基于FPGA和LabVIEW的超聲波螺栓應(yīng)力測量系統(tǒng)設(shè)計

甘文成，王雪梅，倪文波，劉家斌

(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610031)

0 引言

螺栓在連接處起著強化密封的作用，螺栓軸向應(yīng)力大小直接影響著結(jié)構(gòu)或設(shè)備的性能與質(zhì)量，因此，科學(xué)準(zhǔn)確地對螺栓軸向應(yīng)力大小進行測量，對于保障產(chǎn)品或設(shè)備的正常運行和安全使用具有十分重要的意義。目前，用于螺栓軸向應(yīng)力或連接松緊狀態(tài)測量的經(jīng)典方法主要有：應(yīng)變式測試法、扭矩扳手法和光測力學(xué)法等，但都具有一定局限性，在很多實際工況中難以實現(xiàn)或獲得高的測量精度[1-3]。20世紀(jì)50年代，隨著聲彈性理論的提出[4-5]，各國學(xué)者開展了大量有關(guān)聲彈性現(xiàn)象的應(yīng)用研究工作[6-11]。

聲彈性理論是指彈性波在有應(yīng)力的固體材料中的傳播速度，不僅取決于材料的彈性常數(shù)和密度，還和應(yīng)力有關(guān)。這種聲速與應(yīng)力之間的關(guān)系稱為“聲彈性效應(yīng)”。在螺栓連接應(yīng)力的測量中，應(yīng)力的變化引起超聲波速度變化，從而引起超聲波渡越時間(time-of- flight，TOF)的變化。渡越時間是指超聲波沿螺栓軸向傳播的往返時間。通過測量TOF，便可間接測量螺栓的軸向應(yīng)力大小。本文基于聲彈性效應(yīng)，使用現(xiàn)場可編程門陣列 (field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)和基于PC機的LabVIEW虛擬儀器處理平臺建立超聲波螺栓應(yīng)力測量系統(tǒng)。

1 超聲波螺栓應(yīng)力測量原理

基于聲彈性效應(yīng)的超聲縱波螺栓應(yīng)力測量原理如圖1所示。測量時，將超聲縱波直探頭置于螺栓端面。L0為螺栓未受應(yīng)力時的總長度，mm；L1和Lσ分別為螺栓有效受力區(qū)間內(nèi)未受應(yīng)力時的長度和受應(yīng)力σ后的長度，mm；L2為螺栓不受應(yīng)力的區(qū)間長度,mm。

螺栓在使用時，將其緊固應(yīng)力視為單軸均勻拉伸應(yīng)力，考慮胡克定律和聲彈性效應(yīng)的綜合影響，在被測螺栓材料的彈性極限范圍內(nèi)，一方面應(yīng)力與應(yīng)變成正比；另一方面超聲波在螺栓內(nèi)沿軸向傳播速度與所受應(yīng)力相關(guān)[12]。分析可得螺栓所受軸向應(yīng)力與超聲縱波沿軸向傳播的時間具有以下關(guān)系：

F=K(Tσ-T0)

(1)

式中：F為螺栓所受應(yīng)力，MPa；K為標(biāo)定系數(shù)，可通過標(biāo)定實驗獲得；T0為螺栓應(yīng)力為零時的縱波渡越時間，ns；Tσ為螺栓在應(yīng)力狀態(tài)下的縱波渡越時間，ns。

可見，若標(biāo)定系數(shù)K已通過標(biāo)定實驗得到，在實際應(yīng)用時，只需測量得到超聲縱波在螺栓應(yīng)力為0時的渡越時間T0以及有應(yīng)力作用時的渡越時間Tσ，就可以計算出對應(yīng)的螺栓應(yīng)力大小，實現(xiàn)螺栓連接應(yīng)力的測量。

2 超聲波螺栓應(yīng)力測量系統(tǒng)總體設(shè)計方案

基于FPGA和PC機LabVIEW虛擬儀器處理平臺建立了如圖2所示的超聲波螺栓應(yīng)力測量系統(tǒng)。整個測量系統(tǒng)由基于FPGA的超聲信號檢測及傳輸控制模塊與基于PC機LabVIEW的信號處理模塊兩部分組成。前者以FPGA為核心，主要實現(xiàn)超聲信號的激勵、回波信號的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換和采集以及數(shù)據(jù)的千兆以太網(wǎng)傳輸控制等功能?；贚abVIEW的信號處理模塊對FPGA傳輸來的超聲波信號進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，測量得到超聲波渡越時間，進而計算出螺栓應(yīng)力大小并進行顯示。

圖2 螺栓應(yīng)力測量系統(tǒng)總體框圖

3 基于FPGA的超聲信號檢測及傳輸控制模塊設(shè)計

3.1 FPGA模塊

FPGA是硬件電路的中樞，本測量系統(tǒng)采用Cyclone IV系列EP4CE15F23C8器件。該器件的邏輯單元達到15 408個，在實現(xiàn)低功耗和低成本的同時，能夠滿足所建立系統(tǒng)的要求。FPGA的寄存器轉(zhuǎn)換級電路(register transfer level，RTL)原理圖如圖3所示，主要完成高速數(shù)據(jù)采集、傳輸和超聲激勵等的邏輯控制。

圖3 FPGA的RTL原理圖

3.2 超聲激勵信號產(chǎn)生模塊

傳統(tǒng)的超聲激勵方法多采用模擬RC放電回路產(chǎn)生高電壓的窄脈沖信號對超聲探頭進行激勵，存在脈沖寬度較寬、不易控制等問題，為了更加靈活有效地對探頭進行激勵，本文設(shè)計了利用FPGA進行控制的超聲激勵信號產(chǎn)生電路模塊。由FPGA輸出1～5個周期的2路反向脈沖信號(如圖4所示)，該脈沖信號的頻率與所用超聲探頭的中心頻率一致。MD1213是1個高速雙路MOSFET柵極驅(qū)動器，利用它將TTL電平脈沖信號轉(zhuǎn)換成強電流信號進而驅(qū)動雙路高壓MOSFET晶體管TC6320。TC6320在電路中起到對高頻脈沖信號電壓放大的作用，其擊穿電壓為200 V，輸出峰值電流可達2 A。通過TC6320，激勵電路可產(chǎn)生峰峰值高達200 V的高電壓超聲激勵脈沖(如圖5所示)。通過FPGA可靈活控制、調(diào)整激勵脈沖個數(shù)和頻率，以適應(yīng)不同中心頻率探頭和被測螺栓長度的要求。

圖4 FPGA輸出的2路反向脈沖信號

圖5 峰峰值200 V的超聲激勵脈沖信號

3.3 超聲回波信號的采樣控制模塊

在螺栓應(yīng)力測量中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率越高，時間測量精度越高，應(yīng)力測量精度也隨之提升，但對硬件的要求也越高。系統(tǒng)選用的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9226，可實現(xiàn)50 Msps的轉(zhuǎn)換率，采樣時間間隔為20 ns，時間測量不確定度約為10 ns，根據(jù)標(biāo)定實驗所得的靈敏度系數(shù)K=1.180 6 MPa/ns[13]，應(yīng)力測量的不確定度約為12 MPa。為了在現(xiàn)有硬件條件下，提高應(yīng)力測量精度，考慮被測超聲回波信號具有周期性的特點，系統(tǒng)以FPGA為核心，使用“等效時間采樣法”對被測超聲信號進行采樣控制[14]。FPGA輸出2路反相的50 MHz采樣時鐘，分別控制采樣。2路采集信號相位相差180°，緩存于FPGA的FIFO中。最后在PC機中完成2路采集數(shù)據(jù)的拼接、信號重構(gòu)。拼接后的數(shù)據(jù)等效采樣頻率達到100 MHz，采樣時間間隔為10 ns，應(yīng)力測量準(zhǔn)確度提高1倍，不確定度約為6 MPa。

3.4 超聲波信號的傳輸模塊

為了對采集得到的超聲回波數(shù)據(jù)進行進一步處理、顯示，構(gòu)建良好的人機交互界面，在FPGA的控制下，把采集數(shù)據(jù)通過千兆以太網(wǎng)傳輸?shù)絇C機中。系統(tǒng)采用UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。FPGA主要完成數(shù)據(jù)的打包控制，依次對MAC幀頭、IP包頭、UDP包頭、FIFO中緩存的超聲波數(shù)據(jù)以及CRC校驗碼進行配置，進而通過千兆媒體獨立接口(gigabit medium independent interface，GMII)實現(xiàn)與物理層驅(qū)動芯片RTL8211EG的數(shù)據(jù)通信。該芯片可以實現(xiàn)1 000 Mbit/s的傳輸速率，能夠?qū)⒋虬鼣?shù)據(jù)實時傳輸至PC機端。

4 基于LabVIEW的應(yīng)用程序設(shè)計

PC機利用虛擬儀器平臺LabVIEW實現(xiàn)對FPGA上傳的超聲數(shù)據(jù)的接收與處理，程序流程圖如圖6所示。

圖6 PC機程序流程圖

4.1 數(shù)據(jù)接收模塊

LabVIEW數(shù)據(jù)接收模塊基于WinPcap模塊對數(shù)據(jù)進行接收。WinPcap模塊不間斷地對PC機上的各個適配器進行檢測，在檢測到某個適配器有數(shù)據(jù)傳來后，自動地將數(shù)據(jù)包抓取出來。接收模塊程序如圖7所示，每次循環(huán)，程序會抓取1幀數(shù)據(jù)包，其為長度512字節(jié)的十六進制字符串。當(dāng)抓取的字符串總長度等于存儲超聲波數(shù)據(jù)的FIFO的深度時，本次循環(huán)停止，接收到的超聲波數(shù)據(jù)被送入數(shù)據(jù)處理模塊。

圖7 LabVIEW接收模塊程序

4.2 數(shù)據(jù)處理模塊

采用等效時間采樣法對超聲回波信號進行采集和拼接處理，等效采樣率提高為100 MHz，螺栓應(yīng)力測量不確定度約為6 MPa。為了進一步提高螺栓應(yīng)力測量精度，LabVIEW數(shù)據(jù)處理模塊對拼接數(shù)據(jù)進一步進行了三次樣條插值處理。三次樣條插值(cubic spline interpolation)簡稱Spline插值，是為了獲得光滑曲線的一種插值方法。數(shù)學(xué)上通過求解三彎矩方程組得到連接2個采樣點之間的光滑曲線。LabVIEW內(nèi)置的樣條插值子VI可根據(jù)求解所得的曲線方程在每2點之間插入一定數(shù)量的點?？紤]到采集所得的數(shù)據(jù)本身存在誤差，插入過多的點沒有意義，因此本文在每2點中插入4點。如圖8所示是數(shù)據(jù)處理模塊對1組超聲回波信號的處理結(jié)果，處理后的數(shù)據(jù)每2點之間時間間隔為2 ns，相應(yīng)的螺栓應(yīng)力測量的不確定度約為1.2 MPa。對多周期的信號進行平均處理，可以進一步減小隨機誤差。系統(tǒng)計算出10組TOF，求其平均值，根據(jù)標(biāo)定所得的靈敏度系數(shù)計算螺栓所受軸向應(yīng)力大小。

圖8 超聲回波信號分析處理結(jié)果

5 系統(tǒng)測試

為了驗證所建立系統(tǒng)的有效性，本文使用1個中心頻率為5 MHz的超聲探頭對一個M10的8.8級碳鋼螺栓進行超聲應(yīng)力實際測量。分別在未施加載荷與施加一定載荷的狀態(tài)下對螺栓進行測量，如表1所示是最終應(yīng)力測量結(jié)果，如圖9所示是在載荷狀態(tài)下PC機虛擬儀器處理平臺的人機交互界面的顯示結(jié)果。結(jié)果顯示，所搭建系統(tǒng)成功實現(xiàn)了對螺栓軸向應(yīng)力的測量。

表1 螺栓軸向應(yīng)力測量結(jié)果

圖9 基于PC機虛擬儀器處理平臺的人機交互界面

6 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)螺栓應(yīng)力測量方法的局限性，基于聲彈性效應(yīng)建立了超聲螺栓軸向應(yīng)力測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)的下位機部分以FPGA為核心，在FPGA的控制下能靈活產(chǎn)生不同頻率、不同周期數(shù)的高電壓超聲激勵脈沖信號，以適應(yīng)不同探頭和類型螺栓對激勵信號的要求。同時實現(xiàn)了基于FPGA的超聲回波信號高速采集與實時傳輸控制。上位機基于虛擬儀器處理平臺LabVIEW實現(xiàn)對FPGA上傳超聲數(shù)據(jù)的可靠接收，并根據(jù)標(biāo)定所得靈敏度系數(shù)實時計算出螺栓軸向應(yīng)力大小。針對超聲波螺栓應(yīng)力測量中超聲回波信號具有周期重復(fù)的特征，系統(tǒng)綜合應(yīng)用等效時間采樣法、三次樣條插值法和平均值法，提高了螺栓軸向應(yīng)力的測量精度。試驗結(jié)果表明，所建系統(tǒng)能夠成功實現(xiàn)對螺栓軸向應(yīng)力的測量，應(yīng)力測量不確定度約為1.2 MPa。