专利名称：利用虚拟仪器技术的超声波成像系统和成像方法
技术领域：
本发明属于无损检测领域，具体涉及ー种利用虚拟仪器技术的超声波成像系统和方法。
背景技术：
无损检测技术向着自动化、图像化、数字化的方向发展，现代无损检测设备也呈现多功能化、智能化、小型化的发展趋势。将检测目标转变成图形和声音信号，或者人们能够理解的数据和报告等，是无损检测技术的热点问题。将信息技术和交叉领域的技术同超声技术结合以解决这ー问题，才能满足复杂形貌和复合材料构件的质量检测需求。
超声技术作为一项常规NDT (Nondestructive Testing)技术,具有传播能量大、方向性好的优点，超声波在エ件中传播时，遇到界面如缺陷时会产生界面反射或者引起声速和能量衰减的变化。这ー特性可用于缺陷检测、几何特征测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对エ件的特性进行评价。复杂形貌和复合材料构件的超声扫描及成像技术是现代无损检测的热点问题。超声C扫描技术引入エ业探伤领域由来已久，该技术是将超声检测与微机控制和微机进行数据采集、存贮、处理、图像显示集合在一起的技木。同时，利用其得到的图像信息对エ件表面及内部层次的缺陷进行分析取得了很好效果。虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。NI LabVIEW作为图形化开发工具，自1986年问世以来，已被世界各国的工程师和科学家们用于产品设计周期的各个环节，改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。为解决材料表面质量及层状结构エ件的无损检测问题，同时实现检测过程的自动化和图像化，需研制一套可做C扫描运动和信号采集的系统。将虚拟仪器技术引入，可提高效率，节约成本。

发明内容
本发明目的在于解决目前所存在的问题，实现检测过程的自动化、图像化、数字化，并研制一套适应性高的超声波成像系统。本发明是采用以下技术手段实现的本发明的超声波成像系统包括七部分图像显示単元(显示器)，用于实时显示波形和人机交互界面各输入和输出參数显示；上位机系统，用于控制各硬件动作并和底层硬件通信；伺服控制箱，用于控制步进电机动作并和上位机通信；机械运动平台，用于支撑整个运动机械机构并反馈运动及位置信息给伺服控制箱；前端数据采集装置，用于产生和接收超声波并对波形数字化采样；后端数据处理系统，用于处理采集到的数字信息及结果输出；エ件定位调整装置，用于定位及调整エ件，包括调整エ件的水平和エ件放置位置。
所述图像显示单元，包括与上位机系统连接的显示器，利用LabVIEW 2009平台开发的人机交互界面和各仪器的显示面板。操作者可在人机交互界面，根据需要输入运动控制參数、数据采集參数以及数据处理參数，对任意层面的回波信息进行超声检测，并输出检测結果。为方便操作者使用，系统有良好的图形化人机交互界面。所述上位机系统，包括承载上位机硬件的八槽机箱，数据采集卡(完成A/D和D/A转换)，运动控制卡，核心的嵌入式控制器和上位机系统软件。数据采集卡和运动控制卡通过PXI总线和嵌入式控制器通信。其他装置通过数据线和八槽机箱上的对应接ロ连接，以实现数据传递，同时实现各硬件协调工作与自动化控制。所述伺服控制箱，一方面对步进电机发送脉冲指令，然后步进电机上的光电编码器将脉冲指令转换成步距角，实现电机的转动；另一方面接收光栅尺和光电编码器的反馈信息，实现开环、闭环、半闭环三种控制方式。所述机械运动平台，由脉冲控制伺服放大器、交流伺服电机、精密丝杠、16位编码器、光栅尺、连动支架、探头连接杆和特制夹具组成。系统需要实现机械运动机构运动位移的自动检测与控制、探头高频超声回波信号的采集、分析与处理、信号的存储、波形显示和结果显示等功能。上位机系统根据运动控制算法程序得到控制输出信号，经运动控制卡传送给电机驱动器，经驱动器放大，输出给电机，电机带动运动平台移动。运动位移经光栅尺检测输出位移检测信号，经运动控制卡输入到上位机中，便于运动控制算法程序处理给出新的运动控制信号，从而调整运动平台位置，实现探头的精确定位。所述前端数据采集装置，应用了虚拟仪器技木，由三部分组成第一部分是脉冲发射/接收仪和信号数据线；第二部分是数据采集卡，先进行A/D转换，将脉冲的模拟电信号转换成数字信号，传到上位机进行处理，同时将上位机系统的信号经D/A转换，用于控制数据采集过程；第三部分是点聚焦探头和数据传输线。所述后端数据处理系统包含三部分，数据载入与定义位置坐标，生成峰值矩阵与降噪，和成像输出。采用数学软件MATLAB，进行算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算。将采集到的波形离散信息通过MATLAB中相关函数进行数值处理，再用图像处理的方法给图像降噪及光滑，最終得到幅值成像图。数据载入与定义位置坐标是将前面上位机将运动和数据采集的信息存储下来后，将数据文件夹中的电子表格全部导入。需要完成的工作是，读取文件，用定义的序列把表格中的信息读出，再赋予其对应的空间位置坐标。生成峰值矩阵与降噪，是在扫描结束后，按照幅值成像原理，利用MATLAB编程对其做必要的变换和处理，将处理方法转变为程序语句，实现成像方法程序化。设生成的数字图像有m行和n列，用矩阵表示为公式(I)。
权利要求
1.ー种利用虚拟仪器技术的超声波成像系统，包括图像显示単元、上位机系统、伺服控制箱、机械运动平台、前端数据采集装置、后端数据处理系统、エ件定位调整装置；其特征在于 所述图像显示单元，包括与上位机系统连接的显示器，人机交互界面和各仪器的显示面板；操作者根据需要输入运动控制參数、数据采集參数以及数据处理參数，在人机交互界面对任意层面的回波信息进行超声检测，并输出检测结果； 所述上位机系统，包括承载上位机硬件的机箱，数据采集卡，运动控制卡，核心的嵌入式控制器和上位机系统软件；数据采集卡和运动控制卡通过PXI总线和嵌入式控制器通信；以及通过数据线和八槽机箱上的对应接ロ连接，实现数据传递； 所述伺服控制箱，一方面对步进电机发送脉冲指令，然后步进电机上的光电编码器将脉冲指令转换成步距角，实现电机的转动；另一方面接收光栅尺和光电编码器的反馈信息，实现开环、闭环、半闭环的控制； 所述机械运动平台，由脉冲控制伺服放大器、交流伺服电机、精密丝杠、编码器、光栅尺、连动支架、探头连接杆和特制夹具组成；系统需要实现机械运动机构运动位移的自动检测与控制、探头高频超声回波信号的采集、分析与处理；信号的存储、波形和波形结果的显示；上位机系统根据运动控制算法程序得到控制输出信号，通过运动控制卡传送给电机驱动器，经驱动器放大，输出给电机，电机带动运动平台移动；运动位移经光栅尺检测输出位移检测信号，经运动控制卡输入到上位机中，根据新的运动控制信号，调整运动平台位置，实现探头的精确定位； 所述前端数据采集装置，第一部分是脉冲发射/接收仪和信号数据线；第二部分是数据采集卡，先进行A/D转换，将脉冲的模拟电信号转换成数字信号，传到上位机进行处理，同时将上位机系统的信号经D/A转换，用于控制数据采集过程；第三部分是点聚焦探头和数据传输线； 所述后端数据处理系统的数据载入与定义位置坐标，生成峰值矩阵与降噪，和成像输出；采用数学软件MATLAB，进行算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算；将采集到的波形离散信息通过MATLAB中相关函数进行数值处理，再用图像处理的方法给图像降噪及光滑，最終得到幅值成像图； 数据载入与定义位置坐标是将前面上位机将运动和数据采集的信息存储下来后，将数据文件夹中的电子表格全部导入；需要完成读取文件，用定义的序列把表格中的信息读出，再赋予其对应的空间位置坐标； 在扫描结束后生成峰值矩阵与降噪，按照幅值成像原理，利用MATLAB编程对其做变换和处理； 原始数据处理后按ニ维空间分布排列后，对生成的峰值矩阵进行降噪处理；降噪处理的方式为设定阈值，各矩阵值与阈值比较再做处理实现降噪；所选阈值根据需要选择为固定值或遵循某一规律的浮动值； 成像与输出，是将各波形值生成ニ维灰度矩阵，对矩阵的行和列分别进行插值，将插值后的矩阵进行成像；利用插值的方法将图像光滑处理得出结果；图像输出形式为ニ维或三维； 所述エ件定位调整装置，包括エ件和配合エ件调整定做的ー套水平调整装置；エ件材料为金属材料或密度较高的非金属材料；エ件为规则形状或外表面轮廓不规则的柱体。
2.ー种利用虚拟仪器技术的超声波成像方法，利用气泡水平仪和水平调整支架调整エ件的水平，调节探头夹具来调整探头的角度，使探头发出的声波传播方向与エ件垂直，再将探头移至エ件平面上的另外两点按前述方式微调，完成エ件位置调整；其特征在于，包括以下步骤 步骤I :进行系统连接，设置超声脉冲激励/接收仪，实现聚焦探头超声信号的发射与接收； 步骤2 :进行エ件水平调整与聚焦调整，将气泡水平仪放置于エ件的上表面，调整探头位置，使声束的传播方向与エ件表面垂直的时候，波形幅值最大；首先调整エ件的水平，调节水平调整架上的旋钮，当气泡处于中心位置的时候，エ件系统水平调整完毕；然后调整探头垂直度，先在竖直方向上调整探头的高度，使探头聚焦于エ件上表面，当回波波形幅值最大的时候，再调节探头夹具上的旋钮，当波形幅值达到最大吋，垂直度初始调整完毕；再将探头移至エ件平面上的另外两点按前述方式微调，完成垂直度调整。最后，将探头在竖直方 向移动至聚焦平面上，开始扫描； 步骤3 :设置运动与采集数据的參数；在人机交互界面上，输入运动參数，采集卡设置參数；采集卡需设置仪器设备号，触发方式采样长度，采样频率，保证采集到的波形信息显不完整； 设置观察窗ロ的信息，包括起始时间、持续时间，将设置好的存储波形文件的路径输入到用户交互界面存储路径处，点击是否存储文件，然后完成存储设置；检查所有设置及电源开关状态，一切就绪后点击自动运行的开始键，开始自动扫描。
步骤4 :进行扫描式測量；定义ー个空间坐标系，垂直于X、Y方向的是Z轴；由于采集的点在XY平面是网格分布的，将上述回波取出其峰值；列出幅值矩阵，将其按在试件上对应的实际位置绘出其分布图； 步骤5 :进行采样数据还原；自动扫描完毕，将数据提取，每个坐标点采集到的波形作为ー个文件，并存成便于处理的.csv格式；对数据进行处理，每个文件将其还原成对应坐标位置的A扫图； 按照传感器的扫描路径，将采集到的回波数据表用MATLAB还原成波形；将每个位置对应的回波生成的表格中的点取出，按测量时的采样率还原的波形；并且通过分析粘结层的反射回波的性质，来分析粘结层的性能和质量状況； 步骤6 :进行生成幅值矩阵与降噪；按坐标排列采集数据，提取幅值信息，做出幅值矩阵，对矩阵的偶数行进行翻转，得到原始的图像灰度矩阵，结合坐标信息，输出矩阵信息；对图像中突起的杂讯，将其与周围点进行比较并设定阈值；若比较后差值超出阈值，则将其取为周围的平均值，得到降噪后的图像； 步骤7 :对矩阵做后期处理；对最终矩阵输出图像进行插值光滑，得到最終的图像；步骤8 :将经数值处理后的数据成像；将上一歩成像矩阵利用MATLAB进行处理，得到图像像素信息，将得到的灰度值矩阵完整输出，将图像显示在显示器；赋予空间平面及高度信息井光滑处理图像，输出最后的图像结果； 步骤9 :分析结果，完成測量；将系统复位并关闭电源；取幅值大小为Z轴，得到三维的幅值分布图。
3.根据权利要求2所述的ー种利用虚拟仪器技术的超声波成像方法，其特征在于所述的运动參数包括速度，加速度，减速度，控制运动的启停和速度。
全文摘要
一种利用虚拟仪器技术的超声波成像系统，包括图像显示单元、上位机系统、伺服控制箱、机械运动平台、前端数据采集装置、后端数据处理系统、工件定位调整装置。利用气泡水平仪和水平调整支架调整工件的水平，调节探头夹具来调整探头的角度，使探头发出的声波传播方向与工件垂直，再将探头移至工件平面上的另外两点按前述方式微调，完成工件位置调整；将虚拟仪器技术引入，实现了一套高精度的超声波扫描成像系统。通过软硬件结合的方法实现了自动化扫描，数据处理与成像的功能。将最原始的信息呈现出来供专业人员参考，并能精确定位图像上呈现出来的细节特征与空间坐标。整套系统搭建方便，对非吸声材料均可检测，而且尺寸大小不限制。
文档编号G01N29/06GK102854251SQ20121031291
公开日2013年1月2日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者龚裕, 胡跃刚, 宋国荣, 吕炎, 李楠 申请人:北京工业大学