基于LabWindows/CVI的涡流检测虚拟仪器系统的研究
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摘要
本文首次将频谱分析的思想引入到了涡流检测中，并利用虚拟仪器技术，研制开发出基于LabWindows／CVI软件平台的涡流检测虚拟仪器系统，从而使得涡流检测方法实现金属导体参数测量过程变得简单容易，分析结果直观，并通过曲线描述方法赋予了涡流检测仪器一定分析功能。
深刻理解涡流检测的基本原理，是选择涡流检测基本方案的理论基础。论文第二章从多个角度分析了电涡流检测原理，分别对涡流检测等效电路、涡流检测系统的频率响应、涡流传感器输出信号的频谱做了分析。并对涡流检测原理的频率响应分析和频谱分析二者之间的关系以及等效电路分析和频率响应分析二者之间的关系分别做了探讨。最后通过数学公式推导从理论上以及实验数据论证了频谱分析法解决泵筒内壁表面硬度参数测量的可行性．
涡流检测虚拟仪器的开发离不开强大的软件工具。而虚拟仪器技术以及具有强大信号处理及分析功能的软件LabWindows／CVI则为本课题提供了这个工具。论文第三章就涡流虚拟仪器系统开发做了研究。首先介绍了虚拟仪器技术及开发虚拟仪器的软件LabWindows／CVI。然后针对第三方厂家生产数据采集卡在该软件环境下的函数调用进行了阐述。并设计了具有数据采集、频谱分析、硬度及间距参数显示和硬度参数曲线变化等功能的多个虚拟仪器面板。最后给出了可执行程序的生成及软件打包处理，从而得到一台真正的涡流检测虚拟仪器。
频谱分析的理论以及数字信号处理理论为在LabWindows／CVI软件下对涡流传感器输出信号进行分析和处理提供了理论基础，为实现各种功能的软件编程提供了算法依据。论文第四章就频谱分析的概念以及计算工具傅立叶变换做了阐述，特别是针对涡流传感器输出为周期信号的特点，对周期信号取样及频谱分析做了详细介绍。最后针对频谱分析中应该注意的几个问题做了探讨。在频谱分析理论的指导下，对采样点数选择以及采集进来的信号进行初始相位统一化处理等数据处理进行了
西安理工大学硕士学位论文
分析。
论文第五章通过BP神经网络对所得到的频诺值进行数据拟合最终实现硬度、
测量间距参数的测量。通过对检验样本测量得到的测量值与理论值的比较及相对误
差结果，得出结论即采用本方案满足系统测量精度要求的。
论文第六章对实验数据进行了分析。并对涡流检测系统中可能出现的名种误差
原因做了分析。
The frequency spectrum analysis is introduced to the eddy current testing in this paper. Using the virtual instrument technique, the eddy testing virtual instrument system based on LabWindows/CVI is developed to make the metal parameters testing easier and analysis results direct. Also the analysis function is added to the eddy testing instrument through graph describing.
Understanding the basic theory of eddy testing is the basis of selecting eddy testing plan. In chapter 2, eddy testing theory is analyzed from several aspects. The equivalent circuit of eddy current testing, frequency response of eddy current testing system and frequency spectrum of eddy current sensor output signal is analyzed respectively. Also, the relation among these analysis methods is discussed. Finally by mathematic derivation, the feasibility of solving the measurement to hardness parameters by frequency spectrum analysis is proved from both theory and experiment data.
The development of eddy testing virtual instrument must be based on powerful software tools. The virtual instrumentation technique and LabWindows/CVI with the powerful signal processing and analysis function provide this tool for the project. In chapter 3, the system of eddy testing virtual instrumentation is studied. The virtual instrumentation technique and LabWindows/CVI is firstly introduced. Then the function calling of the third DAQ under LabWindows/CVI is discussed. The multi-virtual panel is designed performing data acquisition function, frequency spectrum analysis, parameters computation, result displaying and graph drawing function etc. Finally, the method of executive program producing and the software packing are given so as to make a true virtual instrumentation.
The theory of frequency spectrum analysis is the theoretic basis of processing and analyzing the output signal of the eddy current sensor and also the algorithm reference of software programming. The frequency spectrum idea and the computation tool-Fourier transformation are discussed
and the frequency spectrum to the periodic signal is expounded. Finally several problem about frequency spectrum analysis are discussed. With the spectrum analysis theory guided, the data processing about selecting sampling number and the primary phase etc is also analyzed.
In chapter 5, the parameters of hardness and distance are obtained by BP neural network computing the three frequency spectrums. And through the comparison with the testing value and theoretic value, it' s concluded that the frequency spectrum analysis method meets the system measurement requirements.
In chapter 6, the experiment data is analyzed. And the error reasons in the eddy testing system are analyzed.
深刻理解涡流检测的基本原理，是选择涡流检测基本方案的理论基础。论文第二章从多个角度分析了电涡流检测原理，分别对涡流检测等效电路、涡流检测系统的频率响应、涡流传感器输出信号的频谱做了分析。并对涡流检测原理的频率响应分析和频谱分析二者之间的关系以及等效电路分析和频率响应分析二者之间的关系分别做了探讨。最后通过数学公式推导从理论上以及实验数据论证了频谱分析法解决泵筒内壁表面硬度参数测量的可行性．
涡流检测虚拟仪器的开发离不开强大的软件工具。而虚拟仪器技术以及具有强大信号处理及分析功能的软件LabWindows／CVI则为本课题提供了这个工具。论文第三章就涡流虚拟仪器系统开发做了研究。首先介绍了虚拟仪器技术及开发虚拟仪器的软件LabWindows／CVI。然后针对第三方厂家生产数据采集卡在该软件环境下的函数调用进行了阐述。并设计了具有数据采集、频谱分析、硬度及间距参数显示和硬度参数曲线变化等功能的多个虚拟仪器面板。最后给出了可执行程序的生成及软件打包处理，从而得到一台真正的涡流检测虚拟仪器。
频谱分析的理论以及数字信号处理理论为在LabWindows／CVI软件下对涡流传感器输出信号进行分析和处理提供了理论基础，为实现各种功能的软件编程提供了算法依据。论文第四章就频谱分析的概念以及计算工具傅立叶变换做了阐述，特别是针对涡流传感器输出为周期信号的特点，对周期信号取样及频谱分析做了详细介绍。最后针对频谱分析中应该注意的几个问题做了探讨。在频谱分析理论的指导下，对采样点数选择以及采集进来的信号进行初始相位统一化处理等数据处理进行了
西安理工大学硕士学位论文
分析。
论文第五章通过BP神经网络对所得到的频诺值进行数据拟合最终实现硬度、
测量间距参数的测量。通过对检验样本测量得到的测量值与理论值的比较及相对误
差结果，得出结论即采用本方案满足系统测量精度要求的。
论文第六章对实验数据进行了分析。并对涡流检测系统中可能出现的名种误差
原因做了分析。
The frequency spectrum analysis is introduced to the eddy current testing in this paper. Using the virtual instrument technique, the eddy testing virtual instrument system based on LabWindows/CVI is developed to make the metal parameters testing easier and analysis results direct. Also the analysis function is added to the eddy testing instrument through graph describing.
Understanding the basic theory of eddy testing is the basis of selecting eddy testing plan. In chapter 2, eddy testing theory is analyzed from several aspects. The equivalent circuit of eddy current testing, frequency response of eddy current testing system and frequency spectrum of eddy current sensor output signal is analyzed respectively. Also, the relation among these analysis methods is discussed. Finally by mathematic derivation, the feasibility of solving the measurement to hardness parameters by frequency spectrum analysis is proved from both theory and experiment data.
The development of eddy testing virtual instrument must be based on powerful software tools. The virtual instrumentation technique and LabWindows/CVI with the powerful signal processing and analysis function provide this tool for the project. In chapter 3, the system of eddy testing virtual instrumentation is studied. The virtual instrumentation technique and LabWindows/CVI is firstly introduced. Then the function calling of the third DAQ under LabWindows/CVI is discussed. The multi-virtual panel is designed performing data acquisition function, frequency spectrum analysis, parameters computation, result displaying and graph drawing function etc. Finally, the method of executive program producing and the software packing are given so as to make a true virtual instrumentation.
The theory of frequency spectrum analysis is the theoretic basis of processing and analyzing the output signal of the eddy current sensor and also the algorithm reference of software programming. The frequency spectrum idea and the computation tool-Fourier transformation are discussed
and the frequency spectrum to the periodic signal is expounded. Finally several problem about frequency spectrum analysis are discussed. With the spectrum analysis theory guided, the data processing about selecting sampling number and the primary phase etc is also analyzed.
In chapter 5, the parameters of hardness and distance are obtained by BP neural network computing the three frequency spectrums. And through the comparison with the testing value and theoretic value, it' s concluded that the frequency spectrum analysis method meets the system measurement requirements.
In chapter 6, the experiment data is analyzed. And the error reasons in the eddy testing system are analyzed.
引文
【1】杨志坤，郑勤红，等。发展中的涡流无损检测技术．云南师范大学学报，17(4)，1997：58—63．
【2】游凤荷。涡流检测技术的某些新进展．无损检测，23(2)，2001：70—73．
【3】刘德镇，刘瑛，等。远场涡流技术及国内外进展．山东工业大学学报，28(2)，1998：191—194．
【4】http://www.cnde.iastate.edu/ncce/EC CC/Intro Adv.html．
【5】胡生清，幸国全。未来的仪器仪表—虚拟仪器．自动化与仪表，14(6)，1999：5—7．
【6】卢奂采。虚拟仪器技术的发展及现状．自动化与仪表，22(11)，2001：1—3．
【7】张小牛，候国屏，等。虚拟仪器技术回顾与展望．测控技术，19(9)，2000：22—24．
【8】周箭。虚拟仪器及其技术研究．浙江大学学报，34(6)，2000：686—689．
【9】顾国华，陈钱，等。一种基于电涡流传感器的数据采集系统。光电子技术。17(3)，1997：170—176。
【10】丛华，张德魁，等。电涡流传感器温度温度性研究．清华大学学报，39(10)，1999：65—68．
【11】李友善。自动控制原理．北京：国防工业出版社，1997
【12】胡寿松。自动控制原理．北京：国防工业出版社，1997
【13】XiaoMei Pei, Hongsheng Liang. A Frequency Analysis Method For Eddy Current Nondestructive Testing. The First International Conference On Machine Learning And Cybernetics, Beijing, China, 2002:1194-1197
【14】程虎。从智能仪器到虚拟仪器—现代仪器的重大进展．现代科学仪器，1994(3)，1994：6—9．
【15】刘君华，白鹏，等。虚拟仪器编程语言LabWindOWS／CVI教程．北京：电子工业出版社，2001．
【16】孙欣。虚拟仪器—仪器仪表工业划时代的里程碑．煤矿自动化，1996 (3)，1996：27—29，
【17】PCI-8335 多功能数据采集板技术说明书．北京中泰研创科技有限公司，用户手册．
【18】Lab Windows/CVI Programmer Reference Manual, User Manual.
【19】Lab Windows/CVI Standard Libraries Reference Manual.
【20】Changting Wang, Robert X.Gao. IEEE Transaction On Instrumention And Measurement:A Virtual Instrumentation System for Integrated Bearing Condition Monitoring. Vol:49, Iss:2,2000:325-332.
【21】Getting started with Lab Windows/CVI, User Manual.
【22】Lab Windows/CVI Advanced Library Analysis Reference Manual.
【23】Software Advances in Measurement and Instrumentation. National Instruments.
【24】Programmable Instruments, Virtual Instruments, and Distributed Measurement Systems. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. 1999:20-27.
【25】Automated Testing. IEEE Aerospace & Electronic Systems Magazine, Jubilee issue. 2000:125-130.
【26】Harold Goldberg, What is virtual Instrumentation? IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. 2000:10-13.
【27】Hans J.W. Spoelder. Virtual Instrumentation and Virtual Environments. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. 1999:14-19.
【28】Kang Jitao, Gan Yadong. The Method of Developing Virtual Instrument Platform. IEEE. 2000:64-67．
【29】http://hamming. topcool. net/index.html
【30】陈敏健，任汝学，等。虚拟仪器面板设计。自动化与仪器仪表。86(6)，1999：28—30．
【31】应怀樵。波形和频谱分析与随机数据处理．北京：中国铁道出版社，1985．
【32】胡广书。数字信号处理—理论、算法与实现．北京：清华大学出版社，1998．
【33】邹理和，吴兆熊，等。数字信号处理．北京：国防工业出版社，1986
【34】马明建，周长城。数据采集与处理技术．西安：西安交通大学出版社，2001：
【35】M．许华兹，L．肖。信号处理离散频谱分析、检测和估计．北京：科学出版社，1982
【36】李斌，奚锐锋。基于经典谱估计的提高频率分辨精度的理论和方法．武汉测绘科技大学学报，20(1)，1995：88—92．
【37】祁才君，张圣训。周期信号频谱分析应注意的问题，测控技术，18(4)，1999：52—54．
【38】李虹，熊昌仑。周期信号离散频谱的算法研究．测绘信息与工程，2，2000：11—13．
【39】郝重阳，赵荣椿。论频率分辨率与频率步长的关系以及数据添零对频谱的影响．西北工业大学学报，13(3)，1998：408—413．
【40】程正兴。数据拟合．西安：西安交通大学出版社，1986．赵林明，胡浩云，等．
【41】楼顺天，施阳。基于MATLAB的系统分析与设计—神经网络．西安：西安电子科技大学出版社，1999．
【42】吴新根，葛家理。关于BP算法的初步研究．小型微型计算机系统，15(1)，1994：42—45．
【43】梁鸿生，王新房，等。神经网络在电涡流板厚在线检测中的应用研究。西安理工大学学报。15(1)，1999：43—47．
【44】多层前向人工神经网络．郑州：黄河水利出版社，1999．
【45】潘吴，陈杰，等。BP神经网络结构与样本训练参数选取的初步探讨．湖北工学院，12(3)，1997：1—4．
【46】闻新，周露，等。MATLAB神经网络应用设计．北京：科学出版社，2001．
【47】丛爽。面向MATLAB工具箱的神经网络理论与应用．合肥：中国科学技术大学出版社，1998．
【48】焦李成。神经网络计算．西安：西安电子科技大学出版社，1995．
【49】梁晋文，陈林才，等。误差理论与数据处理．北京：中国计量出版社，2001．
【50】陆爽，韩连英，等。FFT方法谱估计时应考虑的误差．吉林工学院学报，17(9)，1996；22—25．
【51】刘君华。智能传感器系统．西安：西安电子科技大学出版社，1994．
【52】谭浩强。C程序设计．北京：清华大学出版社，1998．
【53】郁有文，常健。传感器原理及工程应用．西安：西安电子科技大学出版社，2000。
【54】戚海明，陈进，等。基于第三方DAQ的虚拟信号分析仪开发．
【55】刘君华。现代检测技术与测试系统设计。西安：西安交通大学出版社。2001，
【56】邱宽民，赵胜凯。DFT与FFT在实际应用时的性能比较．北方交通大学学报，24(5)，2000：60—62．
【57】汤晓君。汽缸内壁激光热处理条纹宽度与厚度的检测。西安理工大学硕士学位论文。2001．3．
【2】游凤荷。涡流检测技术的某些新进展．无损检测，23(2)，2001：70—73．
【3】刘德镇，刘瑛，等。远场涡流技术及国内外进展．山东工业大学学报，28(2)，1998：191—194．
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【6】卢奂采。虚拟仪器技术的发展及现状．自动化与仪表，22(11)，2001：1—3．
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【8】周箭。虚拟仪器及其技术研究．浙江大学学报，34(6)，2000：686—689．
【9】顾国华，陈钱，等。一种基于电涡流传感器的数据采集系统。光电子技术。17(3)，1997：170—176。
【10】丛华，张德魁，等。电涡流传感器温度温度性研究．清华大学学报，39(10)，1999：65—68．
【11】李友善。自动控制原理．北京：国防工业出版社，1997
【12】胡寿松。自动控制原理．北京：国防工业出版社，1997
【13】XiaoMei Pei, Hongsheng Liang. A Frequency Analysis Method For Eddy Current Nondestructive Testing. The First International Conference On Machine Learning And Cybernetics, Beijing, China, 2002:1194-1197
【14】程虎。从智能仪器到虚拟仪器—现代仪器的重大进展．现代科学仪器，1994(3)，1994：6—9．
【15】刘君华，白鹏，等。虚拟仪器编程语言LabWindOWS／CVI教程．北京：电子工业出版社，2001．
【16】孙欣。虚拟仪器—仪器仪表工业划时代的里程碑．煤矿自动化，1996 (3)，1996：27—29，
【17】PCI-8335 多功能数据采集板技术说明书．北京中泰研创科技有限公司，用户手册．
【18】Lab Windows/CVI Programmer Reference Manual, User Manual.
【19】Lab Windows/CVI Standard Libraries Reference Manual.
【20】Changting Wang, Robert X.Gao. IEEE Transaction On Instrumention And Measurement:A Virtual Instrumentation System for Integrated Bearing Condition Monitoring. Vol:49, Iss:2,2000:325-332.
【21】Getting started with Lab Windows/CVI, User Manual.
【22】Lab Windows/CVI Advanced Library Analysis Reference Manual.
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【24】Programmable Instruments, Virtual Instruments, and Distributed Measurement Systems. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. 1999:20-27.
【25】Automated Testing. IEEE Aerospace & Electronic Systems Magazine, Jubilee issue. 2000:125-130.
【26】Harold Goldberg, What is virtual Instrumentation? IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. 2000:10-13.
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【28】Kang Jitao, Gan Yadong. The Method of Developing Virtual Instrument Platform. IEEE. 2000:64-67．
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【35】M．许华兹，L．肖。信号处理离散频谱分析、检测和估计．北京：科学出版社，1982
【36】李斌，奚锐锋。基于经典谱估计的提高频率分辨精度的理论和方法．武汉测绘科技大学学报，20(1)，1995：88—92．
【37】祁才君，张圣训。周期信号频谱分析应注意的问题，测控技术，18(4)，1999：52—54．
【38】李虹，熊昌仑。周期信号离散频谱的算法研究．测绘信息与工程，2，2000：11—13．
【39】郝重阳，赵荣椿。论频率分辨率与频率步长的关系以及数据添零对频谱的影响．西北工业大学学报，13(3)，1998：408—413．
【40】程正兴。数据拟合．西安：西安交通大学出版社，1986．赵林明，胡浩云，等．
【41】楼顺天，施阳。基于MATLAB的系统分析与设计—神经网络．西安：西安电子科技大学出版社，1999．
【42】吴新根，葛家理。关于BP算法的初步研究．小型微型计算机系统，15(1)，1994：42—45．
【43】梁鸿生，王新房，等。神经网络在电涡流板厚在线检测中的应用研究。西安理工大学学报。15(1)，1999：43—47．
【44】多层前向人工神经网络．郑州：黄河水利出版社，1999．
【45】潘吴，陈杰，等。BP神经网络结构与样本训练参数选取的初步探讨．湖北工学院，12(3)，1997：1—4．
【46】闻新，周露，等。MATLAB神经网络应用设计．北京：科学出版社，2001．
【47】丛爽。面向MATLAB工具箱的神经网络理论与应用．合肥：中国科学技术大学出版社，1998．
【48】焦李成。神经网络计算．西安：西安电子科技大学出版社，1995．
【49】梁晋文，陈林才，等。误差理论与数据处理．北京：中国计量出版社，2001．
【50】陆爽，韩连英，等。FFT方法谱估计时应考虑的误差．吉林工学院学报，17(9)，1996；22—25．
【51】刘君华。智能传感器系统．西安：西安电子科技大学出版社，1994．
【52】谭浩强。C程序设计．北京：清华大学出版社，1998．
【53】郁有文，常健。传感器原理及工程应用．西安：西安电子科技大学出版社，2000。
【54】戚海明，陈进，等。基于第三方DAQ的虚拟信号分析仪开发．
【55】刘君华。现代检测技术与测试系统设计。西安：西安交通大学出版社。2001，
【56】邱宽民，赵胜凯。DFT与FFT在实际应用时的性能比较．北方交通大学学报，24(5)，2000：60—62．
【57】汤晓君。汽缸内壁激光热处理条纹宽度与厚度的检测。西安理工大学硕士学位论文。2001．3．