張 恒，汪開燦，王淑娟

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 軍用電器研究所，哈爾濱 150001）

鋼軌長期服役后會出現(xiàn)裂紋、擦傷、磨損甚至斷裂等多種損傷，如果不能及時發(fā)現(xiàn)，并進(jìn)行必要的維護(hù)、更換，損傷將逐漸擴大，是鐵路運輸中巨大的安全隱患［1］。

目前，國內(nèi)外主要采用壓電超聲技術(shù)對在役鋼軌進(jìn)行檢測，歐美等發(fā)達(dá)國家已有相應(yīng)的探傷裝置問世［2］。然而壓電超聲依賴聲耦合劑，限制了探傷速度，還造成現(xiàn)有超聲裝置體積大、復(fù)雜程度高等相關(guān)問題［3］。

近年來逐漸興起的電磁超聲檢測技術(shù)無需耦合劑，無需對試件表面進(jìn)行預(yù)處理，檢測速度快、效率高。通過改變探頭結(jié)構(gòu)和頻率，可以方便地激發(fā)出多種形式的超聲波［4］。因此，研制基于電磁超聲的鋼軌探傷裝置具有重要的理論意義和實用價值。

英國華威大學(xué)的FAN等人開發(fā)了透射式雙探頭低頻寬帶表面波電磁超聲系統(tǒng)，可檢測深度2mm的表面裂紋［5］。美國LEE等人利用有限元軟件ABAQUS仿真分析了不同頻率導(dǎo)波在鋼軌有無缺陷時的傳播情況，證實了低頻導(dǎo)波檢測軌頭橫向缺陷的可行性［6］。但其在鋼軌缺陷深度達(dá)到橫截面10%時，才能清楚地看到缺陷回波信號，檢測精度較低。2008年，在第十七屆世界無損檢測大會上，俄羅斯的VIGOR公司展示了由8個通道、10個電磁超聲探頭組成的鋼軌檢測設(shè)備UD－EMA－RWT－01M，可實現(xiàn)對鋼軌的在線檢測，但還沒有相關(guān)商品問世［7］。

國內(nèi)對電磁超聲的相關(guān)研究起步較晚，但由于無需接觸等諸多優(yōu)點，電磁超聲越來越多地受到廣大無損檢測工作者的關(guān)注。哈爾濱工業(yè)大學(xué)軍用電器研究所設(shè)計了電磁超聲表面波鋼軌檢測裝置，采用透反結(jié)合方式，可以實現(xiàn)對鋼軌表面的快速檢測［8］。

筆者將以鋼軌在線探傷為工程背景，設(shè)計多通道電磁超聲鋼軌探傷裝置，實現(xiàn)對鋼軌的全面探傷。

1 多通道電磁超聲鋼軌探傷方法

電磁超聲換能器 （Electromagnetic Acoustic Transducer，簡稱EMAT）由發(fā)射接收線圈、磁鐵、試件三部分構(gòu)成，利用洛侖茲力機理或磁致伸縮機理在導(dǎo)體中激發(fā)和接收超聲波［9］。工作時，由發(fā)射電路在發(fā)射線圈中通以高頻交變電流，在試件內(nèi)會產(chǎn)生渦流；渦流在外界強磁場的作用下，引起試件質(zhì)點的周期性振動和彈性形變，從而激發(fā)出超聲波。電磁超聲接收是發(fā)射的逆過程，使用不同的線圈、磁場、驅(qū)動方式，可以激發(fā)出多種類型的超聲波。

由于鋼軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺陷類型繁多，僅使用單一探頭無法實現(xiàn)對鋼軌的全面探傷。為此，設(shè)計了4通道鋼軌探傷方法。探頭安裝在探傷裝置的支架上，布置方式如圖1所示。

圖1 鋼軌檢測探頭布置示意圖

在圖1中，參考TB／T 2340—2012《鋼軌超聲波探傷儀》標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了頻率1MHz的37°斜入射波探頭A，采用雙探頭工作于一發(fā)一收模式，用于檢測螺孔斜裂紋、軌底裂紋缺陷；設(shè)計了頻率2MHz的0°垂直入射體波探頭B，采用螺旋線圈，用于檢測鋼軌軌頭中部、軌腰、軌底的水平裂紋等缺陷。由于滾動接觸疲勞產(chǎn)生的裂紋多發(fā)生在鋼軌軌頭，且分布在軌頭表面不同深度內(nèi)。所以裝置設(shè)計了頻率1.5MHz的表面波探頭C和頻率0.5MHz的表面波探頭D，采用線圈間距為波長一半的等間距曲折線圈，用于檢測鋼軌近表面的踏面裂紋和相對較深的軌頭核傷等缺陷。

2 裝置總體方案設(shè)計

基于電磁超聲的鋼軌探傷裝置主要包括多通道電磁超聲發(fā)射接收電路和主控電路。其中，主控電路包括FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）及其外圍電路、DSP（數(shù)字信號處理）及其外圍電路以及基于ARM的顯示及存儲電路。裝置的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 鋼軌探傷裝置總體結(jié)構(gòu)框圖

在圖2中，多通道電磁超聲發(fā)射接收電路負(fù)責(zé)多種超聲波信號的激發(fā)和接收，回波信號由FPGA及其外圍電路進(jìn)行采集，經(jīng)DSP進(jìn)行信號處理后，由ARM完成數(shù)據(jù)的顯示存儲和人機交互。

裝置整體機械裝配圖如圖3所示。整個裝置由主機箱和機械底座組成，無需攜帶水箱，體積較小。

圖3 鋼軌探傷裝置整體機械裝配圖

3 多通道電磁超聲發(fā)射接收電路設(shè)計

3.1 多通道發(fā)射電路設(shè)計

脈沖發(fā)射電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。由后級控制電路給出觸發(fā)信號，F(xiàn)PGA收到觸發(fā)信號后，輸出四路頻率可調(diào)、波頭數(shù)可調(diào)的互補脈沖對給驅(qū)動電路。此外，F(xiàn)PGA還控制升壓電路使能，提供逆變所需的高壓。逆變后經(jīng)過阻抗匹配，在EMAT線圈中產(chǎn)生高頻交變電流，激發(fā)出所需的多種超聲波。

圖4 脈沖發(fā)射電路結(jié)構(gòu)框圖

3.2 升壓電路設(shè)計

電磁超聲換能器發(fā)射超聲波時，需要為逆變電路配備高壓電源，體積龐大［10］。筆者設(shè)計了640V的升壓電路，采用單端反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由變壓器T、二極管D、功率管Q、高壓電容C、控制電路和電壓檢測電路組成，其原理框圖如圖5所示。圖中的VCC是電源，R是電阻。

圖5 升壓電路原理框圖

在圖5中，電壓檢測電路與控制電路形成了一個閉環(huán)，當(dāng)升壓電壓小于設(shè)定值時，控制電路會以一定電流向電容C充電；當(dāng)檢測到電容電壓達(dá)到了設(shè)定值之后，則控制停止繼續(xù)充電。圖6為充電時電容C中電壓的實測波形，6s內(nèi)便可將電壓升至640V。

圖6 升壓電路工作中電容充電波形

3.3 多通道接收電路設(shè)計

EMAT換能器回波信號微弱，對周圍環(huán)境噪聲敏感，信號常常淹沒在噪聲之中。裝置的接收電路采用四級放大電路結(jié)合高通濾波電路以及選頻網(wǎng)絡(luò)，將接收信號從復(fù)雜的噪聲背景中提取出來。接收電路主要由接收探頭、濾波電路、放大電路以及選頻網(wǎng)絡(luò)幾個部分組成。

4 主控電路設(shè)計

主控電路結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。FPGA和AD9222組成數(shù)據(jù)采集電路，將多路的電磁超聲回波信號采集并存儲到FPGA內(nèi)部FIFO中；采集到的數(shù)據(jù)通過DSP的外部總線傳到DSP中，DSP選用TI公司的TMS320C6713，負(fù)責(zé)超聲回波的數(shù)據(jù)處理；處理結(jié)果通過DSP總線傳到雙口RAM中暫存；ARM負(fù)責(zé)將雙口RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲和人機交互，其中，數(shù)據(jù)存儲電路采用U盤存儲方式。

圖7 主控電路結(jié)構(gòu)框圖

5 電磁超聲信號處理方法

經(jīng)FPGA數(shù)據(jù)采集電路采集到的電磁超聲回波信號中仍然夾雜著多種噪聲，所以，該裝置設(shè)計了自相關(guān)算法實現(xiàn)微弱信號的提取。自相關(guān)算法是利用外界干擾波動的隨機性與超聲信號的周期性來對缺陷回波信號進(jìn)行提取，需要對波形進(jìn)行重復(fù)采集。檢測原理如圖8所示。

圖8 自相關(guān)算法原理圖

在圖8中，vi1、vi2是不同檢測周期下的EMAT接收信號。兩組信號先經(jīng)過帶通濾波器處理，再進(jìn)入乘法器，乘法運算后通過低通濾波器即可將缺陷回波信號v0提取出來。

IIR橢圓型數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)簡單、運行速度快、過渡帶窄［11］，所以選其作為自相關(guān)算法中的基本濾波單元。

利用MATLAB軟件工具箱中的FDATool（Filter Design and Analysis Tool）可方便地進(jìn)行濾波器的參數(shù)設(shè)計。以500kHz電磁超聲表面波為例，選用4階IIR橢圓型帶通濾波器，采樣頻率為4MHz，上限截止頻率設(shè)為400kHz，下限截止頻率設(shè)為600kHz，設(shè)計出的帶通濾波器的幅頻特性曲線如圖9所示?？梢钥闯?，該濾波器選頻特性好，對截止頻率以外的信號具有很強的抑制作用。

圖9 帶通濾波器幅頻特性曲線

6 試驗方法和結(jié)果

為了說明裝置的有效性，在加工有人工缺陷的鋼軌試塊和軌頭具有核傷的實際鋼軌上進(jìn)行探傷試驗。鋼軌缺陷示意圖如圖10所示。

圖10 鋼軌中缺陷示意圖

利用電壓探頭分別測量加載到各發(fā)射線圈上的電壓信號，加載到探頭A上的電壓信號如圖11所示，電壓峰峰值達(dá)到2400V。

圖11 A通道發(fā)射信號

加載到探頭B上的電壓峰峰值達(dá)到1600V；加載到探頭C上的電壓峰峰值可達(dá)1400V；加載探頭D上的電壓峰峰值達(dá)1500V。

采用自相關(guān)算法對四通道回波信號進(jìn)行處理，如圖12所示為A通道接收信號波形及自相關(guān)算法處理后的波形。可以看出，經(jīng)過自相關(guān)算法處理后，噪聲得到了極大抑制，施加一定的閾值就可以實現(xiàn)對缺陷的判別。

裝置整機聯(lián)調(diào)實物圖如圖13所示。

圖12 A通道接收信號及自相關(guān)算法處理后信號

圖13 裝置整機聯(lián)調(diào)實物圖

各探頭在鋼軌上探傷的檢測照片和波形如圖14所示。

試驗結(jié)果表明，該裝置可以對鋼軌軌底裂紋、螺孔水平裂紋、踏面裂紋、軌頭核傷等多種缺陷進(jìn)行有效檢測，實現(xiàn)鋼軌全面探傷功能。

7 結(jié)論

研制了基于電磁超聲的鋼軌探傷裝置，提出多通道電磁超聲鋼軌探傷方案；設(shè)計了大功率發(fā)射和低噪聲接收電路；設(shè)計的主控電路能夠?qū)π盘栠M(jìn)行采集、處理、顯示和存儲；提出了自相關(guān)信號處理算法，實現(xiàn)了回波信號的提取。試驗表明該裝置可以對軌腰、軌底、軌頭、踏面進(jìn)行探傷，且對于列車行車安全具有重要意義，應(yīng)用前景廣闊。

圖14 裝置各探頭鋼軌探傷的照片及波形圖

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