鋼軌焊縫超聲波探傷系統設計與實現

周 翔,宋 偉

(1.南通友聯數碼技術開發有限公司，江蘇 南通 226000;2.南通理工學院計算機與信息工程學院，江蘇 南通 226000)

鐵路無縫線路的接頭少，節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，降低了噪聲，使列車運行更加平穩，同時增加了列車的使用年限。然而鋼軌在焊接過程中由于設備的不穩定和焊接工藝參數的變化，以及鋼軌化學成分偏離等原因，在焊縫內部容易產生灰斑、光斑、過燒、裂紋和晶粒粗大等危險性缺陷，這些缺陷降低了焊縫的強度和韌性[1]，容易造成斷軌事故。因此對鋼軌焊縫部位進行定期檢測是保證行車安全最直接、最有效的技術方法。

1 系統結構

整個系統包含掃查系統和探傷系統兩部分。

1.1 掃查系統

掃查系統包括驅動控制器、傳動機構、探頭組、編碼器、探頭信號分配器。

驅動控制器包含電機、編碼器、控制板卡、開關和電池。電池為驅動控制器供電，電機與傳動機構連接用于驅動傳動機構，傳動機構的運動帶動探頭組的移動，編碼器通過齒輪與電機連接，開關與電機和控制板卡連接。

探頭組由三對雙探頭和兩個單探頭共8個探頭組成。分別檢測軌頭、軌腰、軌底，對整個焊縫進行全方位掃查。雙探頭掃查：從踏面對焊縫進行串列式掃查(如圖1)，從軌頭兩側面對軌頭進行K型掃查和從軌底兩側面對軌底部位進行K型掃查(如圖2)。單探頭掃查：從軌底斜面對軌底腳進行單探頭掃查(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]。

編碼器安裝在傳動機構上，實時獲取傳動機構的運動位置，并傳送到超聲電路板。

探頭組安裝在傳動機構上，實時產生超聲信號并通過多芯信號線傳送到超聲電路板，隨著探頭組的移動會產生各個位置的超聲信號。

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

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

探傷系統為超聲波探傷儀一體機，采用“嵌入式主機+超聲電路板”的硬件架構，內部總線方式為USB總線。嵌入式主機選用低功耗嵌入式X86主板，與存儲器、鍵盤、顯示屏、電源構成完整嵌入式系統，作為整個系統的上位機。上位機安裝嵌入式Windows操作系統，應用程序運行在操作系統中。超聲電路板為自主研發的專業8通道超聲電路板，具備超聲發射、超聲接收、模擬信號處理、信號采集、時序邏輯控制、電源管理、USB總線通訊等功能。超聲電路板與上位機之間通過USB芯片進行連接，用來傳輸控制指令和數字化超聲波探傷數據。探傷系統整體結構如圖4。

圖4 探傷系統結構圖

上位機主要完成對整個系統的控制、執行探傷操作、缺陷判斷報警程序、波形繪制及圖象處理等主要工作。而大量的數據采集、中間處理和實時控制等繁忙事務交由超聲電路板去完成，這樣有利于提高系統探傷速度，也為開發應用程序留出充足的時間余量。

整個探傷系統流程：系統上電初始化后，用戶通過操作應用程序確定工作狀態，并將操作指令通過USB總線傳送到超聲電路板中，FPGA產生一定頻率的脈沖觸發信號[3-4]，經過MOS管驅動電路后輸出的信號驅動MOS管開關動作[5]，再配合電容、電阻生成高壓脈沖信號，施加至前端的超聲探頭，激勵壓電晶片震動產生超聲波。超聲波在焊縫傳播過程中遇到缺陷時產生反射回波并返回至探頭，壓電晶片將其轉換為電信號進入接收電路，通過增益調節電路轉換為適合A/D采樣電路的電壓信號，經A/D采樣電路后變為數字信號，再通過FPGA核心處理單元對數字信號作進一步處理，最后將數字化的超聲信號通過USB總線實時傳輸到上位機并在屏幕以A掃和B掃的形式顯示出來。

1.2.1 超聲發射接收模塊

包括多路選通開關、MOS驅動電路、高壓MOS管電路、接收通道選擇電路、接收電路、增益調節電路、A/D采樣電路、D/A轉換電路。

(1)多路選通開關和MOS驅動電路實現了發射通道選通，選通的發射通道能夠發出方波信號。電路包含3選8譯碼器U6和MOS管驅動芯片U3、U30、U40、 U41。其輸入信號TRIG_SEL[0]、TRIG_SEL[1]、TRIG_SEL[2]、TX_TRIG來自于FPGA，輸出信號為nTRIG_TR1 ～ nTRIG_TR8，FPGA通過TRIG_SEL[0]，TRIG_SEL[1]，TRIG_SEL[2]這3路信號選擇U6輸出通道nTRIG_TRN(其中N為1-8)。此時如果FPGA通過TX_TRIG輸出方波信號，則 nTRIG_TRN輸出方波信號。nTRIG_TRN后續通過MOS管驅動芯片UCC27323DGN輸出波幅達到 10V的方波信號，能夠驅動大功率MOS管的方波信號輸出為MOS_TRIG[1] ～ MOS_TRIG[8]。電路圖如圖5。

圖5 多路選通開關及MOS驅動電路電路圖

(2)增益調節電路采用平均分配進行調整。芯片內部集成了前置放大器和兩級可變增益放大器。前置放大器噪聲較低，對信號進行放大使其達到可變增益放大芯片的輸入范圍要求。系統工作時FPGA接收到上位機的操作指令，將兩路數字控制信號輸出至D/A轉換芯片，D/A數字芯片將數字信號轉化為兩路模擬信號，并送至可變增益放大芯片的兩級放大器的控制端，以調節放大器的放大倍數，這樣就實現了增益可變的功能[6]。

1.2.2 數字信號處理及邏輯控制模塊

FPGA具有充足的邏輯資源和強大的信號處理能力。能夠通過編程直接在硬件上實現用戶所要求的功能。基于這些優點本系統選用FPGA進行數字信號處理及邏輯控制。FPGA下位機程序采用VerilogHDL語言，在Quartus II環境下開發完成。FPGA功能如圖6。

圖6 FPGA功能結構框圖

(1)數字信號處理。對信號進行濾波、檢波、壓縮、存儲。數字信號進入FPGA后，數字濾波器會針對不同探頭的回波信號進行帶通濾波，以消除前端電路帶來的干擾噪聲。濾波后的數據進入檢波電路將超聲回波信號轉化為絕對值信號。另外由于顯示屏的顯示點數是有限的，不能在屏幕上將采集的數據全部都顯示出來，因此要以顯示的檢測深度為依據對檢波后的數據進行壓縮處理[7]，最后對數據進行存儲。

(2)模擬電路控制。包括多路選通開關控制、發射電路控制、通道選擇控制、D/A轉換器控制、A/D轉換器控制、增益調節電路控制、時鐘控制等。由FPGA選通發射通道，FPGA產生的脈沖觸發信號使發射電路產生高壓脈沖信號用來激發超聲換能器，產生超聲波在焊縫中傳播，超聲波遇缺陷產生回波，回波回到超聲換能器，進入到接收端，此時再通過FPGA選通指定的接收通道，D/A轉換器接收FPGA控制信號后對回波信號進行放大處理后，進入A/D轉換器，A/D轉換器通過FPGA產生的采樣時鐘，將前端放大后的模擬信號轉換成數字信號。

(3)數據通訊。USB傳輸模塊用于控制USB雙向數據傳輸，協調上位機與FPGA內部讀寫數據線的通信，它根據USB接口的使能信號確定數據的流向。USB芯片通過通用USB數據接口將數據傳輸到上位機平臺，控制參數傳遞模塊將上位機的各控制參數讀出并分配給FPGA相應模塊完成相應的功能[8-13]。

2 應用程序設計

上位機應用程序開發采用Visual Studio 2010開發環境，基于MFC庫開發。采用模塊化思想，便于軟件的維護和升級。分為登錄模塊、性能測試模塊、參數設置模塊、探傷模塊、數據后處理模塊五個模塊。

超聲探傷系統同時要處理的任務比較多，對實時性要求比較高，因此在探傷應用程序中使用多線程技術。本系統可以分為四個線程，主線程負責應用程序界面和數據采集，另外創建三個輔助線程，分別為：

(1) 圖形處理線程，用于將讀取的實時探傷數據以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，然后再發送一個按鍵消息，此消息將在主窗口過程函數中進行處理；

(3)參數設置線程，接收上位機的控制命令，對超聲波電路板進行設置。

2.1 登錄模塊

提供完善的用戶管理功能，為滿足用戶數據安全和流程管理，每個用戶需要輸入相應用戶名和密碼才能進入系統。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缺陷定位和定量的準確性，因此必須定期對儀器性能定期測試。主要測試項為水平線性、垂直線性、靈敏度余量、動態范圍。

2.3 參數設置模塊

為了能準確地檢測出焊縫中的缺陷，用戶需要對超聲波參數進行設置。再通過USB芯片下行至FPGA，由FPGA讀取后對超聲波電路板進行控制設置。通道參數設置項：聲程、增益、聲速、延時、零點。系統參數設置項：重復頻率、脈沖寬度、發射電壓、降噪次數、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，上位機發出檢測開始指令，并同時向掃查系統發出掃查指令，探頭組開始移動，超聲電路板將從探頭組獲取的超聲數據實時傳輸到上位機進行實時的成像處理，并定時顯示 A 掃波形和B掃波形圖譜，同時判斷是否超標，超標則向報警器發出信號，產生報警。探頭組到達終點位置后，用戶向上位機發出檢測結束指令，上位機將檢測數據存儲到存儲器。

探傷過程中對于靠的很近，無法區分的兩個波形可以利用門內展寬功能對波形進行放大后再分析判斷。

超聲波在鋼軌中傳播時，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缺陷情況，必須消除超聲波在鋼軌焊縫內傳輸深度的影響，使返回的信號只與焊縫結構有關，這就有必要對回波信號進行不同深度進行增益補償。

2.5 數據后處理模塊

具備完善的文件管理功能，用戶對檢測數據和圖像進行保存、調閱、拷貝、分析、打印等文件操作和管理功能。

3 實驗分析

本系統具備A型和B型兩種顯示方式，采用四個窗口分別顯示軌底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不同部位的A掃信號，系統采用另外四個窗口同時進行軌底、軌腰、軌頭、軌底腳四個部位的B掃圖形及焊縫橫截面成像顯示，實現了整個焊縫橫截面投影、俯視投影、側視投影三個方向的成像顯示。

利用本系統對某焊軌廠新制鋼軌焊縫進行探傷，軌頭兩個串列式探頭通過相對和相背等速移動后發現軌腰A掃窗口存在平面狀缺陷，聲波經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。根據兩個探頭在探測面上分開的距離 L再結合幾何聲學原理 ，代入公式L=2htan(其中為探頭折射角，h為探測點到底面距離)計算得到缺陷在距軌頭踏面80-103 mm處。探傷過程中發現缺陷界面截圖如圖7。

圖7 探傷界面圖

4 結語

一種鋼軌焊縫超聲波探傷系統設計了超聲波發射與接收模塊和FPGA數字信號處理及邏輯控制模塊。采用USB技術使得超聲波電路板能快速方便地與上位機進行通訊，FPGA豐富的接口資源和可編程特性，提高了數據的處理能力。在現場測試和使用過程中表明，具有檢出效率高、缺陷識別精度高、可靠性高、界面友好、操作方便等優點。