摘要：針對(duì)目前車(chē)輪檢測(cè)方法大多以傳統(tǒng)手持式人工探傷儀為主的現(xiàn)狀，本文在國(guó)內(nèi)某企業(yè)現(xiàn)役多通道超聲探傷儀硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套多輪對(duì)超聲探傷系統(tǒng)。系統(tǒng)基于LabVIEW平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、用戶(hù)信息管理、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、顯示結(jié)果、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)判傷、輸出檢測(cè)報(bào)告等功能。系統(tǒng)采用可變分辨率的數(shù)據(jù)處理方法，保證了檢測(cè)過(guò)程的實(shí)時(shí)性及結(jié)果的準(zhǔn)確性。

　　關(guān)鍵詞：多輪對(duì)；超聲探傷；LabVIEW；實(shí)時(shí)性

0引言

　　車(chē)輪是列車(chē)的主要受力部件，其幾乎承擔(dān)了列車(chē)的全部重量并完成在鋼軌上的轉(zhuǎn)動(dòng)。車(chē)輪的擦傷、剝離、不圓度、非正常磨耗加劇以及輪輞周向裂損故障會(huì)直接影響行車(chē)安全［1］。目前的探傷手段主要依靠檢測(cè)人員的手動(dòng)探傷［2］，勞動(dòng)強(qiáng)度大，探傷效率低，而且探傷依賴(lài)檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確性和可靠性難以保證。因此列車(chē)車(chē)輪無(wú)損檢測(cè)受到了高度重視。

　　目前常用的列車(chē)車(chē)輪檢測(cè)技術(shù)可以分為電渦流探傷（EC）、磁粉探傷（MT）、超聲探傷（Ultrasonic Test，UT）等［3］。超聲探傷具有適用范圍廣、成本較低、靈敏度相對(duì)較高、便于缺陷的定位和定量分析等優(yōu)勢(shì)，而其中的多探頭多通道組合掃查技術(shù)可以根據(jù)各通道的探頭類(lèi)型對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理來(lái)判定車(chē)輪內(nèi)部的傷損情況［4］?？捎糜诖笮偷淖詣?dòng)化和信息化程度較高的車(chē)輪探傷系統(tǒng)。

　　基于上述背景，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)某企業(yè)現(xiàn)役多通道超聲探傷儀硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一套多輪對(duì)超聲自動(dòng)探傷系統(tǒng)。主要介紹了自動(dòng)探傷系統(tǒng)的總體方案，包括總體架構(gòu)、采集單元、探頭陣列及上位機(jī)軟件系統(tǒng)，闡述了重要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)所做工作進(jìn)行總結(jié)。

1系統(tǒng)總體方案概述

　　1.1總體架構(gòu)

　　多輪對(duì)超聲自動(dòng)探傷系統(tǒng)通過(guò)多通道組合的超聲波探頭，分別由上位機(jī)控制獨(dú)立通道進(jìn)行超聲激勵(lì)和信號(hào)采集，最終根據(jù)各通道的探頭類(lèi)型對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理并分析被測(cè)車(chē)輪的健康狀態(tài)。采集單元以及控制顯示平臺(tái)為系統(tǒng)的核心，如圖1所示。每3個(gè)采集單元為一組，通過(guò)交換機(jī)將采集數(shù)據(jù)傳送至無(wú)線(xiàn)模塊，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸方式將數(shù)據(jù)傳送至路由器，并最終送入上位機(jī)進(jìn)行處理并顯示結(jié)果。探傷數(shù)據(jù)通過(guò)TCP協(xié)議（傳輸控制協(xié)議）傳輸。而上位機(jī)的控制指令通過(guò)UDP協(xié)議（用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議），以相反的傳輸路徑送至各個(gè)采集單元，以控制儀器工作。　　

　　1.2采集單元

　　采集單元以UT控制器［5］為核心，將探頭陣列、水路裝置、編碼器以及接口控制器等集成在一起，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。UT控制器通過(guò)超聲激勵(lì)與采集電路控制探頭，產(chǎn)生激勵(lì)并采集超聲波信號(hào)，接口控制器控制水路裝置的打開(kāi)和關(guān)閉以及采集編碼器數(shù)據(jù)，最終所有數(shù)據(jù)通過(guò)UT控制器以無(wú)線(xiàn)傳輸方式傳送至上位機(jī)。

　　1.3探頭陣列

　　探頭陣列由編碼器和多個(gè)探頭構(gòu)成。探頭包括2個(gè)單晶大角度探頭和6個(gè)雙晶直探頭，分別用于檢測(cè)踏面及輪緣部分的缺陷和輪輞部分的缺陷。系統(tǒng)根據(jù)多個(gè)通道超聲探頭的連續(xù)掃查，可以發(fā)現(xiàn)某一位置的連續(xù)缺陷；根據(jù)不同類(lèi)型的超聲探頭，可以從多個(gè)角度對(duì)同一缺陷掃查，獲取該缺陷的大致形狀。根據(jù)多通道多探頭的組合掃查方式，綜合各個(gè)探頭的檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以對(duì)缺陷進(jìn)行一定程度上的定量表示和定性分析。同時(shí)探頭陣列中加入編碼器用于測(cè)量探頭陣列在檢測(cè)過(guò)程中的位置。

2探傷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　多輪對(duì)超聲自動(dòng)探傷軟件系統(tǒng)是整個(gè)探傷檢測(cè)系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要完成上位機(jī)與采集單元之間數(shù)據(jù)的高速傳輸，采集數(shù)據(jù)的快速處理，處理結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示、過(guò)限報(bào)警，以及系統(tǒng)自檢、用戶(hù)信息管理、檢測(cè)過(guò)程記錄、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、輸出檢測(cè)報(bào)告等綜合功能。系統(tǒng)工作流程如圖3所示?！?/p>

　　2.1軟件運(yùn)行及開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　軟件采用美國(guó)國(guó)家儀器有限公司（NI）的LabVIEW軟件作為開(kāi)發(fā)工具。LabVIEW的應(yīng)用范圍廣泛，支持SQL、Access等數(shù)據(jù)庫(kù)編程及多種格式的報(bào)表生成；LabVIEW還提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)（控件），其基于圖形化的編程方式使得編程過(guò)程簡(jiǎn)潔方便。

　　系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為基于X86的Win7及以上操作系統(tǒng)的控制主機(jī)，CPU要求雙核心以上，顯卡要求為獨(dú)立顯卡以上。

　　2.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

　　多輪對(duì)超聲自動(dòng)探傷系統(tǒng)主要功能模塊如圖4所示。包括人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、可視化模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

　　人機(jī)交互模塊中用戶(hù)信息按普通操作人員及工程師分別設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限，根據(jù)用戶(hù)名的不同進(jìn)行區(qū)分，登錄時(shí)根據(jù)相應(yīng)權(quán)限進(jìn)入不同的操作界面。參數(shù)設(shè)置部分采用一鍵設(shè)置功能省去復(fù)雜的配置過(guò)程，使操作更加人性化。

　　數(shù)據(jù)處理模塊包括連接通信、數(shù)據(jù)分析及成像3個(gè)部分。系統(tǒng)中上位機(jī)與采集單元設(shè)置命令制定了詳細(xì)規(guī)范的通信協(xié)議，保證了通信過(guò)程的可靠性，所以超聲檢測(cè)單元命令設(shè)置的通信協(xié)議的可靠性可以在一定程度上有所降低，故本系統(tǒng)中采用UDP協(xié)議作為超聲檢測(cè)單元命令設(shè)置的傳輸層協(xié)議，而探傷數(shù)據(jù)的傳輸通過(guò)TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，其端到端的傳輸方式可以保證通信過(guò)程中的數(shù)據(jù)不丟失［6］。建立連接后每個(gè)采集單元會(huì)以最大1.5 Mb/s的速度將數(shù)據(jù)傳輸至軟件系統(tǒng)中供后期處理。LabVIEW中提供了很多關(guān)于TCP和UDP連接的庫(kù)函數(shù)，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。采集與處理分別開(kāi)辟不同的循環(huán)［7］（LabVIEW中多線(xiàn)程體現(xiàn)在多循環(huán)），它們之間通過(guò)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解析提取出探傷數(shù)據(jù)，以數(shù)組的形式放入隊(duì)列，方便成像算法處理。成像部分是整個(gè)系統(tǒng)功能的核心部分，分為實(shí)時(shí)顯示的成像算法以及回放的成像算法，兩種算法具有相似之處，都是根據(jù)每次接收到的探傷數(shù)據(jù)，先判斷探頭類(lèi)型，對(duì)雙晶圖4軟件系統(tǒng)功能框圖

　　直探頭和單晶大角度探頭分別選擇相應(yīng)處理方法，接著根據(jù)編碼器信息計(jì)算對(duì)應(yīng)在車(chē)輪上的位置，最后改變相應(yīng)位置的色值形成圖像。

　　可視化模塊包括過(guò)程記錄回放、B掃顯示及檢測(cè)數(shù)據(jù)回放。B掃顯示指的是在探傷過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。實(shí)時(shí)顯示的目的在于：監(jiān)測(cè)探傷設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)；初步判斷車(chē)輪的傷損情況。由于是簡(jiǎn)單初步的診斷，所以采用將采集的數(shù)據(jù)（即聲壓大?。┡c設(shè)定的閾值相比較的方法，小于閾值（無(wú)傷）用灰色表示，大于閾值（有傷）則用紅色表示，從而對(duì)傷損情況進(jìn)行標(biāo)識(shí)。這種方式更加直觀(guān)地將有傷的部分與無(wú)傷的部分區(qū)分開(kāi)來(lái)。而檢測(cè)數(shù)據(jù)的回放則是為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所以采用灰度函數(shù)，對(duì)于每一個(gè)聲壓值都有一個(gè)相應(yīng)的色值來(lái)對(duì)應(yīng)，形成圖像。圖像的顏色可以根據(jù)閾值的變化而變化，根據(jù)閾值及相應(yīng)的顏色對(duì)傷損情況做出最終判斷。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及歷史查詢(xún)功能。LabVIEW提供了快速測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)解決方案——TDMS文件，其實(shí)質(zhì)為一種二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)類(lèi)型。TDMS格式的特點(diǎn)是占用磁盤(pán)空間小，讀寫(xiě)速度快，可讀性強(qiáng)，是LabVIEW推出的一種用于數(shù)據(jù)快速存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式［8］。TDMS的邏輯結(jié)構(gòu)主要分為3層：根目錄、通道組、通道號(hào)，其中每一層都可以添加特定的屬性，方便讀取和存儲(chǔ)，有助于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分類(lèi)和有效檢索。該存儲(chǔ)方案不僅解決了系統(tǒng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)問(wèn)題，而且便于歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)。存儲(chǔ)過(guò)程開(kāi)始時(shí)打開(kāi)文件直至存儲(chǔ)完成將文件關(guān)閉，避免頻繁打開(kāi)關(guān)閉文件減緩讀寫(xiě)速度。數(shù)據(jù)按不同采集單元和不同通道分別存儲(chǔ)，方便后期管理。另外系統(tǒng)還采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。

3重要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)方案

　　3.1數(shù)據(jù)解析環(huán)節(jié)方案設(shè)計(jì)

　　采集單元中的數(shù)據(jù)以一定形式發(fā)給上位機(jī)軟件，數(shù)據(jù)解析即是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)換成成像算法所需的數(shù)據(jù)類(lèi)型。接收到的數(shù)據(jù)首先要對(duì)幀頭進(jìn)行判斷，數(shù)據(jù)的幀頭為兩個(gè)字節(jié)，如果按照每次取兩字節(jié)進(jìn)行比較，一旦傳輸過(guò)程

　　中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失造成數(shù)據(jù)錯(cuò)位，那么之后接收到的數(shù)據(jù)可能將全部是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。這樣系統(tǒng)的容錯(cuò)能力將會(huì)很低，這是不允許的。因此系統(tǒng)中采用逐個(gè)字節(jié)比較的方法，對(duì)于幀頭正確的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)體部分一次性全部取出，重排成數(shù)組的形式，放入隊(duì)列中；而幀頭錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)予以丟棄。接收一幀數(shù)據(jù)的解析流程如圖5所示。

　　前文提到采集單元是以1.5 Mb/s的速度傳輸數(shù)據(jù)的，當(dāng)6臺(tái)設(shè)備同時(shí)工作時(shí)數(shù)據(jù)量是非常大的。LabVIEW中圖像數(shù)據(jù)主要由LabVIEW中的簇結(jié)構(gòu)構(gòu)成［910］，其中以像素點(diǎn)的排列順序描述圖像中各像素顏色的字節(jié)數(shù)組是圖像處理的主要內(nèi)容。該數(shù)組是非常大的。每來(lái)一次數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就要對(duì)如此龐大的數(shù)組進(jìn)行一次修改，工作量非常大。這會(huì)對(duì)CPU造成很大負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作效率減慢，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)顯示的要求。因此系統(tǒng)在采集分辨率不變的前提下，應(yīng)改變畫(huà)圖分辨率進(jìn)行圖像繪制。首先判斷數(shù)據(jù)是否為有傷的數(shù)據(jù)，對(duì)于有傷的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)以高分辨率的方式在圖像上進(jìn)行標(biāo)示；對(duì)于沒(méi)有傷的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對(duì)位置靠近的一組數(shù)據(jù)只取一幀進(jìn)行畫(huà)圖，處理過(guò)程中降低分辨率，以較粗的線(xiàn)條將這一組數(shù)據(jù)的位置覆蓋，這樣與每一幀數(shù)據(jù)都進(jìn)行繪制形成的圖像相比在視覺(jué)效果上并無(wú)明顯差別，而實(shí)際上卻大大提高了CPU的處理速度，并能保證傷損不丟失。同時(shí)為避免頻繁刷新占用太多CPU資源，系統(tǒng)采用延遲前面板刷新的方式［11］，以200幀/次的刷新頻率對(duì)前面板進(jìn)行刷新顯示，實(shí)際中該頻率并不影響人眼的觀(guān)察，并且能使系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的效果。

4結(jié)論

　　本文所介紹的多輪對(duì)超聲自動(dòng)探傷系統(tǒng)可以對(duì)一節(jié)車(chē)廂3對(duì)車(chē)輪同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，節(jié)省人力，大大提高了檢測(cè)車(chē)輪的效率。同時(shí)基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)軟件，其優(yōu)點(diǎn)為：（1）設(shè)置不同的操作權(quán)限，防止由于操作人員的誤操作而導(dǎo)致探傷結(jié)果的不準(zhǔn)確；（2）采用友好的人機(jī)交互界面及一鍵設(shè)置方式，省去了復(fù)雜的參數(shù)配置，操作人員只需簡(jiǎn)單培訓(xùn)而無(wú)需具備相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)即可操作儀器；（3）軟件采用B掃的顯示方式來(lái)呈現(xiàn)探傷結(jié)果，更加直觀(guān)易懂；（4）軟件采用可變分辨率的方法形成B掃圖像，同時(shí)延遲前面板刷新，即使大量探傷數(shù)據(jù)也可完成實(shí)時(shí)顯示。

　　軟件功能豐富齊全，除探傷顯示等基礎(chǔ)功能外還包括系統(tǒng)自檢、用戶(hù)信息管理、檢測(cè)過(guò)程記錄、數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及輸出檢測(cè)報(bào)告等綜合功能，滿(mǎn)足目前對(duì)探傷設(shè)備的功能需求，并具有可擴(kuò)展性。

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