（大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，遼寧 大連 116028）

機(jī)車關(guān)鍵部位焊縫隨車檢測(cè)的開發(fā)

馬曉明，胡繼勝

（大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，遼寧 大連 116028）

目前機(jī)車的關(guān)鍵部位焊縫裂紋沒有準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)方法，本文采用渦流檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)用DDS芯片，開發(fā)出一套機(jī)車焊縫隨車檢測(cè)裝置。該裝置能夠產(chǎn)生頻率和相位可控的信號(hào)激勵(lì)渦流傳感器，同時(shí)能夠?qū)u流傳感器二次繞組的反饋信息進(jìn)行幅值和相位分析，并能將反映焊縫狀態(tài)的信息傳送到機(jī)車的故障診斷系統(tǒng)中完成故障診斷。

渦流檢測(cè)；焊縫；激勵(lì)信號(hào)；幅相檢測(cè)

0 引言

機(jī)車關(guān)鍵部位焊縫的裂紋若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將埋下重大行車事故的隱患。目前鐵路對(duì)機(jī)車的焊縫裂紋主要是通過例行檢查的方法發(fā)現(xiàn)的。然而，機(jī)車一些關(guān)鍵部件的焊縫裂紋是在運(yùn)用過程中產(chǎn)生的[1]。因此，對(duì)焊縫最有效地檢測(cè)方式是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而不是行車前的例行檢查。無損檢測(cè)方法適于機(jī)車焊縫地檢測(cè)。本課題采用了無損檢測(cè)方法中的渦流檢測(cè)技術(shù)，是鑒于渦流檢測(cè)適于異型材料和惡劣環(huán)境檢測(cè)等特點(diǎn)，利用該技術(shù)研制隨車檢測(cè)裝置，該裝置一方面應(yīng)做到小型化，可以安置于機(jī)車車輛的關(guān)鍵部位，如制動(dòng)梁、各種焊接桿件等，用來對(duì)這些關(guān)鍵部分進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，另一方面反映焊縫的狀態(tài)信號(hào)能夠經(jīng)通信系統(tǒng)傳送到列車總線中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過機(jī)車的故障診斷系統(tǒng)完成故障診斷。

1 渦流隨車檢測(cè)裝置的基本結(jié)構(gòu)

作為一個(gè)完整的隨車檢測(cè)系統(tǒng)，該裝置應(yīng)具備以下三種功能：1）產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)；2）采集渦流傳感器二次繞組的反饋信號(hào)；3）實(shí)現(xiàn)與故障診斷系統(tǒng)的通信。從裝置的功能角度出發(fā)，并結(jié)合渦流檢測(cè)技術(shù)，建立了渦流隨車檢測(cè)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

圖1 渦流隨車檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Conductor eddy current testing system structure

整個(gè)系統(tǒng)的核心部分包括微控制器、信號(hào)發(fā)生裝置和幅相檢測(cè)裝置。微控制器相當(dāng)于渦流檢測(cè)儀器的大腦，它負(fù)責(zé)控制管理系統(tǒng)中所有部分的工作，包括控制信號(hào)發(fā)生裝置信號(hào)的產(chǎn)生和幅相檢測(cè)裝置信號(hào)的檢出。微控制器控制信號(hào)發(fā)生裝置產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)通常是正弦信號(hào)，往往對(duì)于不同的探頭和被測(cè)件，系統(tǒng)中要求的激勵(lì)信號(hào)的頻率，幅值和相位根據(jù)被測(cè)件的材料和性質(zhì)不同是可以任意調(diào)節(jié)的，激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)渦流傳感器，在試件上形成渦流。此渦流經(jīng)過渦流傳感器的二次繞組產(chǎn)生反饋信號(hào)，反饋信號(hào)進(jìn)入到了幅相檢測(cè)裝置中，幅相檢測(cè)裝置就是負(fù)責(zé)檢測(cè)線圈反饋信號(hào)的裝置，能分析出反饋信號(hào)的幅值和相位，經(jīng)處理后的信號(hào)通過微處理器通信到網(wǎng)關(guān)中，最后根據(jù)該信號(hào)幅值和相位的差異就能夠反映出被測(cè)表面的狀態(tài)，判斷機(jī)車焊縫是否超出安全范圍[2]。

2 渦流隨車檢測(cè)裝置的功能實(shí)現(xiàn)

2.1微處理器

由于微控制器需要的運(yùn)算量大，并且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)關(guān)間的通信，所以本系統(tǒng)中采用TDS2812EVMB板。它是基于TI公司的32位定點(diǎn)TMS320F2812DSP下，針對(duì)自動(dòng)控制而開發(fā)的應(yīng)用模板，片內(nèi)存在豐富的資源，所有GPIO口和功能口都外接到擴(kuò)展口，方便了対其它芯片的控制，可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。12位的2812片內(nèi)高速（A/D），采樣通道數(shù)為16路，80ns轉(zhuǎn)換時(shí)間、0～3V量程。SCI異步串口，2通道，已帶收發(fā)驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)用戶需要自己配置成RS232／RS422／RS485。由于RS-485網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)，傳輸比特率快，本系統(tǒng)中通過TDS2812EVMB的管腳控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與列車故障診斷系統(tǒng)的RS-485通信，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)車故障診斷。微處理器向信號(hào)發(fā)生裝置寫入數(shù)據(jù)，為了確定寫入數(shù)據(jù)的地址，本文中是用實(shí)驗(yàn)板的地址引腳和片選引腳通過與非門所產(chǎn)生的電平作為控制引腳，建立了地址譯碼電路，如圖2所示。

圖 2 地址譯碼電路Fig.2 Address decoding circuit

通過TDS2812EVMB板的學(xué)習(xí)指導(dǎo)書，確定了應(yīng)用TDS2812EVMB板的可用地址空間，利用地址端口A13，A14和片選信號(hào)選定了DSP外部存儲(chǔ)器XINTF0區(qū)，再通過地址位A12和A11確定了應(yīng)用TDS2812EVMB的地址為0X3800—0X38FF向該地址里寫數(shù)據(jù)。

2.2信號(hào)發(fā)生裝置

針對(duì)不同焊縫部位和深度，隨車檢測(cè)裝置中激勵(lì)信號(hào)的頻率和相位應(yīng)是可控的，同時(shí)考慮該裝置小型化要求，本系統(tǒng)中采用了ADI公司的AD9851芯片。AD9851芯片高度集成，內(nèi)部具有共性能的D/A轉(zhuǎn)換器和比較器，正常輸出工作頻率范圍為0～72MHz，頻帶寬且功耗較低。其最新的高速內(nèi)核可接受32位頻率控制字，5位可編程相位調(diào)制，故選擇該型號(hào)的DDS芯片來設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生裝置[3]。AD9851芯片的控制字寫入，只能控制芯片所產(chǎn)生信號(hào)的頻率和相位，但為了適應(yīng)不同的探頭和被測(cè)件，所以系統(tǒng)擴(kuò)展了可調(diào)節(jié)的功率放大電路，采用了功率放大器AD811和數(shù)字電位器AD5254芯片，從而可以控制AD9851芯片輸出的激勵(lì)信號(hào)的功率，如圖3所示。

圖3 功率放大電路Fig.3 Power amplifier circuit

功率放大部分的核心元件是型號(hào)為AD811的功放芯片。該芯片的輸出電流可以達(dá)到100mA，完全可以滿足系統(tǒng)的要求。該電路的放大倍數(shù)通過下面的公式確定：

本系統(tǒng)中選擇RFB=440Ω，RG=50Ω，即固定了放大倍數(shù)9.8倍。數(shù)字電位器AD5254是一種邏輯可控電位器，控制引腳采用的是I2C協(xié)議，通過TDS2812EVMB板的通用I/O口對(duì)其進(jìn)行信號(hào)控制，同時(shí)為了保證信號(hào)的輸入輸出不失真，在數(shù)字電位器AD5254兩端串接了兩個(gè)電壓跟隨器NE5532。由于AD9851內(nèi)部不含濾波器，為了避免噪聲及其他高頻信號(hào)的影響，所以在電壓信號(hào)的輸出端擴(kuò)展了低通濾波電路。濾波電路選用七階的LC濾波電路，既保證不影響檢測(cè)信號(hào)的頻率，又能最大限度地濾除干擾信號(hào)。設(shè)計(jì)中的截止頻率選定為5MHz，各元件的參數(shù)值選取可根據(jù)以下公式計(jì)算得到：

其中，和為固定值。L1=1.24698；L2=2.0；L3=1.24698；C1=C4=0.44504；C2=C3=1.80194

該系統(tǒng)主要以TDS2812EVMB實(shí)驗(yàn)板為控制核心，采用信號(hào)發(fā)生裝置AD9851，擴(kuò)展其外圍電路，如圖4所示。

AD9851芯片的控制信號(hào)W-CLK，F(xiàn)Q-UD和RST分別與開發(fā)實(shí)驗(yàn)板的通用GPIO口連接，根據(jù)AD9851芯片控制引腳的時(shí)序，通過寫入高電平1或低電平0對(duì)芯片數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行使能。AD9851芯片的數(shù)據(jù)端口采用并行通信方式，通過鎖存器與TDS2812EVMB板的低八位的數(shù)據(jù)總線相連，本文選取了74HC573八D鎖存器，工作電壓設(shè)定為5V，鎖存使能輸入接TDS2812EVMB的寫有效接口，確保數(shù)據(jù)在一個(gè)寫周期有效時(shí)間內(nèi)能輸入到鎖存器中。鎖存器的另外一個(gè)輸出使能控制接口連接的是一個(gè)地址譯碼

電路，通過該電路一方面是對(duì)鎖存器的控制，主要還是對(duì)TDS2812EVMB進(jìn)行了選址，TDS2812EVMB的低八位數(shù)據(jù)總線按照8位并行加載數(shù)據(jù)送給AD9851，低32是控制頻率，高5位是控制相位，還有6倍倍頻使能位，低功耗位和邏輯0位。AD9851芯片的輸出端外接了七階濾波器，使輸出的頻譜盡量純凈，利用數(shù)字電位器和功率放大器控制了輸出信號(hào)功率放大縮小，最后輸出了一個(gè)頻譜純凈的，相位和功率可控的正弦信號(hào)。

2.3幅相檢測(cè)裝置

目前幅相檢測(cè)應(yīng)用比較廣泛的是AD8302芯片。該芯片是ADI公司生產(chǎn)的用于測(cè)量幅度和相位的集成芯片，符合隨車檢測(cè)小型化的要求，同時(shí)能夠輸出檢測(cè)線圈二次繞組側(cè)的反饋信號(hào)的幅值和相位。該芯片的信號(hào)輸入有兩路，一路是經(jīng)過信號(hào)發(fā)生裝置提供給檢測(cè)線圈的激勵(lì)信號(hào)，作為幅相檢測(cè)系統(tǒng)的參考信號(hào)；另外一路是檢測(cè)線圈二次繞組側(cè)的反饋信號(hào)。檢測(cè)時(shí)系統(tǒng)會(huì)將反饋信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行對(duì)比運(yùn)算，輸出能夠反映被測(cè)系統(tǒng)幅值和相位變化的兩路信號(hào)[7]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)幅值和相位大小的獲取。由于AD8302芯片的輸入端電壓要求小于0.24V，所以輸入前需經(jīng)電阻分壓，而輸出信號(hào)通過穩(wěn)壓管與TDS2812EVMB板的ADC模擬輸入信號(hào)引腳相連，保護(hù)實(shí)驗(yàn)板不被燒壞，同時(shí)為了確保被測(cè)信號(hào)的等級(jí)在芯片測(cè)量的允許范圍內(nèi)，在AD8302的輸入端之前設(shè)計(jì)了衰減電路，如圖5所示。

檢測(cè)線圈反饋回來的信號(hào)和激勵(lì)裝置的激勵(lì)信號(hào)首先經(jīng)過電阻分壓，再經(jīng)過衰減電路將其信號(hào)等級(jí)降低以后傳送至檢測(cè)電路，最后經(jīng)交流耦合電容C1和C2之后送入芯片AD8302，經(jīng)過內(nèi)部的相位檢測(cè)器、對(duì)數(shù)放大器處理后，從VMAG輸出反應(yīng)幅值信息的電壓信號(hào)，從VPHS輸出反應(yīng)相位信息的電壓信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過穩(wěn)壓管傳送到TDS2812EVMB板的ADC模塊，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理后傳送到上位機(jī)中。

2.4渦流檢測(cè)裝置的工作過程

微控制器TDS2812EVMB控制AD9851產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位可調(diào)的正弦信號(hào)。這個(gè)信號(hào)經(jīng)過七階濾波，濾除一些雜波等干擾信號(hào)，再經(jīng)過功率放大裝置實(shí)現(xiàn)了功率可調(diào)性，激勵(lì)信號(hào)進(jìn)入到渦流傳感器的一次繞組中，在被測(cè)試件上形成渦流，渦流又通過渦流傳感器的二次繞組產(chǎn)生一個(gè)反饋信號(hào)。幅相檢測(cè)芯片AD8302對(duì)激勵(lì)信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，將幅值和相位的上的差異傳輸?shù)轿⒖刂破鱐DS2812EVMB中，微控制器處理后經(jīng)RS-485通信接口傳輸?shù)搅熊嚨木W(wǎng)關(guān)中，實(shí)現(xiàn)列車故障診斷系統(tǒng)對(duì)列車的關(guān)鍵部位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生和采集裝置主要以TDS2812EVMB實(shí)驗(yàn)板為控制核心，采用信號(hào)發(fā)生芯片AD9851和幅相檢測(cè)芯片AD8302。由于芯片采用的都是高度集成芯片，所以符合小型化的設(shè)計(jì)要求，并且激勵(lì)信號(hào)的頻率高達(dá)5MHZ，完全能夠激勵(lì)渦流傳感器對(duì)機(jī)車車輛的焊接處進(jìn)行渦流檢測(cè)，同時(shí)可以利用TDS2812EVMB的485通信模塊，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)間的通信，通過故障診斷系統(tǒng)來觀察被測(cè)件的狀態(tài)。該裝置占用空間小，可靠性高，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)了渦流信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)信號(hào)的采集，能夠應(yīng)用到機(jī)車車輛的關(guān)鍵焊接部位處進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上。

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Accessory Detection Develop for the Locomotive Key weld Parts

Ma Xiaoming , Hu Jisheng
（School of Transportation Engineering Dalian Jiaotong University，Dalian 116028,China）

he weld crack of locomotive's key part don't have accurate forecasting method，this paper uses the eddy current testing technology，application of DDS chip，and develop a l testing device with the moving locomotive, the device can produce signal which frequency and phase controlled incentive eddy current sensor，at the same time it can analysis the amplitude and phase of feedback information by the secondary winding of eddy current sensor produce，and can transfer the weld information to locomotive fault diagnosis system for the fault diagnosis of locomotive fault diagnosis。

eddy current testing; weld joint; excitation signal; detection of amplitude and phase

圖 4 信號(hào)發(fā)生裝置的總體電路圖Fig.4 The overall circuit diagram of signal generator

圖5 幅相檢測(cè)系統(tǒng)電路圖Fig.5 Phase detection system circuit diagram

TM154.2

A

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.002

2014-3-18

馬曉明，男，碩士，研究方向：軌道車輛電力牽引傳動(dòng)控制及自動(dòng)化。