基于超声导波的无缝线路断轨检测系统

李 浩，段翔宇，白 彪

（北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044）

钢轨是轨道交通运输系统的重要组成部件，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。随着高速铁路的发展和无缝线路的普遍应用，传统的断轨检测方法已不能满足新形势下对检测速度和断轨检出率的要求。针对现有检测无缝线路钢轨断裂方法敏感度低、安装维护困难、监测范围小而且只能识别完全断裂的不足，设计实时断轨检测系统对保障铁路运输业的安全具有重要意义。

目前我国主要采用钢轨探伤小车定期在轨道上检查、大型钢轨探伤车以及轨道电路进行断轨检测[1-3]。国外的检测断轨的创新性研究相比国内先进很多。有诸多方法，比如光纤断轨检测法、图像断轨检测法、应力断轨检测法、超声波断轨检测法以及超声导波断轨检测法。光纤断轨检测法[4]由于光纤本身安装与复接技术非常复杂，操作性不强。图像断轨检测法[2]只能检测钢轨表面的裂纹，无法探测其内部的损伤。应力断轨检测法[5]需在钢轨上安装应力传感器，只能监测钢轨上特定短距离，距离传感器较远的点监测能力较差。超声波断轨检测法[6]由于超声波的衰减太快，同样只能监测较短的距离。超声导波由于方向性好、能量大、在固体中的传输损失小，其衰减较小，但在钢轨中的传播特性非常复杂，随着对超声导波的研究日益深入，超声导波在钢轨中的传播特性也被逐渐了解，使其可以用于断轨的检测[7-8]。

要将超声导波运用于断轨检测中，首先要研究超声导波断轨检测的理论基础，其次要设计软硬件系统，完成断轨检测任务。在断轨检测时，要尽量延长单位检测区间长度，同时降低误报率及漏报率，实现实时检测、数据上传、断轨报警等功能。

1 超声导波断轨检测原理

超声导波是超声波在杆、管、板等结构的波导介质传播时，不断与介质上下边界发生折射、反射及纵波－横波之间的波形转换作用而产生的波[8]。超声导波的频率与一般的超声波相比一般较低，可以在波导介质中传播很长的距离，并可以覆盖被测物体的整个横截面，检测效率更高。对于断轨检测，超声导波在钢轨内传播时，自身会发生一定程度的衰减，当遇到钢轨中的缺陷时，超声导波的能量会有一部分被挡住，并发生反射，致使向前传播的能量产生二次衰减，使传播距离变短，这一点可以用来检测是否有断轨发生或者进行内部缺陷的检测。

超声导波在应用时一般使用压电换能器作为发射与接收超声导波的元件。当有激励信号加到压电片两端时，由于逆压电效应，晶体产生机械变形，产生振动，耦合入钢轨。该振动在钢轨中传导，在另一端的同样可由压电换能器接收振动，相当于对压电晶体施加外力，将振动转化为电信号。高频的超声波在钢轨中的衰减是极为迅速的，而超声导波的频率一般较低，因此对应换能器谐振频率也较低，而换能器的谐振频率越低，体积越大，一般超声导波换能器的直径尺寸在40 mm以上，在超声导波探头的安装方面，由于铁路行车要求，钢轨的轨头不能安装探头，轨底由于有钢轨扣件的存在，振动在轨底的传播会受到限制，进而导致衰减过快，使检测距离极剧缩减，因此超声导波换能器的最佳安装位置为轨腰处。

2 总体方案设计

系统采用中间发射，两端接收的检测方式，超声导波换能器粘贴于钢轨外侧轨腰，首先由发射系统对换能器进行高压激励，产生振动，而在接收端接收钢轨中的振动信号，完成信号的接收调理、波形分析、断轨判断及报警上报功能，上位机通过3G模块与下位机通信，轮询各下位机，接收下位机数据包，解析数据包后完成对钢轨是否断轨的显示。图1为系统总体结构图。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

3 硬件设计

3.1 发射系统设计

发射系统包括一个压电换能器和基于PIC单片机的发射控制系统，完成超声导波激励。

发射系统由PIC单片机产生符合超声导波换能器共振频率的信号，一般的压电换能器的正逆压电效应的共振频率稍有不同，因此在使用过程中需要权衡对压电换能器的激励频率选择，使发射换能器产生足够强的振动的同时，接收换能器也获得足够强的信号以供检测。由于超声导波在钢轨中的衰减是近似指数形式的，提高接收换能器的响应灵敏度会在延长检测区间距离方面更有效。经过现场实验，发现将激励信号的频率较偏向于反谐振频率选择时效果更好。因此在生成激励信号时，稍偏向换能器的反谐振频率。在生成激励信号后，经过放大电路，将电压放大至700 V以上，使超声导波换能器产生足够强的振动。

为实现总体方案中发射与接收间隔布置的方式，需要同一接收端对来自两端的信号进行辨别，因此在发射激励信号时，对信号加入一定的模式，首先，发射电路板必须有实时时钟，在上电时，使用指令统一使所有发射端对时，然后分时发送不同模式的激励信号，具体地，根据设计的电路板上的拔码，发射电路有其唯一编码，按照自身编码的奇偶完成发射模式的选择，奇数端在实时时钟的0 s、30 s时发射2组1 000周期的间隔1.5 s的信号，而偶数端则在实时时钟的15 s、45 s发射2组1 000周期的间隔2.5 s的信号。接收端依照此规则进行左右端的分辨。图2为发射系统流程图。

图2 发射系统流程图Fig.2 Flow process of launching system

3.2 接收系统设计

接收系统包括一个压电换能器和基于FPGA及PIC单片机的信号接收系统，完成信号接收、波形检测、断轨判断、报警上传等功能。

接收换能器通过感知钢轨的机械振动，由于正压电效应，机械能转换为电能。由于经过长距离的传导后，超声导波振动变得十分微弱，因此得到的电压信号也是非常微弱的，在mV甚至μV级别，而一般的AD芯片的量程为2.5 V，即使是12位的AD芯片也几乎检测不到如此小的信号，因此首先应对信号进行放大处理，电压信号的放大使用运放进行，而运放同时可以进行硬件滤波，通过设置电阻及电容的值，可以滤除低频与高频的噪声，在对信号进行了初步的处理后，得到的信号已经可以被AD芯片识别。

基于FPGA的电路不断对信号进行检测，通过对信号进行FFT变换，计算信号的频率成分，根据超声导波在钢轨中的传播特性，设置合适的门限值，如果是与某一发射端发射的信号频率匹配，且幅值大于门限值，则将FPGA与单片机相连的标志拉高。PIC单片机不断对标志位进行读取，如果标志位为1，则记录下当前时间点，当下一个标志位出现时，计算二者之间的时间差，判断计算得到的时间差是否为1.5 s或2.5 s，如果得到了二者之一，则认为对应发射与接收端之间的钢轨是完好的，若超过40 s未接收到波形则由单片机进行报警，并存储状态信息，在检测的同时，单片机还通过RS232口与3G模块相连，接收上位机的查询指令，上传得到的信息，包括两端钢轨各自的完整性。图3为接收端工作流程。

4 软件设计

断轨监测系统软件系统具有向下位机发送命令、接收下位机信息、断轨情况实时显示、钢轨情况记录及查看功能。

上位机通过3G网络定时向各下位机发送命令查询各发射系统、接收系统是否正常工作，查询接收系统判断后的钢轨是否断轨的信息。发射与接收系统通过3G网络与服务器连接，根据指令上传系统工作状况、钢轨完整性情况等。数据包格式如表1所示。为避免上传冲突，采用主动获取信息机制，上位机通过指令查询下位机状态，下位机上报左右两侧钢轨是否有断轨，无断轨为0x00，有断轨为0x55。

图3 接收端工作流程图Fig.3 Flow process of receiving system

表1 数据包格式定义Tab.1 Data packets format

图4 系统界面Fig.4 Interface chart of the system

系统数据包时按接收端编号分文件存储，在存储每包数据时记录该包数据到达的时间，每一小时生成新文件，可供查询历史数据。

5 现场实验

为了验证系统的实用性，在北京环形铁路进行了实际线路测试，该线路为圆形，长约9 km，在铁路道口开始的1 km标处存在轨缝，此处由鱼尾板连接，模拟断轨发生，经过此轨缝后的线路为5 km以上的无缝线路，设置实验时，在2 km标与4 km标处各放置一端发射，通过拔码开关将发射端设置为一奇一偶，在1 km标与3 km标处各放两端接收，通过拔码开关设置编号01与02，现场布置如图5所示。现场安装实物图如图6所示。

图5 实验现场布置示意图Fig.5 Lay-out of test field

测试时间6小时，两个接收端接收到的数据包如图7所示。

实验证明，基于超声导波的断轨检测系统能够完成1 km区间的断轨实时检测，系统稳定，识别率高，具有一定的实用性。统计6小时测试数据后统计，误报率小于1%。

6 结束语

文中以无缝线路断轨检测为目标，设计了基于超声导波的断轨检测系统，完成了硬件设计，上位机软件编写等工作，现场实验的结果表明基于超声导波的断轨检测系统能够完成断轨的检测，但是同时也必须注意到，在实验时，线路上没有火车通行，因此无法验证一些大能量的噪声是否会对系统产生不良影响。同时，超声导波在钢轨中的衰减特性与温度有关，当夜晚温度下降时，超声导波的衰减会更加严重，因此，断轨检测系统还需要针对以上情况作出相应设计，以提高系统的适用性。

图6 现场实物图Fig.6 Test field

图7 上位机接收数据包Fig.7 Data packets

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