基于LabVIEW的超聲導波斷軌檢測系統的設計

任 遠，張友鵬，史宏章，田銘興

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，1.碩士研究生；2.教授，甘肅 蘭州 730070；3.蘭州鐵路局武威工務段，工程師，甘肅 武威 733000）

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。目前我國主要采用鋼軌探傷小車定期在軌道上檢查、人工巡軌以及使用軌道電路進行斷軌檢測。其中，鋼軌探傷小車檢測速度慢，占用維修天窗時間長，且易受工務人員個人經驗和責任感影響，已不能滿足新形勢下我國鐵路高速發展需求。而軌道電路受道床參數影響較大，在道床阻抗小或長期積水的隧道區段通常采用新式閉塞設備而不安裝軌道電路。因此，新型斷軌檢測設備的研究開發，對保障鐵路運輸業的安全具有重要意義。本文以USB6251數據采集卡為核心硬件，以LabVIEW8.5為軟件平臺，研發超聲導波斷軌檢測系統，重點介紹該系統檢測原理、結構組成、主要功能及其實現方法。

1 超聲導波斷軌檢測原理

鋼軌材料作為固體聲傳播介質具有良好的聲導管特性，當超聲波被局限在棒狀或管狀介質的邊界內傳播時，邊界對超聲波產生反復不斷的反射傳導，這樣就形成了由縱波、橫波、表面波、蘭姆波等基本超聲波類型以各種方式組合形成的超聲導波〔1〕。與傳統單一波形的能量集中式超聲檢測方法相比，超聲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〔2〕。其檢測原理如圖1所示。

圖1 超聲導波斷軌檢測系統原理圖

在圖1中，發射器向固定在鋼軌軌腰上的超聲波換能器發射高壓脈沖電信號，壓電換能器通過逆壓電效應原理向鋼軌中發射超聲導波信號，經鋼軌傳導后在接收端由超聲波探頭接收。通過接收端對所獲得信號的幅值比較，或在給定窗口時間內能否接收到事先設定的超聲信號，判定接收端與發射端之間的鋼軌完整情況。

該方法采用機械波作為檢測信號，因此基本不受牽引回流與鋼軌電氣參數影響。且設備原理簡單，安裝和維護方便，設備功耗成本相對較低，非常適用于較長無縫鋼軌斷裂檢測。在長大隧道、南方山區潮濕積水和采用整體道床的軌道一次參數不良的地區，可以替代軌道電路完成斷軌檢測。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件組成 超聲導波斷軌檢測系統的硬件結構主要由超聲導波發射、數據采集、信號接收調理和上位機4個部分組成（如圖2）。

圖2 單檢測區間系統硬件結構框圖

工作過程中，首先由上位機程序控制數據采集模塊板卡的2路模擬輸出通道，產生高頻脈沖信號鏈，然后經由超聲波發射模塊驅動超聲波探頭，探頭通過壓電陶瓷的逆壓電效應原理向鋼軌中發射超聲導波檢測信號，經鋼軌傳導后在另一端由接收探頭接收。接收到的信號經接收調理模塊簡單處理后，送至數據采集卡進行采集，最后利用上位機軟件處理接收來的檢測數據，綜合分析出檢測區間內的鋼軌完整情況。

2.2 硬件模塊的功能

2.2.1 數據采集 數據采集模塊主要完成實時數據采集和模數轉換工作。系統采用由美國國家儀器公司生產的NI-USB6251數據采集卡，該采集卡有8路采樣率達1.25 MS/s的16位差分模擬輸入通道、24路數字I/O以及2路BNC模擬輸出通道〔3〕。可以滿足系統對超聲波檢測信號的發生、采集及向計算機傳送數據的功能需求。

2.2.2 超聲導波發射 超聲波信號發射模塊由功率放大器和超聲波探頭組成。其中，功率放大器的作用是放大由數據采集卡模擬輸出通道產生的脈沖激勵信號，并驅動發射探頭工作。發射模塊中選用美國T&C公司的ULTRA2020型功率放大器，其工作頻率范圍為0.01～15 MHz，輸出功率可達50 W。超聲波探頭是利用壓電陶瓷的逆壓電效應原理，將脈沖電信號轉化為聲波類型的物理信號，通過介質傳播，由接收端對信號的波形與衰減進行分析判斷介質內部情況的器件。超聲波換能器選用具有雙頻特性的NTK公司DA44525-46型壓電換能器，其發射頻率有25 kHz和40 kHz2種。

2.2.3 信號接收調理 該模塊中包含的接收傳感器用于采集和提取鋼軌中的超聲導波信號，并通過信號調理電路轉換為可測量的電壓信號供數據采集卡采集。傳感器采用美國ENDEVCO公司的7259a-100型加速度傳感器，其具有極寬的頻響特性，可在惡劣環境狀況下測量高頻振動，并采用了環形剪切式設計，具有高達80 kHz的共振頻率，工作溫度可達-55～125℃。

由于壓電式加速度傳感器為高阻抗、自發電式元件，無需外接電源，但輸出為電荷信號，因此必須通過信號調理電路轉換為電壓量后再進行采集。信號調理電路如圖3所示，其主要原理是一個帶反饋電容的電壓放大器。工作時輸出電壓經Cf電容反饋回來，以維持輸入電壓為零，從而將輸入電荷量轉換為低阻抗的輸出電壓量，并消除電纜電容Cc的影響。

圖3 信號接收與調理模塊電路原理圖

2.2.4 上位計算機 系統的上位機由裝有斷軌檢測軟件的工業控制計算機或便攜式計算機構成。上位機主要用于實現兩方面的功能：一是通過軟件編程驅動NI-6251數據采集卡的2路模擬輸出通道，生成特定頻率和脈寬的高頻脈沖信號鏈；二是對數據采集卡采集來的接收端傳感器信號進行處理分析，通過快速傅立葉變換和時頻分析等方法，綜合判斷檢測區間內是否有斷軌情況發生，并實現斷軌報警、波形記錄、歷史數據回放等功能。

3 系統軟件設計

超聲導波斷軌檢測系統采用基于虛擬儀器技術的LabVIEW開發環境進行軟件編程設計，實現檢測信號的生成、接收、處理、斷軌判斷和記錄功能。系統軟件框架和流程如圖4和圖5所示。

圖4 系統軟件結構框架圖

圖5 系統軟件流程圖

3.1 檢測信號生成程序 該部分采用LabVIEW仿真信號發生器編程，產生2路頻率相同但脈寬相異的高頻脈沖振蕩信號，通過DAQ輸出控件直接驅動USB-6251卡的2個模擬輸出通道，產生高頻脈沖振蕩信號，最終控制超聲波發射模塊向鋼軌中發射超聲導波。

3.2 數據采集程序 由于NI-USB6251卡支持DAQmx驅動程序，所以設計時直接使用DAQmx Da?ta Acquisition開發〔4〕。在這一部分中，主要是采集參數的設置，包括物理通道的選擇、采樣模式、采樣率、每通道采樣數、輸入方式的配置和采樣邊界值的設置等。

3.3 斷軌判斷與報警程序 斷軌判斷與報警程序采用用戶事件編寫。當給定時間間隔內接收到的信號采樣值低于設定的閾值時，就會觸發用戶事件，產生斷軌報警，并進行數據記錄。

3.4 數據保存程序 數據保存是把采集的接收端信號特征數據及其對應時間保存到MySQL數據庫。其程序是首先進行數據庫的選擇和數據庫表格的建立，然后用LabSQL工具包將采集的數據按照一定的時間間隔保存到數據庫的表格里。另外對報警時刻的波形進行報警日志記錄，供日后波形回放和斷軌分析時使用。

3.5 歷史數據查詢程序 歷史數據查詢程序可將已保存在數據庫中的波形特征數據讀取出來供用戶分析。由于保存數據表格的主鍵已設為保存時刻，每個數據在時間上是唯一的，所以歷史數據的查詢只需要從數據庫里按照一定的條件進行檢索就可以完成。另外，該部分程序還能提供報警事件的波形回放功能。

3.6 用戶操作界面 根據系統設計要求，在上位機上顯示的斷軌檢測系統用戶界面如圖6所示。該界面主要包括：1）系統時間與操作員登陸窗口；2）系統開關與工作狀態指示燈；3）超聲波信號源開關與波形顯示面板；4）接收端兩軌信號接收與分離顯示界面；5）斷軌報警閾值參數設定、報警指示燈和設備故障自檢指示燈；6）數據存儲面板。

圖6 超聲導波斷軌檢測系統控制面板

在圖6中，鋼軌兩端為模擬通道輸出的2路脈沖間隔不同的超聲波脈沖信號，經鋼軌傳導后在中間由數據采集卡采集，信號經濾波、放大后顯示在中間面板上。再經過延時算法將2路信號分離開，分別顯示于相鄰面板上。在此圖中，接收信號分離后，由于軌1信號低于設定幅值，系統判斷軌1發生斷軌，并做報警提示。其他3個軌段信號幅值均大于給定閾值，鋼軌狀況良好。

4 系統的安裝與測試

4.1 試驗線的選擇 該系統選擇某長大隧道上行線DK177+050～DK180+050區間進行斷軌檢測試驗。該隧道為雙線無縫電氣化長大隧道，相關資料顯示該區段通過全新世F7活動斷層，通過長度785 m，目前仍有地震活動跡象，斷軌潛在發生率較高。

4.2 系統的安裝 首先，在現場的工控機或便攜式計算機上安裝編寫好的上位機檢測程序。然后，將NI-USB6251采集卡與ULTRA2020功率放大器以及信號調理模塊連接起來。再采用楔形鋁制基座將超聲波換能器和接收傳感器固定于雙軌軌腰側面，耦合部分采用環氧膠填充耦合。最后，將探頭信號線連接到相關設備并上電測試。

4.3 系統的測試 測試的內容主要包括系統穩定性測試、輪軌噪聲對檢測設備的影響測試、溫度變化引起鋼軌聲傳導特性的變化對系統影響測試、施工或其他人為作業對系統影響的測試等。通過對上述測試項目的數據整理分析，可進一步完善系統的各項功能，提高系統的檢測精度和可靠性。

5 結束語

研究表明，超聲導波斷軌檢測系統與傳統的斷軌檢測方法相比，可實現對鋼軌的實時在線斷軌監測。該檢測方法原理簡單、設備安裝和維護方便、運行功耗相對較低。在無法使用軌道電路的無縫區段，可以替代軌道電路完成實時斷軌檢測功能。因此，該系統對實現我國鐵路部門制定的“三防”措施中的防斷軌要求，保障鐵路運輸生產安全都具有重要意義。

未來隨著鐵路新技術的發展，結合對輪軌噪聲的研究，該檢測方法還有望實現區間內列車占用檢測和鋼軌中機械波載波通信等功能。

〔1〕Joseph L.Rose.Ultrasonic Waves in Solid Media〔M〕.Cam?bridge:Cambridge University Press，2004：82-92.

〔2〕Joseph L.Rose.Rail Inspection With Guided Waves〔C〕.NDT 12th Asia-Pacific Conference，Auckland，Nov 2006.

〔3〕National Instruments.USB-6251 Data Acquisition〔EB/OL〕.（2008.3）.〔2009.12.21〕.www.ni.com/products/.

〔4〕楊樂平，李海濤，楊磊.LaVIEW程序設計與應用〔M〕.北京：電子工業出版社，2007.