基于虚拟仪器的无损检测系统设计

摘 要：计算机技术的发展为无损检测提供了新的解决方案，文章论述了以虚拟仪器实现无损检测的设计原理，分析了阵列涡流传感器的硬件实现，然后对虚拟仪器面板的集成性、便捷性和可扩展性进行了重点研究，并结合工程实践进行了试验验证，证明了该方法的有效性和可行性。

关键词：虚拟仪器；无损检测；阵列涡流；数据采集

中图分类号：TH878 文献标志码：A 文章编号：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

工程中常见的无损检测技术就是在对被测物不造成任何损伤的条件下判断其有无缺陷存在，该技术可以有效判别设备是否健康，常见无损检测大多是通过材料表面或内部缺陷所引起的对电、磁、光、声、热等反应的不同，来检测被测物的表面及内部缺陷，根据检测过程数据以及检测结果的数据分析，可以对缺陷的性质、形状、类型、数量、分布、尺寸、位置及其变化做出判断和评价。无损检测技术的发展过程中，常规检测方法已日趋成熟，主要包括超声、射线、磁粉、涡流、渗透等。但是，随着科技的进步，各种新结构材料的出现及新制造工艺的突破不断给无损检测提出了新的要求。在此背景下，工程师不断研究开发了很多新型的检测方法和改进的检测技术。比如声发射技术、超声相控阵技术、红外热成像技术、数字射线技术、银涂层损伤监测技术及阵列涡流检测技术等新技术不断进步和发展。其中阵列涡流检测技术在航空发动机结构的无损检测领域体现出快速性、便捷性、先进性等工程应用前景。

2 阵列涡流传感器设计

传感器主要包括信号发生装置、功放装置、一个激励线圈和四个检测线圈、预置裂纹铝板、四路差分放大装置、四路滤波装置、四路滑动变阻器、四路数据采集卡。激励信号由信号发生装置产生，该信号可设定幅值、偏振、相位及頻率，以满足设计要求，经过功放装置驱动阵列涡流传感器的激励线圈，激励线圈产生的电磁场作用到待测试件上。

在以上思路基础上，设计了单激励发射接收式阵列涡流传感器。如图1所示，激励线圈龙骨材质为尼龙，长宽分别为45mm，圆弧半径为4mm。具体尺寸以满足线圈安装匹配为原则，在设计过程中满足条件的前提下优先考虑设计成本的节约。

电涡流传感器的基本原理是涡流效应的应用，检测过程中待测试件上感生涡流，感生涡流在被测试件上检测到缺陷时，会发生明显变化，由缺陷引起的涡流的变化直接影响涡流的电磁场发生变化，表现在物理量的输出即检测线圈的检测电压幅值和相位也发生直接变化。实际操作过程中，相关物理量的变化非常小，受到噪声干扰比较明显，为解决干扰问题，引入一个差分放大器将检测线圈输出的结果输出，直接将这个微小的电信号进行放大处理。再通过滤波装置和滑动变阻器使其电压幅值和相位稳定，提高其测量精度。检测过程中，可以使用示波器来实时观察其中检测信号的电压幅值和相位，此时示波器可以直观观察测量数据的波形图，此时我们发现示波器不能将检测信号的检测结果的幅值和相位进行分析、储存及研究，这就对检测过程带来了不便，与此同时示波器只能用于观察某一路的检测信号，这对多通道检测过程提出了挑战，面对此类问题，工程中主要通过数据采集卡将数据采集到计算机终端，然后开发软件进行实时显示和数据的保存及分析。本文在此基础上进行虚拟仪器的研发，可以对数据进行有限存储和显示，以确保数据直观、有效的进行分析。

3 界面设计

考虑到无损检测系统的实际应用过程中测量试件较多，需要对无损检测进行集中管理，采用界面设计将多通道测量进行集成管理，实现无损检测系统的实时监测和数据回收，如图2所示，界面设计主要包括无损检测曲线的显示区域和人机交互区两个主要部分。

4 试验验证

传感器实现后对某一试件的裂纹进行了检测验证，首先用示波器对检测信号以及电压相位进行观察，然后通过采集卡和计算机实现数据采集，将采集结果在虚拟仪器进行显示，其采集处理结果如图2显示区所示。采集结果表明，该虚拟仪器实现了无损检测的数据在线采集与处理，在工程中能够方便技术人员进行人机交互，加快了检测效率，进而提高了检测精度，最终起到节约成本的效果。

5 结束语

在验证过程中，由于环境的影响检测信号遭遇了噪声干扰，检测通道的滤波装置不能有效屏蔽较大程度的噪声，所以该设备对使用环境要求较高。后续研究工作要从硬件方面入手，设计更灵敏的滤波装置。本文设计的无损检测设备有效加快了工业生产进度，使人从繁琐的切换过程中解放出来，具备一定的推广价值。

参考文献：

[1]朱炳坤，王建.一种基于虚拟仪器的金属棒料自动无损检测系统[J].湖北农机化，2012（3）：65-66.

[2]朱佳震，陈铁群.基于虚拟仪器的脉冲涡流扫描成像无损检测系统设计[J].科学技术与工程，2010，10（3）：791-794.

[3]杨乐平，李海涛，等.虚拟仪器概论[M].北京：电子工业出版社，2003.

[4]袁渊，古军，等.虚拟仪器教程[M].北京：电子工业出版社，2002.

[5]柏林，王见.虚拟仪器及其在机械测试中的应用[M].北京：科学出版社，2007.

[6]周强，刘建辉，龚川森，等.虚拟仪器技术及其在航空测试领域中的应用[J].科技创新应用，2015（36）：61.

[7]李秀芬.基于虚拟仪器的发动机故障检测系统的研究[J].科技创新应用，2017（16）.