基于LabVIEW的超声信号采集和处理系统设计

◎任海平 杨 录 丁宗梅

基于LabVIEW的超声信号采集和处理系统设计

◎任海平1杨 录1丁宗梅2

基于LabVIEW软件和NDAQ-120614数据采集卡，开发了一套超声信号采集、存储、处理和显示的虚拟仪器系统。解决了传统超声波探伤仪无法对信号进行存储和处理的问题。数据采集设备通过USB总线实现和上位机的实时数据传输。文章重点阐述了虚拟仪器系统的设计思路以及数据处理的算法实现。通过实验论证表明：该系统运行稳定，数据处理结果正确，实现了双通道高速动态信号的采集、处理等功能。

无损检测是现代工业发展必不可少的工具，它在某种程度上反映了一个国家的工业发展水平，其重要性己得到世界公认。超声波探伤广泛应用于无损检测领域，用于检测物体的内部缺陷。但传统的超声波探伤仪存在无法对信号进行存储和处理的问题，这在很大程度上制约了检测的效率和准确度。所以超声信号的采集、存储和实时处理就显得尤为重要。国际上一些技术先进的国家，已经将信号采集系统广泛地应用在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。文章在CTS-23A型超声波探伤仪的基础上，结合四川拓普科技的高速双通道数据采集卡NDAQ-120614，并利用LabVIEW软件，设计了一套虚拟仪器系统。该系统集超声波数据采集、存储、处理和显示于一身，实现了超声无损检测的自动化控制、超声波数据的数字化以及数据的实时显示和处理等功能。

虚拟仪器系统的设计

系统总体设计框架介绍。系统主要由三部分组成：数据采集模块，数据处理模块，结果显示模块。如图1所示为系统的总体设计框图。上位机通过USB接口发送采集命令给数据采集卡。采集卡发送超声波触发信号给超声波探伤仪，以此为时间起点，延长指定的时间以后，采集卡开始采集数据，并把数据保存到板卡缓存。存储在采集卡中的数据通过USB接口传送到上位机，上位机对数据进行处理和显示等操作。需要指出的是探伤仪是超声收发一体的，即在发送超声波的同时也可以接收超声回波信号。

NDAQ-120614是同步并行高速数据采集设备，采用14Bit高精度A/D，单通道最高采样率为125 MSps，通道连接最高采样率可达250 MSps，板载缓存为2 G，模拟输入信号带宽为0～40 MHz，可实现双通道高速动态信号的实时记录。此外，该采集卡具有触发探伤仪发射超声波的功能，触发信号为宽度10us，幅值12V的窄脉冲，触发频率分六档，最高频率为2KHz，最低频率为50Hz，可以根据实际需要选择触发频率。

探伤仪采用的是汕头超声仪器研究所研发的CTS-23A型超声波探伤仪。该探伤仪是携带式A型脉冲反射式超声波探伤仪，可用交流电或电池供电工作。仪器具有频带可变的宽频放大器，宽扫描范围的时基电路，并设置了细调及微调的高精度衰减器；仪器采用高亮度、内刻度矩形示波管。探伤灵敏度高、稳定性好、波形清晰、体积小、重量轻、耗电省且操作方便，并且具有报警功能。

数据采集控制模块的程序设计。在微软的Windows操作系统下，以LabVIEW软件为平台开发了虚拟仪器系统。LabVIEW是美国国家仪器公司(National Instruments，NI)推出的一种基于“图形”方式的集成化程序开发环境。与传统的文本式编程语言相比，图形化编程语言LabVIEW具有开发周期短、调试方便、人机交互界面友好等优点。此外，LabVIEW还包含了大量的工具与函数用于数据采集、显示、储存和分析等。所以LabVIEW在测试与测量、过程控制等方面都得到了广泛的应用。

程序主要分为以下几个模块：设备初始化，数据采集和存储，数据处理，结果显示。程序流程图如图2所示。

程序启动以后首先执行设备的初始化，设备初始化包括采样次数、采样长度、延时长度等的初始化工作。上传到上位机的超声回波数据以二进制方式存储在TDMS文件中。TDMS文件是NI公司最新推出的数据管理系统，它在具备二进制文件优点的同时，又具备关系型数据库的一些有点。据NI公司测试，TDMS格式文件的存储速度能达到600MB/s。这样的存储速度能满足绝大多数数据采集系统的需要。

超声回波信号处理

对超声回波信号的处理主要包括原始信号预处理，信号的分离和重构以及确定“伤”位置的算法实现。

信号预处理。原始信号的预处理包括去直流分量和滑动平均，滑动平均的目的是去除原始信号中的噪声。主要程序代码如下所示：

x1 = x0 - mean(x0);M = 10;x2 = hdpj(x1,M);

原始信号为x0，去除原始信号中的直流分量得到x1信号，M是滑动平均算法中的一个参数，表示对信号中每M个相邻点作平均。x2为经过滑动平均处理以后的信号。如图3所示为原始回波信号和经过去直流以及滑动平均处理以后的信号对比图。

信号的分离和重构。原始波形中包含被测对象末端和缺陷处返回的超声波信号，末端的回波信号下面简称端波信号，缺陷处的回波信号简称伤波信号。从原始波形中提取待分析信号，需要包含伤波信号和端波信号。无论是端波信号还是伤波信号，其特征相同，都是按指数规律衰减的正弦波。通过超声波的传播时差可以确定二者的相对位置。从图3中可以看出，幅值最大值所在位置处的波形即为端波信号。所以确定原始波形的最大值点即可提取出端波信号和伤波信号。部分程序代码如下所示。

[mx1,kx1]=max(x2);%获取端点波峰值

x2=x2(dst:dend-1);%截取待分析数据

x3=x2(1:dfj);%截取伤波

x3=x2(jdsz:jdez); %重构长度为11个探头周期的伤波

x4=x2(jdez+1:dlen);%截取端波

xbl=zeros(1,N3);%对截取的伤波补零

x4=[xbl x4];%重构端波

如图4所示为截取到的伤波信号和端波信号。

确定缺陷位置的算法实现。互相关运算广泛应用于信号分析与统计分析，通过相关函数峰值的检测可以测量两个信号的时延差。计算伤波信号和端波信号的互相关函数，从而得到互相关函数的最大值点，再结合信号的采样频率以及被测对象中的超声波的传播速度即可确定“伤”的具体位置。部分程序如下所示。

xk=fft(x3,2*N3);%计算伤波信号的傅里叶变换

yk=fft(x4,2*N3);%计算端波信号的傅里叶变换

rm0=real(ifft(conj(xk).*yk)); %计算伤波信号和端波

信号的相关函数，并去其实部

如图5所示为伤波信号和端波信号的互相关函数曲线。设缺陷距离被测对象末端的距离为d，被测对象中的超声传播速度为v，信号的采样频率为f，伤波信号和端波信号的互相关函数最大值的位置为n。则可得：

实验验证

利用PC机，采集卡NDAQ-12064，探伤仪CTS-23A以及氧化铝陶瓷搭建了如图6所示的实验平台，参数设置如表1所示。

图6 超声波探伤实验系统

被测对象是直径为6mm的氧化铝陶瓷棒，在陶瓷上人工刻有一定深度的“伤”，“伤”与陶瓷棒端头的距离为27 mm。如图7所示。

在LabVIEW环境下，利用Matlab Script节点可以实现LabVIEW对Matlab程序的直接调用。在该虚拟仪器系统中就是采用这种方式实现了对信号的实时处理。

如图8所示为“伤”距陶瓷棒末端的距离，与实测值27 mm之间的差距不到2mm，在误差允许范围内。结果说明该虚拟仪器系统成功测得了“伤”的具体位置。

以LabVIEW为平台，设计了一套集数据采集、存储、处理和显示为一体的超声波虚拟仪器系统。解决了以往超声波探伤仪数据记录困难，无法进行实时数据处理的问题。同时借助LavVIEW强大的数据处理能力，提高了探伤的准确性，避免了人为误差。该虚拟仪器系统可以广泛应用到基于超声的测距、测速、测温等工程中，具有非常广阔的应用前景。

（作者单位：1.中北大学信息与通信工程学院；2.北京恒信陆峰科技发展有限公司)