林 洋，王 平，吳 杰，李 東，焦 婷

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引 言

我國(guó)鐵路建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，尤其在高速鐵路建設(shè)方面，無(wú)縫鋼軌得到了廣泛應(yīng)用，這就對(duì)鋼軌的可靠性和平穩(wěn)性有了很高的要求。又因?yàn)殍F路交通事故的不斷發(fā)生，研究鋼軌應(yīng)力又有著重要的實(shí)際意義。由此可見，對(duì)于鋼軌應(yīng)力的檢測(cè)和分析至關(guān)重要。

目前檢測(cè)應(yīng)力的方法有磁巴克豪森噪聲法、金屬磁記憶法、漏磁法、渦流檢測(cè)法、X射線法、電阻應(yīng)變片法，盲孔法等[1]。綜合比較它們的原理、使用范圍和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，巴克豪森噪聲檢測(cè)技術(shù)在鐵磁材料的應(yīng)力檢測(cè)中有較大的優(yōu)勢(shì)，它是用鐵磁性材料在磁化的過(guò)程中發(fā)生磁疇翻轉(zhuǎn)這一原理而測(cè)量的，通過(guò)鐵磁材料表面的檢測(cè)線圈提取巴克豪森噪聲（MBN）信號(hào)值，因此能夠?qū)﹁F磁材料構(gòu)件的應(yīng)力、殘余應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，從而對(duì)鐵磁性材料疲勞失效及壽命評(píng)估進(jìn)行有效診斷[2]。因此結(jié)合鋼軌本身的特點(diǎn)，可以采用巴克豪森噪聲方法來(lái)檢測(cè)鋼軌的應(yīng)力。

所設(shè)計(jì)的巴克毫森噪聲應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備的整體系統(tǒng)是由激勵(lì)磁化電路、傳感器探頭、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集系統(tǒng)等組成。通過(guò)對(duì)巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)的特征值分析，再對(duì)應(yīng)力值進(jìn)行標(biāo)定，能夠精確測(cè)量鐵軌某點(diǎn)處的應(yīng)力值。

1 巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)的理論基礎(chǔ)

1.1 MBN檢測(cè)原理

磁場(chǎng)中的物質(zhì)由于受磁場(chǎng)的作用而表現(xiàn)出一定的磁性，這種現(xiàn)象就稱之為磁化，磁化過(guò)程如圖1所示。

圖1 磁化過(guò)程

巴克豪森效應(yīng)是德國(guó)Dresden大學(xué)巴克豪森（Barkhausen）教授于1919年發(fā)現(xiàn)的。鐵磁性材料內(nèi)部存在著許多微小的不同取向的磁疇。在無(wú)外界因素作用下，每個(gè)磁疇沿其易極化的結(jié)晶方向取向，其總體磁化效果為零，對(duì)外不顯磁性。當(dāng)有外加交變磁場(chǎng)或應(yīng)力作用時(shí)，磁疇沿其作用方向發(fā)生90°或180°反轉(zhuǎn)或磁疇壁移動(dòng)，導(dǎo)致磁疇呈現(xiàn)一定規(guī)則的取向，這種磁疇變化過(guò)程使材料內(nèi)部產(chǎn)生一系列突變、階躍式的跳躍脈沖信號(hào)，即巴克豪森信號(hào)。這種磁化過(guò)程中的跳躍現(xiàn)象稱為巴克豪森效應(yīng)，每次巴克豪森跳躍會(huì)在鐵磁材料表面的探測(cè)線中接受到一定功率譜分布的微弱電信號(hào)噪聲，稱為巴克豪森噪聲（MBN）[3]。

磁化曲線表征的是鐵磁物質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下所具有的磁化規(guī)律，在外磁場(chǎng)的作用下鐵磁性材料會(huì)發(fā)生磁化，當(dāng)達(dá)到飽和之后，去掉外加磁場(chǎng)，鐵磁質(zhì)的磁化狀態(tài)并不恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，當(dāng)磁化場(chǎng)在正負(fù)兩個(gè)方向上往復(fù)變化時(shí)，介質(zhì)的磁化過(guò)程經(jīng)歷著一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，從而形成了磁滯回線[4]。MBN信號(hào)出現(xiàn)在磁滯回線的最陡階段（如圖2所示），以電壓的形式產(chǎn)生一種脈沖噪聲。

1.2 提取巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)的特征值

通常提取巴克豪森信號(hào)的平均值、均方根、包絡(luò)線、振鈴數(shù)、峰寬比這5種特征值來(lái)反映巴克豪森信號(hào)應(yīng)力和微觀組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，從而對(duì)材料受應(yīng)力的情況和疲勞損傷的程度做出估計(jì)[5]。

圖2 磁滯回線與MBN信號(hào)

（1）平均值。一個(gè)磁化周期中所有MBN信號(hào)被濾波后所形成包絡(luò)線的幅值電壓。

（2）均方根。噪聲的強(qiáng)度通常采用均方根值來(lái)表示，即表征的是噪聲的能量[6]。

（3）包絡(luò)線。指激勵(lì)信號(hào)上升周期或下降周期內(nèi)一個(gè)MBN信號(hào)的輪廓。

（4）振鈴數(shù)。在一個(gè)達(dá)飽和磁化的周期中產(chǎn)生的幅值大于某一閾值的振鈴個(gè)數(shù)，其值與閾值大小有關(guān)。

（5）峰寬比。包絡(luò)線峰值與半高全寬之比簡(jiǎn)稱為峰寬比。

2 巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備

2.1 巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備的硬件功能介紹

設(shè)備主要包括傳感器檢測(cè)探頭、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等，設(shè)備整體框架如圖3所示。

圖3 設(shè)備整體框架

2.1.1 激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊

激勵(lì)發(fā)生模塊用于產(chǎn)生0～12.5MHz，Vp-p0-6V的正弦波。調(diào)節(jié)分辨率為4.6mV，整體框架如圖4所示。

DDS是由AD9833搭建而成。AD9833是可編程波形發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波輸出。AD9833無(wú)需外接元件，輸出頻率和相位都可通過(guò)軟件編程,易于調(diào)節(jié),頻率寄存器是28位的,主頻時(shí)鐘為25MHz時(shí)，準(zhǔn)確度為0.1Hz，主頻時(shí)鐘為1MHz時(shí)，準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.004Hz?？梢酝ㄟ^(guò)3個(gè)串行接口將數(shù)據(jù)寫入AD9833，這3個(gè)串口的最高工作頻率可以達(dá)到40MHz，易于與DSP和各種主流微控制器兼容。AD9833的工作電壓范圍為2.3～5.5V。

圖4 激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊框架

圖5 檢測(cè)探頭框架

數(shù)字電位計(jì)是由芯片AD7376構(gòu)成。AD7376是128位數(shù)字電位計(jì)，可以±5V～±15V雙電源供電。這款器件使用3線制SPI進(jìn)行控制，可以用作可編程電阻或電阻分壓器。它可實(shí)現(xiàn)與機(jī)械電位計(jì)、可變電阻及調(diào)整器相同的電子調(diào)整功能，而且具有增強(qiáng)的分辨率、固態(tài)可靠性和可編程能力。這款器件采用數(shù)字控制而不是手動(dòng)控制，允許靈活布局，并能進(jìn)行閉環(huán)動(dòng)態(tài)控制。

2.1.2 檢測(cè)探頭

檢測(cè)探頭部分主要包括激勵(lì)線圈即磁化線圈、U型磁軛、磁敏傳感器。磁化線圈采用局部磁化的方式，繞制在U型磁軛上的激勵(lì)線圈通以交變電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)鐵磁材料進(jìn)行磁化。如圖5所示。

2.1.3 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)的調(diào)理主要包括對(duì)MBN的信號(hào)放大、濾波電路以及針對(duì)提離設(shè)計(jì)的提離補(bǔ)償電路。

（1）信號(hào)放大模塊

信號(hào)差分輸入經(jīng)過(guò)三級(jí)放大，每級(jí)之間通過(guò)帶通濾波器（159.2 Hz～159.2 kHz）進(jìn)行濾波去噪，然后進(jìn)入采集卡。前兩級(jí)固定放大倍數(shù)都是6，最后一級(jí)放大倍數(shù)可調(diào)，由AD7376數(shù)字電位計(jì)完成。

放大器采用儀表放大器INA111，INA111的結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

1）VIN-（腳 2）：信號(hào)反向輸入端，該端與信號(hào)同相輸入端（腳3）構(gòu)成差分輸入。

2）VIN+（腳 3）：信號(hào)同向輸入端。

3）增益調(diào)整（腳 1、8）：該端接外接增益調(diào)整電阻器RG。

4）VO（腳6）：放大器輸出端。

5）Ref（腳5）：參考電壓輸入端，通常接地。為確保良好的共模抑制，連接必須是低阻抗的，如果一個(gè)5Ω的電阻串接在此腳，將引起共模抑制比典型值下降到 80dB（G=1）。

圖6 INA結(jié)構(gòu)原理圖

圖7 電感測(cè)量電路

其中，RG是外接電阻器，50kΩ是內(nèi)部?jī)蓚€(gè)反饋電阻值的和。

（2）提離補(bǔ)償模塊

為補(bǔ)償提離帶來(lái)的影響，針對(duì)激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈的提離設(shè)計(jì)了提離檢測(cè)電路。

1）激勵(lì)線圈提離測(cè)量電路

電磁感應(yīng)原理，采用線圈檢測(cè)激勵(lì)線圈磁軛中的磁場(chǎng)大小，從而得知激勵(lì)線圈的提離。由于線圈產(chǎn)生的是正弦信號(hào)，采用AD637（高性能真有效值轉(zhuǎn)換器）求出RMS，然后經(jīng)A/D由單片機(jī)檢測(cè)。

2）檢測(cè)線圈提離測(cè)量電路

針對(duì)檢測(cè)線圈的電感值隨提離減小而增大的規(guī)律，設(shè)計(jì)了如圖7所示的檢測(cè)線圈的電感測(cè)量電路。

電感的測(cè)量是采用電容三點(diǎn)式振蕩電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。三點(diǎn)式電路是指：LC回路中與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件必須是同性質(zhì)的，另外一個(gè)電抗元件必須為異性質(zhì)，而與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件同為電容時(shí)的三點(diǎn)式電路，成為電容三點(diǎn)式電路。

2.1.4 數(shù)據(jù)采集模塊

在該設(shè)備中，選擇ADLINK公司的一款數(shù)據(jù)采集卡DAQ2010作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備DAQ-2010，具有4路差分模擬輸入的采集，便于陣列結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，采集卡的轉(zhuǎn)換精度可達(dá)14 bit，采樣頻率可高達(dá)2MHz，本系統(tǒng)的信號(hào)基波分量可以滿足采樣率的要求。它是一種通用的性價(jià)比較高的產(chǎn)品，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷采集與存儲(chǔ)，能夠完成信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)的模擬輸出以及定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。

2.2 巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

針對(duì)鋼軌應(yīng)力點(diǎn)測(cè)模式開發(fā)的操作界面，采用C#語(yǔ)言，在VS2010+SQl2008開發(fā)環(huán)境下編寫。針對(duì)不同鐵路段不同位置的應(yīng)力值進(jìn)行點(diǎn)測(cè)，操作及功能如下：

（1）位置信息的錄入。針對(duì)不同鐵路段，不同位置的信息錄入并以數(shù)據(jù)庫(kù)形式保存。

點(diǎn)擊【設(shè)置】按鈕-選擇【測(cè)試模式】頁(yè)，進(jìn)入測(cè)試模式設(shè)置界面，選中【點(diǎn)測(cè)】按鈕。依次設(shè)置【測(cè)試序號(hào)】，【線別】，【行別】，【股別】，【區(qū)間】，【設(shè)計(jì)軌溫】和【里程】。設(shè)置完成后點(diǎn)擊【保存】，數(shù)據(jù)保存成功，如圖8所示。

圖8 測(cè)試點(diǎn)位置信息設(shè)置界面

（2）數(shù)據(jù)的采集處理并顯示。回到主界面，選擇【測(cè)試序號(hào)】，點(diǎn)擊【開始】，彈出“是否保存？”提示框，點(diǎn)擊【是】數(shù)據(jù)保存，點(diǎn)擊【否】則不保存數(shù)據(jù)。保存的數(shù)據(jù)包括測(cè)試點(diǎn)位置信息和測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力值信息。

（3）信息的檢索和輸出。點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，按時(shí)間等條件對(duì)相應(yīng)采集點(diǎn)的應(yīng)力值等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，數(shù)據(jù)以Excel表格形式輸出并保存到程序指定位置。

3 結(jié)束語(yǔ)

提出了以工控機(jī)為平臺(tái)的巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，著重闡述了主要硬件模塊的功能實(shí)現(xiàn)和人機(jī)交互界面的開發(fā)設(shè)計(jì)，在傳感器的設(shè)計(jì)、激勵(lì)信號(hào)的發(fā)生和信號(hào)處理模塊等關(guān)鍵技術(shù)上已取得重大的突破。該設(shè)備檢測(cè)到的鋼軌應(yīng)力值與實(shí)際鋼軌應(yīng)力值進(jìn)行比對(duì)，測(cè)試結(jié)果表明已達(dá)到較高的精度標(biāo)準(zhǔn)，證明此方案切實(shí)可行，能夠滿足巴克豪森噪聲應(yīng)力檢測(cè)的要求，有一定的應(yīng)用前景。

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