一种涡流热成像同步控制装置及方法与流程

本发明属于无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种涡流热成像同步控制装置及方法。

背景技术：

无损检测技术是控制产品质量、保证在役设备安全运行的重要手段。涡流热成像(ECT)将涡流与热成像技术结合，可实现大范围不同深度缺陷的快速检测，近年来在导体材料无损检测领域得到广泛的应用，成为分析导体材料失效原因的重要依据。涡流热成像主要方法包括脉冲涡流热成像和锁相涡流热成像，本发明可兼容两种热成像模式，并在脉冲涡流热成像(ECPT)技术上取得多项突破。

目前的ECT系统，如图1所示，由大功率功放(以下简称功放)(101)、激励线圈(102)、红外热像仪(103)、被测试件(104)和计算机(105)组成。采用主动激励方式，通过功放，将持续一定时间的强电流脉冲序列送入激励线圈，在被测对象表面感应出涡流热，通过红外热像仪对被测试件的加热前、加热、热传播、冷却等全部过程进行红外视频采集。目前的ECT系统，是通过手动方式来启动大功率功放和红外热像仪的视频采集。手动控制操作步骤如下：

(1)启动热成像仪的摄录；

(2)热成像仪启动后，延迟一段时间再手动按住功放运行按钮；

(3)松开功放运行按钮后停止加热；

(4)热像仪停止视频采集。

采用手动控制方式，存在3个主要问题：

(1)功放运行持续时间不确定，导致每次实验的加热时间不一致，实验重复性不一致；

(2)实验操作规程繁琐、自动化程度低,需要多人来配合,使得研究人员不能集中精力于实验结果分析上；

(3)功放加热被测对象与视频采集的延迟不固定，只能尽可能多的采集数据，无用帧数过多；当改变激励参数做对照处理时，需要对每批采集数据采用数据处理手段进行同步处理，影响实验的客观性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种涡流热成像同步控制装置及方法，在实现ECT系统的自动控制的同时，还提高实验的可重复性和客观性。

为实现上述发明目的，本发明一种涡流热成像同步控制装置，其特征在于，包括同步控制模块和涡流热成像ECT同步控制软件；

所述的同步控制模块包括同步控制器、功放控制接口、红外热像仪控制接口和计算机接口；

其中，同步控制器，分别与功放、红外热像仪的远程同步接口及计算机电气性相连，根据计算机指令和参数设置，产生功放、红外热像仪的同步控制脉冲信号，功放同步控制脉冲信号用于控制功放的运行，红外热像仪同步控制脉冲信号利用其上升沿为红外热像仪的运行提供触发信号；

功放控制接口，采用固态继电器，一端与同步控制器相连，另一端通过双绞线与功放上的远程同步接口相连，用于同步控制器的脉冲输出信号与功放之间的电气隔离与开关控制；

红外热像仪控制接口，采用施密特触发器，一端与同步控制器相连，另一端通过双绞线与红外热像仪上的远程同步接口相连，用于输出波形的整形，抑制噪声干扰，提供良好的脉冲上升沿控制红外热像仪的同步运行；

计算机接口，采用USB控制器，用于同步控制模块与计算机之间的通信；

所述的ECT同步控制软件通过同步控制模块产生功放、红外热像仪的远程同步控制脉冲信号，用于同步控制功放、红外热像仪的运行。

进一步的，所述的同步控制器，采用CPLD和SOPC技术实现，包括：

一同步脉冲发生器，包括系统延迟计数器、相对延迟计数器、加热周期计数器、加热次数计数器、有限状态机，及功放同步脉冲缓冲器和红外热像仪同步脉冲缓冲器，其中，有限状态机根据计算机的复位、运行指令及同步参数寄存器组的值进行初始化和运行，产生功放和热像仪的同步控制脉冲信号；

一同步参数寄存器组，包括系统延时、相对延迟、单次加热时间、加热周期、加热次数寄存器，用于同步脉冲发生器的初始化和运行；

一时钟管理单元，为同步脉冲发生器、USB控制器分别提供工作时钟。

更进一步的，所述的ECT同步控制软件，包括同步参数设置、控制与显示功能；参数设置包括功放和红外热像仪的同步控制参数，其中，功放的同步控制参数设置包括系统延时、相对延迟、单次加热时间、加热周期、加热次数等参数的设置；控制与显示功能包括将功放与红外热像仪的同步控制参数与指令通过USB通信接口发送给同步控制模块，并在计算机上实时显示输出的脉冲控制信号。

其中，所述的相对延迟用于控制红外热像仪的运行领先于功放运行的时间，使得红外热像仪能完整记录被测对象从未加热、加热及热传播、冷却的全部过程。

本发明还提供一种利用涡流热成像同步控制装置进行同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、在计算机上安装本发明的ECT同步控制软件；

2)、将同步控制模块的计算机接口通过USB接口连接到计算机，将同步控制模块的功放控制接口、红外热像仪控制接口分别通过双绞线连接到功放、红外热像仪的远程控制接口；完成后，执行步骤3)；

3)、在红外热像仪数据采集软件上设定触发模式为外部触发，根据加热总时间，设置红外热像仪视频采集时间；完成后，执行步骤4)；

4)、打开ECT同步控制软件，设置系统延时、相对延迟、单次加热时间、加热周期、加热次数等同步脉冲参数；完成后，执行步骤5)；

5)、在ECT同步控制软件上点击启动ECT按钮，软件后台依序将复位指令、同步控制参数、启动指令通过USB发送到同步控制模块；完成后，执行步骤6)；

6)、同步控制模块接收到复位指令后，将同步参数寄存器组和各计数器初始化为0；将接收到的同步控制参数后，对同步参数寄存器组和各计数器进行初始化，再执行步骤7)；

7)、同步控制器接收到启动指令后，系统延迟计数器开始计数，如果系统延迟计数器的数值等于系统延迟参数时停止计数，并有效sys_delay_expired信号；完成后，执行步骤8)；

8)、同步控制器在sys_delay_expired有效时，红外热像仪同步脉冲缓冲器的输出信号为1，同步控制模块的红外热像仪控制接口产生阶跃信号，经双绞线远程启动红外热像仪的运行；同时相对延迟计数器开始计数，如果相对延迟计数器的数值达到相对延迟参数值，相对延迟计数器停止计数并保持，有效PA_delay_expired信号；完成后，执行步骤9)；

9)、同步控制器在PA_delay_expired有效时，加热周期计数器开始计数，当计数器的数值小于单次加热时间时，有效PA_going信号，功放同步脉冲缓冲器的输出为1，此时，同步控制模块的功放控制接口的开关连通，启动功放输出；当加热周期计数器的数值大于等于单次加热时间或等于0时，无效PA_going信号，功放同步脉冲缓冲器的输出为0，此时，同步控制模块的功放控制接口的开关关断，功放停止输出；当加热周期计数器的计数值等于加热周期时，计数器停止计数，有效PA_cyc_expired信号；完成后，执行步骤10)；

10)、同步控制器在PA_cyc_expired有效时，将加热次数计数器加1，如果加热次数计数器小于加热次数寄存器的值，有效sys_going信号，执行步骤8)；如果加热次数计数器等于加热次数寄存器的值，加热次数计数器停止计数，信号sys_going无效，执行步骤11)；

11)、同步控制器在sys_going无效时，复位红外热像仪同步脉冲缓冲器，使其输出信号为0；执行步骤12)；

12)、操作人员通过红外热像仪数据采集软件观察实验过程，如果需要不调整参数进行重新实验，则执行步骤5)；如果需要调整参数重新实验，执行步骤4)；如果做完实验，关闭相关设备。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种涡流热成像同步控制装置及方法，包括同步控制模块和涡流热成像同步控制软件；其中同步控制模块包括同步控制器、功放控制接口、红外热像仪控制接口、USB控制器等单元；同步控制模块通过USB总线与计算机相连，通过功放控制接口、红外热像仪控制接口分别与功放、红外热像仪的远程同步接口电气性相连，涡流热成像同步控制软件经由USB总线通信，利用控制同步控制模块控制功放控制接口和红外热像仪控制接口，使功放、红外热像仪有序运行；本发明利用同步控制装置控制功放和红外热像仪的运行，使得红外热像仪对被测对象的加热前、加热及传播、冷却全过程能够进行自动采集、定时和同步，有效提高涡流热成像系统的自动化程度，同时使得实验具有可重复性、客观性。

同时，本发明多通道脑电信号中下颌干扰的自动去除方法还具有以下有益效果：

(1)、计算机通过ECT同步控制装置来控制ECT中的功放和红外热像仪的运行；

(2)、系统延时、相对延迟、单次加热时间、加热周期的精度为1毫秒，能精确控制ECT系统功放的加热时间、加热周期、加热次数；

(3)、相对延迟的精度为1ms，能准确控制功放输出和红外热像仪记录的相对延迟；

(4)、发明的以上特征克服了传统ECT系统的不足，能够有效记录被测对象加热前、加热及热传播、冷却等整个过程，重复性实验数据具有一致性，给数据处理带来了方便；提升了ECT系统的自动化水平、节约了人力，使得研究人员能够关注于实验设计和数据分析，系统的运行效率大为提高。

附图说明

图1是现有涡流热成像同步控制装置原理图；

图2是同步控制模块的一种具体结构实例图；

图3是图2所示的同步控制器的一种具体结构图；

图4是图3所示的同步控制器的一种具体运行流程图；

图5是使用本发明涡流热成像同步控制装置的实施例测试图；

图6是本发明的同步控制软件执行单次加热实验的运行图；

图7是本发明的同步控制软件执行多次周期性加热的运行图；

图8(a)手动操作的ECT系统的被测标准试件加热过程温度变化曲线图；

图8(b)使用本发明的同步控制装置的ECT系统的被测标准试件加热过程温度变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图2是同步控制模块的一种具体结构实例图。

本发明提供了一种连接ECT的红外热成像仪、功放和计算机的涡流热成像同步控制装置，该装置包括同步控制模块和安装ECT同步控制软的计算机。

其中，如图2所示，该同步控制模块20由同步控制器201、功放控制接口202、热像仪同步控制接口203、计算机接口204组成。功放控制接口202采用一个小型高速固态继电器，继电器的2个端子引出为BNC接口，用于通过双绞线连接到功放的远程控制接口，当同步控制器输出功放运行信号时，固态继电器的开关处于开状态，热像仪同步控制接口203采用一个施密特触发器，用于输出波形的整形，抑制噪声干扰，提供良好的脉冲上升沿，输出的信号引出为BNC接口，通过双绞线送给红外热像仪的远程控制接口；计算机接口204采用USB控制器通过USB接口与计算机相连，计算机通过USB接口发送指令和数据给同步控制器。

ECT同步控制软件，包括同步参数设置、控制与显示功能；参数设置包括功放和红外热像仪的同步控制参数，其中，功放的同步控制参数设置包括系统延时、相对延迟、单次加热时间、加热周期、加热次数等参数的设置；控制与显示功能包括将功放与红外热像仪的同步控制参数与指令通过USB通信接口发送给同步控制模块，并在计算机上实时显示输出的脉冲控制信号。

在本实施例中，相对延迟用于控制红外热像仪的运行领先于功放运行的时间，使得红外热像仪能完整记录被测对象从未加热、加热及热传播、冷却的全部过程。

图3是图2所示的同步控制器的一种具体结构图。

本实施例采用CPLD和SOPC技术来实现，同步控制器30包括时钟管理单元、同步脉冲发生器301、同步参数寄存器组等单元。其中，时钟管理单元由晶振驱动，为同步脉冲发生器提供毫秒时钟信号Clk_ms，为USB控制器提供时钟信号USB_Clk；同步参数寄存器组包括系统延迟、功放输出相对延迟、单次加热时间、加热周期、加热次数等参数寄存器；同步脉冲发生器包括系统延迟计数器、相对延迟计数器、加热周期计数器、加热次数计数器、有限状态机、功放同步脉冲缓冲器3011、红外热像仪同步缓冲器3012等单元；系统延迟计数器的输出信号为sys_delay_expired3013，相对延迟计数器的输出信号为PA_delay_expired3014，加热周期计数器的输出信号为PA_going3015和PA_cyc_expired3016，加热次数计数器的输出信号为sys_going3017。

图4是图3所示的同步控制器的一种具体运行流程图。

涡流热成像同步控制装置的硬件电路连接完成后，同步控制器的运行步骤如下：

4.1)ECT同步控制软件设置同步参数，按下启动按钮，软件通过USB总线将复位指令、同步控制参数(如：功放输出相对延迟、单次加热时间、加热周期、加热次数)、启动指令等通过USB发送到同步控制模块；

4.2)同步控制模块通过Data bus、Ctrl bus总线将上述指令和参数发送到同步控制器，由同步控制器的状态机控制同步控制器的运行。当同步控制器接收到复位指令时，将控制器内的所有寄存器、计数器和缓冲器进行复位，根据接收到的同步参数，对同步参数寄存器组进行初始化；执行步骤4.3)；

4.3)同步控制器接收到启动ECT指令后，系统延迟计数器开始计数，当该计数器达到系统延迟寄存器值时停止计数，并有效sys_delay_expired信号；执行步骤4.4)；

4.4)状态机接收到sys_delay_expired信号为有效时，使得红外热像仪同步脉冲缓冲器的输出为1，同时启动相对延迟计数器；当相对延迟计数器为相对延迟寄存器的值时停止计数，并有效PA_delay_expired信号，完成后，执行步骤4.5)；

4.5)状态机在PA_delay_expired有效时，加热周期计数器开始计数，当计数器的数值大于0且小于单次加热时间时，有效PA_going信号，功放同步脉冲缓冲器的输出为1；当加热周期计数器的数值大于单次加热时间时或等于0时，无效PA_going信号，功放同步脉冲缓冲器的输出为0；当加热周期计数器的计数值等于加热周期时，计数器停止计数，有效PA_cyc_expired信号；完成后，执行步骤4.6)；

4.6)状态机在PA_cyc_expired有效时，将加热次数计数器加1，如果加热次数计数器小于加热次数寄存器的值，有效sys_going信号，执行步骤4.5)；如果加热次数计数器等于加热次数寄存器的值，加热次数计数器停止计数，无效sys_going信号，执行步骤4.7)；

4.7)状态机在sys_going无效时，复位红外热像仪同步脉冲缓冲器，使其输出信号为0；执行步骤4.8)；

4.8)同步控制器待命。

在本实施例中，其中，有效和无效为：

在数字逻辑电路设计中，数字逻辑有正逻辑与负逻辑的描述方式，如高电平复位或低电平复位，高电平置位或低电平置位；本发明不作正或负逻辑的限定，以有效XXX信号，表示使XXX信号的状态为有效，以无效XXX信号，表示使XXX信号的状态为无效。

图5是使用本发明涡流热成像同步控制装置的实施例测试图；

该系统包括功放501、本发明的同步控制模块502、红外热像仪503、金属或符合材料被测对象504、激励线圈505、计算机506。同步控制模块通过USB总线与计算机相连，通过双绞线5010与功放的远程控制接口相连，通过双绞线5011与红外热像仪的远程控制接口相连。在对被测对象的缺陷进行检测时，计算机通过同步控制软件将同步参数、启动指令通过USB总线发送给同步控制模块，同步控制模块通过其功放控制接口、红外热像仪控制接口，分别对功放、红外热像仪的运行进行控制。在软件发出启动指令后，延迟一定时间(由同步软件设定的系统延迟参数决定)，红外热像仪开始运行，然后再等待一定时间(由同步软件设定的相对延迟参数决定)，同步控制模块启动功放输出功率，与功放功率输出端口相连的激励线圈在被测对象表面和亚表面产生涡流热，按程序设定进行单次加热或周期性多次加热，在这个过程中红外热像仪连续将摄录的被测对象表面的热图视频传输到电脑，在功放停止运行后，红外热像仪根据其软件设定的记录时间自动或手动停止运行，该系统使得红外热像仪能精确记录系统对被测对象的加热前、加热过程、冷却的全过程，由于加热前、单次加热或多次加热、冷却的时间精确到1毫秒，功放的功率输出和热像仪的记录同步的精度为1毫秒，实验过程自动化程度高，重复实验的数据一致性也得到了保证。

图6是本发明的同步控制软件执行单次加热实验的运行图。

在开始ECT实验前，对同步控制软件的同步参数设置栏进行设置，如将系统延迟设定为2400ms，相对延迟设定为180ms，加热时间设定位200ms，加热周期设定为400ms，加热周期设定为1次(即单次)。设定后，按动启动按钮，可以观察到在2400ms时输出第1路脉冲，这个是红外热像仪的启动脉冲，本实施例中的红外热像仪在脉冲的上升沿开始启动；延迟180ms后，即2580ms时输出第2路脉冲，这个脉冲是用于控制功放的输出，脉宽为200ms(表示功放的功率输出持续时间，即ECT的单次加热时间)；在3200ms时，第1路脉冲输出为0(红外热像仪的记录由红外热像仪的软件设定记录时间自动停止)。

图7是本发明的同步控制软件执行多次周期性加热的运行图。

在开始ECT实验前，对同步控制软件的同步参数设置栏进行设置，如将系统延迟设定为2400ms，相对延迟设定为180ms，加热时间设定位200ms，加热周期设定为3次。设定后，按动启动按钮，可以观察到在2400ms时输出第1路脉冲，上升沿启动红外热像仪的记录；延迟180ms后，即2580ms时输出第2路脉冲，这个脉冲用于控制功放的输出，脉宽为200ms，周期为400ms，连续输出3次。

图8(a)是手动操作的ECT系统的被测标准试件加热过程温度变化曲线图；

图8(b)是使用本发明的同步控制装置的ECT系统的被测标准试件加热过

程温度变化曲线图。

2种实验装置采用同一个带缺陷的标准试件，每种实验装置分别针对无缺陷和有缺陷位置各进行1次实验，手动操作的ECT系统，需要2个操作人员分别负责功放和热像仪的手动启动，由于加热相对于红外热像仪记录的时间不确定，为了能够将有缺陷和无缺陷的实验数据进行对照，采集数据可能多达1500多帧，且每次实验帧数不固定，如图8(a)所示，为了能够对每次的实验数据进行对照，需要通过数据处理手段来对实验数据进行同步处理，由于每次实验的加热时间不确定，因而每次实验的温度曲线也不同。图8(b)是使用本发明的同步控制装置的ECT系统，只需要一个操作人员通过同步控制软件来操作，同样的有效实验数据，仅需要采集600多帧的数据，且每次实验数据的帧数相同，如果激励参数没有改变，则每次的温度曲线是相同的，并且可以选择不同的激励参数以获得更好的实验效果；由于每次实验的数据采集是同步的，因此不需要对重复实验数据进行同步处理，确保了实验的可重复性和客观性，同时也节约了人力。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。