿足實時顯示的要求。因此系統(tǒng)在采集分辨率不變的前提下,應(yīng)改變畫圖分辨率進行圖像繪制。首先判斷數(shù)據(jù)是否為有傷的數(shù)據(jù),對于有傷的數(shù)據(jù),系統(tǒng)以高分辨率的方式在圖像上進行標示;對于沒有傷的數(shù)據(jù),系統(tǒng)對位置靠近的一組數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的位置覆蓋,這樣與每一幀數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)達到實時顯示的效果。

4結(jié)論

  本文所介紹的多輪對超聲自動探傷系統(tǒng)可以對一節(jié)車廂3對車輪同時進行檢測,節(jié)省人力,大大提高了檢測車輪的效率。同時基于LabVIEW平臺設(shè)計了一套系統(tǒng)軟件,其優(yōu)點為:(1)設(shè)置不同的操作權(quán)限,防止由于操作人員的誤操作而導致探傷結(jié)果的不準確;(2)采用友好的人機交互界面及一鍵設(shè)置方式,省去了復(fù)雜的參數(shù)配置,操作人員只需簡單培訓而無需具備相關(guān)專業(yè)知識即可操作儀器;(3)軟件采用B掃的顯示方式來呈現(xiàn)探傷結(jié)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(shù)據(jù)也可完成實時顯示。

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

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