鋼軌損傷的無線傳感網絡監測系統

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(1.南京航空航天大學,南京 211106；2.紐卡斯爾大學，紐卡斯爾 EUI 7RU)

鋼軌損傷的無線傳感網絡監測系統

王文皞1,王海濤1,胡泮1,劉強1,田貴云1,2,郭瑞鵬1

(1.南京航空航天大學,南京 211106；2.紐卡斯爾大學，紐卡斯爾 EUI 7RU)

由于傳統的檢測設備無法對鋼軌進行實時監測，漏檢、誤檢的現象時有發生。結合物聯網和結構健康監測技術搭建了鋼軌損傷監測的硬件系統，在岔道軌腰布置壓電傳感器陣列，用Lamb波激勵壓電傳感器，對人工粘貼于軌頭表面不同長度的模擬缺陷進行檢測。結果表明，該系統能夠檢測出鋼軌中的損傷。

無線傳感網絡；結構健康監測；壓電陣列；Lamb波

在最近十幾年我國對列車連續實施了6次大的提速，這在世界鐵路史上也很罕見[1]。但是，列車提速的同時也帶來了很大的安全隱患。而且，隨著高速列車行車密度的增加和運行速度的提高，以及重載貨運線路載重量的增加，鋼軌損傷和故障發生的概率也大量增加，這些損傷如果不能被及時發現，可能會引起列車的運行故障，造成不可估量的損失。目前，對鋼軌的檢測已經逐漸形成了一個新的研究方向[2]。鋼軌的檢測目前采用的主要技術有超聲波[3]、電磁[4]、磁粉、渦流[5]等, 但是這些方法還很難對軌道的特殊部位(如軌腰、軌底、道岔軌頭等)實現完全檢測，同時大多數的無損檢測方法也無法實現對檢測部位的實時監控。

結構健康監測指的是利用現場的無損傳感技術，通過對包括結構響應在內的結構系統特性進行分析，達到檢測結構損傷或退化、制定延長結構壽命策略的目的[6]。近些年來，隨著科技發展以及結構設計的復雜化、智能化，結構健康監測也向著結構損傷檢測、損傷定位等的方向發展。目前，基于Lamb波的損傷檢測方法已經被廣泛應用于結構健康監測中[7]。結構健康監測的實現都是以布置的傳感器能準確采集和傳輸實時數據為基礎和前提的，傳統的結構健康監測系統數據的采集都是采用有線傳感器的方法來實現的，這種方法往往使得監測網絡布線量大、安裝和維護費用高、可靠性差。隨著傳感技術、無線通信技術的發展，無線網絡傳感技術也得到了發展，并能夠克服有線傳感網絡的布線量大、維護費用高等不足，在實際應用中具有重要的意義。

筆者將無線傳感網絡技術應用于鋼軌的結構健康監測中[8]，通過利用壓電陶瓷晶片(PZT)傳感器陣列的檢測方法來實時檢測鋼軌損傷，PZT可以同時作為激勵和接收傳感器。傳感網絡中采用單點激勵單點接收的方式，單點激勵出Lamb波信號，單點采集鋼軌在有損和無損狀態下的信號，對數據進行分析處理，識別判斷出損傷的信息。

1 結構健康監測方法

1.1基本原理

整個系統為主動式結構健康監測系統，通過在鋼軌軌腰上粘貼壓電陣列，對其中一個壓電片進行激勵，導波在鋼軌上傳播時遇到缺陷后，其散射特性和頻譜特性等都會發生改變，在另外的壓電片接收點接收的波形也會發生改變，提取出其中的差異規律即可對損傷進行分析。就算結構僅有非常微小的變化，接收點的探測信號的變化都會以一定規律展現出來。同時，鋼軌作為波導彈性介質，具有良好的聲導特性，導波在鋼軌中也可以傳播很長的距離。

1.2結構健康監測系統

整個結構健康監測系統由5個部分組成，分別為：供電系統、壓電陣列、傳感器節點、協調器節點以及PC機。無線結構健康監測系統框圖如圖1所示。

圖1 無線結構健康監測系統框圖

(1) 供電系統

整個供電系統框圖如圖2所示。

圖2 供電系統框圖

在充電電路中主要是太陽能供電方式，所獲得的電能通過相應的充電管理芯片獲得一定范圍的電壓，將獲得的電壓經過DC/DC處理得到能夠為整個系統所用的電壓，并給每個模塊供電。整個系統在工作時，若放電保護電路檢測到鋰電池出現供電不足的情況并影響到整個系統的工作，放電保護電路將會阻止鋰電池繼續給系統供電；當鋰電池通過充電系統獲得足夠的電能時，放電保護電路才能允許鋰電池給整個系統繼續供電。

(2) 壓電陣列

壓電材料具有正壓電效應和負壓電效應[9]，其能將電能轉化為機械能，產生的振動信號在材料中傳播，遇到不同結構其振動信號也會發生相應變化。壓電材料還能將機械能轉換為電能，并收集結構中傳播的振動信號。導波的傳播過程包括振動狀態和能量的傳播，在波導介質中導波可以傳播很長的距離，并可以覆蓋整個被檢物體的橫截面，這樣使得導波具有檢測頻率相對較低、傳播距離遠、檢測距離長等特點。將壓電陣列粘貼在鋼軌相應位置處，通過對其中一個壓電片進行導波激勵，當電信號轉換為振動信號在鋼軌中傳播并被其余的壓電片接收時，接收到的信息中不僅包含了導波的相關數據，同時也包含了鋼軌結構上的相關信息，通過對采集到的數據進行分析與處理就可以識別出鋼軌的損傷信息。

(3) 傳感器節點

傳感器節點主要由基于IEEE 802.15.4協議的無線芯片JN5148(見圖3)、數據采集器以及多路調理電路組成，JN5148是由Jennic公司生產的一系列全面支持ZigBeePro、超低功耗，高性能無線SOC表面貼裝模塊。系統通過JN5148模塊來控制整個傳感器節點，從而對壓電陣列進行激勵與接收。在采集接收數據時，考慮到JN5148自帶A/D模塊，采集速率較低，采用TMS320F2802型號的DSP(數字信號處理芯片)來對接收信號進行采集。同時考慮到噪聲信號的干擾，接收的信號先經過信號調理電路再由DSP來采集。

圖3 JN5148外觀

(4) 協調器節點

協調器節點主要是接收來自同一個網絡中傳感器節點的數據，并通過RS232串口向PC機發送其接收到的數據。

(5) PC

分析接收到的超聲導波信號，并提取其中的特征參數，再對結構損傷進行識別。

該無線傳感網絡結構健康監測系統與傳統的有線式結構健康監測系統相比，減少了整個系統的布線量，避免了在大規模布線情況下的檢測，排除了故障布線的麻煩，減少了日常維護的工作量。采用無線傳感網絡技術使得傳感器節點可以通過無線傳輸的方式將鋼軌的實時損傷信息傳輸給上位機，上位機就可以遠離鋼軌，不會干擾到鐵路的正常運行以及危及高速列車的行駛安全。

每個傳感器節點可以經過一定的自組網算法來組網[10]，每個傳感器節點在生成網絡之后就處于監聽狀態，在沒有收到外界命令的時候，傳感器節點處于休眠的狀態；當接收到外界喚醒命令的時候，節點從休眠狀態喚醒并進行初始化；當接收到傳輸數據命令的時候，節點開始傳輸采集到的信息，發送給協調器節點，由協調器節點發送給上位機，對相應節點處的鋼軌結構狀態進行分析與處理。整個工作簡單便捷，即使系統的某個節點出現問題，也只需要對相應的節點進行維護。

2 仿真與試驗結果

仿真部分主要分為二維截面和三維結構的分析，分析對象為道岔中容易發生損傷的尖軌。對試驗鋼軌進行測量，再結合國家鋼軌標準進行鋼軌的建模，并在軌頭處添加損傷位置。尖軌模型如圖4所示，損傷及PZT的布置示意如圖5所示。

圖4 尖軌模型

圖5 損傷及PZT的布置示意

在仿真試驗中，鋼軌軌腰處相距10 cm處設置了接收點和激勵點，激勵點上加Lamb波激勵信號，Lamb波激勵信號如圖6所示。對激勵點施加相同激勵信號的情況下，分別對兩點之間無損傷，寬0.4 cm、高0.1 cm、長度分別為2，3，4，6 cm損傷的情況進行試驗，對獲得的數據進行相應處理，得到的結果如圖7所示。

圖6 Lamb波激勵信號

圖7 不同長度損傷接收信號

在圖7中的橢圓虛線標注的地方，可以明顯發現無損以及其他不同長度損傷的接收信號在此處有明顯的差異，無損傷情況下的接收信號的幅值小于有損傷情況下的幅值；而在有損傷情況下的接收信號中，其信號的幅值隨著損傷長度的增大而增大，這為損傷的判別提供了依據。

圖8為試驗現場，所選用的鋼軌長度約為1 m，在鋼軌軌腰的位置用耦合劑粘貼了兩個壓電片，在兩個壓電片中間位置的軌頭上同樣用耦合劑粘貼不同長度的損傷，損傷材料為復合材料。在圖中的相應位置處依次標記了傳感器節點、協調器節點、DSP、調理電路以及PC(計算機)，整個試驗的條件與仿真試驗的條件相同。

圖8 試驗現場

試驗采用基于Lamb波的結構健康監測技術損傷識別方法的波傳播檢測法[11]，使用兩片壓電片，一片作為發送器，另一片作為接收器，發送器產生Lamb波并沿著結構傳播，Lamb波在傳播過程中遇到各類缺陷或者損傷會發生波形的變化，然后通過壓電效應，在接收器上接收到電信號，最后通過分析處理此電信號，提取出能夠用來識別損傷的信號。在現場試驗中，給左邊的壓電片一個40 kHz頻率的Lamb波激勵信號，右邊的壓電片接收相應的信號。對不粘貼損傷、粘貼2，3，4，6 cm損傷的情況分別進行試驗。

將得到的數據經過消除串擾及噪聲信號后的處理結果如圖9所示，對比其中的不同損傷條件下接收信號的幅值。在橢圓虛線標注出來的位置上，不同損傷幅值大小出現明顯的區別，其所有損傷信號幅值變化的趨勢基本與仿真試驗的趨勢相同，在幅值具體大小上存在差別，這與硬件自身的精度有關。

圖9 不同損傷試驗結果

為了進一步分析每種損傷的情況，對采集到的噪聲、無損傷、2，3，4，6 cm損傷的信號進行快速傅里葉變換(FFT)，通過觀察其頻譜圖來分析其中的差別，不同損傷的快速傅里葉變換結果如圖10所示。

圖10 不同損傷的快速傅里葉變換(FFT)結果

在圖10(a)的干擾信號頻譜中，可以看出干擾信號主要為低頻諧波信號以及一個頻率約為40 kHz的串擾(在重構信號曲線時應該將干擾信號濾除)。圖10(b)～10(f)中，在頻率40 kHz左右都有一個較大的幅值，這與試驗所用的激勵Lamb波頻率相同。在其余無損傷和添加人工損傷信號的頻譜圖中，在最高頻率處的幅值都隨著添加損傷長度的增加而不斷減小，說明長度越長的損傷對信號的散射越強，這使得接收到的信號越弱。通過對不同頻譜的分析可以用來判斷損傷程度的大小。

為了直觀顯示不同長度損傷的接收幅值大小，通過MATLAB軟件對得到的損傷信號在40 kHz處的峰值幅值進行擬合，具體的擬合曲線如圖11所示, 從擬合的曲線可以更直觀地觀察出接收信號的幅值與損傷長度變化的關系。

圖11 不同長度損傷幅值擬合曲線

試驗驗證了不同長度的損傷對接收信號的影響，結果表明，該硬件試驗系統可以用來判別不同長度的損傷，并且和預期的仿真試驗結果基本相符。

3 結語

設計搭建的結構健康監測系統以Lamb波為激勵信號，采用JN5148為主芯片，利用DSP的采集功能使得整個硬件系統能夠無線傳輸傳感器接收的數據。通過對接收到的數據進行數據處理的結果也表明了該系統損傷判別的效果。

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[2] 胡泮,王海濤,田貴云,等.面向鋼軌的無線結構健康監測的挑戰與應用[J].無損檢測,2016,38(12):32-35.

[3] 張書增. 鋼軌內的超聲波傳播模擬及缺陷檢測方法研究[D].長沙：中南大學,2014.

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[6] 喻言. 結構健康監測的無線傳感器及其網絡系統[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2006.

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[8] 宋麗青.鋼軌狀態實時監測的無線傳感裝置的研究[D].大連：大連理工大學,2014.

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[10] 王驥,林杰華,謝仕義. 基于無線傳感網絡的環境監測系統[J]. 傳感技術學報,2015,24(11):1732-1740.

[11] 李博成. Lamb波結構損傷識別中信號處理與采集的研究與實驗[D].成都：電子科技大學,2013.

WirelessSensorNetworksDamageMonitoringSystemofRail

WANG Wenhao1, WANG Haitao1，HU Pan1, LIU Qiang1, TIAN Guiyun1,2, GUO Ruipeng1

(1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106,China; 2.Newcastle University, Newcastle NUI 7RU, UK)

The traditional test equipments fail to monitor the rail real-time, which leads to the occurrence of leak and mistakenly identified. And the monitoring of rail damage has become an important issue in the development of national railway. In this paper, a rail damage monitoring hardware system has been built based on the internet of things and structural health monitoring technology. With the piezoelectric sensor array placed in fork rail waist, piezoelectric excited by the Lamb wave sensor, experiments on the artificial paste in different lengths of rail head surface damage were carried out. The results show that the system can effectively detect the rail damage information.

wireless sensor network; structural health monitoring; piezoelectric array; Lamb wave

2017-06-25

王文皞(1994-),男，碩士研究生，主要從事結構健康監測研究工作

王海濤,htwang2002@126.com

10.11973/wsjc201711003

TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0012-04