基于FPGA的輪對踏面電磁超聲在線檢測系統

米武軍,康 磊,王淑娟,馮劍釗,翟國富

(哈爾濱工業大學軍用電器研究所,哈爾濱 150001)

輪對是列車的重要部件,在運行一段時間后,輪對踏面會產生裂紋、剝離等缺陷。目前,踏面檢測主要包括靜態檢測和動態檢測兩種方式。靜態檢測(如渦流、磁粉等檢測)效率低,容易誤判;而現有的動態檢測(如加速度傳感器、位移傳感器等)均無法有效檢測輪對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,無需對試件進行預處理,能方便地產生用于輪對踏面檢測的電磁超聲表面波[1]?，F場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)處理速度快,開發過程投資小、周期短,可反復編程修改,開發工具智能,已成為當今硬件設計首選方案之一[2]。因此,將FPGA與EMAT相結合,有望成功實現列車輪對踏面的在線檢測。

目前,國外已經研制出基于電磁超聲技術的輪對踏面在線檢測系統。1995年,美國Clark等人利用500 kHz的電磁超聲表面波,可檢測出輪對踏面長12 mm、深2 mm的人工缺陷,受檢列車速度可達25 km/h[3]。IEM 公司的WISETM系統可以對輪對的輪廓、踏面、無偏差靈敏點和圓度等方面進行檢測[4]。但多年來,關于上述檢測系統的應用報道較為少見。應用最成熟的是德國弗朗霍菲研究所的AUROPA系統。該系統通過超聲探頭,在輪對踏面激發400 kHz的電磁超聲表面波,每個系統由四個探頭及一個控制盒組成,探頭在鐵軌上交錯分布,實現列車輪對踏面的動態檢測。該系統適用于行駛速度為5～15 km/h范圍的列車在線檢測,可檢測出深度為3 mm的人工缺陷。目前該系統已經成功應用于俄羅斯、德國等十多個國家[5],但其引進費用昂貴,列車速度和檢測精度較低。

國內尚沒有相關產品研制并應用成功的報道。哈爾濱工業大學、鋼鐵研究總院和西南交通大學都進行了該方面的研究工作。其中,哈爾濱工業大學趙再新等設計了EMAT探頭及發射接收電路,但電路結構復雜,且無后級信號處理和缺陷識別;鋼鐵研究總院研制的電磁超聲踏面檢測系統報道較少[6];西南交通大學與德國弗朗霍菲無損檢測研究所合作引進了AUROPA系統,同時也在積極研制具有自主知識產權的電磁超聲輪對踏面檢測產品。但其目前研制的檢測系統控制部分同時采用了CPLD、DDS芯片及DSP,結構復雜,同時通過 DSP軟件實現相關算法,運算速度較慢[7]。

系統的檢測速度對提高列車的檢測效率具有重要的意義,而檢測精度的提高可以實現列車輪對踏面缺陷的實時監測,為研究踏面缺陷的產生及發展機理提供有效的試驗數據。因此筆者設計的輪對踏面缺陷檢測系統將EMAT和FPGA相結合,提高了檢測速度和檢測精度,彌補了上述檢測系統的不足,可以實現輪對踏面精確、實時在線檢測。

1 輪對踏面電磁超聲檢測原理

1.1 電磁超聲表面波產生原理

電磁超聲表面波的激發原理如圖1所示,主要包括曲折線圈、靜磁場(由磁鐵產生)和列車輪對3部分。發射過程中,通以高頻大電流的發射線圈放置于輪對踏面,根據電磁感應定律,輪對中將感生出與線圈電流方向相反、頻率相同的感應電流;在靜磁場作用下,感應電流就會受到力的作用,并引發輪對表面微粒產生周期性的振動和彈性形變;發射線圈的導線間距嚴格等于表面波波長的1/2,因此各條導線產生的振動將發生相長干涉;當該振動以波的形式在輪對上傳播時就形成了電磁超聲表面波。接收是發射的逆過程[8]。

圖1 電磁超聲表面波產生原理示意圖

1.2 輪對踏面電磁超聲檢測原理

圖2 為輪對踏面電磁超聲在線檢測示意圖。

圖2 電磁超聲輪對踏面檢測示意圖

當列車到來時,主控制臺激勵嵌入鋼軌的EMAT在輪對中產生沿輪對踏面傳播的電磁超聲表面波。如果輪對表面或近表面存在缺陷,表面波的部分能量會因聲阻抗變化而發生反射,其余能量則繞過缺陷繼續沿輪對表面傳播。主控制臺對EMAT接收的反射信號、透射信號進一步處理,完成缺陷檢測。利用脈沖反射法判斷接收信號有無缺陷。

2 檢測系統硬件設計

基于FPGA的輪對踏面電磁超聲在線檢測系統原理框圖如圖3所示,主要包括電磁超聲換能器、電磁超聲發射/接收電路、數據采集電路、數字信號處理模塊、發射控制器及顯示存儲等幾部分。其中,發射控制器、數字信號處理模塊以及顯示存儲控制器等由FPGA來實現。

圖3 電磁超聲檢測系統原理框圖

由圖3可知,檢測系統硬件包括電磁超聲換能器、電磁超聲發射/接收電路以及FPGA接口電路等幾部分。

2.1 EMAT設計

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構。系統在設計中先后采用了單匝單導線、單匝三導線等曲折線圈形式。圖4為單匝三導線曲折線圈PCB圖,其發射、接收效率均明顯高于單匝單導線曲折線圈。

圖4 單匝三導線曲折線圈PCB圖

2.2 電磁超聲發射電路設計

發射線圈中發射電流是影響發射效率的關鍵因素。為了增大發射電流,系統發射電路采用D類功率放大器結構,其原理框圖如圖5所示,主要包括驅動電路和功率放大電路等幾部分。

圖5 電磁超聲發射電路原理框圖

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

圖6 發射電流信號

2.3 電磁超聲接收電路設計

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接收回波進行處理。其原理框圖如圖7所示,主要由轉換開關、放大濾波電路等幾部分組成。其中,放大電路采用AD797搭建的三級高增益放大電路;濾波電路采用RC高通濾波電路;轉換開關用于切換發射、接收過程,實現發射、接收探頭一體化。

圖7 電磁超聲接收電路原理框圖

2.4 FPGA接口電路設計

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。系統需要對500 kHz信號進行采樣,因此數據采集電路使用AD9224,其12位的精度、最高40MSPS的最高采樣率完全可以滿足系統的檢測要求。

圖8 FPGA接口電路原理框圖

3 檢測系統軟件設計

3.1 SOPC系統總體結構設計

基于FPGA的SOPC系統主要包括發射控制器模塊、數據采集及處理模塊、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,形成一個系統,實現整個檢測系統的協調控制?；贔PGA的SOPC系統結構框圖如圖9所示。

圖9 基于FPGA的SOPC系統結構框圖

3.2 基于FPGA的硬件邏輯設計

基于FPGA的硬件邏輯的設計主要利用硬件描述語言,對FPGA內部硬件邏輯進行綜合、布線及仿真。系統設計中主要是利用Verilog HDL編寫發射控制器模塊和數據采集及處理模塊。

發射控制器模塊主要用于控制發射電路,并觸發數據采集模塊開始工作。本模塊對FPGA輸入的50MHz時鐘進行分頻,得到兩路完全反相的500kHz的脈沖信號,同時利用Nios II核控制該模塊每隔一定的時間產生10個周期、頻率為500kHz的信號,控制發射電路產生發射信號。發射控制器在Quartus II中生成的模塊如圖10所示。

圖10 發射控制器頂層模塊圖

數據采集及處理模塊主要負責對接收信號進行采集、處理和存儲。對采集信號的處理主要是利用DSP Builder實現的數字濾波器以及互相關等算法實現信號的實時濾波和檢波。設計中將處理結果直接存儲到FPGA內部FIFO中。該模塊頂層模塊圖如圖11所示。

圖11 數據采集及處理頂層模塊圖

3.3 基于NiosⅡ的程序設計

NiosⅡ主要負責系統啟動、發射/接收控制、閾值選取判定以及顯示等任務。NiosⅡCPU的軟件流程圖如圖12所示。檢測中,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檢測

上述電路對EMAT的接收信號進行了放大濾波和采集,然而由于EMAT換能效率低,同時環境中存在很強的電磁干擾和噪聲,EMAT回波信號仍存在嚴重的背景噪聲[10]。因此需要采用微弱信號檢測方法對其進行信號處理。系統在設計中主要采用互相關方法對超聲信號進行同步檢波?；ハ嚓P方法利用信號周期性和噪聲隨機性特點,提取微弱的電磁超聲信號信息,可以有效判別和定位輪對踏面缺陷[10]。

利用Altera提供的DSP Builder在Simulink環境下可以容易實現該互相關算法,其原理如圖13所示。

5 試驗結果分析

為了測試檢測系統性能,在輪對踏面上加工了一個深2 mm、長15 mm的人工缺陷,并在其運行速度為20 km/h時進行動態檢測。檢測系統實物如圖14所示。檢測及處理后的信號對比如圖15所示。通過兩者對比可知,處理后電磁超聲信號具有很高的信噪比,且通過施加適當閾值即可判斷輪對踏面是否存在缺陷。

6 結論

在深入研究國內外輪對踏面缺陷檢測方法的基礎上,研制了基于FPGA的輪對踏面電磁超聲在線檢測系統。該系統可以在輪對踏面激發和接收電磁超聲表面波,克服了傳統壓電超聲需要耦合劑的缺點。同時采用基于FPGA的SOPC技術大大簡化了硬件電路設計,提高了信號處理的實時性。試驗結果表明,該系統可在輪對運行速度＜20 km/h時成功檢測出輪對踏面中深度＞2 mm的人工缺陷,實現了列車輪對踏面缺陷高效、精確地在線檢測。

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