基于STM32的鋼軌超聲無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢立國，賈冰倩，劉欣程，齊延興

基于STM32的鋼軌超聲無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢立國，賈冰倩，劉欣程，齊延興

（臨沂大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 臨沂 276005）

文章采用超聲波無損檢測技術(shù)設(shè)計(jì)了一款以STM32微處理器為核心的鋼軌缺陷檢測系統(tǒng)。針對(duì)鋼軌的異型結(jié)構(gòu)和檢測要求，配備了多通道多角度的探頭。系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射模塊和回波接收模塊構(gòu)成。經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能有效檢出鋼軌缺陷，滿足應(yīng)用要求。

鋼軌；超聲波；STM32；無損探傷

1 引言

在鐵路運(yùn)營中，鋼軌起著支撐列車的作用。在列車運(yùn)行過程中，鋼軌不斷受到摩擦、擠壓、彎曲和沖擊作用，再加上鋼軌內(nèi)部隱藏的核傷，會(huì)導(dǎo)致鋼軌突然斷裂，可能造成脫軌、傾覆等重大事故的產(chǎn)生。因此，鐵路系統(tǒng)要求定期對(duì)在役鋼軌進(jìn)行檢測，以降低事故發(fā)生幾率[1-3]。本文針對(duì)在役鋼軌可能出現(xiàn)的斷軌、裂縫、核傷等情況，利用超聲波技術(shù)設(shè)計(jì)一款鋼軌無損檢測系統(tǒng)。

超聲波檢測是通過電脈沖激發(fā)超聲換能器晶片，使其發(fā)射超聲波。定向發(fā)射的超聲波束在被測工件中傳播，遇到缺陷時(shí)反射、透射和衰減。利用超聲波的反射和透射特性，通過接收回波信號(hào)進(jìn)行傷損評(píng)定。

鋼軌屬于異型結(jié)構(gòu)，需對(duì)鋼軌的軌頭、軌腰、軌底以不同的入射角發(fā)射超聲波來增大覆蓋范圍。本設(shè)計(jì)入射角采用0o、37o和70o配置，以完全覆蓋鋼軌的檢測區(qū)域。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)采用超聲波檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的無損探傷。系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射模塊、回波接收模塊、STM主控模塊組成。超聲波發(fā)射模塊主要由激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路、放大電路和探頭組成。回波接收模塊由濾波電路、功率放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成。主控模塊選用帶有12位ADC的32位嵌入式微處理器STM32F103，完成系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理。鋼軌超聲無損檢測系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作過程為：STM32產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換、放大后直接激勵(lì)超聲波換能器，產(chǎn)生所需的超聲波。超聲波在傳播過程中遇到缺陷反射得到回波信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后，由STM32對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，最終評(píng)定傷損結(jié)果并顯示。

圖1 鋼軌超聲無損檢測原理框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件部分主要由STM32主控模塊、超聲波發(fā)射模塊、回波接收模塊、顯示模塊、通信模塊等組成。現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射模塊和回波接收模塊進(jìn)行分析說明。

3.1 超聲波發(fā)射模塊

超聲波發(fā)射探頭的驅(qū)動(dòng)電路有多種，如儲(chǔ)能電感放電法、電容放電法、互補(bǔ)對(duì)稱結(jié)構(gòu)法、半橋驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)法，這些方法大都需要外加超過400V的高壓直流電，且電路參數(shù)不易調(diào)整。本設(shè)計(jì)采用推挽結(jié)構(gòu)脈沖變壓器法驅(qū)動(dòng)探頭，該方法最大優(yōu)點(diǎn)是不需要外加高壓直流，其通過一類推挽放大電路，經(jīng)脈沖變壓器產(chǎn)生高壓脈沖激勵(lì)換能器。

超聲波在鋼軌內(nèi)傳播過程中會(huì)產(chǎn)生衰減，為不影響其探傷效果，需要發(fā)射電路產(chǎn)生足夠高的激勵(lì)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)探頭[4,5]。脈沖頻率信號(hào)由STM32的定時(shí)器產(chǎn)生，經(jīng)隔離、功率放大后驅(qū)動(dòng)探頭。本設(shè)計(jì)中，功率放大部分由升壓電路完成，其主要功能是將脈沖頻率信號(hào)進(jìn)行放大處理。脈沖發(fā)射電路如圖2所示。

圖2 脈沖發(fā)射電路

開關(guān)管選用的是N溝道增強(qiáng)型MOSFET場效應(yīng)管IRLU3410，其耐壓值達(dá)100V，導(dǎo)通電阻約0.1歐，損耗很小，完全滿足本系統(tǒng)需要。

3.2 回波接收模塊

超聲回波信號(hào)很微弱，需對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖3 兩級(jí)二階帶通濾波器電路

由于超聲回波信號(hào)幅值小且含有較多噪聲信號(hào)，需經(jīng)濾波放大，以提高其信噪比和損傷信號(hào)辨識(shí)能力。經(jīng)驗(yàn)證，二階帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)對(duì)元件參數(shù)誤差很敏感，不適于本檢測系統(tǒng)。故本設(shè)計(jì)采用了兩級(jí)二階帶通濾波器，兩級(jí)選用相同的放大倍數(shù)。該濾波器具有較強(qiáng)的選頻特性，能有效濾除噪聲干擾信號(hào)。兩級(jí)二階帶通濾波器電路如圖3所示。

放大器選用AD625，是一款增益可編程、滿電源幅度輸出。低價(jià)儀表放大器，最大增益可達(dá)1000。具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍、溫度穩(wěn)定性和可靠性、體積小、功耗低。應(yīng)用電路簡單，這里從略。

超聲回波信號(hào)經(jīng)濾波、功率放大后，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)應(yīng)用STM32自帶的12位ADC完成轉(zhuǎn)換。

4 軟件設(shè)計(jì)

鋼軌超聲無損檢測系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要包括主程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程、顯示子程序、通信程序等。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

5 結(jié)論

經(jīng)系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的鋼軌超聲無損檢測系統(tǒng)能有效地檢測出鋼軌存在的表面缺陷和內(nèi)部核傷，滿足現(xiàn)階段鐵路鋼軌探傷的要求，具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 趙揚(yáng),陳建偉.在役鋼軌無損檢測技術(shù)與系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展[J].無損檢測,2014,36(3):58-64.

[2] 李文超,張丕狀.超聲波檢測鋼軌缺陷及定位的研究[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2012,32(9):1062-1065.

[3] 戴雨馨,王月明.多探測點(diǎn)超聲法在線鋼軌檢測系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2018,40(3):75-77.

[4] 胡金萍.超聲波鋼軌探傷儀的研制與開發(fā)[D].太原:中北大學(xué),2007.

[5] 嚴(yán)欽男.基于嵌入式的鋼軌超聲導(dǎo)波無損檢測系統(tǒng)[J].湖北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2013,33(9):4-6.

Design of Rail Ultrasonic Nondestructive Testing System Based on STM32

Xing Liguo, Jia Bingqian, Liu Xincheng, Qi Yanxing

( School of Automation and Electrical engineering, Linyi University, Shandong Linyi 276005 )

In this paper, ultrasonic nondestructive testing technology is used to design a rail defect detection system with STM32 microprocessor as the core. Multi-channel multi-Angle probe is provided for the special structure and testing requirement of rail. The system is mainly composed of ultrasonic transmitting module and echo receiving module. The simulation and experimental results show that the system can effectively detect rail defects and meet the application requirements.

Steel rail; Ultrasonic; STM32; Nondestructive test

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.022

U461.99

A

1671-7988(2021)06-71-02

U461.99

A

1671-7988(2021)06-71-02

邢立國，就讀于臨沂大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院。