CN114166159B - 一种基于PCI/PCIe的多功能便携式超声测量仪及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于PCI/PCIe的多功能便携式超声测量仪及使用方法，属于超声测量***技术领域。该超声测量仪器由超声发射接收装置、高速数字化仪、多路复用器、DSP数据处理模块、超声传感器、电磁超声适配器、工业便携机等组成，共有多通道压电超声收发模式和单通道电磁超声自发自收模式两种超声收发功能。本发明的超声测量仪器结构紧凑、便携性好，实现了零件壁厚与残余应力大小和分布的快速获取；可激励电磁超声传感器，解决传统压电超声因耦合状态不均匀造成的测量精度差等问题；基于硬件的数据处理模块，实现了大吞吐量超声信号的处理与计算，满足了面向制造现场环境的零件壁厚与残余应力快速精确测量需求。

Description

一种基于PCI/PCIe的多功能便携式超声测量仪及使用方法
技术领域
本发明属于超声测量***技术领域，特别涉及一种基于PCI/PCIe的多功能便携式超声测量仪及使用方法。
背景技术
火箭喷管、共底构件和栅格壁板等航空航天关键零部件具有尺寸大、刚度低、加工精度要求高等特点，零件壁厚难以一次加工到位，且加工制造后零件表面或厚度方向上存在分布不均匀的残余应力。为此，在位快速获取零件的厚度和残余应力分布状态，对于修正零件的加工精度和评估零件的使役能力和服役寿命至关重要。目前，零件壁厚测量主要采用量规或手持式专用超声测厚仪，应力分布测量采用激光小孔应力测量仪、X射线应力测量仪和超声应力测量仪，不同的测量对象采用专用的测量仪器。然而，在加工制造过程中，分别采用厚度和应力专用测量仪对零件进行测量，严重制约了零件的生产效率。
基于超声法兼具快速无损检测零件壁厚和残余应力的能力，将壁厚测量功能与残余应力测量功能集成到一台超声测量仪器，对于充分获取零件几何物理信息、提高加工制造效率、节省测量仪器成本具有重要意义。壁厚超声测量对激励电压与信号采样率要求低，壁厚超声测量仪的超声发射接收装置与信号采样装置结构简单，但是，基于弱声弹性效应的超声应力测量原理，要求测量仪器具备更高的激励电压与信号采样率，则超声测量仪器的尺寸和复杂性势必显著增加；电磁超声具有无耦合、非接触等优点，相比于压电超声，更适合在现场环境在位测量螺栓等表面油污的零件，但是压电式超声收发***激励电压低，无法提供足够的功率激励电磁超声传感器；平面应力具有三个分量，常规单发单收式超声测量***，需结合机械运动装置以实现超声波沿不同方向传播，但该测量方式效率低，结果易受运动精度影响；为精确测量零件应力，要求仪器信号采样率每秒达上亿次，然而，基于软件的数据处理模块无法快速运算如此高的数据吞吐量，测量仪器易卡顿、迟滞。为此，创新设计出一种可激励电磁超声传感器的多功能便携式超声测量仪，兼具多通道与单通道的超声收发功能，实现同时满足面向残余应力和厚度的在位精确测量需求。
2012年，松本清市在发明专利CN201210017770.8中公开了“超声测量方法和超声测量***”，该方法采用一对发射接收超声传感器分布在被测材料上下两侧，通过超声波在两个传感器之间的传输来获得涂层材料的厚度；但是，该方法无法测量残余应力，并且该测量***不具备便携性。2009年，王子成等在发明专利CN200920084133.6中公开了“便携式多通道超声波衍射时差法检测装置”，该装置由多通道超声波检测仪、多通道信号传输线缆、多通道扫查器、信息编码器等组成，并基于衍射时差法实现了9-200mm壁厚材料的焊缝进行分区检测；但是，该装置不具备零件壁厚和残余应力测量功能。
然而，上述均未提及一种基于PCI/PCIe(外设部件互连标准/高速串行计算机扩展总线标准)的多功能便携式超声测量仪及使用方法。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，面向现场环境的壁厚和残余应力测量需求，本发明提供了一种基于PCI/PCIe的多功能便携式超声测量仪及使用方法。该方法中，创新设计了具有四个发射和接收功能的多路复用模块，结合三发三收超声传感器可一次定位实现平面应力三个分量的快速解耦，有效避免了机械装置运动精度对应力测量精度的影响；设计了电磁超声自发自收激励模块，基于压电超声***完成了电磁超声传感器的激励，实现了面向零件壁厚和应力的非接触、无耦合式地超声测量；设计了数据硬件处理模块，有效实现了大吞吐量超声信号的声时差计算、厚度与应力计算，保证了便携式超声测量仪的数据处理效率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于PCI/PCIe的多功能便携式超声测量仪，包括工业便携机1、超声发射接收装置2、DSP数据处理模块3、高速数字化仪4、多路复用模块5、上位机软件6、电磁超声适配器7、发射压电超声传感器9、接收压电超声传感器10和电磁超声传感器11。
所述超声发射接收装置2安装在工业便携机1的PCI槽位置，DSP数据处理模块3安装在工业便携机1的PCIe×4槽位置，高速数字化仪4安装在工业便携机1的PCIe×16槽位置并确保固定钩与槽末端卡扣扣合牢固，保证***在振动工况下正常运行，同时减小移动、碰撞过程对各功能模块的损害。所述工业便携机1内部安装有大容量锂电池，满足仪器野外长时间使用要求；工业便携机1的屏幕为可触摸电容屏，亮度高，操作方便快捷，适合多种工作环境。
所述多功能便携式超声测量仪12共有多通道压电超声收发模式和单通道电磁超声自发自收模式两种激励模式。两种激励模式均由高速数字化仪4接收采样信号，高速数字化仪4采样数据通过DMA(直接内存存取)经PCIe总线高速传输至内存；DSP数据处理模块3通过DMA读取采样数据，进行高速处理后将计算结果传输给上位机软件6显示。
对于多通道压电超声收发模式，超声发射接收装置的激励端2.1经过三通连接器8同时连接多路复用模块的Tx端5.2和高速数字化仪的采样通道一4.1，超声发射接收装置的接收端2.2连接多路复用模块的Rx端5.1；超声发射接收装置的信号输出端2.3连接高速数字化仪的采样通道二4.2，超声发射接收装置的触发端2.4连接高速数字化仪的触发输出通道4.3；多路复用模块的发射扩展通道5.3与发射压电超声传感器9连接，多路复用模块的接收扩展通道5.5与接收压电超声传感器10连接，多路复用模块的控制端口5.4通过USB总线与工业便携机1相连。
对于单通道电磁超声自发自收模式，超声发射接收装置的激励端2.1通过三通连接器8同时连接电磁超声适配器的Tx端口7.1和高速数字化仪的采样通道一4.1，超声发射接收装置的接收端2.2连接电磁超声适配器的Rx端7.2，超声发射接收装置的信号输出端2.3连接高速数字化仪的采样通道二4.2，超声发射接收装置的触发端2.4连接高速数字化仪的触发输出通道4.3；电磁超声适配器EMAT端口7.3连接电磁超声传感器11。
进一步的，所述DSP数据处理模块3通过信号处理库的互相关算法和自相关算法实现超声声时的计算；其中，互相关算法用于多通道压电超声收发模式，通过互相关结果处理后得到发射超声信号与接收超声信号的声时差；自相关算法用于单通道电磁超声自发自收模式，通过自相关结果处理后得到接收超声信号相邻两次回波的声时差。
进一步的，所述上位机软件6基于C++编程语言和Qt框架开发完成，主要控制各模块的开关与功能参数，包括通过PCI/PCIe总线控制超声发射接收装置2、DSP数据处理模块3、高速数字化仪4，通过USB总线控制多路复用模块5。具体参数包括：超声发射接收装置2的信号激励电压、脉冲周期、激励模式等，DSP数据处理模块3的数据处理类型和方法等，高速数字化仪4的信号采样率、采样次数、采样周期等，多路复用模块5的通道选择。同时，上位机软件6具备直接读取DSP数据处理模块3的信号计算结果、实时显示高速数字化仪4采集到的超声信号、保存各模块参数以便下次直接使用等功能。
进一步的，当上位机软件6选择多通道压电超声收发模式时，为切换不同通道的发射压电超声传感器9与接收压电超声传感器10，只需采用上位机软件6控制多路复用模块5即可。需注意，为避免因带功率切换通道产生的打火现象进而损坏多路复用模块5，切换通道前要求上位机软件6关闭超声发射接收装置2、DSP数据处理模块3和高速数字化仪4，多路复用模块5的通道；切换完成后，再利用上位机软件6打开超声发射接收装置2、DSP数据处理模块3和高速数字化仪4，继续开始工作。
上述超声测量仪的使用方法如下：
当测量零件壁厚时，使用单通道电磁超声自发自收模式。超声发射接收装置的激励端2.1通过电磁超声适配器的Tx端口7.1和电磁超声适配器EMAT端口7.3向电磁超声传感器11激励高电压信号，接收信号被超声发射接收装置的接收端2.2接收，通过超声发射接收装置的信号输出端2.3被高速数字化仪的采样通道二4.2接收，并被DSP数据处理模块3开展声时差与厚度计算，最后在上位机软件6中显示结果。
当测量轴向应力时，使用单通道电磁超声自发自收模式，超声信号的发射与接收过程与零件壁厚测量过程一致，区别在于DSP数据处理模块3开展声时与轴向应力计算。
当测量平面应力时，使用多通道压电超声收发模式。超声发射接收装置的激励端2.1经过多路复用模块的Tx端5.2和多路复用模块的发射扩展通道5.3向发射压电超声传感器9激励高频信号，超声信号被接收压电超声传感器10接收，接收信号经过多路复用模块的接收扩展通道5.5和多路复用模块的Rx端5.1被超声发射接收装置的接收端2.2接收，发射信号经过三通连接器8被高速数字化仪的采样通道一4.1接收，接收信号经过超声发射接收装置的信号输出端2.3被高速数字化仪的采样通道二4.2接收，发射信号与接收信号均被DSP数据处理模块3开展声时与平面应力计算，最后在上位机软件6中显示结果。
本发明的有益效果：本发明设计了一种基于PCI/PCIe的多功能便携式超声测量仪及使用方法，该超声测量仪器结构紧凑、便携性好，具备四对超声传感器的发射与接收功能，可实现平面应力分量的快速提取；具备电磁超声传感器单发单收功能，可实现无需耦合剂地测量零件的壁厚与轴向应力，有效解决了因耦合状态不均匀造成的测量精度差等问题；设计了基于DSP数据处理模块，解决了大吞吐量超声信号造成的仪器处理结果卡顿、迟滞等现象，有效实现了面向制造现场环境的零件壁厚与残余应力快速精确测量。
附图说明
图1为多通道压电超声收发模式连接示例图。
图2为单通道电磁超声自发自收模式连接示例图。
图3为多功能便携式超声测量仪示例图。
图中：1工业便携机；2超声发射接收装置；3DSP数据处理模块；4高速数字化仪；5多路复用模块；6上位机软件；7电磁超声适配器；8三通连接器；9发射压电超声传感器；10接收压电超声传感器；电磁超声传感器11；多功能便携式超声测量仪12。
2.1超声发射接收装置的激励端；2.2超声发射接收装置的接收端；2.3超声发射接收装置的信号输出端；2.4超声发射接收装置的触发端；4.1高速数字化仪的采样通道一；4.2高速数字化仪的采样通道二；4.3高速数字化仪的触发输出通道；5.1多路复用模块的Rx端；5.2多路复用模块的Tx端；5.3多路复用模块的发射扩展通道；5.4多路复用模块的控制端口；5.5多路复用模块的接收扩展通道；7.1电磁超声适配器的Tx端口；7.2电磁超声适配器的Rx端口；7.3电磁超声适配器EMAT端口。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方案。
工业便携机1的主要设计参数如下：工业便携机1为17寸4U上翻式结构，尺寸445mm×320mm×177mm，机箱边角处装有脚垫以减小运输及磕碰损害；机箱设计安装有塑胶提手以方便搬运及野外使用；工业便携机1内部设计有多个PCI插槽，将工业便携机1、超声发射接收装置2、DSP数据处理模块3和高速数字化仪4集成后的多功能便携式超声测量仪12如图3。
超声发射接收装置2的主要设计参数如下：具有上百伏的激励电压，激励波形为单脉冲，脉冲宽度可调，具备步长可调的高通滤波器组与低通滤波器组，支持自发自收与一发一收两种激励模式；DSP数据处理模块3包括8核DSP处理器，最高主频1.25GHz；高速数字化仪4具有2个信号采集通道，声时分辨率可达0.4ns，带宽1.5GHz；多路复用模块5具有4对发射接收扩展通道，收发通道及扩展通道带宽100MHz，***损耗<1dB；电磁超声适配器7的最大输出电压±500mV，具有信号平均功能和自动增益控制功能。
以铝合金零件壁厚测量为例，使用多功能便携式超声测量仪12的单通道电磁超声自发自收模式测量零件厚度。通过上位机软件6打开超声发射接收装置2的激励开关，超声发射接收装置的激励端2.1通过电磁超声适配器的Tx端口7.1和电磁超声适配器EMAT端口7.3向电磁超声传感器11激励高电压信号，接收信号被超声发射接收装置的接收端2.2接收，通过超声发射接收装置的信号输出端2.3被高速数字化仪4的采样通道二4.2接收，获取到的超声回波。基于自相关算法，接收信号的相邻回波声时差被DSP数据处理模块3计算，声时差t结果为1318.4ns。已知超声波在铝合金中的传播速度v为6285m/s，基于厚度计算公式H＝v×t，铝合金零件壁厚测量结果为41.43mm。为验证测量结果的有效性，采用游标卡尺对铝合金零件进行了测量，结果为41.38mm，零件壁厚超声测量误差为0.05mm，对比结果验证了发明的多功能便携式超声测量仪的有效性。
本发明设计了一种基于PCI/PCIe的多功能便携式超声测量仪及使用方法，发明的超声测量仪器结构紧凑、便携性好，可实现零件壁厚和残余应力等多参量超声测量；多通道压电超声收发模式显著提高了传统旋转法的测量效率并提高了测量精度；单通道电磁超声自发自收模式避免了零件粗糙表面、油污等因素对超声信号的影响；基于高速数字化仪以及DSP数据处理模块有效实现了超声信号的快速采集与处理，满足了面向制造现场环境零件壁厚与残余应力的快速精确测量需求。
以上所述的具体实施案例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施案例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于PCI/PCIe的多功能便携式超声测量仪，其特征在于，该超声测量仪包括工业便携机(1)、超声发射接收装置(2)、DSP数据处理模块(3)、高速数字化仪(4)、多路复用模块(5)、上位机软件(6)、电磁超声适配器(7)、发射压电超声传感器(9)、接收压电超声传感器(10)和电磁超声传感器(11)；
所述超声发射接收装置(2)安装在工业便携机(1)的PCI槽位置，DSP数据处理模块(3)安装在工业便携机(1)的PCIe×4槽位置，高速数字化仪(4)安装在工业便携机(1)的PCIe×16槽位置；
所述多功能便携式超声测量仪共有多通道压电超声收发模式和单通道电磁超声自发自收模式两种激励模式；两种激励模式均由高速数字化仪(4)接收采样信号，高速数字化仪(4)采样数据通过DMA经PCIe总线高速传输至内存；DSP数据处理模块(3)通过DMA读取采样数据，进行高速处理后将计算结果传输给上位机软件(6)显示；
对于多通道压电超声收发模式，超声发射接收装置的激励端(2.1)经过三通连接器(8)同时连接多路复用模块的Tx端(5.2)和高速数字化仪的采样通道一(4.1)，超声发射接收装置的接收端(2.2)连接多路复用模块的Rx端(5.1)；超声发射接收装置的信号输出端(2.3)连接高速数字化仪的采样通道二(4.2)，超声发射接收装置的触发端(2.4)连接高速数字化仪的触发输出通道(4.3)；多路复用模块的发射扩展通道(5.3)与发射压电超声传感器(9)连接，多路复用模块的接收扩展通道(5.5)与接收压电超声传感器(10)连接，多路复用模块的控制端口(5.4)通过USB总线与工业便携机(1)相连；
对于单通道电磁超声自发自收模式，超声发射接收装置的激励端(2.1)通过三通连接器(8)同时连接电磁超声适配器的Tx端口(7.1)和高速数字化仪的采样通道一(4.1)，超声发射接收装置的接收端(2.2)连接电磁超声适配器的Rx端(7.2)，超声发射接收装置的信号输出端(2.3)连接高速数字化仪的采样通道二(4.2)，超声发射接收装置的触发端(2.4)连接高速数字化仪的触发输出通道(4.3)；电磁超声适配器EMAT端口(7.3)连接电磁超声传感器(11)。
2.根据权利要求1所述的一种基于PCI/PCIe的多功能便携式超声测量仪，其特征在于，所述DSP数据处理模块(3)通过信号处理库的互相关算法和自相关算法实现超声声时的计算；其中，互相关算法用于多通道压电超声收发模式，通过互相关结果处理后得到发射超声信号与接收超声信号的声时差；自相关算法用于单通道电磁超声自发自收模式，通过自相关结果处理后得到接收超声信号相邻两次回波的声时差。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于PCI/PCIe的多功能便携式超声测量仪，其特征在于，所述上位机软件(6)基于C++编程语言和Qt框架开发完成，上位机软件(6)通过PCI/PCIe总线控制超声发射接收装置(2)、DSP数据处理模块(3)、高速数字化仪(4)以及通过USB总线控制多路复用模块(5)；上位机软件(6)控制的具体功能参数包括超声发射接收装置(2)的信号激励电压、脉冲周期和激励模式，DSP数据处理模块(3)的数据处理类型和方法，高速数字化仪(4)的信号采样率、采样次数和采样周期，多路复用模块(5)的通道选择；同时，上位机软件(6)具备直接读取DSP数据处理模块(3)的信号计算结果、实时显示高速数字化仪(4)采集到的超声信号、保存各模块参数以便下次直接使用的功能。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于PCI/PCIe的多功能便携式超声测量仪，其特征在于，所述工业便携机(1)内部安装有大容量锂电池，满足仪器野外长时间使用要求；工业便携机(1)的屏幕为触摸电容屏，操作方便快捷，适合多种工作环境。
5.根据权利要求3所述的一种基于PCI/PCIe的多功能便携式超声测量仪，其特征在于，所述工业便携机(1)内部安装有大容量锂电池，满足仪器野外长时间使用要求；工业便携机(1)的屏幕为触摸电容屏，操作方便快捷，适合多种工作环境。
6.一种如权利要求1、2或5所述的超声测量仪的使用方法，其特征在于，所述的使用方法如下：
当测量零件壁厚时，使用单通道电磁超声自发自收模式：超声发射接收装置的激励端(2.1)通过电磁超声适配器的Tx端口(7.1)和电磁超声适配器EMAT端口(7.3)向电磁超声传感器(11)激励高电压信号，接收信号被超声发射接收装置的接收端(2.2)接收，通过超声发射接收装置的信号输出端(2.3)被高速数字化仪的采样通道二(4.2)接收，并被DSP数据处理模块(3)开展声时差与厚度计算，最后在上位机软件(6)中显示结果；
当测量轴向应力时，使用单通道电磁超声自发自收模式，超声信号的发射与接收过程与零件壁厚测量过程一致，区别在于DSP数据处理模块(3)开展声时与轴向应力计算；
当测量平面应力时，使用多通道压电超声收发模式：超声发射接收装置的激励端(2.1)经过多路复用模块的Tx端(5.2)和多路复用模块的发射扩展通道(5.3)向发射压电超声传感器(9)激励高频信号，超声信号被接收压电超声传感器(10)接收，接收信号经过多路复用模块的接收扩展通道(5.5)和多路复用模块的Rx端(5.1)被超声发射接收装置的接收端(2.2)接收，发射信号经过三通连接器(8)被高速数字化仪的采样通道一(4.1)接收，接收信号经过超声发射接收装置的信号输出端(2.3)被高速数字化仪的采样通道二(4.2)接收，发射信号与接收信号均被DSP数据处理模块(3)开展声时与平面应力计算，最后在上位机软件(6)中显示结果。
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