基于超聲導波的無縫線路斷軌檢測系統

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的重要組成部件，鐵路運營線上如果出現鋼軌斷裂就有可能造成列車脫軌、傾覆等重大行車事故。隨著高速鐵路的發展和無縫線路的普遍應用，傳統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。針對現有檢測無縫線路鋼軌斷裂方法敏感度低、安裝維護困難、監測范圍小而且只能識別完全斷裂的不足，設計實時斷軌檢測系統對保障鐵路運輸業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新性研究相比國內先進很多。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，無法探測其內部的損傷。應力斷軌檢測法[5]需在鋼軌上安裝應力傳感器，只能監測鋼軌上特定短距離，距離傳感器較遠的點監測能力較差。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，其次要設計軟硬件系統，完成斷軌檢測任務。在斷軌檢測時，要盡量延長單位檢測區間長度，同時降低誤報率及漏報率，實現實時檢測、數據上傳、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、板等結構的波導介質傳播時，不斷與介質上下邊界發生折射、反射及縱波－橫波之間的波形轉換作用而產生的波[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，超聲導波在鋼軌內傳播時，自身會發生一定程度的衰減，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，并發生反射，致使向前傳播的能量產生二次衰減，使傳播距離變短，這一點可以用來檢測是否有斷軌發生或者進行內部缺陷的檢測。

超聲導波在應用時一般使用壓電換能器作為發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，晶體產生機械變形，產生振動，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 總體方案設計

系統采用中間發射，兩端接收的檢測方式，超聲導波換能器粘貼于鋼軌外側軌腰，首先由發射系統對換能器進行高壓激勵，產生振動，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，接收下位機數據包，解析數據包后完成對鋼軌是否斷軌的顯示。圖1為系統總體結構圖。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

3 硬件設計

3.1 發射系統設計

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

發射系統由PIC單片機產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的共振頻率稍有不同，因此在使用過程中需要權衡對壓電換能器的激勵頻率選擇，使發射換能器產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形式的，提高接收換能器的響應靈敏度會在延長檢測區間距離方面更有效。經過現場實驗，發現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，經過放大電路，將電壓放大至700 V以上，使超聲導波換能器產生足夠強的振動。

為實現總體方案中發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，因此在發射激勵信號時，對信號加入一定的模式，首先，發射電路板必須有實時時鐘，在上電時，使用指令統一使所有發射端對時，然后分時發送不同模式的激勵信號，具體地，根據設計的電路板上的拔碼，發射電路有其唯一編碼，按照自身編碼的奇偶完成發射模式的選擇，奇數端在實時時鐘的0 s、30 s時發射2組1 000周期的間隔1.5 s的信號，而偶數端則在實時時鐘的15 s、45 s發射2組1 000周期的間隔2.5 s的信號。接收端依照此規則進行左右端的分辨。圖2為發射系統流程圖。

圖2 發射系統流程圖Fig.2 Flow process of launching system

3.2 接收系統設計

接收系統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，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，機械能轉換為電能。由于經過長距離的傳導后，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，根據超聲導波在鋼軌中的傳播特性，設置合適的門限值，如果是與某一發射端發射的信號頻率匹配，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，則認為對應發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 軟件設計

斷軌監測系統軟件系統具有向下位機發送命令、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網絡定時向各下位機發送命令查詢各發射系統、接收系統是否正常工作，查詢接收系統判斷后的鋼軌是否斷軌的信息。發射與接收系統通過3G網絡與服務器連接，根據指令上傳系統工作狀況、鋼軌完整性情況等。數據包格式如表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，下位機上報左右兩側鋼軌是否有斷軌，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 數據包格式定義Tab.1 Data packets format

圖4 系統界面Fig.4 Interface chart of the system

系統數據包時按接收端編號分文件存儲，在存儲每包數據時記錄該包數據到達的時間，每一小時生成新文件，可供查詢歷史數據。

5 現場實驗

為了驗證系統的實用性，在北京環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，模擬斷軌發生，經過此軌縫后的線路為5 km以上的無縫線路，設置實驗時，在2 km標與4 km標處各放置一端發射，通過拔碼開關將發射端設置為一奇一偶，在1 km標與3 km標處各放兩端接收，通過拔碼開關設置編號01與02，現場布置如圖5所示?，F場安裝實物圖如圖6所示。

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

測試時間6小時，兩個接收端接收到的數據包如圖7所示。

實驗證明，基于超聲導波的斷軌檢測系統能夠完成1 km區間的斷軌實時檢測，系統穩定，識別率高，具有一定的實用性。統計6小時測試數據后統計，誤報率小于1%。

6 結束語

文中以無縫線路斷軌檢測為目標，設計了基于超聲導波的斷軌檢測系統，完成了硬件設計，上位機軟件編寫等工作，現場實驗的結果表明基于超聲導波的斷軌檢測系統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產生不良影響。同時，超聲導波在鋼軌中的衰減特性與溫度有關，當夜晚溫度下降時，超聲導波的衰減會更加嚴重，因此，斷軌檢測系統還需要針對以上情況作出相應設計，以提高系統的適用性。

圖6 現場實物圖Fig.6 Test field

圖7 上位機接收數據包Fig.7 Data packets

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