嚴(yán)欽男

(武漢紡織大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

在我國的鐵路建設(shè)和運(yùn)營當(dāng)中，鋼軌是軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部件，具有引導(dǎo)機(jī)車車輛車輪前進(jìn)，同時(shí)承受車輪荷載并將其傳遞至軌枕上的功能。鐵路運(yùn)營線上如果出現(xiàn)鋼軌斷裂就有可能造成列車脫軌、傾覆等重大行車事故，造成人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失。因此，保障鐵路運(yùn)輸安全、實(shí)現(xiàn)我國鐵路部門制定的“三防”措施中的防斷軌要求具有重要意義。

本論文正是基于超聲導(dǎo)波的鋼軌無損檢測技術(shù)，利用超聲導(dǎo)波的特性對鋼軌中可能出現(xiàn)的斷軌、裂縫等各種情況進(jìn)行有效的、快速的無損探傷分析，以達(dá)到實(shí)時(shí)的鋼軌斷裂檢測，預(yù)防各種可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況，實(shí)現(xiàn)鐵路的安全生產(chǎn)和運(yùn)營。鋼軌材料作為固體聲傳播介質(zhì)具有良好的聲導(dǎo)管特性，當(dāng)超聲波被局限在棒狀或管狀介質(zhì)的邊界內(nèi)傳播時(shí)，邊界對超聲波產(chǎn)生反復(fù)不斷的反射傳導(dǎo)，這樣就形成了由縱波、橫波、表面波、蘭姆波等基本超聲波類型以各種方式組合形成的超聲導(dǎo)波。與傳統(tǒng)單一波形的能量集中式超聲檢測方法相比，超聲導(dǎo)波具有檢測頻率相對較低、傳播距離遠(yuǎn)、檢測距離長等特點(diǎn)。頻散是導(dǎo)波的主要特性之一，即導(dǎo)波的相速度隨著頻率的不同而不同。頻散特性是導(dǎo)波應(yīng)用于復(fù)合材料無損檢測的主要依據(jù)。導(dǎo)波在介質(zhì)中的傳播特性與介質(zhì)特性有很大關(guān)系，而且導(dǎo)波的傳輸介質(zhì)是處于自由邊界還是在其周圍有液體的邊界問題也很重要，后一種情況會造成導(dǎo)波的衰減。用于無損檢測的導(dǎo)波模式應(yīng)考慮導(dǎo)波的頻散特性以及波的結(jié)構(gòu)、面內(nèi)位移、面外位移以及隨著結(jié)構(gòu)厚度變化的應(yīng)力變化。不同的波結(jié)構(gòu)影響入射的能量和對缺陷的敏感程度。導(dǎo)波的能量和波包形狀也是選擇導(dǎo)波模式的兩個(gè)重要因素，衡量的標(biāo)準(zhǔn)是導(dǎo)波的能量泄漏少、傳播距離遠(yuǎn)以及隨距離增加波包變化小。

超聲導(dǎo)波技術(shù)研究最主要的部分集中在數(shù)值分析和信號處理技術(shù)上。用數(shù)值模擬的方法可以模擬不同的導(dǎo)波模式，并研究其特性。這對設(shè)計(jì)研究導(dǎo)波特性的試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義，可以大大減少試驗(yàn)的盲目性和工作量;利用數(shù)值模擬技術(shù)還可以研究導(dǎo)波模式與不同種類缺陷的相互作用，即研究不同的導(dǎo)波模式在不同缺陷處的散射問題，主要包括導(dǎo)波在缺陷處的反射和折射系數(shù)以及在缺陷處的位移和能量的變化。通常我們采用有限元法和邊界元法解決導(dǎo)波散射問題。有限元法首先對位移矢量形式的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程用加權(quán)余量法表示，接著將研究區(qū)域離散得到每個(gè)單元的運(yùn)動(dòng)方程，最后將所有單元的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程集合成全局運(yùn)動(dòng)方程;邊界元法是將位移矢量形式的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程用加權(quán)余量法得到邊界積分方程，將邊界劃分成若干單元，用這些單元將邊界積分方程離散，最終得到一個(gè)表征結(jié)點(diǎn)上位移和應(yīng)力的矩陣方程。

以超聲導(dǎo)波對鋼軌進(jìn)行無損探傷檢測，因?yàn)椴捎脵C(jī)械波作為檢測信號，所以基本不受牽引回流與鋼軌電氣參數(shù)影響。且設(shè)備原理簡單，安裝和維護(hù)方便，設(shè)備功耗成本相對較低，非常適用于較長無縫鋼軌的檢測。在長大隧道、南方山區(qū)潮濕積水和采用整體道床的軌道一次參數(shù)不良的地區(qū)，可以替代軌道電路完成斷軌檢測。

目前我國超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)主要由任意函數(shù)發(fā)生器、示波器等分立的通用儀器組成，體積大、不方便攜帶，大都只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行檢測，不便于場外實(shí)地檢測的應(yīng)用。隨著嵌入式的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)將成為一種趨勢。

一、超聲導(dǎo)波嵌入式檢測系統(tǒng)組成

在這里我們設(shè)計(jì)一種嵌入式超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)來對鋼軌進(jìn)行無損探傷。本系統(tǒng)主要由超聲導(dǎo)波發(fā)射模塊與接收模塊兩部分組成。其中發(fā)射模塊由激勵(lì)信號源、功率放大器、探頭組成。接收模塊主要由回波信號調(diào)理電路、程控放大電路、A/D采集電路組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件部分以ARM Cortex－M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)的STM32F107VCT6微處理器為主控核心，主要進(jìn)行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理，Xilinx公司的FPGA芯片作為協(xié)處理器，主要負(fù)責(zé)激勵(lì)信號的產(chǎn)生與回波信號數(shù)據(jù)的采集。STM32與FPGA之間通過FSMC總線方式進(jìn)行連接通信 。STM32發(fā)出指令控制FPGA產(chǎn)生所需要的數(shù)字信號，經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換與差分放大電路、低通濾波電路，而后經(jīng)功率放大后直接激勵(lì)超聲換能器，從而激發(fā)出超聲導(dǎo)波。導(dǎo)波傳播過程中遇到缺陷反射得到回波信號，進(jìn)入超聲導(dǎo)波接收電路后經(jīng)過信號調(diào)理與程控放大進(jìn)行A/D采樣，采樣數(shù)據(jù)先送到FPGA的FIFO中，然后由STM32對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示。

二、嵌入系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

1.發(fā)射模塊設(shè)計(jì)由于超聲導(dǎo)波具有頻散與多模態(tài)的特殊性質(zhì)，在實(shí)際檢測中，常選用10個(gè)周期經(jīng)漢寧窗調(diào)制的正弦波作為激勵(lì)信號。為了產(chǎn)生高質(zhì)量的導(dǎo)波激勵(lì)信號，本設(shè)計(jì)基于DDS(直接數(shù)字頻率合成器)技術(shù)，用Verilog HDL語言自主編寫直接產(chǎn)生激勵(lì)波形的DDS模塊STM32以中斷方式處理按鍵輸入，并將求得的頻率控制字通過接口電路傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA輸出的DDS波形通過12位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC902轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)過差分放大、低通濾波后得到超聲導(dǎo)波激勵(lì)信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換、差分放大和濾波電路連接圖如圖2所示。其中差分放大電路由運(yùn)算放大器OPA680構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)V最高幅值輸出，濾波器由OPA680加必要元器件組成，其截止頻率 ，放大倍數(shù)為1.5倍。

圖2 數(shù)模轉(zhuǎn)換、差分放大和濾波電路

2.接收模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)超聲導(dǎo)波沿被測管道傳播遇到缺陷時(shí)，將發(fā)生反射，產(chǎn)生攜帶缺陷信息的反射波。該反射波作用于壓電晶片時(shí)，將發(fā)生壓電效應(yīng)，晶片受迫機(jī)械振動(dòng)引起形變，并轉(zhuǎn)換成電信號。但是該電信號很微弱，為達(dá)到信號采樣與顯示的要求，需要調(diào)理電路將回波信號進(jìn)行調(diào)整。信號調(diào)理電路主要由限幅電路前置放大電路濾波電路和程控放大電路等組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。A/D采集電路主要由差分變換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和FIFO緩沖IP核組成。選用差分輸入是為了提高信噪比，A/D轉(zhuǎn)換芯片選用AD9283，其外圍電路如圖4所示。其最高采樣速率為50MSPS，F(xiàn)IFO由FPGA的IP核生成器定制生成，節(jié)約了成本與外部硬件資源。單端信號經(jīng)差分變換后，送到AD9283模數(shù)轉(zhuǎn)換器的AIN+與AIN－端口，然后在采樣時(shí)鐘ENCODE的控制下，由AD9283完成采樣，并將8位數(shù)字信號暫存在FPGA中定制的FIFO最后由STM32對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示等操作。

圖3 信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)

圖4 AD9283外圍連接電路

三、嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要由以下3部分組成:

1.II操作系統(tǒng)在STM32上的移植

II是一種源碼公開，搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有執(zhí)行效率高、可移植性與可擴(kuò)展性強(qiáng)、占用空間小等特點(diǎn)。使用的軟件環(huán)境為RealView MDK開發(fā)套件，該套件界面友好，功能很強(qiáng)大。

圖5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.圖形用戶界面的移植是1個(gè)移植性強(qiáng)、占用系統(tǒng)資源少的通用的嵌入式圖形界面

通過移植能夠有效降低界面開發(fā)難度，提高人機(jī)交互的友好性。以ANSI C源碼包的形式提供給用戶，由Config和GUI兩個(gè)目錄組成，移植過程中主要對Config目錄下的3個(gè)配置文件進(jìn)行修改，以及硬件接口函數(shù)與LCD驅(qū)動(dòng)的編寫。

3.應(yīng)用程序的開發(fā)

應(yīng)用程序基于圖形界面操作，通過調(diào)用相關(guān)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)頻率與增益設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、波形顯示、缺陷定位、數(shù)據(jù)存儲等功能。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。主控程序流程圖如圖6所示。

圖6 主控程序流程

四、結(jié) 語

基于STM32和FPGA設(shè)計(jì)了一種嵌入式的鋼軌超聲導(dǎo)波無損檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由發(fā)射模塊接收模塊兩部分組成。采用模塊化的設(shè)計(jì)方便調(diào)試。發(fā)射電路部分基于DDS技術(shù)設(shè)計(jì)了激勵(lì)信號源，產(chǎn)生的激勵(lì)信號穩(wěn)定性好、精度較高且頻率可調(diào)。接收電路部分由調(diào)理電路和采集電路組成。對II操作系統(tǒng)和圖形用戶界面進(jìn)行了移植并編寫了相應(yīng)的應(yīng)用程序。為實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波管道檢測系統(tǒng)的小型化與集成化提供了借鑒。但是應(yīng)用程序還有待完善，下一步的工作重點(diǎn)是對相關(guān)軟硬件進(jìn)行改進(jìn)。

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