基于FPGA的輪對(duì)踏面電磁超聲在線檢測(cè)系統(tǒng)

米武軍,康 磊,王淑娟,馮劍釗,翟國(guó)富

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)軍用電器研究所,哈爾濱 150001)

輪對(duì)是列車的重要部件,在運(yùn)行一段時(shí)間后,輪對(duì)踏面會(huì)產(chǎn)生裂紋、剝離等缺陷。目前,踏面檢測(cè)主要包括靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩種方式。靜態(tài)檢測(cè)(如渦流、磁粉等檢測(cè))效率低,容易誤判;而現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)檢測(cè)(如加速度傳感器、位移傳感器等)均無法有效檢測(cè)輪對(duì)踏面及近表面的裂紋缺陷。

電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic T ransducer,EMAT)無需聲耦合劑,無需對(duì)試件進(jìn)行預(yù)處理,能方便地產(chǎn)生用于輪對(duì)踏面檢測(cè)的電磁超聲表面波[1]?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)處理速度快,開發(fā)過程投資小、周期短,可反復(fù)編程修改,開發(fā)工具智能,已成為當(dāng)今硬件設(shè)計(jì)首選方案之一[2]。因此,將FPGA與EMAT相結(jié)合,有望成功實(shí)現(xiàn)列車輪對(duì)踏面的在線檢測(cè)。

目前,國(guó)外已經(jīng)研制出基于電磁超聲技術(shù)的輪對(duì)踏面在線檢測(cè)系統(tǒng)。1995年,美國(guó)Clark等人利用500 kHz的電磁超聲表面波,可檢測(cè)出輪對(duì)踏面長(zhǎng)12 mm、深2 mm的人工缺陷,受檢列車速度可達(dá)25 km/h[3]。IEM 公司的WISETM系統(tǒng)可以對(duì)輪對(duì)的輪廓、踏面、無偏差靈敏點(diǎn)和圓度等方面進(jìn)行檢測(cè)[4]。但多年來,關(guān)于上述檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用報(bào)道較為少見。應(yīng)用最成熟的是德國(guó)弗朗霍菲研究所的AUROPA系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過超聲探頭,在輪對(duì)踏面激發(fā)400 kHz的電磁超聲表面波,每個(gè)系統(tǒng)由四個(gè)探頭及一個(gè)控制盒組成,探頭在鐵軌上交錯(cuò)分布,實(shí)現(xiàn)列車輪對(duì)踏面的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。該系統(tǒng)適用于行駛速度為5～15 km/h范圍的列車在線檢測(cè),可檢測(cè)出深度為3 mm的人工缺陷。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于俄羅斯、德國(guó)等十多個(gè)國(guó)家[5],但其引進(jìn)費(fèi)用昂貴,列車速度和檢測(cè)精度較低。

國(guó)內(nèi)尚沒有相關(guān)產(chǎn)品研制并應(yīng)用成功的報(bào)道。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、鋼鐵研究總院和西南交通大學(xué)都進(jìn)行了該方面的研究工作。其中,哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙再新等設(shè)計(jì)了EMAT探頭及發(fā)射接收電路,但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且無后級(jí)信號(hào)處理和缺陷識(shí)別;鋼鐵研究總院研制的電磁超聲踏面檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)道較少[6];西南交通大學(xué)與德國(guó)弗朗霍菲無損檢測(cè)研究所合作引進(jìn)了AUROPA系統(tǒng),同時(shí)也在積極研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電磁超聲輪對(duì)踏面檢測(cè)產(chǎn)品。但其目前研制的檢測(cè)系統(tǒng)控制部分同時(shí)采用了CPLD、DDS芯片及DSP,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時(shí)通過 DSP軟件實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法,運(yùn)算速度較慢[7]。

系統(tǒng)的檢測(cè)速度對(duì)提高列車的檢測(cè)效率具有重要的意義,而檢測(cè)精度的提高可以實(shí)現(xiàn)列車輪對(duì)踏面缺陷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為研究踏面缺陷的產(chǎn)生及發(fā)展機(jī)理提供有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此筆者設(shè)計(jì)的輪對(duì)踏面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)將EMAT和FPGA相結(jié)合,提高了檢測(cè)速度和檢測(cè)精度,彌補(bǔ)了上述檢測(cè)系統(tǒng)的不足,可以實(shí)現(xiàn)輪對(duì)踏面精確、實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。

1 輪對(duì)踏面電磁超聲檢測(cè)原理

1.1 電磁超聲表面波產(chǎn)生原理

電磁超聲表面波的激發(fā)原理如圖1所示,主要包括曲折線圈、靜磁場(chǎng)(由磁鐵產(chǎn)生)和列車輪對(duì)3部分。發(fā)射過程中,通以高頻大電流的發(fā)射線圈放置于輪對(duì)踏面,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,輪對(duì)中將感生出與線圈電流方向相反、頻率相同的感應(yīng)電流;在靜磁場(chǎng)作用下,感應(yīng)電流就會(huì)受到力的作用,并引發(fā)輪對(duì)表面微粒產(chǎn)生周期性的振動(dòng)和彈性形變;發(fā)射線圈的導(dǎo)線間距嚴(yán)格等于表面波波長(zhǎng)的1/2,因此各條導(dǎo)線產(chǎn)生的振動(dòng)將發(fā)生相長(zhǎng)干涉;當(dāng)該振動(dòng)以波的形式在輪對(duì)上傳播時(shí)就形成了電磁超聲表面波。接收是發(fā)射的逆過程[8]。

圖1 電磁超聲表面波產(chǎn)生原理示意圖

1.2 輪對(duì)踏面電磁超聲檢測(cè)原理

圖2 為輪對(duì)踏面電磁超聲在線檢測(cè)示意圖。

圖2 電磁超聲輪對(duì)踏面檢測(cè)示意圖

當(dāng)列車到來時(shí),主控制臺(tái)激勵(lì)嵌入鋼軌的EMAT在輪對(duì)中產(chǎn)生沿輪對(duì)踏面?zhèn)鞑サ碾姶懦暠砻娌?。如果輪?duì)表面或近表面存在缺陷,表面波的部分能量會(huì)因聲阻抗變化而發(fā)生反射,其余能量則繞過缺陷繼續(xù)沿輪對(duì)表面?zhèn)鞑?。主控制臺(tái)對(duì)EMAT接收的反射信號(hào)、透射信號(hào)進(jìn)一步處理,完成缺陷檢測(cè)。利用脈沖反射法判斷接收信號(hào)有無缺陷。

2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于FPGA的輪對(duì)踏面電磁超聲在線檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖如圖3所示,主要包括電磁超聲換能器、電磁超聲發(fā)射/接收電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)字信號(hào)處理模塊、發(fā)射控制器及顯示存儲(chǔ)等幾部分。其中,發(fā)射控制器、數(shù)字信號(hào)處理模塊以及顯示存儲(chǔ)控制器等由FPGA來實(shí)現(xiàn)。

圖3 電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

由圖3可知,檢測(cè)系統(tǒng)硬件包括電磁超聲換能器、電磁超聲發(fā)射/接收電路以及FPGA接口電路等幾部分。

2.1 EMAT設(shè)計(jì)

EMAT包括磁鐵、曲折線圈以及試件3部分。其中,磁鐵選用剩磁為1.2T的釹鐵硼永磁鐵;線圈采用曲折線圈結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中先后采用了單匝單導(dǎo)線、單匝三導(dǎo)線等曲折線圈形式。圖4為單匝三導(dǎo)線曲折線圈PCB圖,其發(fā)射、接收效率均明顯高于單匝單導(dǎo)線曲折線圈。

圖4 單匝三導(dǎo)線曲折線圈PCB圖

2.2 電磁超聲發(fā)射電路設(shè)計(jì)

發(fā)射線圈中發(fā)射電流是影響發(fā)射效率的關(guān)鍵因素。為了增大發(fā)射電流,系統(tǒng)發(fā)射電路采用D類功率放大器結(jié)構(gòu),其原理框圖如圖5所示,主要包括驅(qū)動(dòng)電路和功率放大電路等幾部分。

圖5 電磁超聲發(fā)射電路原理框圖

圖6 為與發(fā)射線圈串聯(lián)的0.15 Ω采樣電阻上的電壓信號(hào)。由該圖可知,發(fā)射電流頻率為500 kHz,峰峰值為122 A。

圖6 發(fā)射電流信號(hào)

2.3 電磁超聲接收電路設(shè)計(jì)

為了提取超聲回波,接收電路采用高增益放大和濾波電路對(duì)接收回波進(jìn)行處理。其原理框圖如圖7所示,主要由轉(zhuǎn)換開關(guān)、放大濾波電路等幾部分組成。其中,放大電路采用AD797搭建的三級(jí)高增益放大電路;濾波電路采用RC高通濾波電路;轉(zhuǎn)換開關(guān)用于切換發(fā)射、接收過程,實(shí)現(xiàn)發(fā)射、接收探頭一體化。

圖7 電磁超聲接收電路原理框圖

2.4 FPGA接口電路設(shè)計(jì)

FPGA的接口電路如圖8所示,主要包括AD采集電路、串行配置芯片 EPCS16、SRAM、Flash、JTAG接口和液晶接口等電路。系統(tǒng)需要對(duì)500 kHz信號(hào)進(jìn)行采樣,因此數(shù)據(jù)采集電路使用AD9224,其12位的精度、最高40MSPS的最高采樣率完全可以滿足系統(tǒng)的檢測(cè)要求。

圖8 FPGA接口電路原理框圖

3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 SOPC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于FPGA的SOPC系統(tǒng)主要包括發(fā)射控制器模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、Flash控制器模塊、SRAM控制器模塊及NiosⅡ核等部分。在SOPC Builder下,各部分通過 Avalon總線相互連接,形成一個(gè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制?；贔PGA的SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9 基于FPGA的SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 基于FPGA的硬件邏輯設(shè)計(jì)

基于FPGA的硬件邏輯的設(shè)計(jì)主要利用硬件描述語言,對(duì)FPGA內(nèi)部硬件邏輯進(jìn)行綜合、布線及仿真。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要是利用Verilog HDL編寫發(fā)射控制器模塊和數(shù)據(jù)采集及處理模塊。

發(fā)射控制器模塊主要用于控制發(fā)射電路,并觸發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊開始工作。本模塊對(duì)FPGA輸入的50MHz時(shí)鐘進(jìn)行分頻,得到兩路完全反相的500kHz的脈沖信號(hào),同時(shí)利用Nios II核控制該模塊每隔一定的時(shí)間產(chǎn)生10個(gè)周期、頻率為500kHz的信號(hào),控制發(fā)射電路產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)。發(fā)射控制器在Quartus II中生成的模塊如圖10所示。

圖10 發(fā)射控制器頂層模塊圖

數(shù)據(jù)采集及處理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采集、處理和存儲(chǔ)。對(duì)采集信號(hào)的處理主要是利用DSP Builder實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器以及互相關(guān)等算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)濾波和檢波。設(shè)計(jì)中將處理結(jié)果直接存儲(chǔ)到FPGA內(nèi)部FIFO中。該模塊頂層模塊圖如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)采集及處理頂層模塊圖

3.3 基于NiosⅡ的程序設(shè)計(jì)

NiosⅡ主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)啟動(dòng)、發(fā)射/接收控制、閾值選取判定以及顯示等任務(wù)。NiosⅡCPU的軟件流程圖如圖12所示。檢測(cè)中,將第一次透射波幅值的10%作為判斷缺陷是否存在的閾值。

4 基于FPGA的電磁超聲微弱信號(hào)檢測(cè)

上述電路對(duì)EMAT的接收信號(hào)進(jìn)行了放大濾波和采集,然而由于EMAT換能效率低,同時(shí)環(huán)境中存在很強(qiáng)的電磁干擾和噪聲,EMAT回波信號(hào)仍存在嚴(yán)重的背景噪聲[10]。因此需要采用微弱信號(hào)檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中主要采用互相關(guān)方法對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行同步檢波?；ハ嚓P(guān)方法利用信號(hào)周期性和噪聲隨機(jī)性特點(diǎn),提取微弱的電磁超聲信號(hào)信息,可以有效判別和定位輪對(duì)踏面缺陷[10]。

利用Altera提供的DSP Builder在Simulink環(huán)境下可以容易實(shí)現(xiàn)該互相關(guān)算法,其原理如圖13所示。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了測(cè)試檢測(cè)系統(tǒng)性能,在輪對(duì)踏面上加工了一個(gè)深2 mm、長(zhǎng)15 mm的人工缺陷,并在其運(yùn)行速度為20 km/h時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖14所示。檢測(cè)及處理后的信號(hào)對(duì)比如圖15所示。通過兩者對(duì)比可知,處理后電磁超聲信號(hào)具有很高的信噪比,且通過施加適當(dāng)閾值即可判斷輪對(duì)踏面是否存在缺陷。

6 結(jié)論

在深入研究國(guó)內(nèi)外輪對(duì)踏面缺陷檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上,研制了基于FPGA的輪對(duì)踏面電磁超聲在線檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在輪對(duì)踏面激發(fā)和接收電磁超聲表面波,克服了傳統(tǒng)壓電超聲需要耦合劑的缺點(diǎn)。同時(shí)采用基于FPGA的SOPC技術(shù)大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì),提高了信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)可在輪對(duì)運(yùn)行速度＜20 km/h時(shí)成功檢測(cè)出輪對(duì)踏面中深度＞2 mm的人工缺陷,實(shí)現(xiàn)了列車輪對(duì)踏面缺陷高效、精確地在線檢測(cè)。

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