毕业设计复杂断面重轨在线无损检测系统设计虚拟仪器实现Word格式.docx

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重轨；

虚拟仪器

TheDesignofOnlineNon-destructiveTesting

SystemofComplexCross-sectionHeavyRail——LaserTestingBaseonVirtualInstrument

Abstract

Inrecentyears,Non-destructivetesting（NDT）technologyisplayinganincreasinglyimportantroleinvariousfieldswiththemodernindustry,thescientificandthetechnological`sdevelopment.LaserHolographyNon-destructivetestingmethodscomparewithotherNDTmethod,thedevelopmentistheolder,thetechnologicalismoremature,thescopeofapplicationisthebroader,itisoneimportantapplicationoftheholographicinterferometrytechnology.

Inaddition,VirtualInstrument（VI）technologyiscomefromthecomputertechnologyandequipment`sdeeperintegration.Throughtheapplicationprocess,thegeneralcomputerhardwarewillbecombinedwiththeequipment.Usercanoperatethecomputethroughfriendlygraphicalinterface.Makeuseofthesoftware,dataAnalysis,expressionanduserinterfacegraphicallywillberealized.

ThedesignisthatVirtualInstrument（VI）technologyfinishLaserNon-destructivetesting.MakeuseofLaserHolographyDetectionTechnology,LaserprobetestsHeavyrailsection,thesignalofelectricityisoutputed.Throughthesignalprocessingcircuit`sprocessing,itwillproduceastandardsignal.DataAcquisitionacquisethesignal,itisconveredthedigitalsignal,whichthecomputermayhandle.Makeuseofthedevicedrivers,digitalsignalintothecomputer.InLabVIEWplatform,usercallstheprocess,thedetectedwavewillbedisplaiedinvirtualinstrumentfrontpanel.Throughtheanalysisandthecomparison,thejudgementisthatthedetectedheavyrailwhetherthereisdefectsanddamage,andpreservedata.Thedesignofheavyrail`sNon-destructivetestingsystemiscompleted.ThesystemismadeofsignalAcquisition,dataanalysisandwaveformdisplay.Itistheopenandflexiblemodularsystem.Thedesignsystem`srealizing,itwillbehavefar-reachingsignificancefortheimpactoftherailwaytransportindustryandtheindustrialdevelopment.

Keywords:

Non-destructiveTesting;

LaserHolography;

Heavyrail;

VirtualInstrument

第一章引言

一.1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，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；

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-destructiveInspection，NDT）、无损检测（Non-destructiveTesting，NDT）和无损评估（Non-destructiveEvaluation，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-Radiographytesting）、渗透检测PT（PenetrateTesting）、磁粉检测MT（MagnetismTesting）、超声波检测UT（UltrasonicTesting）和涡流检测ET（EddyTesting）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、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]。

一.2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DataSocket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。

一.3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，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

二.1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。

在LabVIEW平台下，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“LightAmplificationbyStimutatedEmissionofradiation”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。

⑴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（5～10）×

10-2弧度，这是普通光束所无法比拟的。

⑵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，氪同位素86灯发出的波长λ=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2×

10-9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。

⑶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1010～1011米的数量级。

当然受种种因素的限制，激光的相干长度不可