基于FPGA的在線電磁鋼軌探傷系統*

霍繼偉， 劉 澤， 苗 宇， 李 勇， 雷逸凡

(北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044)

0 引 言

大秦線重載鐵路投入運營以來，一直是大運量，高軸重，高密度的重載鐵路運輸模式，僅2010年一年的煤運量便達4億噸[1]。高強度的運輸模式加劇了鐵路鋼軌的磨損，嚴重影響鐵路的安全運營。在1990～1992年，全國鐵路年均發現重傷鋼軌29802根[2]。故鋼軌損傷的高速探測，對鐵路的安全生產具有重要意義。

電磁探傷技術是基于電磁感應原理的一種實用技術,近年來在鋼軌探傷領域得到較多關注。電磁探傷具有的非接觸、快速、易于實現等特點，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]。

傳統的鋼軌損傷特征提取可分為模擬方法與數字方法。模擬方法以分析感應信號峰峰值為主，便于實現，但易受干擾。數字方法以單片機等處理器作為主芯片來進行設計，節省資源、成本低廉，但系統受芯片主頻、資源限制，損傷特征提取速度較慢，難以滿足高速場景下的應用要求。

本文系統采用正弦信號作為激勵，使用現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)作為主芯片進行設計，硬件實現損傷特征提取相關算法。FPGA具有時鐘頻率高、資源豐富、并行計算能力強等優勢，可大幅提高數據的處理速度，滿足高速鋼軌探傷的要求。

1 渦流檢測原理

當通有交變電流的線圈靠近被測鋼軌表面時，根據電磁感應原理，被測鋼軌表面將感生出渦流，該渦流將產生與激勵磁場方向相反的磁場。當被測鋼軌中存在缺陷時，分布均勻的感生渦流將會產生畸變，影響感生渦流的磁場分布，進而改變檢測線圈中的電場強度。通過測量感應線圈中的瞬態電壓，即可得到被測鋼軌的損傷特征[6]。

若在單位時間dt內，鋼軌損傷引起的磁通變化為dφ，則對N匝密繞線圈產生的感應電場可表示為

(1)

本文系統采用單頻正弦信號sinωt作為激勵，無損傷時，磁通的變化規律為

φ=φmsinωt

(2)

此時在N匝密繞線圈產生的感應電場為

E=-Nωφmcosωt

(3)

當鋼軌表面、淺表層存在缺陷時，φm發生變化?？梢?，通過檢測E的瞬態值，即可得到鋼軌的損傷特征。

2 損傷特征提取算法

對于一個周期為T的連續正弦信號x(t)，滿足Dirichlet條件，可分解為傅里葉級數

(4)

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

(5)

對x(t)以采樣頻率fs進行N點采樣,可得時間序列{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 硬件系統結構

系統采用三線圈差動式渦流傳感器，前后兩個檢測線圈差值后輸出信號，減少共模干擾，提高檢測靈敏度。使用AD620構成電磁感應信號的差分放大電路，放大后的信號可達mV級別。使用AD8017構成激勵信號的功率放大電路，為激勵線圈提供足夠的功率激發磁場。在信號進入ADC之前，采用一階LC模擬濾波器對電磁感應信號濾波，提高輸入信號信噪比。

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，最大輸入數據速率為160 MSPS。FPGA主板采用Xilinx公司的KC705，具有數據處理及接口拓展功能，用于實現數據采集，損傷特征提取及數據傳輸。系統結構如圖1所示。

圖1 硬件系統框圖

4 FPGA實現算法流程

4.1 正弦激勵產生

系統采用直接數字合成器(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器兩部分，基本結構如圖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值。得到正弦輸出sinθ，若系統時鐘為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 特征數據傳輸

特征數據傳輸程序結構如圖4所示，圖中隨機存儲器(random access memory,RAM)用于特征數據的緩存，實現特征數據在不同時鐘域下的轉換，將系統時鐘驅動的特征數據轉為由25 MHz時鐘驅動的用戶數據報協議(user datagram protocol,UDP)協議數據。數據發送模塊將經過延遲的特征數據與循環冗余校驗(cyclic redundancy check,CRC)計算出的校驗碼組合成1幀數據發送，CRC使用的生成多項式為

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

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

(10)

MDIO控制模塊在上電時對網絡接口芯片88E1111進行工作模式配置。

圖4 數據傳輸框圖

5 系統實驗與結果分析

在實驗室環境下，使用鋼軌損傷試樣對該系統進行測試，損傷試樣包括軌縫損傷試樣；三角坑損傷試樣；內部損傷試樣，損傷位于淺表層2.5 mm處。

測試時將差動式渦流傳感器陣列置于損傷試樣表面，使其勻速通過缺陷。當選擇激勵頻率為500 kHz，傳感器陣列分別經過內部損傷、軌縫損傷、三角坑損傷時，損傷的幅值特征如圖5所示。圖中，橫坐標為解調序數，代表傳感器在鋼軌試樣上的位置，為無量綱值?？v坐標為鋼軌損傷的幅值特征，數值大小代表損傷情況，與電磁感應幅值正相關，為無量綱值。

圖5 實驗結果

可見，當傳感器陣列位于無損傷位置時，幅值特征約為100，當傳感器陣列經過內部損傷、軌縫以及三角坑損傷時，幅值特征的最大值分別為187,1 204,310，存在明顯譜峰，與試樣實際情況相符。由于位于傳感器陣列兩端檢測線圈特性不完全一樣，存在誤差，故傳感器位于無損傷部位時，幅值特征不為0?？梢?，本文方法對于軌縫型損傷響應靈敏、效果顯著；對三角坑及淺表層損傷也有明顯辨識度。經過多次實驗，幅值特征多次測量結果基本一致，系統工作穩定。

系統每秒解調的幅值特征個數可表示為

n=f/N

(11)

式中n為幅值特征個數，N為時間序列長度，f為系統時鐘頻率。本文系統以40.96 MHz時鐘作為采樣及系統時鐘，使用4 096點作為快速傅里葉變換的時間序列長度。經計算，每秒可解調幅值特征1萬個；在時速120 km/h的條件下，檢測精度約為0.83 mm。

6 結 論

與傳統的電磁鋼軌探傷系統相比，本文系統使用FPGA實現探傷相關算法，提高了系統解調損傷特征的速度?？衫肵ilinx公司已有IP核，縮短開發周期，減少設計風險，提高系統穩定性。實驗表明，本方法對軌縫、焊縫等縫型損傷具有靈敏度高的特點；對三角坑損傷、距軌面2.5 mm的內部損傷有明顯檢測效果。經計算本方法每秒可解調1萬個幅值特征，可應用于高速鋼軌損傷檢測環境，若適當減少快速傅里葉變換所用點數，特征解調速度可進一步提升。