動(dòng)車組壓縮氣體泄漏超聲波智能檢測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘 超，韋 樸，朱 昊，朱奧輝

（1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 南京動(dòng)車段，南京 210012；2.南京工程學(xué)院 江蘇省先進(jìn)數(shù)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211167）

近年來，中國高速鐵路迅猛發(fā)展，復(fù)興號(hào)動(dòng)車組的運(yùn)營速度高達(dá)350 km/h。為了保障動(dòng)車組的運(yùn)行安全，動(dòng)車組需要定期進(jìn)行運(yùn)營維護(hù)。只有及時(shí)快速準(zhǔn)確地對(duì)整列動(dòng)車組的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行必要檢修，動(dòng)車組列車運(yùn)行的安全性才能得到保證[1-3]。動(dòng)車組多個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)，如動(dòng)車組的制動(dòng)系統(tǒng)、受電弓、主斷路器、空氣彈簧、車鉤等均使用了壓縮氣體，因此穩(wěn)定的壓縮空氣供給是保證設(shè)備良好運(yùn)行的基礎(chǔ)，但在檢修過程中，微小氣體泄漏所產(chǎn)生的聲音在嘈雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中無法通過人耳被迅速察覺，因而難以被及時(shí)檢測(cè)到。車體設(shè)備艙內(nèi)部空間狹小，傳統(tǒng)檢測(cè)使用氣泡法、涂抹法等檢測(cè)周期長、精度低且人工成本很高，無法快速準(zhǔn)確地找到氣體泄漏位置[4-6]。因此，動(dòng)車組的檢修亟須一種新型的氣體泄漏檢測(cè)方法和裝備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮氣體泄漏快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)。針對(duì)傳統(tǒng)麥克風(fēng)檢測(cè)的方式極易受環(huán)境聲音的影響，無法對(duì)微弱的泄漏點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)的問題，王小然等人[7]采用基于擴(kuò)展Kalman濾波的數(shù)據(jù)融合方法，對(duì)氣體泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。該方案技術(shù)復(fù)雜，成熟度較低，目前還無法推廣使用。

本文設(shè)計(jì)了動(dòng)車組壓縮氣體泄漏超聲波智能檢測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于氣體泄漏產(chǎn)生的空載超聲波信號(hào)，在檢修現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的聲環(huán)境中能夠快速檢測(cè)并識(shí)別微小氣體泄漏聲音，準(zhǔn)確有效定位動(dòng)車組故障部件氣體泄漏位置。

1 氣體泄漏超聲波檢測(cè)原理

當(dāng)容器內(nèi)部氣體壓強(qiáng)大于外部大氣壓強(qiáng)時(shí)，由于內(nèi)外壓差較大，一旦容器有輕微破損（小孔或細(xì)小裂縫），氣體就會(huì)從破損處沖出。當(dāng)容器破損尺寸較小且雷諾數(shù)較高時(shí)，沖出的氣體就會(huì)形成湍流，湍流在破損處附近會(huì)產(chǎn)生一定頻率的聲波[8-9]。聲波振動(dòng)的頻率與破損處的大小有關(guān)。若破損處較大，人耳可聽到漏氣聲。由于人耳可聽到的聲音音波范圍為20 Hz～20 kHz，若破損處很小且聲波頻率高于20 kHz時(shí)，人耳將無法聽到漏氣聲，但漏氣聲能在空氣中傳播，這種波被稱作空載超聲波?？蛰d超聲波是高頻短波信號(hào)，其強(qiáng)度隨著離開聲源（破損部位）距離的增加而迅速衰減。漏氣產(chǎn)生的超聲波頻帶較寬，一般為20 ～100 kHz[10]，因此氣體泄漏產(chǎn)生的空載超聲波可以被用來對(duì)泄漏狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別；同時(shí)，通過檢測(cè)系統(tǒng)與泄漏位置間距離的調(diào)節(jié)，判斷信號(hào)變化，確定泄漏位置。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

本文系統(tǒng)通過采集氣體泄漏產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，分析識(shí)別動(dòng)車組用氣設(shè)備是否出現(xiàn)泄漏并快速確定泄漏位置。同時(shí)為了滿足檢修需要，本文系統(tǒng)還具有輕量化設(shè)計(jì)、可移動(dòng)、便攜式、能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)人機(jī)交互等特點(diǎn)，由信號(hào)采集單元、模擬和數(shù)字信號(hào)處理單元、電源管理單元和用戶界面（UI，User Interface）單元4部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

2.1 信號(hào)采集單元

采用硅基麥克風(fēng)作為超聲波采集傳感器，將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的采集。硅基麥克風(fēng)探測(cè)靈敏度高，能夠采集微弱的超聲波信號(hào)，其頻響曲線如圖2所示。硅基麥克風(fēng)可以探測(cè)到80 kHz以內(nèi)的聲波信號(hào)，基本上可以覆蓋超聲波的頻譜范圍。

圖2 硅基麥克風(fēng)的頻響曲線

超聲波的頻率峰值集中在40 kHz以上，常規(guī)環(huán)境中的噪聲信號(hào)頻率一般在20 kHz以下。高通型的模擬接收電路能夠自適應(yīng)地過濾20 kHz以下的聲波信號(hào)，將常規(guī)環(huán)境中的噪聲信號(hào)有效濾除，可有效提高傳感探頭的抗干擾特性。模擬接收電路的頻響特性曲線如圖3所示。

圖3 模擬接收電路的頻響特性曲線

2.2 信號(hào)處理單元

信號(hào)處理單元實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電壓信號(hào)的處理及模擬信號(hào)至數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，包括模擬信號(hào)處理電路和數(shù)字信號(hào)處理電路。模擬信號(hào)處理電路如圖4所示，選用STM32L系列低功耗ARM處理器實(shí)現(xiàn)后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理。信號(hào)處理單元將信號(hào)采集單元輸出的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過程序控制放大器放大后分為兩路輸出：一路輸出至高速比較器，另一路輸出 至 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D ，Analog to Digital Converter），實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)至數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。設(shè)置閾值電壓，通過高速比較器將輸入的模擬電壓信號(hào)與閾值電壓進(jìn)行比較。當(dāng)模擬信號(hào)電壓大于閾值電壓時(shí)，高速比較器輸出高電平信號(hào)，表明系統(tǒng)檢測(cè)到超聲波信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)處理器的外部中斷程序；處理器打開A/D模塊，向顯示器實(shí)時(shí)輸出檢測(cè)的超聲波信號(hào)。

圖4 模擬信號(hào)處理電路

2.3 供電單元

供電單元采用3.7 V鋰電池供電，通過設(shè)置直流變換器升壓電路將3.7 V電源電壓升高至12 V，作為本文系統(tǒng)中模擬電路的電源；通過設(shè)置直流降壓電路將12 V電壓降壓并穩(wěn)壓至5 V，作為觸摸電容屏的供電電源；通過低壓差線性穩(wěn)壓器（LDR，Low Dropout Regulator）電路產(chǎn)生3.3 V電源，作為ARM處理器的電源。此外，供電電源設(shè)計(jì)了鋰電池充電電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的在線充電。

2.4 UI單元

為實(shí)現(xiàn)更加方便的人機(jī)交互，UI單元選取STM32L系列高性能ARM處理器作為單元核心；通過設(shè)置觸摸電容屏，采用touchgfx+CubeMX+keil平臺(tái)設(shè)計(jì)嵌入式程序，進(jìn)行系統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)界面顯示和人機(jī)交互。同時(shí)，UI單元通過通用異步收發(fā)器（UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）實(shí)現(xiàn)了觸摸電容屏與ARM處理器之間的通信。

3 試驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示，通過信號(hào)測(cè)試檢驗(yàn)系統(tǒng)功能。本文系統(tǒng)采用壓縮氣泵、氣室和軟管模擬不同形式的氣體泄漏，檢測(cè)超聲波信號(hào)的各項(xiàng)特征。模擬碳滑板漏風(fēng)故障檢測(cè)，模擬的漏風(fēng)風(fēng)壓為3.6 Bar，并模擬設(shè)置了多個(gè)氣體泄露點(diǎn)，通過多次測(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超聲波采集傳感器與氣體泄露點(diǎn)的距離為15 cm左右時(shí)，檢測(cè)結(jié)果較好。在實(shí)際檢修現(xiàn)場(chǎng)對(duì)氣體泄漏檢測(cè)裝置進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：本文系統(tǒng)能夠?qū)?dòng)車組受電弓、轉(zhuǎn)向架制動(dòng)等氣體泄漏狀況進(jìn)行快速檢測(cè)和準(zhǔn)確識(shí)別，同時(shí)，通過UI界面輸出檢測(cè)超聲波的量化幅值。

圖5 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境

4 應(yīng)用效果

本文系統(tǒng)已試用于動(dòng)車組運(yùn)用檢修中，系統(tǒng)能夠檢測(cè)到聲音微弱的漏風(fēng)故障，通過電容屏實(shí)現(xiàn)漏風(fēng)處泄漏值的檢測(cè)增益變大或者縮小，調(diào)整檢測(cè)距離，能夠快速適應(yīng)檢測(cè)目標(biāo)。本系統(tǒng)具有如下功能特點(diǎn)。

（1）本系統(tǒng)在高速鐵路動(dòng)車組檢修工作當(dāng)中，能夠代替檢測(cè)試漏劑，快速檢測(cè)到動(dòng)車組制動(dòng)、受電弓等系統(tǒng)部件存在的壓縮氣體漏風(fēng)故障。

（2）本系統(tǒng)具備檢測(cè)幅值增益可調(diào)節(jié)功能，通過增益調(diào)節(jié)，檢測(cè)精度在一定范圍內(nèi)（0～20 cm）不受檢測(cè)距離干擾。

（3）本系統(tǒng)具備較好的抗干擾性。通過自動(dòng)過濾20 kHz以下的聲波信號(hào)，可不受檢修現(xiàn)場(chǎng)嘈雜噪音干擾，能夠檢測(cè)出微弱的漏風(fēng)故障。

（4）本系統(tǒng)操作方便，通過電容屏實(shí)現(xiàn)泄漏幅值的顯示、操作及系統(tǒng)的開啟/關(guān)閉功能；傳感器采用軟管連接，實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)手持探測(cè)，可在狹小空間進(jìn)行檢測(cè)，靈活度較高；系統(tǒng)為手持式，采用鋰電池供電，顯著提高了使用的便捷性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了動(dòng)車組壓縮氣體泄漏超聲波智能檢測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)，通過采集動(dòng)車組氣體泄漏產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)氣體泄漏故障檢測(cè)和識(shí)別。本文系統(tǒng)為動(dòng)車組檢修作業(yè)人員提供方便快捷的壓縮空氣泄漏檢測(cè)手段，顯著提高壓縮氣體泄漏檢測(cè)的精度和效率，減少檢修成本，提高了工作效率；動(dòng)車組氣體泄漏故障的早期發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，能夠降低動(dòng)車組安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)動(dòng)車組檢修手段的提升和智能化發(fā)展具有借鑒意義。