0 引言

    鋼軌探傷是鐵路工務(wù)部門(mén)的重要工作，對(duì)鋼軌傷損及時(shí)全面的探測(cè)直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩Ｄ壳坝糜阡撥壧絺募夹g(shù)原理包括聲、光、電、磁、熱、輻射等^[1]，其中基于聲學(xué)原理的超聲鋼軌探傷技術(shù)是目前鐵路現(xiàn)場(chǎng)使用最廣泛、最主要的技術(shù)，可探測(cè)鋼軌內(nèi)部的多種缺陷^[2]。但基于超聲波反射原理的超聲探傷方法，在探測(cè)鋼軌淺表層缺陷時(shí)有盲區(qū)，大約距離鋼軌表面5 mm以?xún)?nèi)的區(qū)域超聲探傷分辨率非常低，甚至對(duì)缺陷不敏感。對(duì)于鋼軌表面缺陷，基于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的光學(xué)方法在近年來(lái)逐漸得到應(yīng)用，該方法通過(guò)圖像識(shí)別可標(biāo)識(shí)鋼軌表面的損傷。但光學(xué)方法對(duì)埋藏在表面之內(nèi)的缺陷卻無(wú)法探測(cè)。各種探傷原理中磁學(xué)方法是超聲和機(jī)器視覺(jué)兩種方法的補(bǔ)充，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理的電磁激勵(lì)信號(hào)可以在鋼軌的淺表層產(chǎn)生電渦流，若鋼軌內(nèi)部有缺陷，電渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將會(huì)改變，通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)改變量的解調(diào)，可以得出鋼軌缺陷的程度。電磁感應(yīng)方法進(jìn)行鋼軌探傷是最早提出用于鋼軌探傷的方法，但由于電磁檢測(cè)對(duì)電路靈敏度和信噪比有很高的要求，一直沒(méi)有得到很好的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著集成電路、電磁檢測(cè)元器件以及現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，電磁鋼軌探傷越來(lái)越受到各國(guó)研究者的重視^[3，4]。

    大秦鐵路是我國(guó)新建的第一條雙線電氣化重載運(yùn)煤專(zhuān)線，年運(yùn)量最高達(dá)到4.5億噸，是世界上年運(yùn)量最大的鐵路線。大運(yùn)量導(dǎo)致線路鋼軌的損傷發(fā)生概率高，鋼軌維護(hù)量大，為此積極探索多種鋼軌探傷新技術(shù)，研制了電磁鋼軌探傷儀器。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    本文研制的電磁鋼軌探傷儀器由支撐小推車(chē)、前端傳感單元、信號(hào)處理機(jī)箱和監(jiān)控計(jì)算機(jī)4部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    探傷小推車(chē)用來(lái)裝載信號(hào)處理機(jī)箱等硬件設(shè)備，并使電磁探傷傳感器能夠沿著鋼軌進(jìn)行探測(cè)。在探傷時(shí)，小推車(chē)的4個(gè)輪子需要展平，從而使儀器在探傷時(shí)傳感器可平行于鋼軌且保持距離不變。在搬運(yùn)時(shí)，可將小推車(chē)的4個(gè)輪子調(diào)整到垂直位置以便儀器的搬運(yùn)。前端傳感器裝于小推車(chē)車(chē)底，共裝3個(gè)，分別位于鋼軌的上側(cè)、左側(cè)、右側(cè)3個(gè)方向，從而可以探測(cè)3個(gè)面的鋼軌損傷。信號(hào)處理系統(tǒng)安裝于信號(hào)處理機(jī)箱中，負(fù)責(zé)對(duì)傳感器感應(yīng)信號(hào)的調(diào)理及處理。探傷人員通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)儀器的探傷過(guò)程進(jìn)行控制，并對(duì)探傷數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表顯示、分析、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸。

    如圖2所示， 儀器開(kāi)機(jī)后，操作員通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)啟動(dòng)探傷軟件，軟件通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)指令到FPGA信號(hào)處理板產(chǎn)生合成激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大后驅(qū)動(dòng)傳感器中的激勵(lì)線圈在鋼軌上產(chǎn)生激勵(lì)電磁場(chǎng)。同時(shí)傳感器中的檢測(cè)線圈感應(yīng)由缺陷調(diào)制的耦合場(chǎng)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理板接入到FPGA信號(hào)處理板進(jìn)行解調(diào)，提取鋼軌缺陷表征信息，再通過(guò)以太網(wǎng)將損傷信息傳輸?shù)奖O(jiān)控計(jì)算機(jī)，完成損傷信息的顯示存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸。

2 儀器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    探傷儀器硬件系統(tǒng)主要包括信號(hào)處理系統(tǒng)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)，其中信號(hào)處理系統(tǒng)是儀器的核心。儀器信號(hào)處理系統(tǒng)如圖3所示，處理系統(tǒng)主要包含F(xiàn)PGA信號(hào)處理板、多路電源轉(zhuǎn)換板、模擬信號(hào)調(diào)理板、ADC和DAC接口板以及鋰電池。

    為確保信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性，信號(hào)處理使用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)使用了Xilinx Kintex7 XC7K325T FPGA芯片，其芯片內(nèi)部提供了326 080個(gè)Logic Cells、830個(gè)DSP Slices以及4 MB分布式RAM，為儀器的信號(hào)處理提供了充足的資源。ADC和DAC接口板將FPGA產(chǎn)生的DDS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為模擬激勵(lì)輸出，同時(shí)將調(diào)理后的電磁感應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出；信號(hào)調(diào)理負(fù)責(zé)對(duì)電磁感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行精密放大與濾波；鋰電池負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)供電；監(jiān)控計(jì)算機(jī)具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，與FPGA通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

    數(shù)據(jù)的回采、解調(diào)及傳輸均由FPGA實(shí)現(xiàn)，具有實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，但數(shù)據(jù)量大，故選擇以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。用FPGA實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信通常有3種方式：(1)三態(tài)以太網(wǎng)接口IP核(Intellectual Property Core)方式；(2) LwIP協(xié)議棧方式；(3)Verilog HDL直接編程實(shí)現(xiàn)方式。綜合考慮軟件設(shè)計(jì)的靈活性和執(zhí)行效率，本文使用第3種方法，即通過(guò)Verilog HDL直接編程實(shí)現(xiàn)。此方法可以定制實(shí)現(xiàn)需要的功能，效率高且節(jié)省片內(nèi)資源。

3 儀器FPGA軟件設(shè)計(jì)

    探傷儀器激勵(lì)的產(chǎn)生、信號(hào)采集、解調(diào)、處理及傳輸由Verilog HDL 編程后在FPGA上實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)上電之后，由監(jiān)控計(jì)算機(jī)將FPGA啟動(dòng)命令由以太網(wǎng)發(fā)送到FPGA中，而后，儀器開(kāi)始產(chǎn)生模擬激勵(lì)信號(hào)、線圈感應(yīng)信號(hào)回采及數(shù)據(jù)分析、傳輸。

    儀器的模擬激勵(lì)信號(hào)先由FPGA通過(guò)DDS算法合成16 bit的正弦波形數(shù)字信號(hào)；而后由16 bit分辨率的DAC AD9777轉(zhuǎn)換為模擬激勵(lì)輸出。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后由14 bit分辨率的ADC ADS62p45轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)接入到FPGA中。需注意，在ADC、DAC接口板工作之前，需要由FPGA通過(guò)SPI接口對(duì)ADC與DAC及時(shí)鐘芯片進(jìn)行工作模式的配置。

    FPGA接收到ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)之后做一次FFT解調(diào)，之后由數(shù)據(jù)選擇模塊對(duì)損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。將提取的損傷信息由DDR3緩存之后，由以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控計(jì)算機(jī)顯示與存儲(chǔ)。DDR3緩存負(fù)責(zé)時(shí)鐘域的轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)。

    當(dāng)數(shù)據(jù)接收、解調(diào)遇到異常，F(xiàn)PGA會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤代碼，由以太網(wǎng)傳回檢測(cè)計(jì)算機(jī)以便于錯(cuò)誤的定位以及調(diào)試。同時(shí)，檢測(cè)計(jì)算機(jī)可通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送復(fù)位信息，及時(shí)重啟FPGA程序，防止探傷中斷。

4 監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    人機(jī)交互計(jì)算軟件采用C#語(yǔ)言設(shè)計(jì)，編譯器使用Microsoft Visual Studio 2015，軟件界面設(shè)計(jì)使用了微軟新一代窗體表達(dá)架構(gòu)WPF(Windows Presentation Foundation)進(jìn)行設(shè)計(jì)，WPF提供了統(tǒng)一的編程模型，能夠充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中現(xiàn)有的圖形硬件的全部功能^[6]。

    監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件功能包括控制指令收發(fā)、芯片配置寄存器地址及值的設(shè)置、以太網(wǎng)探傷數(shù)據(jù)傳輸、探傷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)分析的功能。其流程如圖4所示。

5 實(shí)驗(yàn)及分析

    該電磁鋼軌探傷儀器樣機(jī)在太原鐵路局大秦鐵路茶塢工務(wù)段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)損傷樣軌進(jìn)行了大量的探傷實(shí)驗(yàn)。其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)的鋼軌損傷設(shè)置如圖5(a)所示，圖中的2個(gè)淺表缺陷標(biāo)注為缺陷1和缺陷2。使用樣機(jī)檢測(cè)出的探傷曲線如圖5(b)所示。

    圖5(b)中，橢圓區(qū)域A、B、C為檢測(cè)噪聲，這些尖峰噪聲在數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)用中值濾波濾除，圖中矩形區(qū)域D和E所示的波動(dòng)分別對(duì)應(yīng)圖5(a)中的缺陷1和2。該曲線為樣機(jī)測(cè)試的原始數(shù)據(jù)，軟件處理后可將缺陷指示出來(lái)。由圖中鋼軌損傷表征數(shù)據(jù)可以看出，所設(shè)計(jì)的儀器樣機(jī)可以有效監(jiān)測(cè)這兩處缺陷。

6 結(jié)論

    本文所設(shè)計(jì)的電磁鋼軌探傷樣機(jī)采用高速FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)的激勵(lì)、采集和解調(diào)，探傷數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)教絺⊥栖?chē)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明，該電磁鋼軌探傷儀器具有檢測(cè)鋼軌淺表層缺陷的能力。后續(xù)將對(duì)樣機(jī)的檢測(cè)傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并制作專(zhuān)用的標(biāo)準(zhǔn)損傷試樣進(jìn)行量化標(biāo)定。

參考文獻(xiàn)

[1] PAPAELIAS M，KERKYRAS S，PAPAELIAS F，et al.The future of rail inspection technology and the INTERAIL FP7 project[C].51st Annual Conference of the British Institute of Non-Destructive Testing 2012，2012：148-156.

[2] 王雪梅.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其在軌道交通中的應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

[3] Liu Ze，Li Wen，Xue Fangqi，et al.Electromagnetic tomography rail defect inspection[J].IEEE Transactions on Magnetics，2015，51(10).

[4] YIN W L，PEYTON A J.Sensitivity formulation including velocity effects for electromagnetic induction systems[J].IEEE Transactions on Magnetics，2010，46(5)：1172-1176.

[5] 田耘，徐文波.Xilinx FPGA開(kāi)發(fā)實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[6] KOZMINSKI A.Windows Presentation Foundation(WPF) technology meets the challenges of operator interface design in automatic test systems[C].Proceedings of the 2012 IEEE AUTOTESTCON，2012.