王蔓琳，王 軍，李強(qiáng)鑫，王瀟淞，操 謙

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引言

非接觸超聲檢測(cè)技術(shù)是超聲換能器與待測(cè)板材之間以空氣作為耦合介質(zhì)的一種檢測(cè)方式[1]。該技術(shù)解決了傳統(tǒng)超聲檢測(cè)需要在待測(cè)樣品表面涂抹液體耦合劑的問題[2]。近年來，隨著工業(yè)加工水平的進(jìn)步，非接觸式超聲檢測(cè)高靈敏度的換能器得以制造，有效地提高了該技術(shù)檢測(cè)信號(hào)的信噪比[3,4]。同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在非接觸式超聲檢測(cè)中的應(yīng)用也同樣推動(dòng)著該技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步[5]。目前，該技術(shù)已在金屬檢測(cè)、復(fù)合材料檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是一種有效的材料缺陷無損檢測(cè)手段[6,7]。為采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)板材進(jìn)行缺陷自動(dòng)檢測(cè)和呈現(xiàn)，需要相關(guān)上位機(jī)軟件的支持[8]。本文首先介紹了非接觸超聲掃描成像系統(tǒng)的原理及系統(tǒng)對(duì)上位機(jī)軟件的需求，其次闡述了上位機(jī)軟件系統(tǒng)各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)流程，最后將該上位機(jī)軟件應(yīng)用于檢測(cè)系統(tǒng)中對(duì)其性能進(jìn)行綜合測(cè)試。

1 非接觸超聲檢測(cè)系統(tǒng)原理

1.1 非接觸超聲檢測(cè)成像系統(tǒng)構(gòu)成

非接觸超聲檢測(cè)成像系統(tǒng)主要包含上位機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、超聲換能器以及電機(jī)控制器。其中，上位機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，其主要功能為接收用戶輸入指令、協(xié)調(diào)各模塊之間的工作。信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集器以及電機(jī)控制器則需要通過USB總線與上位機(jī)之間進(jìn)行連接。系統(tǒng)首先由電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲發(fā)射和接收換能器位置的移動(dòng)、調(diào)整，當(dāng)換能器到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)電壓驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器。發(fā)射換能器產(chǎn)生的超聲波通過空氣到達(dá)待測(cè)板材，穿透待測(cè)板材后，再次通過空氣到達(dá)接收換能器。上位機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡對(duì)接收換能器兩端的壓電信號(hào)進(jìn)行采集。最后，由上位機(jī)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)板材實(shí)時(shí)成像可視化。非接觸超聲檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 非接觸式超聲檢測(cè)成像系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 上位機(jī)功能分析

根據(jù)非接觸超聲檢測(cè)控制系統(tǒng)的需求，上位機(jī)需要完成對(duì)用戶輸入的控制參數(shù)的讀取，控制電機(jī)以實(shí)現(xiàn)改變超聲換能器位置，控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并進(jìn)行成像操作。此外，該軟件還應(yīng)具備高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)以及對(duì)數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行保存的功能。

2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的需要，其軟件部分主要分為四個(gè)模塊：電機(jī)控制處理模塊、采樣控制模塊、實(shí)時(shí)成像模塊以及圖像后處理模塊。

2.1 電機(jī)控制處理模塊

電機(jī)控制處理模塊用來向電機(jī)控制器發(fā)送控制指令。首先由用戶對(duì)上位機(jī)與電機(jī)控制器之間的通信串口進(jìn)行配置并打開該串口，以建立與電機(jī)控制器的連接。其次，上位機(jī)讀取用戶根據(jù)檢測(cè)需要輸入的掃描目標(biāo)參數(shù)。最后，根據(jù)輸入的參數(shù)計(jì)算電機(jī)控制相關(guān)的參數(shù)，并向電機(jī)控制器發(fā)送控制指令。該模塊的工作流程圖如圖2所示。

2.2 采樣控制模塊

采樣控制模塊中通過接收步進(jìn)電機(jī)返回的數(shù)據(jù)來判斷換能器的位置是否到達(dá)了采樣點(diǎn)。若到達(dá)了采樣點(diǎn)，上位機(jī)通過USB數(shù)據(jù)總線控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生功率信號(hào)激勵(lì)發(fā)射換能器。上位機(jī)控制數(shù)據(jù)采集器開始對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。該模塊流程圖如圖3所示。

圖2 電機(jī)控制處理模塊流程圖圖3 采樣控制模塊流程圖

2.3 實(shí)時(shí)成像模塊

當(dāng)檢測(cè)到有采樣點(diǎn)采樣完畢后，上位機(jī)將對(duì)從數(shù)據(jù)采集器中讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，計(jì)算該采樣點(diǎn)超聲透射信號(hào)的幅值；將該采樣點(diǎn)的位置信息以及檢測(cè)信號(hào)幅值等信息轉(zhuǎn)化為成像的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)更新上位機(jī)中的超聲掃描成像結(jié)果，其流程圖如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)成像模塊流程圖

2.4 圖像后處理模塊

由于采用非接觸式超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)板材檢測(cè)時(shí)實(shí)際采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為有限值，根據(jù)有限的采樣點(diǎn)繪制的檢測(cè)圖像會(huì)出現(xiàn)不平滑的現(xiàn)象。圖像后處理模塊即針對(duì)這一問題進(jìn)行解決，主要對(duì)C掃描成像的圖像質(zhì)量及平滑度進(jìn)一步處理，通常采用插值的方法，即利用已知的離散像素點(diǎn)來求取其他點(diǎn)的未知數(shù)據(jù)的圖像處理方法。利用插值算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的平滑度、質(zhì)量進(jìn)行提升，使其更逼近實(shí)際的待測(cè)樣本。常用的插值算法有一階線性插值、三階樣條插值算法和五階樣條插值算法。其中，三階樣條插值算法由于其計(jì)算量適中、成像效果好等優(yōu)點(diǎn)在圖像處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[9]，因此本上位機(jī)軟件采用三階樣條插值算法作為圖像后處理的主要算法。

3 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為獲得更靈活的圖像處理能力和更優(yōu)的用戶交互體驗(yàn)，系統(tǒng)軟件采用Python語言編寫，PyQt工具包作為界面核心[10]。根據(jù)軟件的需求以及軟件流程的設(shè)計(jì)方案，將該軟件分為兩個(gè)界面，其主界面為電機(jī)控制交互界面，子界面為圖像處理交互界面。

3.1 電機(jī)控制交互界面的設(shè)計(jì)

軟件的主界面主要用來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制器的設(shè)置，其界面設(shè)計(jì)包含5個(gè)區(qū)域：

1) 下位機(jī)返回的數(shù)據(jù)交互界面，在此區(qū)域中可以查看下位機(jī)向上位機(jī)返回的交互信息。

2) 電機(jī)參數(shù)傳輸與控制界面，用戶可在此區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)控制器的配置。

3) 串口設(shè)置界面，主要用來對(duì)與電機(jī)控制器之間的通信串口進(jìn)行設(shè)置。

4) 采樣點(diǎn)設(shè)置界面，在此區(qū)域可以設(shè)置X軸和Y軸的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，上位機(jī)會(huì)根據(jù)設(shè)置的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)電機(jī)的步進(jìn)距離、成像數(shù)據(jù)的像素點(diǎn)數(shù)進(jìn)行自動(dòng)配置。

5) 成像操作面板設(shè)置界面，通過該界面實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的清空、保存等操作以及對(duì)圖像處理子界面的打開與關(guān)閉。

3.2 圖像處理交互界面的設(shè)計(jì)

圖像處理交互界面的設(shè)計(jì)主要用來實(shí)現(xiàn)圖像顯示、插值的操作。上位機(jī)首先通過對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，其次將超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為色度值，最后實(shí)時(shí)顯示在該界面中。當(dāng)檢測(cè)完畢后，可通過圖像操作面板，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的后處理。

4 檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1試樣準(zhǔn)備

為測(cè)試該檢測(cè)系統(tǒng)的綜合性能，驗(yàn)證其是否滿足非接觸超聲檢測(cè)系統(tǒng)中上位機(jī)的需求，本次試驗(yàn)使用搭載該軟件的非接觸式超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)一塊帶有缺陷的木質(zhì)板材進(jìn)行檢測(cè)。木板還有多個(gè)裂紋的節(jié)子缺陷，木板尺寸為10 cm*10 cm，實(shí)物如圖5所示。

圖5 帶缺陷的木材試樣

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)設(shè)置相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的間距為3 mm，橫軸設(shè)置35個(gè)采樣行，縱軸設(shè)置35個(gè)采樣列，總計(jì)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為35*35個(gè)。對(duì)非接觸超聲檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)后的未插值原始圖像采用500*500點(diǎn)數(shù)插值后的圖像為圖6所示。結(jié)果表明，檢測(cè)結(jié)果符合圖5所示木板的實(shí)際缺陷情況，采用該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)、激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集以及實(shí)時(shí)圖像顯示的協(xié)同工作。同時(shí)，該軟件具有圖像插值處理以及保存成像數(shù)據(jù)和圖像的功能。

圖6 木材缺陷試驗(yàn)

5 結(jié)論

1) 針對(duì)非接觸超聲檢測(cè)成像系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了配套的上位機(jī)軟件。通過該上位機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)控制器的控制以及實(shí)時(shí)處理檢測(cè)信號(hào)并進(jìn)行圖像顯示的操作。

2) 通過該軟件能夠?qū)Τ暀z測(cè)原始圖像進(jìn)行插值處理，實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的成像效果。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠滿足非接觸超聲自動(dòng)檢測(cè)的要求，且運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好。