潘 超，韋 樸，朱 昊，朱奧輝

（1.中國鐵路上海局集團有限公司 南京動車段，南京 210012；2.南京工程學院 江蘇省先進數控技術重點實驗室，南京 211167）

近年來，中國高速鐵路迅猛發(fā)展，復興號動車組的運營速度高達350 km/h。為了保障動車組的運行安全，動車組需要定期進行運營維護。只有及時快速準確地對整列動車組的各個系統進行必要檢修，動車組列車運行的安全性才能得到保證[1-3]。動車組多個關鍵系統，如動車組的制動系統、受電弓、主斷路器、空氣彈簧、車鉤等均使用了壓縮氣體，因此穩(wěn)定的壓縮空氣供給是保證設備良好運行的基礎，但在檢修過程中，微小氣體泄漏所產生的聲音在嘈雜的現場環(huán)境中無法通過人耳被迅速察覺，因而難以被及時檢測到。車體設備艙內部空間狹小，傳統檢測使用氣泡法、涂抹法等檢測周期長、精度低且人工成本很高，無法快速準確地找到氣體泄漏位置[4-6]。因此，動車組的檢修亟須一種新型的氣體泄漏檢測方法和裝備，以實現對壓縮氣體泄漏快速、準確地檢測。針對傳統麥克風檢測的方式極易受環(huán)境聲音的影響，無法對微弱的泄漏點進行檢測的問題，王小然等人[7]采用基于擴展Kalman濾波的數據融合方法，對氣體泄漏點進行定位。該方案技術復雜，成熟度較低，目前還無法推廣使用。

本文設計了動車組壓縮氣體泄漏超聲波智能檢測與識別系統，該系統基于氣體泄漏產生的空載超聲波信號，在檢修現場復雜的聲環(huán)境中能夠快速檢測并識別微小氣體泄漏聲音，準確有效定位動車組故障部件氣體泄漏位置。

1 氣體泄漏超聲波檢測原理

當容器內部氣體壓強大于外部大氣壓強時，由于內外壓差較大，一旦容器有輕微破損（小孔或細小裂縫），氣體就會從破損處沖出。當容器破損尺寸較小且雷諾數較高時，沖出的氣體就會形成湍流，湍流在破損處附近會產生一定頻率的聲波[8-9]。聲波振動的頻率與破損處的大小有關。若破損處較大，人耳可聽到漏氣聲。由于人耳可聽到的聲音音波范圍為20 Hz～20 kHz，若破損處很小且聲波頻率高于20 kHz時，人耳將無法聽到漏氣聲，但漏氣聲能在空氣中傳播，這種波被稱作空載超聲波?？蛰d超聲波是高頻短波信號，其強度隨著離開聲源（破損部位）距離的增加而迅速衰減。漏氣產生的超聲波頻帶較寬，一般為20 ～100 kHz[10]，因此氣體泄漏產生的空載超聲波可以被用來對泄漏狀態(tài)進行檢測和識別；同時，通過檢測系統與泄漏位置間距離的調節(jié)，判斷信號變化，確定泄漏位置。

2 系統組成及工作原理

本文系統通過采集氣體泄漏產生的超聲波信號，分析識別動車組用氣設備是否出現泄漏并快速確定泄漏位置。同時為了滿足檢修需要，本文系統還具有輕量化設計、可移動、便攜式、能夠實現實時人機交互等特點，由信號采集單元、模擬和數字信號處理單元、電源管理單元和用戶界面（UI，User Interface）單元4部分組成，如圖1所示。

圖1 系統組成

2.1 信號采集單元

采用硅基麥克風作為超聲波采集傳感器，將超聲波信號轉為模擬電壓信號，實現超聲波信號的采集。硅基麥克風探測靈敏度高，能夠采集微弱的超聲波信號，其頻響曲線如圖2所示。硅基麥克風可以探測到80 kHz以內的聲波信號，基本上可以覆蓋超聲波的頻譜范圍。

圖2 硅基麥克風的頻響曲線

超聲波的頻率峰值集中在40 kHz以上，常規(guī)環(huán)境中的噪聲信號頻率一般在20 kHz以下。高通型的模擬接收電路能夠自適應地過濾20 kHz以下的聲波信號，將常規(guī)環(huán)境中的噪聲信號有效濾除，可有效提高傳感探頭的抗干擾特性。模擬接收電路的頻響特性曲線如圖3所示。

圖3 模擬接收電路的頻響特性曲線

2.2 信號處理單元

信號處理單元實現對模擬電壓信號的處理及模擬信號至數字信號的轉換，包括模擬信號處理電路和數字信號處理電路。模擬信號處理電路如圖4所示，選用STM32L系列低功耗ARM處理器實現后續(xù)的數字信號處理。信號處理單元將信號采集單元輸出的模擬電壓信號經過程序控制放大器放大后分為兩路輸出：一路輸出至高速比較器，另一路輸出 至 模/數轉換器（A/D ，Analog to Digital Converter），實現模擬信號至數字信號的轉換。設置閾值電壓，通過高速比較器將輸入的模擬電壓信號與閾值電壓進行比較。當模擬信號電壓大于閾值電壓時，高速比較器輸出高電平信號，表明系統檢測到超聲波信號，同時觸發(fā)處理器的外部中斷程序；處理器打開A/D模塊，向顯示器實時輸出檢測的超聲波信號。

圖4 模擬信號處理電路

2.3 供電單元

供電單元采用3.7 V鋰電池供電，通過設置直流變換器升壓電路將3.7 V電源電壓升高至12 V，作為本文系統中模擬電路的電源；通過設置直流降壓電路將12 V電壓降壓并穩(wěn)壓至5 V，作為觸摸電容屏的供電電源；通過低壓差線性穩(wěn)壓器（LDR，Low Dropout Regulator）電路產生3.3 V電源，作為ARM處理器的電源。此外，供電電源設計了鋰電池充電電路，實現對鋰電池的在線充電。

2.4 UI單元

為實現更加方便的人機交互，UI單元選取STM32L系列高性能ARM處理器作為單元核心；通過設置觸摸電容屏，采用touchgfx+CubeMX+keil平臺設計嵌入式程序，進行系統嵌入式軟件開發(fā)，實現界面顯示和人機交互。同時，UI單元通過通用異步收發(fā)器（UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）實現了觸摸電容屏與ARM處理器之間的通信。

3 試驗結果

在實驗室搭建了實驗平臺，如圖5所示，通過信號測試檢驗系統功能。本文系統采用壓縮氣泵、氣室和軟管模擬不同形式的氣體泄漏，檢測超聲波信號的各項特征。模擬碳滑板漏風故障檢測，模擬的漏風風壓為3.6 Bar，并模擬設置了多個氣體泄露點，通過多次測試對比發(fā)現，當超聲波采集傳感器與氣體泄露點的距離為15 cm左右時，檢測結果較好。在實際檢修現場對氣體泄漏檢測裝置進行了測試，測試結果表明：本文系統能夠對動車組受電弓、轉向架制動等氣體泄漏狀況進行快速檢測和準確識別，同時，通過UI界面輸出檢測超聲波的量化幅值。

圖5 實驗室測試環(huán)境

4 應用效果

本文系統已試用于動車組運用檢修中，系統能夠檢測到聲音微弱的漏風故障，通過電容屏實現漏風處泄漏值的檢測增益變大或者縮小，調整檢測距離，能夠快速適應檢測目標。本系統具有如下功能特點。

（1）本系統在高速鐵路動車組檢修工作當中，能夠代替檢測試漏劑，快速檢測到動車組制動、受電弓等系統部件存在的壓縮氣體漏風故障。

（2）本系統具備檢測幅值增益可調節(jié)功能，通過增益調節(jié)，檢測精度在一定范圍內（0～20 cm）不受檢測距離干擾。

（3）本系統具備較好的抗干擾性。通過自動過濾20 kHz以下的聲波信號，可不受檢修現場嘈雜噪音干擾，能夠檢測出微弱的漏風故障。

（4）本系統操作方便，通過電容屏實現泄漏幅值的顯示、操作及系統的開啟/關閉功能；傳感器采用軟管連接，實現360°旋轉手持探測，可在狹小空間進行檢測，靈活度較高；系統為手持式，采用鋰電池供電，顯著提高了使用的便捷性。

5 結束語

本文設計了動車組壓縮氣體泄漏超聲波智能檢測與識別系統，通過采集動車組氣體泄漏產生的超聲波信號，實現氣體泄漏故障檢測和識別。本文系統為動車組檢修作業(yè)人員提供方便快捷的壓縮空氣泄漏檢測手段，顯著提高壓縮氣體泄漏檢測的精度和效率，減少檢修成本，提高了工作效率；動車組氣體泄漏故障的早期發(fā)現、及時處理，能夠降低動車組安全運行風險，對動車組檢修手段的提升和智能化發(fā)展具有借鑒意義。