LabVIEW的无损探伤动态检测系统的设计
目 录
1 绪论 3
1．1研究背景及意义 3
1．2研究内容 3
2 系统硬件设计 3
2．1 简要介绍小波函数和基桩动测的过程 3
2．2 硬件设计 4
3 系统软件设计 25
3．1 嵌入式软件系统的设计 25
3．2 上位机软件系统的设计 29
4 系统软件调试与实验结果分析 38
4．1上位机软件调试结果 38
结 论 42
参 考 文 献 43
1 绪论
如今科学技术方面不断发展，工程结构方面的技术水平不断提高，所以人们对结构的性能要求也越来越高，因此结构的动态监控和故障检测也尤为重要。另外，随着虚拟仪器的快速发展，监控和检测的工程结构状态和故障是一项新技术。具体的步骤是：设备检测第一是信号监测信息的收集，然后用数据显示软件的可视化实现，存储和分析处理，这是非常方便的，最后进行情况的判断。
1．1研究的意义和国内外的现状
随着不断提高的工业技术和人们对产品质量要求提高，动态测试在测控技术中得到了广泛应用。详细来说，它是在在线检测和过程控制，状态监测和故障检测，产品结构设计和动态分析，产品质量，地震预测预报研究，具体分析有许多应用。现在现在工业上对虚拟仪器的要求也是越来越大了。在工业方面虚拟仪器有很大的发展前景，因而我们也可以投注更多的目光在这个方面。
世界各国都对无损探伤技术是不是在全世界保持领先位置给予了足够多的关注，例如美国在20世纪70年代末政府报告中也提出的六大技术中心就包含了无损探伤，日本也紧随其后在21世纪优先发展的技术领域中也把无损探伤放在了一个比较重要的位置。随后的经济发展中，也看 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
出来了无损探伤技术的重要位置。无损探伤技术也是为产品的质量提供了保障。可靠性大大提高了，与此同时大大提高了自己国家生产的产品的市场竞争力。虽然中国在工业上也投入了很多的财力，但是就是因为工业损耗的日益加大，只是不能追上世界经济发达国家的发展步伐。现在目前世界经济的发展很讲究经济效益，所以无损探伤的快速发展也正是适应了全球的经济发展的大局观。
1. 2研究内容
本课题以无损探伤动态信号自动测试系统为研究对象，主要研究内容安排如下：
第一章是绪论，介绍一下无损探伤的意义以及发展的状况。
第二章是介绍系统硬件设计、应力波反射法的基本理论和实践应用以及小波变换和小波分析法算法研究还有一些核心元件的介绍。
第三章是主要是系统的软件设计，主要是两个模块一个是上位机软件系统设计另一个是嵌入式软件系统设计。
第四章系统测试，根据实验波形和数据进行分析
最后是结论 对实验进行一个总结分析，提出一些需要改进的方面
2 系统硬件设计
2．1 简要介绍小波函数和基桩动测的过程
1．基桩动测过程实质上就是对振动测量的过程，然而振动试验系统一般由以下部分构成：
（1）激振系统用来激发被测结构或桩振动，比如力锤和激振器等，都属于激振设备；
（2）测量系统：对振动量进行放大、转化、显现和记忆抄录的系统；
（3）分析系统：对测量的结果进行处理，依据研究目的算出各种参数和制作图表，分析系统的核心是计算机，附属设备则是打印机；
（4）被测系统：即研究的对象。
2．小波函数 被称之为母小波，将 的平移和伸缩形成函数系：
（2-1）
连续小波变换的逆变换为：
（2-2）
其中 即为对 提出的容许条件。
即令 ， ， ，则小波函数为：
（2-3）
如果有两个正常数A，B，且 ,那就基本达成函数 稳定的要求，就是：
（2-4）
则称 为一个二进制小波。其中
（2-5）
2．2 硬件设计
2．2．1 动态信号自动测试系统硬件结构框图
本项目采用LabVIEW图形化开发软件，高精度的嵌入式ARM系统，采集动态信号，频率范围为10KHz－100MHz。该动态信号测试分析仪具有多通道信号进行采集的功能，同时具有时域、频域、自相关、互相关、放大等数据处理功能。
图2.1 动态测试系统设计框图
前置电荷放大器放大和高低通滤波器后进行模/数(A/D)转换是用来进行评价整个系统的安全性能或对材料进行无损探伤的器件。如果评价超出设定的报警值，则自动发出报警的信号，提醒建筑、构件等存在安全隐患，及时采取应急求援方案，防止安全事故的发生。元器件的介绍压电式加速度传感器原理
图 压电式加速度传感器结构原理图
图中，1是壳体，2是弹簧，3是质量块，4是压电晶体，5是基座。
压电加速度传感器的动态测量系统
作为一个非电量电测系统，包括了信息获取、转化、直观的显现和后期的处理等几个部分。
BZ1103参数
本试验中采用的压电式加速度传感器为BZ1103，是一种单轴加速度传感器，详细如图表一
型号 灵敏度 Pc/ms-2 频响Hz 幅值线性 ms-210% 谐振频率kHz 质量 (g) 安装螺纹mm 结构尺寸mm 特点
外形尺寸 基座尺寸
BZ1103(A) 侧向出线 1 0.2 Hz~12k 50000 35 15 5 Φ12.6×20.6 15×13 通用 测振
实物图如图所示。
图 BZ1103实物图
运放芯片CA3140
CA3140的基本结构如图所示。
图 CA3140结构
CA3140的引脚功能如表所示。
表二 CA3140的引脚功能表
引脚号 功能 引脚号 功能
1 OFFSET NULL 偏置(调零端) 5 OFFSET NULL 偏置(调零端)
2 INV INPUT 反向输入端 6 OUTPUT 输出
3 NON-INV INPUT 同向输入端 7 电压+ 电源+
4 电压- 电源- 8 STROBE 选通端
表三 CA3140在VSUPPLY =±15V, TA=25℃时的一些参数
参数 符号 测试条件 典型值 单位
输入失调电压调整电阻 4.7 kΩ
电荷放大器的输入输出关系为：
输入电缆的电阻、 输入电缆的电容， 为传感器的电容量。
2．2．2．3 电荷放大器的线路组成与电路实现
我们一般用电荷放大器来进行实际的测量，电荷放大器的组成如图所示
1 绪论 3
1．1研究背景及意义 3
1．2研究内容 3
2 系统硬件设计 3
2．1 简要介绍小波函数和基桩动测的过程 3
2．2 硬件设计 4
3 系统软件设计 25
3．1 嵌入式软件系统的设计 25
3．2 上位机软件系统的设计 29
4 系统软件调试与实验结果分析 38
4．1上位机软件调试结果 38
结 论 42
参 考 文 献 43
1 绪论
如今科学技术方面不断发展，工程结构方面的技术水平不断提高，所以人们对结构的性能要求也越来越高，因此结构的动态监控和故障检测也尤为重要。另外，随着虚拟仪器的快速发展，监控和检测的工程结构状态和故障是一项新技术。具体的步骤是：设备检测第一是信号监测信息的收集，然后用数据显示软件的可视化实现，存储和分析处理，这是非常方便的，最后进行情况的判断。
1．1研究的意义和国内外的现状
随着不断提高的工业技术和人们对产品质量要求提高，动态测试在测控技术中得到了广泛应用。详细来说，它是在在线检测和过程控制，状态监测和故障检测，产品结构设计和动态分析，产品质量，地震预测预报研究，具体分析有许多应用。现在现在工业上对虚拟仪器的要求也是越来越大了。在工业方面虚拟仪器有很大的发展前景，因而我们也可以投注更多的目光在这个方面。
世界各国都对无损探伤技术是不是在全世界保持领先位置给予了足够多的关注，例如美国在20世纪70年代末政府报告中也提出的六大技术中心就包含了无损探伤，日本也紧随其后在21世纪优先发展的技术领域中也把无损探伤放在了一个比较重要的位置。随后的经济发展中，也看 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
出来了无损探伤技术的重要位置。无损探伤技术也是为产品的质量提供了保障。可靠性大大提高了，与此同时大大提高了自己国家生产的产品的市场竞争力。虽然中国在工业上也投入了很多的财力，但是就是因为工业损耗的日益加大，只是不能追上世界经济发达国家的发展步伐。现在目前世界经济的发展很讲究经济效益，所以无损探伤的快速发展也正是适应了全球的经济发展的大局观。
1. 2研究内容
本课题以无损探伤动态信号自动测试系统为研究对象，主要研究内容安排如下：
第一章是绪论，介绍一下无损探伤的意义以及发展的状况。
第二章是介绍系统硬件设计、应力波反射法的基本理论和实践应用以及小波变换和小波分析法算法研究还有一些核心元件的介绍。
第三章是主要是系统的软件设计，主要是两个模块一个是上位机软件系统设计另一个是嵌入式软件系统设计。
第四章系统测试，根据实验波形和数据进行分析
最后是结论 对实验进行一个总结分析，提出一些需要改进的方面
2 系统硬件设计
2．1 简要介绍小波函数和基桩动测的过程
1．基桩动测过程实质上就是对振动测量的过程，然而振动试验系统一般由以下部分构成：
（1）激振系统用来激发被测结构或桩振动，比如力锤和激振器等，都属于激振设备；
（2）测量系统：对振动量进行放大、转化、显现和记忆抄录的系统；
（3）分析系统：对测量的结果进行处理，依据研究目的算出各种参数和制作图表，分析系统的核心是计算机，附属设备则是打印机；
（4）被测系统：即研究的对象。
2．小波函数 被称之为母小波，将 的平移和伸缩形成函数系：
（2-1）
连续小波变换的逆变换为：
（2-2）
其中 即为对 提出的容许条件。
即令 ， ， ，则小波函数为：
（2-3）
如果有两个正常数A，B，且 ,那就基本达成函数 稳定的要求，就是：
（2-4）
则称 为一个二进制小波。其中
（2-5）
2．2 硬件设计
2．2．1 动态信号自动测试系统硬件结构框图
本项目采用LabVIEW图形化开发软件，高精度的嵌入式ARM系统，采集动态信号，频率范围为10KHz－100MHz。该动态信号测试分析仪具有多通道信号进行采集的功能，同时具有时域、频域、自相关、互相关、放大等数据处理功能。
图2.1 动态测试系统设计框图
前置电荷放大器放大和高低通滤波器后进行模/数(A/D)转换是用来进行评价整个系统的安全性能或对材料进行无损探伤的器件。如果评价超出设定的报警值，则自动发出报警的信号，提醒建筑、构件等存在安全隐患，及时采取应急求援方案，防止安全事故的发生。元器件的介绍压电式加速度传感器原理
图 压电式加速度传感器结构原理图
图中，1是壳体，2是弹簧，3是质量块，4是压电晶体，5是基座。
压电加速度传感器的动态测量系统
作为一个非电量电测系统，包括了信息获取、转化、直观的显现和后期的处理等几个部分。
BZ1103参数
本试验中采用的压电式加速度传感器为BZ1103，是一种单轴加速度传感器，详细如图表一
型号 灵敏度 Pc/ms-2 频响Hz 幅值线性 ms-210% 谐振频率kHz 质量 (g) 安装螺纹mm 结构尺寸mm 特点
外形尺寸 基座尺寸
BZ1103(A) 侧向出线 1 0.2 Hz~12k 50000 35 15 5 Φ12.6×20.6 15×13 通用 测振
实物图如图所示。
图 BZ1103实物图
运放芯片CA3140
CA3140的基本结构如图所示。
图 CA3140结构
CA3140的引脚功能如表所示。
表二 CA3140的引脚功能表
引脚号 功能 引脚号 功能
1 OFFSET NULL 偏置(调零端) 5 OFFSET NULL 偏置(调零端)
2 INV INPUT 反向输入端 6 OUTPUT 输出
3 NON-INV INPUT 同向输入端 7 电压+ 电源+
4 电压- 电源- 8 STROBE 选通端
表三 CA3140在VSUPPLY =±15V, TA=25℃时的一些参数
参数 符号 测试条件 典型值 单位
输入失调电压调整电阻 4.7 kΩ
电荷放大器的输入输出关系为：
输入电缆的电阻、 输入电缆的电容， 为传感器的电容量。
2．2．2．3 电荷放大器的线路组成与电路实现
我们一般用电荷放大器来进行实际的测量，电荷放大器的组成如图所示
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