基于ACFM的軌道缺陷檢測系統設計和試驗

趙建明,邢艷東2,李 偉,葛玖浩3,袁新安,陳國明,劉 陽,朱玉凱

(1.中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心, 青島 266555;2.中國石化管道儲運有限公司滄州輸油處, 滄州 061000;3. 南京航空航天大學 高速載運設施的無損檢測監控技術工信部重點試驗室, 南京 210016)

隨著我國鐵路提速戰略的實施，民眾對鐵路交通的安全運行也提出了更高的要求[1-3]。由于機車的高速運行，以及機車車輪和機車軌道之間的滾動接觸，機車車軌很容易產生應力疲勞裂紋。應力疲勞裂紋一般為多向、簇狀裂紋，檢測難度較大[4-5]。車軌應力疲勞裂紋的存在嚴重威脅著鐵路交通的安全運行，所以對鐵路軌道的定期檢測勢在必行。

圖1 交流電磁場檢測原理示意

交流電磁場檢測技術(Alternating Current Field Measurement，ACFM)是一種新型的無損檢測技術。該技術的檢測原理(見圖1)是：對激勵線圈施加一定頻率的正弦信號，使工件表面產生均勻的感應電磁場。當工件表面無裂紋時，感應電流在工件表面均勻流動；當試件表面存在裂紋時，感應電流會從裂紋兩端和底部繞過，當探頭移過缺陷區域時，x方向(設垂直電流場方向為x方向)的磁通密度曲線會出現兩個小的波峰和一個大的波谷，z方向(設垂直試件表面方向為z方向)的磁通密度曲線會出現一個波峰和一個波谷，Bx(x方向的磁通密度)波谷可以反映裂紋的深度，Bz(z方向的磁通密度)波峰波谷的間距反映缺陷的長度。交流電磁場檢測技術數字模型精確,具有非接觸測量、無需標定、定量精度高等優點[6-8]。

筆者基于交流電磁場檢測技術，依據鐵軌檢測的應用工況，設計了便攜式機箱和檢測探頭，編寫了檢測軟件，形成了一套完整的鐵軌缺陷檢測系統，并對人工缺陷和自然缺陷的鐵軌試件進行了檢測試驗。

1 檢測系統設計

1.1 檢測系統整體設計

交流電磁場鐵軌缺陷檢測系統外觀如圖2所示，交流電磁場軌道裂紋檢測系統主要由個人計算機、便攜式機箱和檢測探頭組成。當系統工作時，便攜式機箱中的信號發生模塊產生正弦的交流電，經過功率放大模塊，加載在檢測探頭的激勵線圈上，通過U型磁芯在鐵軌的表面感應出均勻的電場；鐵軌的表面存在裂紋時，會引起表面均勻電場的擾動，進而引起鐵軌上方磁場的擾動，檢測探頭中的磁場傳感器拾取畸變的磁場信號，經過便攜式機箱中的信號采集模塊，傳輸到PC(計算機)中，PC中裂紋識別軟件對采集到的信號進行處理，進而實現對鐵軌上裂紋的識別和報警。

圖2 交流電磁場鐵軌缺陷檢測系統外觀

圖3 便攜式機箱外觀

1.2 便攜式機箱設計

為了適應現場檢測的需求，筆者設計了便攜式機箱(見圖3)，將信號發生模塊、信號采集模塊、穩壓模塊和電源模塊集成到機箱中。信號發生模塊用于產生加載在檢測探頭上的激勵信號，系統采用直接數字合成技術(DDS)，結合STM8單片機和FPGA(現場可編程門陣列)構架設計一種數字信號發生器，能夠產生頻率可調的正弦波和脈沖波；功率放大模塊用于放大信號發生模塊輸出的信號；信號采集模塊用于將檢測探頭中的模擬信號轉化為后期處理的數字信號，系統采用NI-6361OEM采集卡，最大采樣速度可達2 MS·s-1，最大采樣通道數為16；電源模塊用于整個檢測系統的供電，系統采用9 800 mA鋰電池供電，可以保持檢測系統正常工作6 h；穩壓模塊用于將電源模塊產生的12 V電壓信號轉化為穩定的±12 V和+5 V的輸出。

圖4 檢測探頭設計圖與實物圖

1.3 檢測探頭設計

檢測探頭是整個檢測系統的核心部分，對檢測效果起關鍵作用。檢測探頭主要由激勵線圈、U型磁芯、檢測傳感器組成。整個檢測系統設計了2種檢測探頭(見圖4)：單探頭和陣列探頭。激勵線圈采用直徑為0.15 mm的漆包線，線圈匝數為500匝。檢測傳感器為TMR(磁道磁阻)傳感器，與傳統的霍爾傳感器、AMR(磁性)和GMR(巨磁阻)傳感器相比，TMR傳感器具有低功耗、更大線性范圍、更高靈敏度和更小尺寸的優點[10]。系統選用的TMR傳感器檢測范圍為±5 mm。單探頭的檢測范圍為10 mm，為了提高檢測效率，還設計了7陣列檢測探頭，一次性掃查可以覆蓋70 mm寬的距離[9]。探頭的殼體為鋁合金，底板為耐磨陶瓷。

1.4 檢測軟件設計

檢測軟件(界面示例見圖5)，主要對采集卡采集到的信號進行處理，實現對裂紋的判定和預警。檢測軟件主要包括特征信號顯示和缺陷判定兩大模塊。特征信號顯示主要是C掃圖的顯示和各通道信號的顯示。缺陷判定主要是對特征信號界面所選定的信號進行處理，得到判定信號后，將判定信號和預先設定的閾值進行比較，當判定信號大于閾值時，系統判定此處存在裂紋，進行顯示和預警。

圖5 檢測軟件界面示例

2 試驗測試

2.1 人工缺陷檢測

利用設計的交流電磁場軌道缺陷檢測系統對鐵軌人工裂紋試件進行檢測。人工裂紋試件外觀如圖6所示，鐵軌上自左向右存在4處裂紋，第1處為簇狀裂紋，其長度分別為30,30,40 mm，深度分別為3,5,5 mm，裂紋之間的間距為2 mm；第二處裂紋尺寸(長×深)為40 mm×5 mm，第3處裂紋尺寸(長×深)為30 mm×5 mm，第4處裂紋尺寸(長×深)為20 mm×4 mm，所有裂紋的寬均為0.2 mm。

圖6 人工裂紋試件外觀

打開檢測儀器，激勵頻率采用1 000 Hz，激勵電流為100 mA，使用陣列探頭掃過試件，檢測結果如圖7所示。由圖7(a)所示的特征信號的C掃圖可見，試件上存在4處缺陷，從第1處到第4處缺陷，缺陷越來越小，5號傳感器信號的畸變量最大，推斷缺陷離5號傳感器的位置最近；圖7(b)所示的缺陷判定面板顯示有4處缺陷，第1處到第4處缺陷尺寸依次減小。

圖7 人工缺陷試件的檢測結果

圖8 自然裂紋試件外觀

圖9 自然裂紋試件檢測結果

2.2 自然缺陷檢測

利用交流電磁場鐵軌缺陷檢測系統對自然裂紋試件(見圖8)進行檢測。該試件的表面存在多處缺陷，利用單探頭對其進行檢測，檢測結果如圖9所示。檢測結果顯示，試件的表面存在5處缺陷，其中第1處缺陷和其他缺陷距離較遠，其他4處缺陷距離較近，第1處缺陷較小，第4處缺陷較大。第1處缺陷為圖8中最左端缺陷，另外4處缺陷為簇狀裂紋，距離較近。由此說明：交流電磁場缺陷檢測系統，可以實現鐵軌上裂紋的快速檢出，能夠初步判斷缺陷的位置和大小。

3 結論

基于交流電磁場檢測技術，依據鐵軌檢測的需求，設計開發出一套集檢測軟件-便攜式機箱-檢測探頭為一體的交流電磁場鐵軌檢測系統，并對鐵軌人工缺陷試件和自然缺陷試件進行了檢測，結果表明：開發的交流電磁場鐵軌檢測系統可以實現鐵軌缺陷的快速檢測，能夠初步判斷缺陷的位置和大小。得到的結果可以為我國鐵路安全評估提供一定的數據支撐。