0 引言

    鋼軌探傷是鐵路工務(wù)部門的重要工作，對鋼軌傷損及時全面的探測直接關(guān)系到鐵路運輸?shù)陌踩?。目前用于鋼軌探傷的技術(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)場使用最廣泛、最主要的技術(shù)，可探測鋼軌內(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，在探測鋼軌淺表層缺陷時有盲區(qū)，大約距離鋼軌表面5 mm以內(nèi)的區(qū)域超聲探傷分辨率非常低，甚至對缺陷不敏感。對于鋼軌表面缺陷，基于機器視覺檢測的光學(xué)方法在近年來逐漸得到應(yīng)用，該方法通過圖像識別可標(biāo)識鋼軌表面的損傷。但光學(xué)方法對埋藏在表面之內(nèi)的缺陷卻無法探測。各種探傷原理中磁學(xué)方法是超聲和機器視覺兩種方法的補充，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理的電磁激勵信號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)生的磁場將會改變，通過對磁場改變量的解調(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，但由于電磁檢測對電路靈敏度和信噪比有很高的要求，一直沒有得到很好的應(yīng)用。近年來，隨著集成電路、電磁檢測元器件以及現(xiàn)代信號處理技術(shù)的發(fā)展，電磁鋼軌探傷越來越受到各國研究者的重視^[3，4]。

    大秦鐵路是我國新建的第一條雙線電氣化重載運煤專線，年運量最高達到4.5億噸，是世界上年運量最大的鐵路線。大運量導(dǎo)致線路鋼軌的損傷發(fā)生概率高，鋼軌維護量大，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

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

    探傷小推車用來裝載信號處理機箱等硬件設(shè)備，并使電磁探傷傳感器能夠沿著鋼軌進行探測。在探傷時，小推車的4個輪子需要展平，從而使儀器在探傷時傳感器可平行于鋼軌且保持距離不變。在搬運時，可將小推車的4個輪子調(diào)整到垂直位置以便儀器的搬運。前端傳感器裝于小推車車底，共裝3個，分別位于鋼軌的上側(cè)、左側(cè)、右側(cè)3個方向，從而可以探測3個面的鋼軌損傷。信號處理系統(tǒng)安裝于信號處理機箱中，負責(zé)對傳感器感應(yīng)信號的調(diào)理及處理。探傷人員通過監(jiān)控計算機對儀器的探傷過程進行控制，并對探傷數(shù)據(jù)進行圖表顯示、分析、存儲和遠程傳輸。

    如圖2所示， 儀器開機后，操作員通過監(jiān)控計算機啟動探傷軟件，軟件通過以太網(wǎng)發(fā)指令到FPGA信號處理板產(chǎn)生合成激勵信號，激勵信號經(jīng)過放大器放大后驅(qū)動傳感器中的激勵線圈在鋼軌上產(chǎn)生激勵電磁場。同時傳感器中的檢測線圈感應(yīng)由缺陷調(diào)制的耦合場，經(jīng)過信號調(diào)理板接入到FPGA信號處理板進行解調(diào)，提取鋼軌缺陷表征信息，再通過以太網(wǎng)將損傷信息傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機，完成損傷信息的顯示存儲和遠程傳輸。

2 儀器硬件系統(tǒng)設(shè)計

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

    為確保信號處理的實時性，信號處理使用FPGA進行設(shè)計，設(shè)計使用了Xilinx Kintex7 XC7K325T FPGA芯片，其芯片內(nèi)部提供了326 080個Logic Cells、830個DSP Slices以及4 MB分布式RAM，為儀器的信號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)為模擬激勵輸出，同時將調(diào)理后的電磁感應(yīng)信號轉(zhuǎn)為相應(yīng)的數(shù)字信號輸出；信號調(diào)理負責(zé)對電磁感應(yīng)信號進行精密放大與濾波；鋰電池負責(zé)對整個硬件系統(tǒng)供電；監(jiān)控計算機具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，與FPGA通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。

    數(shù)據(jù)的回采、解調(diào)及傳輸均由FPGA實現(xiàn)，具有實時性好的特點，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直接編程實現(xiàn)方式。綜合考慮軟件設(shè)計的靈活性和執(zhí)行效率，本文使用第3種方法，即通過Verilog HDL直接編程實現(xiàn)。此方法可以定制實現(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

    探傷儀器激勵的產(chǎn)生、信號采集、解調(diào)、處理及傳輸由Verilog HDL 編程后在FPGA上實現(xiàn)。系統(tǒng)上電之后，由監(jiān)控計算機將FPGA啟動命令由以太網(wǎng)發(fā)送到FPGA中，而后，儀器開始產(chǎn)生模擬激勵信號、線圈感應(yīng)信號回采及數(shù)據(jù)分析、傳輸。

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

    FPGA接收到ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號之后做一次FFT解調(diào)，之后由數(shù)據(jù)選擇模塊對損傷數(shù)據(jù)進行提取。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)控計算機顯示與存儲。DDR3緩存負責(zé)時鐘域的轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)的臨時存儲。

    當(dāng)數(shù)據(jù)接收、解調(diào)遇到異常，F(xiàn)PGA會產(chǎn)生一個錯誤代碼，由以太網(wǎng)傳回檢測計算機以便于錯誤的定位以及調(diào)試。同時，檢測計算機可通過以太網(wǎng)發(fā)送復(fù)位信息，及時重啟FPGA程序，防止探傷中斷。

4 監(jiān)控計算機軟件設(shè)計

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

    監(jiān)控計算機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)存儲以及數(shù)據(jù)分析的功能。其流程如圖4所示。

5 實驗及分析

    該電磁鋼軌探傷儀器樣機在太原鐵路局大秦鐵路茶塢工務(wù)段進行了現(xiàn)場測試，對損傷樣軌進行了大量的探傷實驗。其中一個實驗的鋼軌損傷設(shè)置如圖5(a)所示，圖中的2個淺表缺陷標(biāo)注為缺陷1和缺陷2。使用樣機檢測出的探傷曲線如圖5(b)所示。

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

6 結(jié)論

    本文所設(shè)計的電磁鋼軌探傷樣機采用高速FPGA實現(xiàn)信號的激勵、采集和解調(diào)，探傷數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)教絺⊥栖嚨谋O(jiān)控計算機，進行實時分析?，F(xiàn)場測試證明，該電磁鋼軌探傷儀器具有檢測鋼軌淺表層缺陷的能力。后續(xù)將對樣機的檢測傳感器進行優(yōu)化設(shè)計，并制作專用的標(biāo)準(zhǔn)損傷試樣進行量化標(biāo)定。

參考文獻

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