本發(fā)明屬于鐵路鋼軌缺陷動(dòng)態(tài)測(cè)試與檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種觸發(fā)式采集模式的直流漏磁檢測(cè)系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

隨著高速和重載鐵路的大發(fā)展，在線服役鋼軌受到擠壓和沖壓程度變大，發(fā)生損傷的概率也有所提高。高速鐵路鋼軌的損傷主要由列車輪對(duì)與鋼軌接觸疲勞所導(dǎo)致，而重載鐵路鋼軌損傷主要源于鋼軌的塑性變形和磨損，這給列車行車安全帶來(lái)巨大威脅和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，國(guó)內(nèi)外鐵路鋼軌檢測(cè)主要采用基于常規(guī)超聲波檢測(cè)技術(shù)和渦流檢測(cè)技術(shù)的大型高速探傷車和低速手推式探傷車相結(jié)合的方式，其中常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)是主要采用輪式探頭與鋼軌接觸，最高巡檢速度可達(dá)80km/h,能檢測(cè)鋼軌內(nèi)部缺陷，需要耦合劑，檢測(cè)效果受鋼軌表面幾何形狀、粗糙度和清潔度的影響，當(dāng)鋼軌表面不平整時(shí)，檢測(cè)過(guò)程中容易扎輪，會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。針對(duì)鋼軌缺陷檢測(cè)的超聲檢測(cè)技術(shù)存在表面和近表面檢測(cè)盲區(qū)。渦流檢測(cè)技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)有不需要耦合劑，適應(yīng)惡劣環(huán)境，高速條件下鐵磁性材料缺陷檢測(cè)，然而，該檢測(cè)技術(shù)受干擾因素較多，難以判斷缺陷的大小、形狀和種類，同時(shí)需要特殊的信號(hào)處理技術(shù)去處理輸出信號(hào)，不適于鋼軌傷損缺陷的高速、直觀檢測(cè)。

直流漏磁檢測(cè)技術(shù)因其傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)靈敏度高、能實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測(cè)，現(xiàn)被廣泛用于結(jié)構(gòu)件缺陷的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估。結(jié)合鋼軌等鐵磁材料的電磁特性，以及鋼軌頂表面裂紋檢測(cè)要求，漏磁檢測(cè)技術(shù)適合用于鋼軌頂表面裂紋高速檢測(cè)。直流漏磁檢測(cè)技術(shù)的磁化場(chǎng)穿透力強(qiáng)。除了能檢測(cè)鐵磁性材料表面開口缺陷之外，還能較明顯地檢測(cè)出鐵磁性材料內(nèi)部的缺陷,其檢測(cè)深度可達(dá)到距離材料表面7毫米處。

中國(guó)專利申請(qǐng)(申請(qǐng)公開號(hào)：104764799.A)公開了“一種交流和直流漏磁技術(shù)相結(jié)合的檢測(cè)系統(tǒng)及其方法”,提出用直流漏磁和交流漏磁檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的方法去克服直流或交流的單一漏磁檢測(cè)方法不能覆蓋全部速度范圍的問(wèn)題。但該申請(qǐng)存在以下缺陷:1.該申請(qǐng)?jiān)谥绷鳈z測(cè)系統(tǒng)中，采集卡采用連續(xù)模式，在這種模式下，由于采集卡以輪詢方式進(jìn)行采集工作，其相鄰兩次輪詢之間存在一定間隔，所以存在丟失數(shù)據(jù)的問(wèn)題，而且所得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)包里存在許多與缺陷無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包很大不利于處理。2.檢測(cè)系統(tǒng)不能對(duì)缺陷進(jìn)行定位.3.無(wú)探頭與鋼軌距離的監(jiān)測(cè)功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種觸發(fā)式采集模式的直流漏磁檢測(cè)系統(tǒng)及其方法，能夠?qū)崿F(xiàn)探傷車在不同巡檢速度條件下對(duì)鐵路鋼軌表面缺陷的漏磁檢測(cè)，不易丟失數(shù)據(jù)；可以對(duì)鐵路鋼軌巡檢里程進(jìn)行采集，并與相應(yīng)鐵路段的漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，對(duì)缺陷進(jìn)行有效定位；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器陣列與被測(cè)鋼軌表面之間的提離值測(cè)量。

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的一種觸發(fā)式采集模式的直流漏磁檢測(cè)系統(tǒng)，包括工控機(jī)、采集卡、濾波電路、放大電路、傳感器陣列磁化器、直流激勵(lì)源；

所述的傳感器陣列，包括48路霍爾傳感器，分別在每條鋼軌的徑向巡檢BX方向、鋼軌橫向BY方向、垂直于鋼軌表面BZ方向各設(shè)置16路；

所述的磁化器加裝在所述的傳感器陣列正上方，用于提供激磁信號(hào)；

所述的直流激勵(lì)源給磁化器添加激勵(lì)源，產(chǎn)生磁化場(chǎng)，對(duì)被測(cè)鐵磁性工件進(jìn)行磁化，當(dāng)被測(cè)鐵磁性工件表面有缺陷時(shí)，產(chǎn)出漏磁場(chǎng)，利用傳感器陣列可以獲取到48路漏磁信號(hào)并轉(zhuǎn)換為48路檢測(cè)電壓信號(hào)；

其特征在于：

所述系統(tǒng)還包括：

觸發(fā)電路，串接在所述的采集卡和濾波電路之間；所述的觸發(fā)電路利用窗口比較器原理，對(duì)所述的48路檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行閾值判斷處理；所述的觸發(fā)電路的閾值通過(guò)一個(gè)單片機(jī)控制數(shù)字電位器進(jìn)行設(shè)置；

隔直電路，串接在所述的放大電路和傳感器陣列之間，用于對(duì)所述的48路檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行去除信號(hào)中直流分量處理；

位移傳感器，與所述的直流激勵(lì)源的輸出端串聯(lián)，用于測(cè)量傳感器陣列與被測(cè)鋼軌表面之間的提離值；

里程編碼器，所述的單片機(jī)讀取里程編碼器的輸出，從而獲取被測(cè)鐵路鋼軌的巡檢里程；

所述的采集卡設(shè)置為觸發(fā)式采集模式，其觸發(fā)信號(hào)由所述的觸發(fā)電路提供；

所述的傳感器陣列、隔直電路、放大電路、濾波電路、觸發(fā)電路、采集卡、工控機(jī)依次串行連接，位移傳感器、里程編碼器、觸發(fā)電路依次串行連接。

進(jìn)一步的，所述的隔直電路采用交流耦合的方式，對(duì)所述的48路檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行去除信號(hào)中直流分量處理。

進(jìn)一步的，所述的直流激勵(lì)源由蓄電池提供，電壓幅值為48V。

進(jìn)一步的，所述的位移傳感器采用BZF-Ⅱ型電渦流式位移傳感器。

本發(fā)明的一種觸發(fā)式采集模式的直流漏磁檢測(cè)方法，其特征在于：當(dāng)所述的48路檢測(cè)電壓信號(hào)中所有信號(hào)的電壓幅值在設(shè)定的閾值范圍之內(nèi)時(shí)，所述的觸發(fā)電路不產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，因此所述的采集卡不會(huì)進(jìn)行檢測(cè)電壓信號(hào)采集；當(dāng)所述的48路檢測(cè)電壓信號(hào)中至少一路信號(hào)的電壓幅值在設(shè)定的閾值范圍之外時(shí)，觸發(fā)電路產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，采集卡則開始進(jìn)行檢測(cè)電壓信號(hào)采集；然后，所述的工控機(jī)對(duì)采集卡采集到的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理，提取出缺陷的特征。

本發(fā)明方法在所述的檢測(cè)信號(hào)分析處理時(shí)，采用小波去噪和高通濾波器信號(hào)處理相結(jié)合的技術(shù)；處理后的檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行多通道漏磁成像顯示。

本發(fā)明方法采用異步TCP通信的網(wǎng)絡(luò)二進(jìn)制流傳輸?shù)姆绞?，?duì)所述的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)間傳輸。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1.本發(fā)明采用觸發(fā)式采集模式，可以有效地檢測(cè)出鋼軌表面裂紋缺陷，保證檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)的完整性，還能對(duì)巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)穩(wěn)定的處理、顯示、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸，提高工控機(jī)利用率；分析車體振動(dòng)干擾信號(hào)的頻率特征，采用小波去噪和高通濾波相結(jié)合的數(shù)據(jù)處理方法，能有效地濾除漏磁檢測(cè)信號(hào)中車體振動(dòng)干擾信號(hào)，有助于鐵路鋼軌傷損缺陷分析和識(shí)別，并對(duì)處理后的檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行多通道漏磁成像顯示，可以快速、直觀地反映鋼軌表面裂紋的分布和特征；本發(fā)明設(shè)置有觸發(fā)電路，為采集卡配置為觸發(fā)式采集模式提供硬件條件。

2.本發(fā)明融合了直流漏磁檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，隔直電路可以去掉了檢測(cè)信號(hào)中直流分量，可以將所有通道的檢測(cè)信號(hào)基準(zhǔn)線拉回零位置，不影響信號(hào)幅值合理的波動(dòng)，有助于巡檢結(jié)果的判斷與分析。

3.本發(fā)明采用電渦流式位移傳感器測(cè)量傳感器陣列與被測(cè)鋼軌表面之間的提離值，保證設(shè)計(jì)探傷車巡檢安全；由于直流漏磁檢測(cè)中探頭與鋼軌的距離對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響很大，因此選用電渦流傳感器監(jiān)測(cè)探頭與鋼軌的距離。

4.針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)中沒(méi)有對(duì)缺陷的定位功能，本發(fā)明設(shè)置了里程編碼器，用單片機(jī)讀取里程編碼器脈沖數(shù)，從而記錄行車?yán)锍獭?/p>

5.本發(fā)明采用異步TCP通信的網(wǎng)絡(luò)二進(jìn)制流傳輸，提高了原始檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸速率。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。其中，1為工控機(jī)，2為采集卡，3為觸發(fā)電路，4濾波電路，5為放大電路，6為隔直電路，7為傳感器陣列，8為磁化器，9為直流激勵(lì)源，10為位移傳感器，11為里程編碼器。

圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的傳感器陣列示意圖。其中，圖2a是傳感器板子俯視圖，圖2b是檢測(cè)方向示意圖。

圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的隔直電路的單路原理圖。

圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的觸發(fā)電路的單路原理圖，圖4a是觸發(fā)電路原理示意圖，圖4b是觸發(fā)信號(hào)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)，包括工控機(jī)1、采集卡2、濾波電路4、放大電路5、傳感器陣列7、磁化器8、直流激勵(lì)源9。

圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的傳感器陣列示意圖。如圖2所示，每條鋼軌設(shè)置有48路霍爾傳感器，分為BX方向(鋼軌徑向，即巡檢方向)、BY方向(鋼軌橫向)、BZ方向(垂直于鋼軌表面)各16路霍爾傳感器，長(zhǎng)度為70mm，可以實(shí)現(xiàn)鋼軌整個(gè)橫向的覆蓋檢測(cè)。接口為50芯，即48路信號(hào)線和兩路地信號(hào)線。

所述的磁化器8加裝在所述的傳感器陣列7正上方，用于提供激磁信號(hào)。

所述的直流激勵(lì)源9給磁化器8添加激勵(lì)源，產(chǎn)生磁化場(chǎng)，對(duì)被測(cè)鐵磁性工件如鋼軌進(jìn)行磁化，當(dāng)被測(cè)鐵磁性工件表面有缺陷時(shí)，產(chǎn)出漏磁場(chǎng)，利用傳感器陣列7可以獲取到48路漏磁信號(hào)并轉(zhuǎn)換為48路檢測(cè)電壓信號(hào)。所述的直流激勵(lì)源9由蓄電池提供，電壓幅值為48V。

所述系統(tǒng)還包括：觸發(fā)電路3、隔直電路6、位移傳感器10、里程編碼器11。

所述的觸發(fā)電路3，串接在所述的采集卡2和濾波電路4之間；所述的觸發(fā)電路3利用窗口比較器原理，對(duì)所述的48路檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行閾值判斷處理；所述的觸發(fā)電路3的閾值通過(guò)一個(gè)單片機(jī)控制數(shù)字電位器進(jìn)行設(shè)置。

圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的觸發(fā)電路的單路原理圖。如圖4所示，當(dāng)U_In在U_A與U_B之間(U_A>U_B)時(shí)，U_{Out_trg}輸出為高電平U_OH，當(dāng)U_I在U_A與U_B之外(U_A>U_B)時(shí)，U_{Out_trg}輸出為低電平U_OL。U_I為48路霍爾傳感陣列的其中一路輸出信號(hào)，閾值電壓U_A與U_B是可控電壓，可通過(guò)STM32控制數(shù)字電位器調(diào)節(jié)，滿足不同檢測(cè)環(huán)境下的閾值電壓的調(diào)整。U_{Out_samp}與采集卡AI_CH引腳相連，采集卡可以對(duì)AI_CH引腳的信號(hào)進(jìn)行采集。該電路使用窗口比較器芯片LM393實(shí)現(xiàn)，閾值電壓通過(guò)數(shù)字電位器AD7376編程控制。

閾值公式：其中，V為閾值，范圍為0～5v，D為可編程電位器接收到的字節(jié)命令。閾值的設(shè)定過(guò)程為：上位機(jī)和單片機(jī)通過(guò)RS232接口通信，調(diào)整時(shí)上位機(jī)把幀命令向下發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)接收到完整的命令后把字節(jié)發(fā)給可編程電位器。

所述的隔直電路6，串接在所述的放大電路5和傳感器陣列7之間，用于對(duì)所述的48路檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行去除信號(hào)中直流分量處理；所述的隔直電路6采用交流耦合的方式，對(duì)所述的48路檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行去除信號(hào)中直流分量處理。

所述的位移傳感器10，與所述的直流激勵(lì)源9的輸出端串聯(lián)，用于測(cè)量傳感器陣列7與被測(cè)鋼軌表面之間的提離值。該位移傳感器10采用BZF-Ⅱ型電渦流式位移傳感器。

所述的里程編碼器11，所述的單片機(jī)讀取里程編碼器的輸出，從而獲取被測(cè)鐵路鋼軌的巡檢里程；

所述的傳感器陣列7、隔直電路6、放大電路5、濾波電路4、觸發(fā)電路3、采集卡2、工控機(jī)1依次串行連接，位移傳感器10、里程編碼器11、觸發(fā)電路3依次串行連接。

所述的采集卡2設(shè)置為觸發(fā)式采集模式，其觸發(fā)信號(hào)由所述的觸發(fā)電路3提供。采集卡在觸發(fā)采集模式工作時(shí)，采集卡設(shè)置其觸發(fā)引腳端低電平為有效的觸發(fā)采集信號(hào)，觸發(fā)電路3設(shè)置為合適的閾值電壓，當(dāng)被測(cè)鋼軌表面有缺陷時(shí)，當(dāng)傳感器陣列中某一路或者某幾路霍爾傳感器輸出電壓信號(hào)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，觸發(fā)電路3輸出為低電平，觸發(fā)采集卡開始采集檢測(cè)信號(hào)。據(jù)此分析，把48路的觸發(fā)電路3輸出信號(hào)設(shè)計(jì)為線與的關(guān)系，當(dāng)所有48路觸發(fā)電路3輸入信號(hào)電壓幅值未超過(guò)閾值時(shí)，線與后為高電平，采集卡觸發(fā)引腳信號(hào)為無(wú)效，不會(huì)采集數(shù)據(jù)。當(dāng)48路觸發(fā)電路3中至少有一路的輸入信號(hào)電壓幅值超過(guò)閾值時(shí)，線與后為低電平，采集卡觸發(fā)引腳信號(hào)為有效，開始采集數(shù)據(jù)。

所述的48路檢測(cè)電壓信號(hào)依次經(jīng)過(guò)隔直電路6、放大電路5、濾波電路4、觸發(fā)電路3。當(dāng)觸發(fā)電路3有觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，采集卡2采集到檢測(cè)信號(hào)，工控機(jī)1對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，提取出缺陷的特征。

圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的隔直電路的單路原理圖。如圖3所示，隔直電路6采用交流耦合的方式，對(duì)48路檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行去除信號(hào)中直流分量處理。其中截止頻率f_-3dB計(jì)算公式為：

$f_{-3dB}=\frac{1}{2\mathrm{\π}RC}---\left(1\right)$

當(dāng)R＝1KΩ、C＝10uF時(shí)，f_-3dB≈16Hz，可以通過(guò)調(diào)節(jié)R、C，設(shè)定不同的截止頻率。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的觸發(fā)式采集模式的直流漏磁檢測(cè)方法，其特征在于：當(dāng)所述的48路檢測(cè)電壓信號(hào)中所有信號(hào)的電壓幅值在設(shè)定的閾值范圍之內(nèi)時(shí)，所述的觸發(fā)電路3不產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，因此所述的采集卡2不會(huì)進(jìn)行檢測(cè)電壓信號(hào)采集；當(dāng)所述的48路檢測(cè)電壓信號(hào)中至少一路信號(hào)的電壓幅值在設(shè)定的閾值范圍之外時(shí)，觸發(fā)電路3產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，采集卡2則開始進(jìn)行檢測(cè)電壓信號(hào)采集；然后，所述的工控機(jī)1對(duì)采集卡2采集到的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理，提取出缺陷的特征。

在所述的檢測(cè)信號(hào)分析處理時(shí)，采用小波去噪和高通濾波器信號(hào)處理相結(jié)合的技術(shù)；處理后的檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行多通道漏磁成像顯示。

在原始檢測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，采用異步TCP通信的網(wǎng)絡(luò)二進(jìn)制流傳輸。在百兆網(wǎng)通信環(huán)境條件下，調(diào)用Socket傳輸函數(shù)Send()和Receive()，其穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率上限為800KB/s。本發(fā)明實(shí)施例采用可靠性高、穩(wěn)定的異步TCP通信協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸方式選用NetworkStream的二進(jìn)制流傳輸，其二進(jìn)制流傳輸函數(shù)BinaryReader.Read()與BinaryWriter.Write()可以直接傳輸double類型的數(shù)據(jù)，節(jié)省了使用Socket傳輸函數(shù)Send()和Receive()中把double數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為Byte類型的時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和保留了原始數(shù)據(jù)的精度。NetworkStream流傳輸測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳輸方式在百兆網(wǎng)通信環(huán)境條件下，其傳輸速率可以達(dá)到5MB/s以上。

綜上所述，本發(fā)明的原理是：檢測(cè)系統(tǒng)采用傳感器陣列，共48路霍爾傳感器，隔直、放大、濾波、閘門電路均采用多通道形式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的多通道漏磁成像顯示。本發(fā)明采用48V直流電源作為磁化場(chǎng)激勵(lì)源，可產(chǎn)生很強(qiáng)的磁化場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)不同巡檢速度條件下對(duì)鐵路鋼軌表面缺陷的檢測(cè)。本發(fā)明的觸發(fā)式采集模式，當(dāng)閘門電路有觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括里程值、提離值，以及檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)。對(duì)檢測(cè)信號(hào)處理時(shí)，采用小波去噪和高通濾波器信號(hào)處理相結(jié)合的技術(shù)，濾除振動(dòng)干擾信號(hào)和高頻噪聲干擾信號(hào)，并對(duì)處理后的檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行多通道漏磁成像顯示。在原始檢測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，采用異步TCP通信的網(wǎng)絡(luò)二進(jìn)制流傳輸，提高原始檢測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。