剐襄：基于ＰＣ／总线的超声检翻系统设计 基于ＰＣＩ总线的超声检测系统设计 Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＣＩ Ｂｕｓ 刘 晨 （中北大学，山西太原０３００５１） 摘要：随着科技的发展，工业上对工件和材料的要求越来越高，对作为无损检测重要分支的超声检测技术的检测效率和检测精度提出了更高的要 求。本文基于超声卡和高速采集卡设计了一种超声检测系统。硬件系统是通过超声卡发射超声信号，使用ＡＤ采样，利用ＰＣ］总线进行传输；软件系 统基于ＶＣ６．０软件平台设计上位机程序。最后系统对标准件进行实验，结果表明本文设计的系统能够准确显示工件的超声信号和保存数据，并在相 关项目上已经得到了良好应用。 关键词：超声检测；信号提取；ＰＣ］ １ 引言 另外，探头选择还需要考虑Ｋ值的影响，本系统要 检测的是比较薄的工件，因此要尽量避免近场区检测，所 超声检测技术作为无损检测的重要分支已经被广泛 的应用在材料质量监测以及重要部件的检测之中。在传 统超声检测系统的基础上，本系统采用超声卡和高速采 集卡，实现了超声信号的采集，保存等功能，为超声自动 检测奠定了基础。 ２系统硬件组成 以要选择较大的Ｋ值。 ２．２超声发射／接收系统：本系统使用的是全数字式超 声板卡，板卡基于ＰＣ机为母体，采用工业流行的３２位 ＰＣＩ总线结构，集成了超声波的发射与接收功能，配合高 速信号采集卡，实现超声信号的采集，保存，多通道模式 选择，可实现单发单收，收发一体的超声工作模式，能够 配合ＰＣ机进行超声检测。该卡具有四个独立的发射／ 接收通道，支持全波、半波和包络三种不同的检波模式， 支持超声探头频率范围（Ｏ．５～１５）ＭＨｚ，重复频率５００Ｈｚ ～本超声检测系统主要由超声发射／接收系统（主要包 括超声卡、聚焦探头）、数据采集系统和上位机保存系统 组成。系统框图如图１： １０ＫＨｚ可调。具有闸门功能，每通道设有３个闸门，报 图１超声检测系统组成框图 警闸门，跟踪闸门和自锁闸ｆ－ｊ；报警功能齐全，可满足各 种自动探伤系统的报警需要。灵敏度大于５０ｄＢ，分辨率 大于２６ｄＢ，动态范围大于３０ｄＢ，抗干扰能力强，能够适合 超声检测系统的需要。通过对采样参数的设置，系统可 以实现采样深度以及延迟时间的调整。 ２．１超声探头的选择：在超声检测中，超声探头的选择 是首先要考虑的问题，它对超声检测效果的好坏起着重 要的作用。探头的选择一般从型式、频率及晶片尺寸等 方面进行考虑。 （１）型式的选择。测量过程中，尽可能保证超声声束 与被测面垂直，常用的探头主要有纵波直探头、双晶探 ２．３数据采集／保存系统：高速Ａ／Ｄ采集系统是超声检 测系统的重要模块，它的作用是将超声模拟数据转换成 数字信号，传输给系统进行实时显示或者数据处理。根 据超声信号频率和特征，针对超声信号的采集速率和采 样深度的要求，先把超声信号通过１００Ｍ高速采集卡进 行数字化采样，再通过ＰＣＩ总线结构传输到ＰＣ机上位机 头、横波斜探头、聚焦探头。本检测系统主要用于焊缝和 管材的检测，因此选用液浸聚焦探头。 （２）频率的选择。超声波的频率范围是（０．５—２０） ＭＨＺ之间，频率越高，灵敏度、分辨率越高，指向性越好， 但是能量衰减的越快。因此一般选取探头的时候，在保 证精度的条件下，选取频率较低的探头。在本次设计中， 系统选取的是５ＭＨＺ。 软件来存储全部回波信息，能够提供超声信号的位置和 幅值特征，并且可以回放和保存回波信号，为后期数字信 号处理的研究奠定基础。 （３）晶片尺寸。探头的晶片尺寸对近场区长度、指向 性及远距离缺陷的检测能力影响很大，一般直径在（１０— ３０）ｍｍ之间，系统需要检测的是大曲率工件，为提高检测 数据采集系统对超声检测系统的检测能力决定以下 技术指标：①采样频率；②采样精度；③采样深度；④数据 传输速率。 精度，选取的直径１０ｍｍ的晶片。 （１）采样频率是根据奈奎斯特采样定理以及超声信 《计量ｓ覆｜试技术》２０１ 年第３８卷第３期 号频率范围共同决定，采样频率越高，Ａ／Ｄ采集之后的数 字信号越接近于原始信号，同时采集数据量也越大。超 声卡配合探头发射的超声频率不超过１５ＭＨＺ，根据奈奎 斯特采样定理可知，采样频率必须大于信号频率的两倍 以上才能保证信号不失真，同时结合工业上采集卡选择 序时需要对采集卡采集的数据进行字符串转换之后再保 存，否则保存数据时会出现数据乱码。 ４结果与分析 本超声检测系统可以对不同材料进行Ａ扫描检测 材料的缺陷、厚度等信息，通过数据保存模块可以为Ｂ 的经验，１００Ｍ采样频率完全符合超声检测采样的要求。 （２）采样精度越高，所需要的数据量越大，根据超声 检测实际情况进行选择。 （３）采样深度跟采样起始点、超声重复频率以及采集 卡采集频率有关，选择合理的采样深度对整个超声检测系 统具有重要意义。采样起始点和采样深度的和必须小于采 样频率除以重复频率。采用反射法检验时，采样深度应该 大于超声波在试件中来回反射时间乘以采样频率。 （４）数据传输速率是超声采集系统的重要指标之一， 指的是超声数据在单位时间内的传输量。采集卡采用 ＰＣＩ总线结构，最大传输速率等于ＰＣＩ总线频率和ＰＣＩ总 线宽度的乘积。总线宽度为３２ｂｉｔ即４Ｂｙｔｅ，总线频率为 ３３ＭＨｚ的情况下，最大传输速率为３３Ｍ＊４Ｂ／ｓ＝１３３ＭＢ／ ｓ。当采集频率大于最大传输频率时，采用缓存的方式避 免数据丢失，但是这又不符合实时性的要求，所以对于连 续的数据采集，应使采集频率小于最大传输速率。 ３系统软件设计 超声检测系统软件是基于ＶＣ６．０平台，使用Ｃ语言 编程，调用动态链接库的函数主要完成超声卡和采集卡 的初始化，超声波的发射参数设置，超声波形显示模式， 采集参数以及数据保存的功能。具体功能如下： （１）超声波发射参数设置功能：主要包括超声波脉冲 宽度、重复频率和发射强度设置。探伤模式选择：可以选 择单探头和双探头模式。 （２）超声波形显示模式功能：全波和包络模式。 （３）采集参数设置功能：改变采样深度和延迟时间。 （４）数据保存功能：保存目前显示的波形。 整个软件系统程序框图如图２所示： 根据图２，软件系统首先判断超声卡和采集卡是否 存在并进行一些初始化设置，然后调用函数判断超声数 据是否读人，在有超声数据输入时调用采集函数，并进行 实时显示。对需要保存的数据，添加数据保存按键，以便 对超声信号进行后续处理。 需要注意的是，在对采集数据的保存模块的设计中， 首先调用动态链接库中的调用超声卡的动态链接库函数 获取指定通道数据，是一个２５６＊４０９６大小的数组，但是 保存的时候只取其中的一组数据进行保存，否则时间消 耗很大，而且容易造成程序的假死状态。 同理，显示的时候也只取其中的一组数据。编写程 扫描和Ｃ扫描提供数据以及后续的数据处理工作。 图２系统软件框图 图３超声检测软件界面和显不效果 图３是对２０ｒａｍ铝板进行超声检测的结果显示。系 统发射５ＭＨＺ，重复频率１ＫＩ－ＩＺ，单发单收的探头模式，采 用Ａ扫描的方式进行检测。从图中可以清楚的看出超 声发射信号、多次回波信号以及杂波信号，幅值较大的是 回波信号，且周期性出现，其周期性反应了时间信息也就 是厚度信息。采样波形完整、清晰。稍加扩充即可运用于 焊缝检测，缺陷检测等无损检测的各种场合。比如我们可 以加入数据频谱分析模块，就可以得到超声信号的频谱特 征。目前该系统已经应用于焊缝检测项目等研究中。 （下转第３７页） 周进：基于傅里叶描述子的弹丸破片群散布特性分析 （４）利用三次样条插值，获取群体目标图像边缘闭合 的曲线函数，如图１中的虚线所示； （５）为了便于傅里叶级数运算，将所插值的直角坐标 系下的曲线函数，转换为极坐标下的曲线函数； （６）对所获取的函数进行傅里叶级数展开； （７）利用公式（４）求出极坐标系下的插值曲线Ｙ＝ｆ （ｘ）的傅里叶系数ａ ，ｂ；，并将所求出的傅里叶系数ａ ，ｂｉ 的各种图示信息基本一致。 表２图２中各图形的散布参数 ５小结 代入到公式ｕ～ ２√ａ２＋ 中求出对应的 —ｉ值； （８）通过求得的Ｕ ｉ值来提取弹丸破片群的散布参 本文从提高弹丸破片群攻击力度角度出发，研究弹 丸破片群的散布特性，提出了一种基于傅里叶描述子的 数：散布范围、散布形状、边缘密集度。 ４仿真实验及分析 弹丸破片群散布特性分析算法。对于一个待识别目标群 来说，首先获取该目标群的边界，将边界拟合成一条封闭 曲线，接着结合傅里叶变换，得到边界曲线的傅里叶级 针对上述算法，本文采用仿真实验进行验证。实验 仿真弹丸破片图如下所示，图像分辨率为１２８＊１２８（图像 方向平行于攻击目标平面）： 数，通过对傅里叶级数进行分析提取群体目标的散布参 数。通过仿真实验表明本算法能够实现群体目标边缘分 布描述的基础上，实现群体目标的散布参数提取，进而能 够为破片群定向控制技术研究提供可靠的数据支撑。 参考文献 ［１］马永忠，李其祥，安纯前，张林鹤．弹丸破片空间分布规律研究［Ｊ］． 弹箭与制导学报，２００４，２４（Ｉ）：１５０—１５２． ［２］王诚洪，张若，曾新吾，江厚满．杀伤战斗部破片定向飞散特性研究 ［Ｊ］．国防科技大学学报，１９９９，２１（２）：２９—３４． ［３］杨帆．数字图像处理与分析．北京：北京航空航天大学出版社， ２００７：３０９—３１２． ［４］Ｊａｉｎ Ａ．Ｋ，Ｚｈｏｎｇ Ｙ，Ｉｚｋｓｈｍａｎａｎ Ｓ．Ｏｂｊｅｃｔ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｔｅｍ－ ｐｌａｔｅｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ，ＰＡＭＩ．１９９６，１８（３）：２６７—２７８． ［５］Ｓｃｌａｒｏｆｆ Ｓｔａｎ．Ｄｅｆｏｍｍｂｌｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓ ｆｏｒ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ｓｈａｐｅ ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ ｉｎ ｉｍａｇｅ— 图２不同分布形状的群体目标仿真图示 表Ｉ囤２中的傅里叶级数计算结果 ｄａｔａｂａｓｅ．Ｐａｔｔｅｍ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ．１９９７，３０（４）：６２７—６４１． ［６３ ５１２涛，刘文印，孙家广等．傅里叶描述子识别物体的形状［Ｊ］．计算 ６阶 Ｏ．ｏ２１７ ０阶 ａ ８８．７３１ １阶 １．５４４５ ２阶 ３阶 ４阶 ５阶 机研究和发展，２ＯＯ２，３９（１２）：１７１４—１７１９． １．ｏ７９１ ０．８２４５ ０．４０７７ ０．ｏ６５３ ［７］ｓ￣ｇｅ Ｂｅｌｏｎｇｉｅ，Ｊｉｔｅｎｄｒａ Ｍａｌｉｋ．Ｊａｎ Ｐｕｚｉｅｈａ ｓ｝１ａｐｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｎｄ ａｏｂｊｅｃｔｒｅｃｏｇ— ｎｉｆｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｓｈａｐｅ ｃｏｎｔｅｘｔｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｐａｔｔｅｒ ＡｎＭｙｓｉｓ ａｎｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｂ ｃ ｄ ｅ ７９．３４９ １．７９２８ １ ０７３ｌ １１．７９５ ０．８６５３ ０．６７１４ ３．４７５３ ０．０７８１ ２．８６８９ １．５３６９ ７９．０１４ １．８７７５ ０．８７５９ ０．８２１５ １１．０４５ ０．５２６１ ９８．８６３ ０．８７８２ １４．１３１ １．３７８２ ５．７３６２ ０．６７２１ ２００２，２４（２４）． ７５．３５６ ２．０２１５ ９．８９７８ ６．４５１２ ８。５６６０ １．７４５７ ［８］Ｔｈｏｍａｓ Ｂｅｍｉｅｒ，Ｊａｃｑｕｅｓ Ａｎｄｒｅ ｈｎｄＩｙ． ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ ａｎｄ ａｔｍｃｈｉｎｇ ｓｈａｐｅｓ ｏｆ ｎａｔｕ￣ｌ幽ｏｃｔｓ．Ｐａｔｔ￣ｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，２ＯＯ３，３６；１７１１—１７２３． 根据上述分析结果，图２（ｄ）的呈椭圆形分布，散布 范围最广，图２（ｅ）的形状比较复杂，从傅里叶系数来看 作者简介：周进，女，在读研究生。工作单位：中北大学信息与通信工程学 院。通讯地址：０３００５１山西省太原市中北大学４５８信箱。 收稿时间：２０１０—１１—１５ 主要是由椭圆和四边形叠加而成，从散布范围来看，其散 布范围最小，边缘密集度较高。上述分析结果与图２中 （上接第３４页） 参考文献 系统［Ｊ］．无损检测，２００５，２７（１０）：５１４—５１７． ［４］左林，田建新．基于ＰＣＩ总线的高性能多通道超声波发射一接收卡 ［Ｊ］．２００３，２５（４）：１９８—１９９． ［１］徐微．超声检测与可视化技术的研究［Ｄ］．天津：河北工业大学， ２００３．１． ［２］杨党纲．ＰＣＩ一９８２０高速数据采集卡在材料超声检测系统中的应用 作者简介：刘晨，男，硕士研究生。工作单位：中北大学。通讯地址：０３００５１ 山西省太原市中北大学４５８｝｝信箱。 收稿时间：０１０一ｌｌ一１５ ２［Ｊ］．材料工程，２００６，１０：５６—５９． ［３］陈雪松．基于ＰＣＩ总线四通道高速数据采集卡的火车轴超声检测