基于虚拟仪器的超声探伤仪器设计与信号处理

摘要

本论文的研究课题来源于国家自然科学基金项目：碳纤维智能层的多场耦合机理及其场域诊断(项目编号：10672128)。 目前国内的超声探伤仪器主要以大规模集成芯片电路为主，不仅设计复杂、成本高，而且仪器的功能和性能受到硬件的约束，针对这些缺点，本文基于数学、力学、计算机科学等学科的相关理论，从数学上推导了由超声信号对结构内部进行反演的算法，在虚拟仪器与系统的开发理念下，在LABVIEW虚拟仪器设计平台上自主开发了一套可实现混凝土CT反演检测等功能的超声探伤仪器，设计主要包括具有同步触发功能的超声波发射、接收及声信号处理模块，实现了基于声信号走时的嵌入式反演成像系统，并且编制了CT图像的分形维数计算程序用以分析和评价检测结果。具体研究内容如下： 1.根据混凝土在声学上各向异性的特点及超声波换能器的工作原理，在比较了不同型号的换能器功能特性基础上，选择了适合检测目的的超声波换能器，设计了能保持协同工作的超声波发射和超声波信号接收调制模块，使得用于反演成像的声波走时数据的精度得以保证。 2.设计了超声信号处理模块，主要研究了FIR数字滤波器的基本理论，依据窗函数法利用LABVIEW设计了可以选择四种滤波器类型和5种函数窗的FIR滤波器，克服了由于噪声干扰导致检测中采集到的声信号首波时间不明显的缺点。 3.基于图像分形维数反映的是图像的不规则程度这一特征，综合应用图像处理技术和分形理论，设计了CT图像分形维数的计算程序，并通过混凝土试样的实验检测数据分析了不同的混凝土结构缺陷与其对应的超声CT图像分形维数的关系。 4 将CT成像算法和声发射、信号接收调制模块整合，嵌入到PC机中，使其成为具有检测分析功能完备、符合国际检测标准、准确直观、操作简便的超声智能成像仪。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1超声无损检测技术概述

1.1.1超声无损检测的特点

1.1.2超声检测的基本原理

1.1.3超声检测的现状及发展趋势

1.2超声波探伤仪的发展过程和国内外发展现状

1.2.1超声波探伤仪的发展过程

1.2.2用于结构探伤中的虚拟仪器的国内外发展状况

1.3研究的意义和内容

1.3.1研究的意义

1.3.2本文主要研究内容

1.4论文结构

第2章虚拟超声探伤仪器的系统结构与软件设计

2.1虚拟超声探伤仪器的系统结构

2.1.1虚拟超声探伤仪器的发射模块

2.1.2虚拟超声探伤仪器的接收模块

2.1.3虚拟超声探伤仪器的信号处理模块

2.2超声波激励程序设计

2.2.1激励模块前面板

2.2.2超声波激励模块控制面板

2.3超声波采集程序设计

2.3.1信号采集模块前面板

2.3.2信号采集模块控制面板

2.4信号数据分析模块

2.4.1数字滤波模块

2.4.2频谱分析模块

2.5信号处理实验

2.5.1超声波滤波实验结果

2.5.2超声波频谱分析实验结果

2.6本章小结

第3章超声CT成像及实验结果

3.1超声CT成像理论

3.2超声波首波时间的读取及其CT成像实验

3.2.1测量超声波首波时间的对比实验

3.2.2超声CT成像实验

3.3本章小结

第4章超声CT图像的分形维数计算及其结构评估

4.1超声波CT图像的分形维数计算

4.1.1 CT图像分形维数定义

4.1.2分形维数与结构缺陷的关系

4.2 CT图像处理

4.2.1阈值选取

4.2.2图像缩放

4.3 CT图像分形维数计算实验结果分析

4.4本章小结

第5章全文总结与研究展望

5.1本文研究工作总结

5.2研究展望

参考文献

作者在攻读硕士期间发表的论文

致谢