基于超聲導波的無縫線路斷軌檢測系統(tǒng)

李 浩，段翔宇，白 彪

（北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044）

鋼軌是軌道交通運輸系統(tǒng)的重要組成部件，鐵路運營線上如果出現(xiàn)鋼軌斷裂就有可能造成列車脫軌、傾覆等重大行車事故。隨著高速鐵路的發(fā)展和無縫線路的普遍應(yīng)用，傳統(tǒng)的斷軌檢測方法已不能滿足新形勢下對檢測速度和斷軌檢出率的要求。針對現(xiàn)有檢測無縫線路鋼軌斷裂方法敏感度低、安裝維護困難、監(jiān)測范圍小而且只能識別完全斷裂的不足，設(shè)計實時斷軌檢測系統(tǒng)對保障鐵路運輸業(yè)的安全具有重要意義。

目前我國主要采用鋼軌探傷小車定期在軌道上檢查、大型鋼軌探傷車以及軌道電路進行斷軌檢測[1-3]。國外的檢測斷軌的創(chuàng)新性研究相比國內(nèi)先進很多。有諸多方法，比如光纖斷軌檢測法、圖像斷軌檢測法、應(yīng)力斷軌檢測法、超聲波斷軌檢測法以及超聲導波斷軌檢測法。光纖斷軌檢測法[4]由于光纖本身安裝與復接技術(shù)非常復雜，操作性不強。圖像斷軌檢測法[2]只能檢測鋼軌表面的裂紋，無法探測其內(nèi)部的損傷。應(yīng)力斷軌檢測法[5]需在鋼軌上安裝應(yīng)力傳感器，只能監(jiān)測鋼軌上特定短距離，距離傳感器較遠的點監(jiān)測能力較差。超聲波斷軌檢測法[6]由于超聲波的衰減太快，同樣只能監(jiān)測較短的距離。超聲導波由于方向性好、能量大、在固體中的傳輸損失小，其衰減較小，但在鋼軌中的傳播特性非常復雜，隨著對超聲導波的研究日益深入，超聲導波在鋼軌中的傳播特性也被逐漸了解，使其可以用于斷軌的檢測[7-8]。

要將超聲導波運用于斷軌檢測中，首先要研究超聲導波斷軌檢測的理論基礎(chǔ)，其次要設(shè)計軟硬件系統(tǒng)，完成斷軌檢測任務(wù)。在斷軌檢測時，要盡量延長單位檢測區(qū)間長度，同時降低誤報率及漏報率，實現(xiàn)實時檢測、數(shù)據(jù)上傳、斷軌報警等功能。

1 超聲導波斷軌檢測原理

超聲導波是超聲波在桿、管、板等結(jié)構(gòu)的波導介質(zhì)傳播時，不斷與介質(zhì)上下邊界發(fā)生折射、反射及縱波－橫波之間的波形轉(zhuǎn)換作用而產(chǎn)生的波[8]。超聲導波的頻率與一般的超聲波相比一般較低，可以在波導介質(zhì)中傳播很長的距離，并可以覆蓋被測物體的整個橫截面，檢測效率更高。對于斷軌檢測，超聲導波在鋼軌內(nèi)傳播時，自身會發(fā)生一定程度的衰減，當遇到鋼軌中的缺陷時，超聲導波的能量會有一部分被擋住，并發(fā)生反射，致使向前傳播的能量產(chǎn)生二次衰減，使傳播距離變短，這一點可以用來檢測是否有斷軌發(fā)生或者進行內(nèi)部缺陷的檢測。

超聲導波在應(yīng)用時一般使用壓電換能器作為發(fā)射與接收超聲導波的元件。當有激勵信號加到壓電片兩端時，由于逆壓電效應(yīng)，晶體產(chǎn)生機械變形，產(chǎn)生振動，耦合入鋼軌。該振動在鋼軌中傳導，在另一端的同樣可由壓電換能器接收振動，相當于對壓電晶體施加外力，將振動轉(zhuǎn)化為電信號。高頻的超聲波在鋼軌中的衰減是極為迅速的，而超聲導波的頻率一般較低，因此對應(yīng)換能器諧振頻率也較低，而換能器的諧振頻率越低，體積越大，一般超聲導波換能器的直徑尺寸在40 mm以上，在超聲導波探頭的安裝方面，由于鐵路行車要求，鋼軌的軌頭不能安裝探頭，軌底由于有鋼軌扣件的存在，振動在軌底的傳播會受到限制，進而導致衰減過快，使檢測距離極劇縮減，因此超聲導波換能器的最佳安裝位置為軌腰處。

2 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)采用中間發(fā)射，兩端接收的檢測方式，超聲導波換能器粘貼于鋼軌外側(cè)軌腰，首先由發(fā)射系統(tǒng)對換能器進行高壓激勵，產(chǎn)生振動，而在接收端接收鋼軌中的振動信號，完成信號的接收調(diào)理、波形分析、斷軌判斷及報警上報功能，上位機通過3G模塊與下位機通信，輪詢各下位機，接收下位機數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)包后完成對鋼軌是否斷軌的顯示。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

3 硬件設(shè)計

3.1 發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)射系統(tǒng)包括一個壓電換能器和基于PIC單片機的發(fā)射控制系統(tǒng)，完成超聲導波激勵。

發(fā)射系統(tǒng)由PIC單片機產(chǎn)生符合超聲導波換能器共振頻率的信號，一般的壓電換能器的正逆壓電效應(yīng)的共振頻率稍有不同，因此在使用過程中需要權(quán)衡對壓電換能器的激勵頻率選擇，使發(fā)射換能器產(chǎn)生足夠強的振動的同時，接收換能器也獲得足夠強的信號以供檢測。由于超聲導波在鋼軌中的衰減是近似指數(shù)形式的，提高接收換能器的響應(yīng)靈敏度會在延長檢測區(qū)間距離方面更有效。經(jīng)過現(xiàn)場實驗，發(fā)現(xiàn)將激勵信號的頻率較偏向于反諧振頻率選擇時效果更好。因此在生成激勵信號時，稍偏向換能器的反諧振頻率。在生成激勵信號后，經(jīng)過放大電路，將電壓放大至700 V以上，使超聲導波換能器產(chǎn)生足夠強的振動。

為實現(xiàn)總體方案中發(fā)射與接收間隔布置的方式，需要同一接收端對來自兩端的信號進行辨別，因此在發(fā)射激勵信號時，對信號加入一定的模式，首先，發(fā)射電路板必須有實時時鐘，在上電時，使用指令統(tǒng)一使所有發(fā)射端對時，然后分時發(fā)送不同模式的激勵信號，具體地，根據(jù)設(shè)計的電路板上的拔碼，發(fā)射電路有其唯一編碼，按照自身編碼的奇偶完成發(fā)射模式的選擇，奇數(shù)端在實時時鐘的0 s、30 s時發(fā)射2組1 000周期的間隔1.5 s的信號，而偶數(shù)端則在實時時鐘的15 s、45 s發(fā)射2組1 000周期的間隔2.5 s的信號。接收端依照此規(guī)則進行左右端的分辨。圖2為發(fā)射系統(tǒng)流程圖。

圖2 發(fā)射系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow process of launching system

3.2 接收系統(tǒng)設(shè)計

接收系統(tǒng)包括一個壓電換能器和基于FPGA及PIC單片機的信號接收系統(tǒng)，完成信號接收、波形檢測、斷軌判斷、報警上傳等功能。

接收換能器通過感知鋼軌的機械振動，由于正壓電效應(yīng)，機械能轉(zhuǎn)換為電能。由于經(jīng)過長距離的傳導后，超聲導波振動變得十分微弱，因此得到的電壓信號也是非常微弱的，在mV甚至μV級別，而一般的AD芯片的量程為2.5 V，即使是12位的AD芯片也幾乎檢測不到如此小的信號，因此首先應(yīng)對信號進行放大處理，電壓信號的放大使用運放進行，而運放同時可以進行硬件濾波，通過設(shè)置電阻及電容的值，可以濾除低頻與高頻的噪聲，在對信號進行了初步的處理后，得到的信號已經(jīng)可以被AD芯片識別。

基于FPGA的電路不斷對信號進行檢測，通過對信號進行FFT變換，計算信號的頻率成分，根據(jù)超聲導波在鋼軌中的傳播特性，設(shè)置合適的門限值，如果是與某一發(fā)射端發(fā)射的信號頻率匹配，且幅值大于門限值，則將FPGA與單片機相連的標志拉高。PIC單片機不斷對標志位進行讀取，如果標志位為1，則記錄下當前時間點，當下一個標志位出現(xiàn)時，計算二者之間的時間差，判斷計算得到的時間差是否為1.5 s或2.5 s，如果得到了二者之一，則認為對應(yīng)發(fā)射與接收端之間的鋼軌是完好的，若超過40 s未接收到波形則由單片機進行報警，并存儲狀態(tài)信息，在檢測的同時，單片機還通過RS232口與3G模塊相連，接收上位機的查詢指令，上傳得到的信息，包括兩端鋼軌各自的完整性。圖3為接收端工作流程。

4 軟件設(shè)計

斷軌監(jiān)測系統(tǒng)軟件系統(tǒng)具有向下位機發(fā)送命令、接收下位機信息、斷軌情況實時顯示、鋼軌情況記錄及查看功能。

上位機通過3G網(wǎng)絡(luò)定時向各下位機發(fā)送命令查詢各發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)是否正常工作，查詢接收系統(tǒng)判斷后的鋼軌是否斷軌的信息。發(fā)射與接收系統(tǒng)通過3G網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器連接，根據(jù)指令上傳系統(tǒng)工作狀況、鋼軌完整性情況等。數(shù)據(jù)包格式如表1所示。為避免上傳沖突，采用主動獲取信息機制，上位機通過指令查詢下位機狀態(tài)，下位機上報左右兩側(cè)鋼軌是否有斷軌，無斷軌為0x00，有斷軌為0x55。

圖3 接收端工作流程圖Fig.3 Flow process of receiving system

表1 數(shù)據(jù)包格式定義Tab.1 Data packets format

圖4 系統(tǒng)界面Fig.4 Interface chart of the system

系統(tǒng)數(shù)據(jù)包時按接收端編號分文件存儲，在存儲每包數(shù)據(jù)時記錄該包數(shù)據(jù)到達的時間，每一小時生成新文件，可供查詢歷史數(shù)據(jù)。

5 現(xiàn)場實驗

為了驗證系統(tǒng)的實用性，在北京環(huán)形鐵路進行了實際線路測試，該線路為圓形，長約9 km，在鐵路道口開始的1 km標處存在軌縫，此處由魚尾板連接，模擬斷軌發(fā)生，經(jīng)過此軌縫后的線路為5 km以上的無縫線路，設(shè)置實驗時，在2 km標與4 km標處各放置一端發(fā)射，通過拔碼開關(guān)將發(fā)射端設(shè)置為一奇一偶，在1 km標與3 km標處各放兩端接收，通過拔碼開關(guān)設(shè)置編號01與02，現(xiàn)場布置如圖5所示?，F(xiàn)場安裝實物圖如圖6所示。

圖5 實驗現(xiàn)場布置示意圖Fig.5 Lay-out of test field

測試時間6小時，兩個接收端接收到的數(shù)據(jù)包如圖7所示。

實驗證明，基于超聲導波的斷軌檢測系統(tǒng)能夠完成1 km區(qū)間的斷軌實時檢測，系統(tǒng)穩(wěn)定，識別率高，具有一定的實用性。統(tǒng)計6小時測試數(shù)據(jù)后統(tǒng)計，誤報率小于1%。

6 結(jié)束語

文中以無縫線路斷軌檢測為目標，設(shè)計了基于超聲導波的斷軌檢測系統(tǒng)，完成了硬件設(shè)計，上位機軟件編寫等工作，現(xiàn)場實驗的結(jié)果表明基于超聲導波的斷軌檢測系統(tǒng)能夠完成斷軌的檢測，但是同時也必須注意到，在實驗時，線路上沒有火車通行，因此無法驗證一些大能量的噪聲是否會對系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。同時，超聲導波在鋼軌中的衰減特性與溫度有關(guān)，當夜晚溫度下降時，超聲導波的衰減會更加嚴重，因此，斷軌檢測系統(tǒng)還需要針對以上情況作出相應(yīng)設(shè)計，以提高系統(tǒng)的適用性。

圖6 現(xiàn)場實物圖Fig.6 Test field

圖7 上位機接收數(shù)據(jù)包Fig.7 Data packets

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