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非金属声波检测仪自动检定系统

作者 :孙 亮更新时间:2019-01-23

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(交通运输部天津水运工程科学研究院 天津 300456)  摘要:本文提出了一种非金属声波检测仪自动检定系统的软硬件研究方案,该研究方案已应用于水运工程国家计量检定机构,用于非金属超声波检测仪的计量  检定,支持平面和径向两个方向的测量,有着量程大、测量精度高、自动化程度高的特点。  1.概述  随着科技的不断发展,自动化和信息化已逐渐应用到各个领域,  其中也包括计量检定行业。非金属超声波检测仪的稳定性和测量结果  准确度直接影响到混凝土的性能指标,对生产生活起着重要作用。因  此,对非金属超声波检测仪的计量检定显得尤为重要。本文针对非金  属超声波检测仪自动检定系统提出了一整套的研究方案,包括硬件系  统的搭建和软件系统的设计。硬件系统主要为声程控制装置和距离测  量装置,软件系统则包括参数设置、数据采集控制和报表输出模块。  2.硬件系统设计  2.1 声程控制装置  声程控制装置,是一个可以对距离进行准确控制的装置,其组成  为直线行程控制器(包含直线导轨、丝杠和滑块)、电机以及电机控  制器。设计要求如下:  (1)声程调节距离:指固定两个换能器的支架的有效活动距离,即  该距离应为除去两端因为水池或支架造成的无法活动部分实际运动  距离,0mm~1200mm;  (2)定位最大允许误差:包括定位误差、重复性误差、机械误差等  综合因素,为能够在计量部门进行检定溯源的最大允许误差±  0.01mm。  (3)运行速度:直线行程运动控制器的运动速度为低速运行,设计最  快速度为 2cm/s。其运动滑块上承受的重量较小,低于 1kg。其承受的重  量主要来源是非金属声波检测仪的换能器、换能器支架以及夹具。  (4)驱动器及控制方式:声程的控制需要以电机进行驱动,实现距离  的自动化控制。电机应为步进电机,并提供相应的电机控制卡。电机控  制卡应为外置式的,通过 RS485接口实现电机控制卡与计算机的通信。  电机及其控制卡应当与丝杠等机械结构配合良好、运动阻力小,不允许  出现由于丝杠磨损、缺角等造成运动不畅、距离控制不准的情况。  2.2 距离测量装置  在非金属声波检测仪检定装置中,采用光栅尺进行距离测量。整  个检定装置的距离测量,不是通过丝杠的运动记录来计算距离,而是  通过光栅尺的实际测量。光栅尺的安全应当确保光栅尺与运动轨道的  平行度,从而保证距离测量的准确性  (1)量程:2000mm,有效距离应超过 1900cm;  (2)测量精度:最大允许误差,应可以达到±0.003mm,分辨力  0.001mm。  (3)通信方式:光栅尺的输出为 USB 方式,上位机可调用其动态  链接库进行二次开发。  2.3 配套装置  (1) 固定装置:下图所示的是现有的一种非金属声波检测仪  检定装置,其固定装置采用的是龙门(即采用跨越在水槽两边的大型  龙门来实现直线运动控制器的安装)。  图 1 非金属声波检测仪检定装置三维示意图  由于检定装置需要跨度较大(移动距离为 1.2m,实际的直线行  程运动控制器更大),固定装置应当稳定,在较长时间内不会变形。  固定装置的变形,会对直线导轨等造成影响。固定装置的重心稳定,  装置不易偏离位置倒下。固定装置需要满足实际的使用要求,径向换  能器能够位于水池的中央,不阻碍上面的平面换能器的运动。  (2) 换能器支架:换能器支架由上图中的 2、9、10组成。换能  器支架主要是为了固定非金属声波检测仪的换能器,能够准确控制换能  器之间的距离。换能器支架由如下的技术要求:换能器一个的位置固定,  另外一个固定在滑动块上,可以进行距离调节。径向换能器具备深度调  节尺,可以进行深度调节。深度调节的距离不需要测量,设计可以手动  进行调节即可。两个深度调节尺之间需要良好的平行度,方便进行距离  控制。深度调节尺的上端需要和平面换能器的夹具连接,下端需要和径  向换能器的夹具连接。深度调节尺上的夹具可以进行拆装更换。  (3) 换能器夹具:非金属声波检测仪计量检定装置需要配备  不同型号的平面换能器和径向换能器,因此需要为平面换能器和径向  换能器设计相应的夹具。换能器的夹具应可以方便地定位于深度调节  尺上,径向换能器的规格较多,夹具最好能适应于不同尺寸的换能器。  3 软件系统设计  3.1 参数设置  (1)温度设定:系统支持温度的设定,范围 0℃~50℃;  (2)传感器选择:系统支持换能器类型的选择并根据设备类型修改  检定量程,其中平面换能器量程为 0mm~400mm,径向换能器量程为  0mm~1800mm;  (3)方向控制参数设置:系统提供微调(1-10 个脉冲)和粗调  (11-110 个脉冲)的设置小幅调整活动仪器架的位置,每个脉冲可使  装置运动 0.0016mm  (4)自动控制等待间隔设置:自动测量时每两个测点之间的操作时  间 10s-900s。  3.2 数据采集控制  (1)距离控制:单点控制方便用户调整活动仪器架位置,用户输入  要运动的距离,点击“向左”或“向右”箭头便可以使活动仪器架运  动到指定位置,  (2)方向控制:方向控制是为了微调活动仪器架的位置设计的,用  户可通过操作“向左”或“向右”按钮小幅调整活动仪器架的位置  (3)自动检定:系统测量时,用户首先输入多个目标测点,并通过上  位机软件对系统进行定零,然后发送控制指令控制电机控制活动仪器架  带动被检仪器水平运动,光栅尺对活动仪器架的上的被检仪器进行位置  测量并通过 RS485接口传输到计算机,当达到指定测点后软件系统将记  录被检仪器的位置读数。测量完成后,通过比较被检仪器的示值读数和  检定装置采集的位置数据计算误差百分比,并自动生成原始记录表。  图 2 检定流程  3.3 实时信息显示  系统以动画的方式显示仪器的检定过程,并实时显示当前温度、  当前声速、活动仪器架的绝对位置、被检仪器的测点信息:  (1)当前温度:如果用户选择手动输入温度时,系统实时进行温度  自动采集,当手动温度与自动温度的差值大于 2℃时,“当前温度”  的颜色会变红,提示用户温差变化过大。如果用户选择自动温度时,  系统将实时显示温度传感器采集的实时温度值,当检定过程中温差超  过 2℃时,不允许继续检定;  (2)当前声速值:该值是根据当前温度和传感器类型进行计算得出  的,如果是平面换能器则使用空气中声波传输算法进行计算,如果是  径向换能器则查表得出。如果用户修改了当前温度或传感器类型,声  速值都会发生变化;  (下转第 177 页)(3)系统绝对位置:指的是活动仪器架所处光栅尺的绝对位置,系  统上电后,活动仪器架将自动向最大值处运行,当活动仪器架遇到限  位后将自动停止,此时系统的绝对位置被确定为 1900mm;  (4)动画显示:软件系统以动画方式显示系统的运行状态,包括活  动仪器架所处的位置和运行方向等,并实时模拟声波的发射过程;  (5)测点信息显示:在动画面板的下方,系统提供实时检定过程的  目标测点和相对位置的显示。  (6)计算结果显示:以表格形式显示设定距离、实测距离、标准声  时、测量声时、相对误差等信息。  3.4 数据录入及查询  (1)原始记录表及检定证书录入:软件使用 USB 摄像头,对已  生成的原始记录表和检定证书进行拍照保存,生成电子副本,方便用  户进行后续查询。  (2)数据查询:通过选择查询时间段和查询类型,实现对“检定  证书副本”或“原始记录表副本”某一石建都内历史数据查询。 职称论文发表网http://www.issncn.com 职称论文发表网http://www.issncn.com

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