一種探傷裝置及探傷方法
2024-01-24 04:32:15 1
專利名稱：一種探傷裝置及探傷方法
技術領域：
本發明屬於無損檢測探傷技術領域，具體地說，是涉及一種集超聲、渦流、聲阻探傷於一體的智能探傷裝置及探傷方法。
背景技術：
由於飛機的許多零部件經常在交變載荷、甚至是高溫高壓條件下工作，其疲勞裂紋的故障率很高。在長期的工作過程中，一些結構件可能會產生裂紋；一些膠接結構可能會發生開膠現象。這些問題的存在，極大影響了飛機各相關結構的完整性，嚴重威脅著飛機的飛行安全。利用無損探傷手段及時、準確地檢測和發現裂紋、腐蝕、開膠等故障，對於保證飛機的飛行安全，降低飛機維護修理費用，杜絕飛行事故都具有十分重要的意義。
現在廣為使用的無損檢測儀器一類是完全基於模擬電路的模擬式儀器；另一類是採用了單片機、工控板等作為控制中樞的數字式儀器。使用這些儀器進行檢測，不僅要求工作人員熟練掌握儀器的操作方法，還要求他們有紮實的檢測理論基礎；沒有豐富的探傷經驗很難針對具體的檢測對象設置合適的工作參數。而操作方法的掌握、檢測理論的學習、探傷經驗的獲取都需要較長的周期。同時，無損探傷人員流動性很大，多數經過培訓的探傷人員工作不久就轉業或調動，技術力量不能長久保留。人員培訓的周期長和人員的流動性大之間的矛盾已成為當前無損檢測存在的主要問題之一。
超聲、渦流探傷法是目前航空維修無損探傷的主要方法；聲阻探傷法是目前檢查膠接件的唯一方法。但目前的無損探傷儀全都是分體式，即每種探傷方法對應一種探傷儀，如渦流探傷儀、超聲探傷儀、聲阻探傷儀。而飛機、發動機結構件探傷需要多種方法檢查，探傷人員檢查飛機需要攜帶多個儀器到外場檢查，機動性較差；原有儀器為模擬機和一般性智能儀，人機對話差；常規檢測不方便；數據、結果難以保存。
發明內容
本發明的目的在於提供一種智能化探傷方法，用以解決現有技術中存在的分體式探傷儀機動性較差，以及探傷儀智能化程度低，對探傷人員的技術水平要求較高的問題。
為解決上述技術問題，本發明所提出的探傷方法包括以下步驟a、選擇探傷設備；b、選擇探傷模式；c、獲得探傷參數；d、進行探傷操作；e、處理所述探傷操作得到的數據。
其中，在所述步驟d與所述步驟e之間還包括步驟d1判斷是否需要調整探傷參數，若需要在本探傷模式下調整探傷參數，則轉向步驟c；若需要在另一探傷模式下調整探傷參數，則轉向步驟b；若不需要調整探傷參數，則轉向步驟e。
進一步地，步驟a中對探傷設備的選擇為通過電信號激活若干個探傷設備中的其中一個，該多個探傷設備至少包括超聲波探傷頭、渦流探傷頭和聲阻探傷頭。
可選地，步驟b中探傷模式包括智能探傷模式、常規探傷模式。
其中，步驟b中在選擇智能探傷模式時，所述步驟c中獲得探傷參數為調用預設探傷參數；在選擇常規探傷模式時，所述步驟c中探傷參數為用戶直接輸入的參數。
所述步驟e中對所述探傷操作得到的數據進行顯示輸出、保存或者列印處理。
本發明結合上述探傷方法又提供了一種探傷裝置，包括用於發出探傷設備選擇信號、選擇探傷模式及獲得探傷參數的主控設備；用於根據所述探傷設備選擇信號並根據所述探傷參數對相應探傷設備進行激勵並接收所述探傷設備的返回信號的信號發生設備；用於接收所述信號發生電路處理後輸出的返回信號並對其進行模數轉換後輸出至所述主控設備的採集設備，以及將所述信號發生設備產生的激勵信號施加給探頭，對待檢測物進行探傷操作，並接收探頭返回的信號，發送至所述的信號發生設備的探傷設備。
其中，所述主控設備為通用計算機，所述採集設備與所述通用計算機之間採用PCI總線方式通信，所述信號發生設備與所述通用計算機之間採用ISA總線方式通信，所述探傷設備至少包括超聲波探傷頭、渦流探傷頭和聲阻探傷頭。
可選地，所述信號發生設備包括超聲波收發電路、渦流收發電路和聲阻收發電路，所述超聲波收發電路、渦流收發電路和聲阻收發電路分別連接所述的採集設備。
所述超聲波收發電路與所述採集設備採用雙通道連接，其中一個通道為超聲波信號傳輸通道，另一個通道為時鐘同步通道。
本發明將超聲、渦流、聲阻三個系統集成於一個系統中，取代了目前使用的三臺儀器，具有高集成度和高智能化特點。採用本探傷裝置，極大減輕了探傷人員的勞動強度，提高了檢測的可靠性，為飛機安全提供了有力的技術保障。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細地說明。
圖1為本發明中探傷裝置的總體系統框圖；圖2為圖1中超聲探傷子模塊的原理框圖；圖3為圖2中同步電路的原理圖；圖4為圖2中發射電路的原理圖；
圖5為圖2中接收電路的原理圖；圖6為圖1中渦流探傷子模塊的原理框圖；圖7為圖6中電橋電路的原理圖；圖8為圖1中聲阻探傷子模塊的原理框圖；圖9為本發明中探傷方法的流程框圖；圖10為本發明中選擇探傷設備的操作流程圖；圖11為本發明中超聲探傷流程框圖；圖12為本發明中渦流探傷流程框圖。
具體實施例方式
本發明將超聲、渦流、聲阻三個探傷子系統集成於一個系統中，通過智能探傷操作實現探傷裝置的一體化和智能化，其硬體組成主要包括包含有多個探頭的探傷設備、信號發生設備、採集設備和一臺主控設備，如圖1所示。
在所述探傷設備中至少包括超聲探頭(即超聲換能器)、渦流探頭和聲阻探頭，其作用是接收信號發生電路發出的激勵信號，並將此激勵信號施加到待檢測對象上，進而將待檢測對象作用後返回的信號反饋至信號發生電路。
在所述信號發生設備中，其信號發生電路部分主要包括超聲波收發電路、渦流收發電路和聲阻收發電路，主要用來發生一定頻率、幅值的激勵信號，經過調理、放大，施加給探頭，與待檢測對象相互作用，並接收探頭返回的信號，適當調理後傳送至採集設備的模擬信號輸入端。它的另外一個重要功能是在超聲探傷部分，為波形顯示提供一個同步觸發，以保證超聲波形在時基線上的穩定。此外，對檢測信號所做的濾波、降噪、增益、衰減等調理工作也由信號發生電路完成。
在所述採集設備中包含有一信號採集卡，所述採集卡將信號發生電路傳送來的模擬檢測信號進行數位化處理後，通過PCI高速總線傳輸到系統的最後一個環節——主控設備。在這裡需要指出，超聲收發電路與採集卡之間有兩個模擬量傳輸通道，其中一個用於傳輸超聲波信號，而另一個通道為超聲時鐘同步通道，用於採集卡對超聲信號的採集提供觸發源。
所述主控設備可以採用通用的計算機或者工控機實現，它是整個系統的控制中樞，也是採集卡和本探傷裝置軟體部分的載體。它一方面對採集卡進行控制，另一方面要對檢測信號進行實時和事後處理，並在需要的時候進行聲光報警、存儲列印探傷結果等操作。
在本發明中，信號發生電路部分的三個收發電路實際上被集成在一塊板卡上，它和採集卡分別插在主控機的ISA插槽和PCI插槽中；其中，採集卡與主控機之間採用PCI總線方式通信，信號發生電路板卡與主控機之間採用ISA總線方式通信，而各個探頭和裝置主體之間通過同軸電纜相連接。
圖2為超聲探傷子模塊的原理框圖。本裝置的超聲探傷子模塊相當於一臺A型脈衝反射式超聲波探傷儀，同傳統的該類儀器相比，它省去了掃描電路和示波管顯示電路。
在傳統儀器中，同步電路產生的觸發脈衝同時加至掃描電路和發射電路，掃描電路受觸發產生鋸齒波掃描電壓，加至示波管水平偏轉板，使電子束髮生水平偏轉，在螢光屏上產生一條水平掃描基線，即時基線。而本儀器中的超聲探傷子儀器的時基線完全由軟體控制，一改過去時間刻度比例不能靈活改變的問題。同時超聲波形的顯示也不再由示波管顯示電路來完成，而是通過LabVIEW軟體中的波形顯示控制項Wave Graph來完成，從而使操作者可以更加靈活的觀測波形。
如圖2所示，同步電路產生的觸發脈衝一路連接至採集卡的超聲同步通道，另一路去觸發發射電路產生寬帶窄脈衝，加至探頭，激勵壓電晶片振動，在待檢測對象中產生超聲波。超聲波在待檢測對象中傳播，遇到缺陷或底面將發生發射，返回探頭時，又被壓電晶片轉變為電信號，經接收放大和檢波，被傳輸到採集卡的超聲信號通道，進而交由主控計算機進行處理、顯示。
同步電路，即觸發波電路，它產生一個尖脈衝觸發超聲探傷子模塊中其它電路有條不紊地工作，是整個超聲探傷子模塊的總指揮。在傳統模擬式超聲波探傷儀中，多採用矩形波變換電路、正弦波變換電路或雙基極二極體來完成同步電路的設計。本儀器中採用輸入端具有施密特電路功能的單穩態觸發器74LS221來實現，具有較強的抗幹擾能力。本發明的同步電路原理圖參見圖3所示，初始信號經過兩級施密特反相器74LS14進行兩次反相處理後，再經過單穩態觸發器74LS221觸發後變為窄脈衝，此時的窄脈衝的前沿還不夠陡直，且負載能力不夠，所以還需要經過與門74F08及後面的電阻、電容和二極體所組成的小型微分加速電路，以利用F系列高速器件的特性改善脈衝的邊沿，並提高負載能力。此時的輸出脈衝已經符合後續電路的要求。
發射電路利用同步電路輸出的同步信號和幾百伏的直流高壓，產生用於激勵超聲波探頭的負脈衝信號，原理如圖4所示。圖中，電阻R1、R2和電容C1組成微分電路；二極體D1、D2和電阻R3用於將微分後的正脈衝部分去除；而電位器W1和電阻R4構成阻尼電路部分，用以調整脈衝的能量。
接收電路用以接收底波、缺陷波等超聲回波通過換能器轉變而來的電信號。在本裝置的超聲接收電路部分中，包含了放大電路和接收限幅電路。
激勵電壓的高低、被檢工件的材料、缺陷的大小和深度、傳感器的靈敏度等都直接影響缺陷回波信號的大小。通常情況下，回波信號非常微弱，因此在接收電路設計了一個放大電路。
超聲檢測中通常有兩種檢測方式單探頭方式和雙探頭方式。在用單探頭方式檢測時，發射傳感器和接收傳感器為同一個傳感器，因此激勵傳感器的高壓脈衝必然會耦合到接收通道。從而使接收到的回波信號中，不僅包括從被檢物體內部反射回來的攜帶各種缺陷信息的回波信號，也包括從激勵源直接耦合過來的大幅度窄脈衝信號。如果不對此信號進行限幅，可能會損壞接收通道的電路元件。所以，在接收電路的前端必須加入限幅電路以限制信號的幅度。
理想的限幅電路只限制幅度大的高壓激勵脈衝，而對幅度小的超聲檢測信號沒有影響。在本裝置中，採用了圖5所示的超聲波接收限幅電路。它採用了兩個嵌位二極體D1和D2反向並聯，利用二極體的特性，分別對正向和負向大脈衝進行限幅。由於本電路的射極跟隨器N1、N2是雙向的，去掉了一般的接收電路的檢波功能，便於進行全波採集，進行優於半波分析的全波分析。
可見，同傳統的超聲探傷儀器相比，本儀器不僅在結構上簡化了不少(採集卡為三臺子儀器所共用)，而且在操作與波形觀測上也更加靈活方便。
圖6為渦流探傷子模塊的原理框圖；它的收發電路包括由振蕩器、交流電橋、放大器組成的前端部分和由移相器、檢波器、濾波器組成的後端部分。前端的振蕩器產生交變信號供給電橋和探頭線圈組成的一個橋臂，一般在電橋的對應位置上有一個比較線圈構成另一個橋臂。電橋平衡後，如果工件存在缺陷，電橋的不平衡將產生一個微小信號輸出，經過放大器適當放大之後進入收發電路的後端調理部分。後端電路在對該信號進行移相、相敏檢波和濾波等處理之後，最後進入採集卡的渦流信號輸入通道，交由主控計算機進行處理、顯示。
前端部分的振蕩器用以產生正弦電流，激勵被測工件中形成渦流。由於激勵電流需要具有足夠的功率才可以使工件中產生較為顯著的渦流，因此在振蕩器中正弦信號產生之後進行了一級放大。
本裝置採用交流電橋來檢測由於工件的缺陷而引起的微小阻抗變化。原理如圖7所示。在完好區將電橋調平衡之後，一旦探頭靠近缺陷處，將會輸出一個不平衡信號，這也正是所需要的缺陷信號。但通常情況下，該信號很微弱，因此在它進入後端調理部分之前，設計了放大電路。上述信號進入後端部分後將由移相器、相敏檢波器和濾波器完成對信號的進一步調理。
圖8為聲阻探傷子模塊的原理框圖，其收發電路包括振蕩器及其放大器、聲阻信號的測量放大器等。
振蕩器是收發電路的起始環節，也是關鍵環節。振蕩器的頻率選擇對於區分完好區和缺陷區的力阻抗十分關鍵。所以，在聲阻探傷子模塊中，根據航空維修的實際背景，分析並選擇了最有利於檢測複合材料和複合構件膠接質量的激勵頻率。振蕩器諧振電路產生的原始信號通常較為微弱，所以在激勵信號施加到換能器的壓電晶片之前，進行了一級放大。
工件各處不同的力阻抗經過壓電晶片產生的聲阻信號一般較為微弱。而採集卡在量程選定之後，它的AD轉換位數決定了有限的轉換精度，通常很難對聲阻信號實現順利的採集。所以，在收發電路中，設計了測量放大器，它不僅放大了微弱的聲阻信號，而且能夠抑制共模幹擾，降低了噪聲。
在裝置的研製中，為了實現其小型化和集成化，將超聲檢測電路、渦流檢測電路和聲阻檢測電路設計在一塊板卡上，並通過ISA擴展槽和主控計算機連接，檢測電路中所用的電源均是通過±5V和±12V的微機電源轉換得到。
本發明結合上述探傷裝置，又提出了一種探傷方法，如圖9所示，包括如下步驟a、選擇探傷設備；b、選擇探傷模式，包括智能探傷模式和常規探傷模式；c、獲得探傷參數；若步驟b中選擇智能探傷模式，則本步驟中獲得探傷參數為調用預設探傷參數；若步驟b中選擇的是常規探傷模式，則本步驟中探傷參數要求用戶直接輸入參數；d、進行探傷操作；e、判斷是否需要調整探傷參數，若需要在本探傷模式下調整探傷參數，則轉向步驟c；若需要在另一探傷模式下調整探傷參數，則轉向步驟b；若不需要調整探傷參數，則轉向步驟f；f、處理所述探傷操作得到的數據。
其中，所述預設探傷參數為往次成功對與本次探傷對象同類型的探傷對象探傷後所保存的當次探傷參數。
所述步驟f中對所述探傷操作得到的數據進行顯示輸出、保存或者列印處理。
本裝置採用虛擬儀器技術，開發虛擬儀器必須選用合適的軟體開發平臺，目前虛擬儀器軟體開發平臺有如下兩類
①基於文本式程式語言的開發工具如VC++，C++Build，LabWindows/CVI及Delphi等。
②基於圖形化程式語言的開發工具如LabVIEW(NI公司)，HP VEE(HP公司)。
根據開發周期和本裝置的具體要求，本發明選擇LabVIEW作為本儀器軟體部分的開發環境。
參考圖10，圖示了本發明選擇探傷設備的一個處理流程。探頭連接完畢，主控機供電啟動等硬體準備就緒之後，運行系統程序，首先看到的是其友好的歡迎界面，在方法選擇界面中探傷人員根據具體的探傷任務，選擇相應模塊，選擇之後即進入相應模塊。在每一模塊運行之後，都需要在智能探傷與常規探傷兩種模式中選擇一種。對於已經制定探傷工藝的零部件，應選擇智能探傷，因為對這些工件，已經存儲了最為合適的探傷參數。而對那些尚未制定探傷工藝的零部件，則需要選擇常規探傷模式。探傷結束後，如果所用探傷參數適合於該零件或優於所保存參數，則應該將其保存下來。完成探傷任務後即可退出程序。例如要進行聲阻探傷，則只需要點擊聲阻探傷系統按鈕，即可進入聲阻探傷界面，進而通過觀察指針的擺動，並結合探頭在工件上的滑動，對複合材料的膠結質量進行檢查。同樣，超聲探傷與渦流探傷也採用這樣的步驟進入。
從圖10所示的軟體流程可以看出，在完成一次探傷任務之後，可以繼續探傷，也可以選擇退出系統，結束本次探傷任務。
參考圖11，圖示了本發明中超聲探傷步驟的具體流程。超聲探傷程序運行之後，要在智能探傷和常規探傷兩種模式中進行選擇。在本裝置中，所謂的「智能」指主控機的相關路徑中已經有一組工作參數適合於將要被檢測的工件，探傷人員可以直接從該目錄將其調出，而不需要根據工件和缺陷的具體情況重新設置工作參數。而常規模式只適用於那些探傷經驗豐富、檢測理論紮實的檢測人員。對於未曾被檢測過的工件類型，一般都要選擇常規模式對其工作參數進行合理的設置。
工作參數設置或調用成功後，工件中包含底波、缺陷波等各種信息的檢測信號都會反映在虛擬示波器上。探傷人員根據回波的波形並結合自己的探傷知識與經驗，對缺陷是否存在、性質、大小、位置等做出判斷。
在完成一次探傷後，可以選擇退出超聲探傷系統，也可以對其它工件繼續進行檢測。如果選擇退出系統，程序將提示操作人員是否需要保存探傷參數和探傷結果。如果這組工作參數非常適合於該類工件的檢測或者需要對探傷結果進行進一步的事後分析，則可以將工作參數或檢測結果保存在指定目錄中。
參考圖12為本發明渦流探傷流程，與超聲探傷類似，啟動渦流探傷後，也必須在智能與常規兩種模式中選擇其一。通過對主面板上XY-chart控制項中檢測圖像的觀察，判斷缺陷的存在情況。完成一次探傷任務後，可以將工作參數保存後退出系統，也可以繼續進行其他工件的檢測。
同超聲探傷不同，渦流探傷不是通過對波形的觀測去判斷工件內部情況，而是根據實時檢測值的大小判斷有無缺陷。這種檢測方式便於在程序中實現聲光報警。
聲阻探傷程序的流程與超聲和渦流探傷模塊基本相似，連接好探頭並啟動程序後，探傷人員首先進行探傷模式的選擇，工作參數設置完之後便可以通過觀察虛擬儀表指針的擺動，對工件的膠結質量進行判斷。如果指針擺動在完好區則說明膠結質量完好；反之，若指針指示於缺陷區則說明可能存在開膠等缺陷。
本發明的智能探傷軟體是針對技術水平相對不高的操作人員，應用儀器所提供的智能操作功能達到輕易駕馭儀器的目的。為此，除了硬體上要有效提取有用檢測信號外，智能操作軟體是重要的部分。智能操作軟體為操作人員提供了全中文的人機對話環境，將操作人員使用儀器的步驟減少到最低程度，每個操作步驟均有提示，圖形存貯過程中儀器自動設置，不需操作者輸入任何參數，真正做到了智能化。
智能操作軟體的操作界面為全中文人機對話模式，操作人員用滑鼠點擊相應菜單就可以選擇探傷方法、探傷機型和探測的零件。操作人員連接相應的探頭即可進行探傷，且每一操作步驟均有中文提示和工藝幫助服務。
除智能操作外，儀器提供了具有先進水平的常規探傷應用軟體，最大限度地發揮儀器硬體所能提供的優良檢測性能，為探傷人員檢測智能探傷工藝中沒有涉及的工件和摸索探傷方法時使用，尤其為高級檢測人員服務。
當然，上述說明並非是對本發明的限制，本發明也並不僅限於上述舉例，本技術領域的普通技術人員在本發明的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種探傷方法，包括以下步驟a、選擇探傷設備；b、選擇探傷模式；c、獲得探傷參數；d、進行探傷操作；e、處理所述探傷操作得到的數據。
2.如權利要求1所述的探傷方法，其特徵在於，所述步驟d與所述步驟e之間還包括步驟d1判斷是否需要調整探傷參數，若需要在本探傷模式下調整探傷參數，則轉向步驟c；若需要在另一探傷模式下調整探傷參數，則轉向步驟b；若不需要調整探傷參數，則轉向步驟e。
3.如權利要求1或2所述的探傷方法，其特徵在於，所述步驟a中對探傷設備的選擇為通過電信號激活若干個探傷設備中的其中一個，該多個探傷設備至少包括超聲波探頭、渦流探頭和聲阻探頭。
4.如權利要求3所述的探傷方法，其特徵在於，所述步驟b中探傷模式包括智能探傷模式、常規探傷模式。
5.如權利要求4所述的探傷方法，其特徵在於，當所述步驟b中選擇智能探傷模式時，所述步驟c中獲得探傷參數為調用預設探傷參數。
6.如權利要求4所述的探傷方法，其特徵在於，當所述步驟b中選擇常規探傷模式時，所述步驟c中探傷參數為用戶直接輸入的參數。
7.如權利要求1或2所述的探傷方法，其特徵在於，所述步驟e中對所述探傷操作得到的數據進行顯示輸出、保存或者列印處理。
8.一種探傷裝置，其特徵在於，包括主控設備，發出探傷設備選擇信號、選擇探傷模式及獲得探傷參數；信號發生設備，根據所述主控設備發出的探傷設備選擇信號和探傷參數對相應探傷設備進行激勵並接收所述探傷設備的返回信號；採集設備，接收所述信號發生設備輸出的返回信號並對其進行模數轉換後輸出至所述的主控設備；探傷設備，將所述信號發生設備產生的激勵信號施加給探頭，對待檢測物進行探傷操作，並接收探頭返回的信號，發送至所述的信號發生設備。
9.如權利要求8所述的探傷裝置，其特徵在於，所述主控設備為通用計算機，所述採集設備與所述通用計算機之間採用PCI總線方式通信，所述信號發生設備與所述通用計算機之間採用ISA總線方式通信，所述探傷設備至少包括超聲波探傷頭、渦流探傷頭和聲阻探傷頭。
10.如權利要求9所述的探傷裝置，其特徵在於，所述信號發生設備包括超聲波收發電路、渦流收發電路和聲阻收發電路，分別連接所述的採集設備。
全文摘要
本發明公開了一種探傷裝置及探傷方法，包括以下步驟a.選擇探傷設備；b.選擇探傷模式；c.獲得探傷參數；d.進行探傷操作；e.處理所述探傷操作得到的數據。結合所述探傷方法本發明又提供了一種探傷裝置，包括一臺主控設備、採集設備、信號發生設備和包含有超聲、渦流、聲阻等多個探頭的探傷設備。本發明將超聲、渦流、聲阻三個系統集成於一個系統中，取代了目前使用的三臺儀器，具有高集成度和高智能化特點。採用本探傷裝置，極大減輕了探傷人員的勞動強度，提高了檢測的可靠性，為飛機安全提供了有力的技術保障。
文檔編號G01N27/90GK101038278SQ20071001411
公開日2007年9月19日 申請日期2007年3月27日 優先權日2007年3月27日
發明者孫金立, 張海兵, 陳新波, 袁英民 申請人:中國人民解放軍海軍航空工程學院青島分院