霍繼偉， 劉 澤， 苗 宇， 李 勇， 雷逸凡

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

0 引 言

大秦線重載鐵路投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，一直是大運(yùn)量，高軸重，高密度的重載鐵路運(yùn)輸模式，僅2010年一年的煤運(yùn)量便達(dá)4億噸[1]。高強(qiáng)度的運(yùn)輸模式加劇了鐵路鋼軌的磨損，嚴(yán)重影響鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。在1990～1992年，全國(guó)鐵路年均發(fā)現(xiàn)重傷鋼軌29802根[2]。故鋼軌損傷的高速探測(cè)，對(duì)鐵路的安全生產(chǎn)具有重要意義。

電磁探傷技術(shù)是基于電磁感應(yīng)原理的一種實(shí)用技術(shù),近年來(lái)在鋼軌探傷領(lǐng)域得到較多關(guān)注。電磁探傷具有的非接觸、快速、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，使得其較于超聲探傷，磁粉探傷等方法更適合用于鋼軌的高速探傷[3～5]。

傳統(tǒng)的鋼軌損傷特征提取可分為模擬方法與數(shù)字方法。模擬方法以分析感應(yīng)信號(hào)峰峰值為主，便于實(shí)現(xiàn)，但易受干擾。數(shù)字方法以單片機(jī)等處理器作為主芯片來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，節(jié)省資源、成本低廉，但系統(tǒng)受芯片主頻、資源限制，損傷特征提取速度較慢，難以滿足高速場(chǎng)景下的應(yīng)用要求。

本文系統(tǒng)采用正弦信號(hào)作為激勵(lì)，使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)作為主芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件實(shí)現(xiàn)損傷特征提取相關(guān)算法。FPGA具有時(shí)鐘頻率高、資源豐富、并行計(jì)算能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可大幅提高數(shù)據(jù)的處理速度，滿足高速鋼軌探傷的要求。

1 渦流檢測(cè)原理

當(dāng)通有交變電流的線圈靠近被測(cè)鋼軌表面時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，被測(cè)鋼軌表面將感生出渦流，該渦流將產(chǎn)生與激勵(lì)磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)鋼軌中存在缺陷時(shí)，分布均勻的感生渦流將會(huì)產(chǎn)生畸變，影響感生渦流的磁場(chǎng)分布，進(jìn)而改變檢測(cè)線圈中的電場(chǎng)強(qiáng)度。通過測(cè)量感應(yīng)線圈中的瞬態(tài)電壓，即可得到被測(cè)鋼軌的損傷特征[6]。

若在單位時(shí)間dt內(nèi)，鋼軌損傷引起的磁通變化為dφ，則對(duì)N匝密繞線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)可表示為

(1)

本文系統(tǒng)采用單頻正弦信號(hào)sinωt作為激勵(lì)，無(wú)損傷時(shí)，磁通的變化規(guī)律為

φ=φmsinωt

(2)

此時(shí)在N匝密繞線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)為

E=-Nωφmcosωt

(3)

當(dāng)鋼軌表面、淺表層存在缺陷時(shí)，φm發(fā)生變化?？梢姡ㄟ^檢測(cè)E的瞬態(tài)值，即可得到鋼軌的損傷特征。

2 損傷特征提取算法

對(duì)于一個(gè)周期為T的連續(xù)正弦信號(hào)x(t)，滿足Dirichlet條件，可分解為傅里葉級(jí)數(shù)

(4)

式中ω=2πf為信號(hào)角頻率；f=1/T為信號(hào)頻率；a0為直流分量；an，bn，cn為諧波分量系數(shù)

(5)

對(duì)x(t)以采樣頻率fs進(jìn)行N點(diǎn)采樣,可得時(shí)間序列{x(tk)}，其快速傅里葉變換為

(6)

(7)

(8)

式中tk=kΔt,Δt=1/fs,k=0,1,2,3,…,N

3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用三線圈差動(dòng)式渦流傳感器，前后兩個(gè)檢測(cè)線圈差值后輸出信號(hào)，減少共模干擾，提高檢測(cè)靈敏度。使用AD620構(gòu)成電磁感應(yīng)信號(hào)的差分放大電路，放大后的信號(hào)可達(dá)mV級(jí)別。使用AD8017構(gòu)成激勵(lì)信號(hào)的功率放大電路，為激勵(lì)線圈提供足夠的功率激發(fā)磁場(chǎng)。在信號(hào)進(jìn)入ADC之前，采用一階LC模擬濾波器對(duì)電磁感應(yīng)信號(hào)濾波，提高輸入信號(hào)信噪比。

本文ADC分辨率為14 bit，最大采樣速率為125 MSPS;DAC分辨率為16 bit，最大輸入數(shù)據(jù)速率為160 MSPS。FPGA主板采用Xilinx公司的KC705，具有數(shù)據(jù)處理及接口拓展功能，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，損傷特征提取及數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

4 FPGA實(shí)現(xiàn)算法流程

4.1 正弦激勵(lì)產(chǎn)生

系統(tǒng)采用直接數(shù)字合成器(direct digital synthesizer,DDS)算法直接合成所需頻率波形，算法包括相位累加器與波形存儲(chǔ)器兩部分，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，μ為頻率控制字，n為查找表地址寬度。查找存放正弦波形值，相位累加器輸出查找表地址，讀取查找表中的函數(shù)值。得到正弦輸出sinθ，若系統(tǒng)時(shí)鐘為fc，則sinθ頻率為

(9)

圖2 DDS算法框圖

4.2 損傷特征提取

圖3 幅值損傷特征提取框圖

4.3 特征數(shù)據(jù)傳輸

特征數(shù)據(jù)傳輸程序結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中隨機(jī)存儲(chǔ)器(random access memory,RAM)用于特征數(shù)據(jù)的緩存，實(shí)現(xiàn)特征數(shù)據(jù)在不同時(shí)鐘域下的轉(zhuǎn)換，將系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為由25 MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(user datagram protocol,UDP)協(xié)議數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將經(jīng)過延遲的特征數(shù)據(jù)與循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclic redundancy check,CRC)計(jì)算出的校驗(yàn)碼組合成1幀數(shù)據(jù)發(fā)送，CRC使用的生成多項(xiàng)式為

G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+

x8+x7+x5+x4+x2+x+1

(10)

MDIO控制模塊在上電時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口芯片88E1111進(jìn)行工作模式配置。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸框圖

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，使用鋼軌損傷試樣對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，損傷試樣包括軌縫損傷試樣；三角坑損傷試樣；內(nèi)部損傷試樣，損傷位于淺表層2.5 mm處。

測(cè)試時(shí)將差動(dòng)式渦流傳感器陣列置于損傷試樣表面，使其勻速通過缺陷。當(dāng)選擇激勵(lì)頻率為500 kHz，傳感器陣列分別經(jīng)過內(nèi)部損傷、軌縫損傷、三角坑損傷時(shí)，損傷的幅值特征如圖5所示。圖中，橫坐標(biāo)為解調(diào)序數(shù)，代表傳感器在鋼軌試樣上的位置，為無(wú)量綱值。縱坐標(biāo)為鋼軌損傷的幅值特征，數(shù)值大小代表?yè)p傷情況，與電磁感應(yīng)幅值正相關(guān)，為無(wú)量綱值。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

可見，當(dāng)傳感器陣列位于無(wú)損傷位置時(shí)，幅值特征約為100，當(dāng)傳感器陣列經(jīng)過內(nèi)部損傷、軌縫以及三角坑損傷時(shí)，幅值特征的最大值分別為187,1 204,310，存在明顯譜峰，與試樣實(shí)際情況相符。由于位于傳感器陣列兩端檢測(cè)線圈特性不完全一樣，存在誤差，故傳感器位于無(wú)損傷部位時(shí)，幅值特征不為0?？梢?，本文方法對(duì)于軌縫型損傷響應(yīng)靈敏、效果顯著；對(duì)三角坑及淺表層損傷也有明顯辨識(shí)度。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，幅值特征多次測(cè)量結(jié)果基本一致，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

系統(tǒng)每秒解調(diào)的幅值特征個(gè)數(shù)可表示為

n=f/N

(11)

式中n為幅值特征個(gè)數(shù)，N為時(shí)間序列長(zhǎng)度，f為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。本文系統(tǒng)以40.96 MHz時(shí)鐘作為采樣及系統(tǒng)時(shí)鐘，使用4 096點(diǎn)作為快速傅里葉變換的時(shí)間序列長(zhǎng)度。經(jīng)計(jì)算，每秒可解調(diào)幅值特征1萬(wàn)個(gè)；在時(shí)速120 km/h的條件下，檢測(cè)精度約為0.83 mm。

6 結(jié) 論

與傳統(tǒng)的電磁鋼軌探傷系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)使用FPGA實(shí)現(xiàn)探傷相關(guān)算法，提高了系統(tǒng)解調(diào)損傷特征的速度?？衫肵ilinx公司已有IP核，縮短開發(fā)周期，減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明，本方法對(duì)軌縫、焊縫等縫型損傷具有靈敏度高的特點(diǎn)；對(duì)三角坑損傷、距軌面2.5 mm的內(nèi)部損傷有明顯檢測(cè)效果。經(jīng)計(jì)算本方法每秒可解調(diào)1萬(wàn)個(gè)幅值特征，可應(yīng)用于高速鋼軌損傷檢測(cè)環(huán)境，若適當(dāng)減少快速傅里葉變換所用點(diǎn)數(shù)，特征解調(diào)速度可進(jìn)一步提升。