周 翔,宋 偉

(1.南通友聯(lián)數(shù)碼技術(shù)開發(fā)有限公司，江蘇 南通 226000;2.南通理工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，江蘇 南通 226000)

鐵路無縫線路的接頭少，節(jié)省了大量的接頭零件和線路維修工作量，減少了列車在接縫處的震動(dòng)，降低了噪聲，使列車運(yùn)行更加平穩(wěn)，同時(shí)增加了列車的使用年限。然而鋼軌在焊接過程中由于設(shè)備的不穩(wěn)定和焊接工藝參數(shù)的變化，以及鋼軌化學(xué)成分偏離等原因，在焊縫內(nèi)部容易產(chǎn)生灰斑、光斑、過燒、裂紋和晶粒粗大等危險(xiǎn)性缺陷，這些缺陷降低了焊縫的強(qiáng)度和韌性[1]，容易造成斷軌事故。因此對(duì)鋼軌焊縫部位進(jìn)行定期檢測是保證行車安全最直接、最有效的技術(shù)方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)包含掃查系統(tǒng)和探傷系統(tǒng)兩部分。

1.1 掃查系統(tǒng)

掃查系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)控制器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、探頭組、編碼器、探頭信號(hào)分配器。

驅(qū)動(dòng)控制器包含電機(jī)、編碼器、控制板卡、開關(guān)和電池。電池為驅(qū)動(dòng)控制器供電，電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接用于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)探頭組的移動(dòng)，編碼器通過齒輪與電機(jī)連接，開關(guān)與電機(jī)和控制板卡連接。

探頭組由三對(duì)雙探頭和兩個(gè)單探頭共8個(gè)探頭組成。分別檢測軌頭、軌腰、軌底，對(duì)整個(gè)焊縫進(jìn)行全方位掃查。雙探頭掃查：從踏面對(duì)焊縫進(jìn)行串列式掃查(如圖1)，從軌頭兩側(cè)面對(duì)軌頭進(jìn)行K型掃查和從軌底兩側(cè)面對(duì)軌底部位進(jìn)行K型掃查(如圖2)。單探頭掃查：從軌底斜面對(duì)軌底腳進(jìn)行單探頭掃查(如圖3)，用一次波掃查軌底腳下部，二次波掃查軌底腳上部[2]。

編碼器安裝在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，實(shí)時(shí)獲取傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并傳送到超聲電路板。

探頭組安裝在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，實(shí)時(shí)產(chǎn)生超聲信號(hào)并通過多芯信號(hào)線傳送到超聲電路板，隨著探頭組的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生各個(gè)位置的超聲信號(hào)。

超聲電路板將編碼器傳來的位置信號(hào)與探頭組傳來的超聲信號(hào)相整合，通過信號(hào)傳輸總線傳送到上位機(jī)在屏幕上進(jìn)行成像。

圖1 串列式掃查

圖2 軌頭、軌底K型掃查

圖3 軌底單探頭掃查

1.2 探傷系統(tǒng)

探傷系統(tǒng)為超聲波探傷儀一體機(jī)，采用“嵌入式主機(jī)+超聲電路板”的硬件架構(gòu)，內(nèi)部總線方式為USB總線。嵌入式主機(jī)選用低功耗嵌入式X86主板，與存儲(chǔ)器、鍵盤、顯示屏、電源構(gòu)成完整嵌入式系統(tǒng)，作為整個(gè)系統(tǒng)的上位機(jī)。上位機(jī)安裝嵌入式Windows操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序運(yùn)行在操作系統(tǒng)中。超聲電路板為自主研發(fā)的專業(yè)8通道超聲電路板，具備超聲發(fā)射、超聲接收、模擬信號(hào)處理、信號(hào)采集、時(shí)序邏輯控制、電源管理、USB總線通訊等功能。超聲電路板與上位機(jī)之間通過USB芯片進(jìn)行連接，用來傳輸控制指令和數(shù)字化超聲波探傷數(shù)據(jù)。探傷系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)主要完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制、執(zhí)行探傷操作、缺陷判斷報(bào)警程序、波形繪制及圖象處理等主要工作。而大量的數(shù)據(jù)采集、中間處理和實(shí)時(shí)控制等繁忙事務(wù)交由超聲電路板去完成，這樣有利于提高系統(tǒng)探傷速度，也為開發(fā)應(yīng)用程序留出充足的時(shí)間余量。

整個(gè)探傷系統(tǒng)流程：系統(tǒng)上電初始化后，用戶通過操作應(yīng)用程序確定工作狀態(tài)，并將操作指令通過USB總線傳送到超聲電路板中，F(xiàn)PGA產(chǎn)生一定頻率的脈沖觸發(fā)信號(hào)[3-4]，經(jīng)過MOS管驅(qū)動(dòng)電路后輸出的信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS管開關(guān)動(dòng)作[5]，再配合電容、電阻生成高壓脈沖信號(hào)，施加至前端的超聲探頭，激勵(lì)壓電晶片震動(dòng)產(chǎn)生超聲波。超聲波在焊縫傳播過程中遇到缺陷時(shí)產(chǎn)生反射回波并返回至探頭，壓電晶片將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)入接收電路，通過增益調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換為適合A/D采樣電路的電壓信號(hào)，經(jīng)A/D采樣電路后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再通過FPGA核心處理單元對(duì)數(shù)字信號(hào)作進(jìn)一步處理，最后將數(shù)字化的超聲信號(hào)通過USB總線實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)并在屏幕以A掃和B掃的形式顯示出來。

1.2.1 超聲發(fā)射接收模塊

包括多路選通開關(guān)、MOS驅(qū)動(dòng)電路、高壓MOS管電路、接收通道選擇電路、接收電路、增益調(diào)節(jié)電路、A/D采樣電路、D/A轉(zhuǎn)換電路。

(1)多路選通開關(guān)和MOS驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)了發(fā)射通道選通，選通的發(fā)射通道能夠發(fā)出方波信號(hào)。電路包含3選8譯碼器U6和MOS管驅(qū)動(dòng)芯片U3、U30、U40、 U41。其輸入信號(hào)TRIG_SEL[0]、TRIG_SEL[1]、TRIG_SEL[2]、TX_TRIG來自于FPGA，輸出信號(hào)為nTRIG_TR1 ～ nTRIG_TR8，F(xiàn)PGA通過TRIG_SEL[0]，TRIG_SEL[1]，TRIG_SEL[2]這3路信號(hào)選擇U6輸出通道nTRIG_TRN(其中N為1-8)。此時(shí)如果FPGA通過TX_TRIG輸出方波信號(hào)，則 nTRIG_TRN輸出方波信號(hào)。nTRIG_TRN后續(xù)通過MOS管驅(qū)動(dòng)芯片UCC27323DGN輸出波幅達(dá)到 10V的方波信號(hào)，能夠驅(qū)動(dòng)大功率MOS管的方波信號(hào)輸出為MOS_TRIG[1] ～ MOS_TRIG[8]。電路圖如圖5。

圖5 多路選通開關(guān)及MOS驅(qū)動(dòng)電路電路圖

(2)增益調(diào)節(jié)電路采用平均分配進(jìn)行調(diào)整。芯片內(nèi)部集成了前置放大器和兩級(jí)可變增益放大器。前置放大器噪聲較低，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大使其達(dá)到可變增益放大芯片的輸入范圍要求。系統(tǒng)工作時(shí)FPGA接收到上位機(jī)的操作指令，將兩路數(shù)字控制信號(hào)輸出至D/A轉(zhuǎn)換芯片，D/A數(shù)字芯片將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為兩路模擬信號(hào)，并送至可變增益放大芯片的兩級(jí)放大器的控制端，以調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了增益可變的功能[6]。

1.2.2 數(shù)字信號(hào)處理及邏輯控制模塊

FPGA具有充足的邏輯資源和強(qiáng)大的信號(hào)處理能力。能夠通過編程直接在硬件上實(shí)現(xiàn)用戶所要求的功能?；谶@些優(yōu)點(diǎn)本系統(tǒng)選用FPGA進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理及邏輯控制。FPGA下位機(jī)程序采用VerilogHDL語言，在Quartus II環(huán)境下開發(fā)完成。FPGA功能如圖6。

圖6 FPGA功能結(jié)構(gòu)框圖

(1)數(shù)字信號(hào)處理。對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、檢波、壓縮、存儲(chǔ)。數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FPGA后，數(shù)字濾波器會(huì)針對(duì)不同探頭的回波信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，以消除前端電路帶來的干擾噪聲。濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)入檢波電路將超聲回波信號(hào)轉(zhuǎn)化為絕對(duì)值信號(hào)。另外由于顯示屏的顯示點(diǎn)數(shù)是有限的，不能在屏幕上將采集的數(shù)據(jù)全部都顯示出來，因此要以顯示的檢測深度為依據(jù)對(duì)檢波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理[7]，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

(2)模擬電路控制。包括多路選通開關(guān)控制、發(fā)射電路控制、通道選擇控制、D/A轉(zhuǎn)換器控制、A/D轉(zhuǎn)換器控制、增益調(diào)節(jié)電路控制、時(shí)鐘控制等。由FPGA選通發(fā)射通道，F(xiàn)PGA產(chǎn)生的脈沖觸發(fā)信號(hào)使發(fā)射電路產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)用來激發(fā)超聲換能器，產(chǎn)生超聲波在焊縫中傳播，超聲波遇缺陷產(chǎn)生回波，回波回到超聲換能器，進(jìn)入到接收端，此時(shí)再通過FPGA選通指定的接收通道，D/A轉(zhuǎn)換器接收FPGA控制信號(hào)后對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大處理后，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器通過FPGA產(chǎn)生的采樣時(shí)鐘，將前端放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

(3)數(shù)據(jù)通訊。USB傳輸模塊用于控制USB雙向數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)上位機(jī)與FPGA內(nèi)部讀寫數(shù)據(jù)線的通信，它根據(jù)USB接口的使能信號(hào)確定數(shù)據(jù)的流向。USB芯片通過通用USB數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)平臺(tái)，控制參數(shù)傳遞模塊將上位機(jī)的各控制參數(shù)讀出并分配給FPGA相應(yīng)模塊完成相應(yīng)的功能[8-13]。

2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)采用Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境，基于MFC庫開發(fā)。采用模塊化思想，便于軟件的維護(hù)和升級(jí)。分為登錄模塊、性能測試模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、探傷模塊、數(shù)據(jù)后處理模塊五個(gè)模塊。

超聲探傷系統(tǒng)同時(shí)要處理的任務(wù)比較多，對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，因此在探傷應(yīng)用程序中使用多線程技術(shù)。本系統(tǒng)可以分為四個(gè)線程，主線程負(fù)責(zé)應(yīng)用程序界面和數(shù)據(jù)采集，另外創(chuàng)建三個(gè)輔助線程，分別為：

(1) 圖形處理線程，用于將讀取的實(shí)時(shí)探傷數(shù)據(jù)以A掃圖和B掃圖的形式繪制到顯示屏中；

(2)讀鍵盤線程，讀取鍵盤上被按下的按鍵值，然后再發(fā)送一個(gè)按鍵消息，此消息將在主窗口過程函數(shù)中進(jìn)行處理；

(3)參數(shù)設(shè)置線程，接收上位機(jī)的控制命令，對(duì)超聲波電路板進(jìn)行設(shè)置。

2.1 登錄模塊

提供完善的用戶管理功能，為滿足用戶數(shù)據(jù)安全和流程管理，每個(gè)用戶需要輸入相應(yīng)用戶名和密碼才能進(jìn)入系統(tǒng)。管理員用戶可以增加或刪除用戶。

2.2 性能測試模塊

超聲探傷儀性能的好壞直接影響對(duì)缺陷定位和定量的準(zhǔn)確性，因此必須定期對(duì)儀器性能定期測試。主要測試項(xiàng)為水平線性、垂直線性、靈敏度余量、動(dòng)態(tài)范圍。

2.3 參數(shù)設(shè)置模塊

為了能準(zhǔn)確地檢測出焊縫中的缺陷，用戶需要對(duì)超聲波參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。再通過USB芯片下行至FPGA，由FPGA讀取后對(duì)超聲波電路板進(jìn)行控制設(shè)置。通道參數(shù)設(shè)置項(xiàng)：聲程、增益、聲速、延時(shí)、零點(diǎn)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置項(xiàng)：重復(fù)頻率、脈沖寬度、發(fā)射電壓、降噪次數(shù)、檢波方式、濾波頻帶。波門A和波門B的位置、寬度、高度。

2.4 探傷模塊

初始化后，上位機(jī)發(fā)出檢測開始指令，并同時(shí)向掃查系統(tǒng)發(fā)出掃查指令，探頭組開始移動(dòng)，超聲電路板將從探頭組獲取的超聲數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的成像處理，并定時(shí)顯示 A 掃波形和B掃波形圖譜，同時(shí)判斷是否超標(biāo)，超標(biāo)則向報(bào)警器發(fā)出信號(hào)，產(chǎn)生報(bào)警。探頭組到達(dá)終點(diǎn)位置后，用戶向上位機(jī)發(fā)出檢測結(jié)束指令，上位機(jī)將檢測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器。

探傷過程中對(duì)于靠的很近，無法區(qū)分的兩個(gè)波形可以利用門內(nèi)展寬功能對(duì)波形進(jìn)行放大后再分析判斷。

超聲波在鋼軌中傳播時(shí)，能量隨著傳播距離的增加而減小，尺寸相同的缺陷造成的反射回波高度會(huì)隨距探頭距離的增大而下降，因此不能通過觀察回波幅度的大小來判斷缺陷尺寸大小。為了分析鋼軌焊縫內(nèi)缺陷情況，必須消除超聲波在鋼軌焊縫內(nèi)傳輸深度的影響，使返回的信號(hào)只與焊縫結(jié)構(gòu)有關(guān)，這就有必要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行不同深度進(jìn)行增益補(bǔ)償。

2.5 數(shù)據(jù)后處理模塊

具備完善的文件管理功能，用戶對(duì)檢測數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行保存、調(diào)閱、拷貝、分析、打印等文件操作和管理功能。

3 實(shí)驗(yàn)分析

本系統(tǒng)具備A型和B型兩種顯示方式，采用四個(gè)窗口分別顯示軌底K型掃查、軌腰串列式掃查、軌頭K型掃查和軌底腳單探頭掃查四個(gè)不同部位的A掃信號(hào)，系統(tǒng)采用另外四個(gè)窗口同時(shí)進(jìn)行軌底、軌腰、軌頭、軌底腳四個(gè)部位的B掃圖形及焊縫橫截面成像顯示，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)焊縫橫截面投影、俯視投影、側(cè)視投影三個(gè)方向的成像顯示。

利用本系統(tǒng)對(duì)某焊軌廠新制鋼軌焊縫進(jìn)行探傷，軌頭兩個(gè)串列式探頭通過相對(duì)和相背等速移動(dòng)后發(fā)現(xiàn)軌腰A掃窗口存在平面狀缺陷，聲波經(jīng)缺陷和底面兩次反射后，又沿與入射波平行的方向返回到探頭。根據(jù)兩個(gè)探頭在探測面上分開的距離 L再結(jié)合幾何聲學(xué)原理 ，代入公式L=2htan(其中為探頭折射角，h為探測點(diǎn)到底面距離)計(jì)算得到缺陷在距軌頭踏面80-103 mm處。探傷過程中發(fā)現(xiàn)缺陷界面截圖如圖7。

圖7 探傷界面圖

4 結(jié)語

一種鋼軌焊縫超聲波探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)了超聲波發(fā)射與接收模塊和FPGA數(shù)字信號(hào)處理及邏輯控制模塊。采用USB技術(shù)使得超聲波電路板能快速方便地與上位機(jī)進(jìn)行通訊，F(xiàn)PGA豐富的接口資源和可編程特性，提高了數(shù)據(jù)的處理能力。在現(xiàn)場測試和使用過程中表明，具有檢出效率高、缺陷識(shí)別精度高、可靠性高、界面友好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。