基于嵌入式的钢轨超声导波无损检测系统

严钦男

(武汉纺织大学 电子与电气工程学院，湖北 武汉 430074)

在我国的铁路建设和运营当中，钢轨是轨道交通运输系统的重要组成部件，具有引导机车车辆车轮前进，同时承受车轮荷载并将其传递至轨枕上的功能。铁路运营线上如果出现钢轨断裂就有可能造成列车脱轨、倾覆等重大行车事故，造成人员伤亡和巨额财产损失。因此，保障铁路运输安全、实现我国铁路部门制定的“三防”措施中的防断轨要求具有重要意义。

本论文正是基于超声导波的钢轨无损检测技术，利用超声导波的特性对钢轨中可能出现的断轨、裂缝等各种情况进行有效的、快速的无损探伤分析，以达到实时的钢轨断裂检测，预防各种可能出现的危险情况，实现铁路的安全生产和运营。钢轨材料作为固体声传播介质具有良好的声导管特性，当超声波被局限在棒状或管状介质的边界内传播时，边界对超声波产生反复不断的反射传导，这样就形成了由纵波、横波、表面波、兰姆波等基本超声波类型以各种方式组合形成的超声导波。与传统单一波形的能量集中式超声检测方法相比，超声导波具有检测频率相对较低、传播距离远、检测距离长等特点。频散是导波的主要特性之一，即导波的相速度随着频率的不同而不同。频散特性是导波应用于复合材料无损检测的主要依据。导波在介质中的传播特性与介质特性有很大关系，而且导波的传输介质是处于自由边界还是在其周围有液体的边界问题也很重要，后一种情况会造成导波的衰减。用于无损检测的导波模式应考虑导波的频散特性以及波的结构、面内位移、面外位移以及随着结构厚度变化的应力变化。不同的波结构影响入射的能量和对缺陷的敏感程度。导波的能量和波包形状也是选择导波模式的两个重要因素，衡量的标准是导波的能量泄漏少、传播距离远以及随距离增加波包变化小。

超声导波技术研究最主要的部分集中在数值分析和信号处理技术上。用数值模拟的方法可以模拟不同的导波模式，并研究其特性。这对设计研究导波特性的试验具有指导意义，可以大大减少试验的盲目性和工作量;利用数值模拟技术还可以研究导波模式与不同种类缺陷的相互作用，即研究不同的导波模式在不同缺陷处的散射问题，主要包括导波在缺陷处的反射和折射系数以及在缺陷处的位移和能量的变化。通常我们采用有限元法和边界元法解决导波散射问题。有限元法首先对位移矢量形式的运动学方程用加权余量法表示，接着将研究区域离散得到每个单元的运动方程，最后将所有单元的运动学方程集合成全局运动方程;边界元法是将位移矢量形式的运动学方程用加权余量法得到边界积分方程，将边界划分成若干单元，用这些单元将边界积分方程离散，最终得到一个表征结点上位移和应力的矩阵方程。

以超声导波对钢轨进行无损探伤检测，因为采用机械波作为检测信号，所以基本不受牵引回流与钢轨电气参数影响。且设备原理简单，安装和维护方便，设备功耗成本相对较低，非常适用于较长无缝钢轨的检测。在长大隧道、南方山区潮湿积水和采用整体道床的轨道一次参数不良的地区，可以替代轨道电路完成断轨检测。

目前我国超声导波检测系统主要由任意函数发生器、示波器等分立的通用仪器组成，体积大、不方便携带，大都只能在实验室内进行检测，不便于场外实地检测的应用。随着嵌入式的不断发展，实现超声导波检测系统的小型化设计将成为一种趋势。

一、超声导波嵌入式检测系统组成

在这里我们设计一种嵌入式超声导波检测系统来对钢轨进行无损探伤。本系统主要由超声导波发射模块与接收模块两部分组成。其中发射模块由激励信号源、功率放大器、探头组成。接收模块主要由回波信号调理电路、程控放大电路、A/D采集电路组成。系统框图如图1所示。

图1 系统结构

硬件部分以ARM Cortex－M3内核结构的STM32F107VCT6微处理器为主控核心，主要进行系统控制和数据处理，Xilinx公司的FPGA芯片作为协处理器，主要负责激励信号的产生与回波信号数据的采集。STM32与FPGA之间通过FSMC总线方式进行连接通信 。STM32发出指令控制FPGA产生所需要的数字信号，经由数模转换与差分放大电路、低通滤波电路，而后经功率放大后直接激励超声换能器，从而激发出超声导波。导波传播过程中遇到缺陷反射得到回波信号，进入超声导波接收电路后经过信号调理与程控放大进行A/D采样，采样数据先送到FPGA的FIFO中，然后由STM32对数据进行处理与显示。

二、嵌入系统硬件实现

1.发射模块设计由于超声导波具有频散与多模态的特殊性质，在实际检测中，常选用10个周期经汉宁窗调制的正弦波作为激励信号。为了产生高质量的导波激励信号，本设计基于DDS(直接数字频率合成器)技术，用Verilog HDL语言自主编写直接产生激励波形的DDS模块STM32以中断方式处理按键输入，并将求得的频率控制字通过接口电路传输给FPGA，FPGA输出的DDS波形通过12位高速数模转换器DAC902转换成模拟信号，经过差分放大、低通滤波后得到超声导波激励信号。数模转换、差分放大和滤波电路连接图如图2所示。其中差分放大电路由运算放大器OPA680构成，以实现V最高幅值输出，滤波器由OPA680加必要元器件组成，其截止频率 ，放大倍数为1.5倍。

图2 数模转换、差分放大和滤波电路

2.接收模块设计

当超声导波沿被测管道传播遇到缺陷时，将发生反射，产生携带缺陷信息的反射波。该反射波作用于压电晶片时，将发生压电效应，晶片受迫机械振动引起形变，并转换成电信号。但是该电信号很微弱，为达到信号采样与显示的要求，需要调理电路将回波信号进行调整。信号调理电路主要由限幅电路前置放大电路滤波电路和程控放大电路等组成，结构框图如图3所示。A/D采集电路主要由差分变换电路、A/D转换电路和FIFO缓冲IP核组成。选用差分输入是为了提高信噪比，A/D转换芯片选用AD9283，其外围电路如图4所示。其最高采样速率为50MSPS，FIFO由FPGA的IP核生成器定制生成，节约了成本与外部硬件资源。单端信号经差分变换后，送到AD9283模数转换器的AIN+与AIN－端口，然后在采样时钟ENCODE的控制下，由AD9283完成采样，并将8位数字信号暂存在FPGA中定制的FIFO最后由STM32对数据进行处理与显示等操作。

图3 信号调理电路结构

图4 AD9283外围连接电路

三、嵌入式系统软件设计

系统软件的设计主要由以下3部分组成:

1.II操作系统在STM32上的移植

II是一种源码公开，抢占式的实时多任务操作系统内核，具有执行效率高、可移植性与可扩展性强、占用空间小等特点。使用的软件环境为RealView MDK开发套件，该套件界面友好，功能很强大。

图5 软件系统结构

2.图形用户界面的移植是1个移植性强、占用系统资源少的通用的嵌入式图形界面

通过移植能够有效降低界面开发难度，提高人机交互的友好性。以ANSI C源码包的形式提供给用户，由Config和GUI两个目录组成，移植过程中主要对Config目录下的3个配置文件进行修改，以及硬件接口函数与LCD驱动的编写。

3.应用程序的开发

应用程序基于图形界面操作，通过调用相关驱动来实现频率与增益设置、数据采集、波形显示、缺陷定位、数据存储等功能。系统软件结构如图5所示。主控程序流程图如图6所示。

图6 主控程序流程

四、结 语

基于STM32和FPGA设计了一种嵌入式的钢轨超声导波无损检测系统。系统主要由发射模块接收模块两部分组成。采用模块化的设计方便调试。发射电路部分基于DDS技术设计了激励信号源，产生的激励信号稳定性好、精度较高且频率可调。接收电路部分由调理电路和采集电路组成。对II操作系统和图形用户界面进行了移植并编写了相应的应用程序。为实现超声导波管道检测系统的小型化与集成化提供了借鉴。但是应用程序还有待完善，下一步的工作重点是对相关软硬件进行改进。

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