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基于LabVIEW的激光超声测量系统设计.pdf
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基于LabVIEW的激光超声测量系统设计.pdf
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基于 LabVIEW 的激光超声测量系统设计
III
摘 要
随着科学技术尤其是激光技术的发展,激光超声获得了广泛的应用。本文所阐
述的基于 LabVIEW 的激光超声测量系统,把激光超声检测技术和虚拟仪器技术有
机地结合起来,进一步完善了激光超声测量系统的功能,使其不仅能完成超声信号
的实时采集,试样厚度和声速的测量,还能通过软件拓展进行缺陷定位﹑定量和定
性分析等功能,实现了超声测量的数字化、图像化、智能化、自动化。
本设计中激光超声测量系统是选用美国 IOS 公司最新研制的 AIR-1550-TWM
激光超声检测系统,并自行设计了 X-Y 工作台,选用 NI 公司的 PCI-6221 数据采
集卡采集信号。在 PC 机中安装数据采集卡后,即可在 LabVIEW 软件中对数据采
集卡进行参数设置,完成软件编程后就可以在 PC 机上显示出所采集的数据了。本
设计解决了从超声波的激励到数据采集﹑信号分析处理和缺陷识别等一系列的核
心技术问题,对解决激光超声测量与诊断问题具有实际指导意义。
关键词:激光超声,虚拟仪器,测量,缺陷识别
基于 LabVIEW 的激光超声测量系统设计
IV
Abstract
Along with the science and technology, especially the development of laser
technology, laser ultrasound have gained a wide range of applications.This article
elaborated by the laser ultrasound detection based on the LabVIEW, ultrasonic testing
system of laser technology and the virtual instrument technology organically combined,
in order to further improve the function of the laser ultrasonic measurement system, it
not only can complete the real-time ultrasonic signals acquisition, measurement of
specimen thickness and velocity, still can pass software development to defect location,
quantitative and qualitative analysis, and other functions, realized the ultrasound test
digitization, visualization, intelligent, automation.
The AIR-1550-TWM laser ultrasound detection system of the United States IOS
company is chose in this design laser ultrasound measurement system, and the X-Y
work-bench is designed ,choose PCI-6221 acquisition card collect signal. In the PC, data
acquisition card installed, then to the LabVIEW data acquisition software for parameter
setting, after completing software programming, the data collected can be showed in
PC.The design solution to the incentive from the ultrasound data acquisition, signal
analysis and defect identification and a series of core technical problems to solve the
problem of laser ultrasound detection and diagnosis has practical significance.
Keywords: laser ultrasonic ,virtual instrument ,measurements,Defect
recognition
基于 LabVIEW 的激光超声测量系统设计
目 录
第一章 绪论 .................................................................................................... 1
1.1 选题背景 ............................................................................................................. 1
1.2 研究意义和目的 ................................................................................................. 1
1.3 研究课题的现状及发展趋势 ............................................................................. 2
1.3.1 激光超声检测的国、内外研究动态 .................................................................. 3
1.3.2 虚拟仪器技术的国、内外研究动态 .................................................................. 5
1.3.3 激光超声技术的发展趋势 ................................................................................ 6
1.4 论文内容的安排 ................................................................................................. 7
第二章 激光超声检测系统的总体方案 ............................................................... 8
2.1 激光超声检测系统的原理 ................................................................................. 8
2.2 激光超声检测系统的组成 ................................................................................. 8
2.3 I/O 接口设备 ..................................................................................................... 10
2.4 数据采集卡的选用 ........................................................................................... 10
2.5 激光超声检测系统的软件 ............................................................................... 13
第三章 系统的硬件设计 ................................................................................. 15
3.1 系统的硬件组成 ............................................................................................... 15
3.2 各部分选型及功能介绍 ................................................................................... 15
3.2.1 激光超声接收器 ............................................................................................ 15
3.2.2 激光器的选型 ................................................................................................ 17
3.3 工作台的设计 ................................................................................................... 19
3.4 系统的组装 ....................................................................................................... 20
第四章 系统的软件设计 ................................................................................. 21
4.1 测量系统的原理 ............................................................................................... 21
4.2 方案一的实现 ................................................................................................... 22
4.2.1 直达声时法软件的设计 .................................................................................. 22
4.2.2 数据采集功能的设计 ..................................................................................... 24
4.3 程序编程 ........................................................................................................... 25
基于 LabVIEW 的激光超声测量系统设计
4.4 方案二的实现 ................................................................................................... 40
4.5 系统调试与实验结果 ....................................................................................... 42
第五章 缺陷检测 ............................................................................................ 45
5.1 缺陷检测程序的总体设计方案 ....................................................................... 45
5.2 数据处理和分析模块设计 ............................................................................... 46
5.2.1 数据预处理 ................................................................................................... 46
5.2.2 数据分析 ....................................................................................................... 51
5.3 软件设计 ........................................................................................................... 53
5.4 缺陷分析 ........................................................................................................... 56
5.5 系统调试 ........................................................................................................... 59
第六章 经济技术分析 ..................................................................................... 62
第七章 总结与展望 ........................................................................................ 63
参考文献 ........................................................................................................ 64
致 谢 ............................................................................................................. 66
基于 LabVIEW 的激光超声测量系统设计
1
第一章 绪论
1.1 选题背景
在工业高度发达的今天,无损检测技术是不可或缺的。由于超声波具有波长短,
方向性强,与障碍物产生衍射和散射等特点,超声检测技术一直是对材料进行无损
检测,特性研究和结构分析的长盛不衰的方法。此外,在医学诊断,地质勘测,建
筑工程等方面,超声检测也有着广泛的应用。目前,在无损检测手段中,超声波方
法占 50%以上
[1]
。
激光技术从起步到今天,发展非常迅速,在各个应用领域都占据了十分重要的
地位,在科研开发领域占 12%,材料加工领域占 32%,通讯领域占 12%,信息领
域占 14%,医学领域占 20%。检测与其他领域各占 9%和 1%
[2]
。
激光超声学是超声学与激光技术相结合而形成的新兴交叉学科,涉及光学,声
学,电学,材料学等学科,近年来已发展成为超声学的一个重要分支。随着近代科
学技术的发展,超声检测已经成为了一种重要的检测手段,而光纤传感又因为其各
种优势得到了很大发展,作为将超声检测和光纤传感结合起来的光纤激光超声传感
技术就有这更为广泛的应用前景。
1.2 研究意义和目的
激光超声技术作为一种新兴技术,是目前国际上超声检测技术的研究热点。与
传统的压电换能器技术相比,激光超声具有以下几个主要优点:(1)完全非接触式检
测,光与样品之间无需耦合剂,消除了压电换能器技术中耦合剂的影响,并能够在
酸、碱、高温、高压及辐射等恶劣环境下进行检测和远程控制;(2)激光激发超声技
术中,激光能够同时在样品中激发出纵波、横波和声表面波,在薄板中激发出兰姆
波;(3)可以在金属、绝缘体、陶瓷、有机材料等非压电体中直接激发超声,无需借
助于压电换能器,当工作在热弹区域时,能够实现非破坏性的无损检测;(4)激光声
源十分灵活,声源的形状、大小取决于光学元件、系统和调节,小的为几十微米,
大的用扩束实现,微小点源或细线源具有很好的局域性,可对电超声法难以实现检
测的薄样品或有固定形状(如航空构件)的试样表面实现检测,包括缺陷、声速、声
衰减和各向异性特性的检测,加上它又是一种宽带的检测技术,并能用光波波长为
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