关键词:
超声导波
钢轨裂纹检测
嵌入式系统
FPGA
裂纹检测算法
摘要:
铁路是我国的重要的交通基础设施,钢轨是铁路基础设施重要组成部分。随着我国高速和重载铁路的快速发展,列车运营密度不断增加,钢轨承受载荷越来越大。钢轨长期受到列车冲击会逐渐形成疲劳裂纹,成为影响行车安全的重大隐患。基于超声导波的钢轨裂纹检测方法具有检测距离远、效率高和无轨底角检测盲区等优点,因此本论文在北京交通大学轨道交通智能检测研究所前期理论研究的基础上,设计研发了一套钢轨裂纹超声导波集成检测系统,实现了钢轨超声导波的激励、采集、存储、分析和远程传输,针对不同应用场景研究了导波信号异常监测算法和轨底裂纹检测算法,并通过实验室实验验证了系统检出钢轨裂纹的准确性,对于提升铁路现场钢轨裂纹检测的效率、保障列车行车安全具有重要的意义。论文根据基于超声导波技术检测裂纹的需求,提出了基于异构双核处理系统的钢轨裂纹超声导波检测系统总体方案。研究了钢轨超声导波激励源与钢轨中传播的超声导波的时频域特征,基于其特征设计了导波激励和采集硬件电路,实现钢轨超声导波的激励与采集。设计了基于FPGA与ARM的异构双核处理硬件系统,为实现远距、高速超声导波信号的采集、缓存、分析和传输提供了硬件平台。根据钢轨裂纹全天候在线监测场景和便携式检测场景的系统特点,基于设计的双核超声导波激励与采集系统集成了远程钢轨裂纹超声导波在线监测系统和便携式钢轨裂纹超声导波检测系统。针对钢轨长距离超声导波的高速采集对系统采样速率、内存容量和数据处理速率要求高的问题,论文研究了基于FPGA的超声导波高速采集与缓存机制,ARM端可灵活的向挂载大容量内存的FPGA请求不同激励脉冲、不同采集时间与速率以及缓存和共享任意地址和长度的超声导波信号,从而实现了远距离钢轨超声导波的高速、大容量采集与缓存,为钢轨裂纹超声导波检测软件系统提供灵活的数据支持。根据钢轨裂纹检测系统的现场应用特点,设计了ARM端软件系统,实现了钢轨导波信号的灵活采集、存储、轻量分析和以太网传输。针对钢轨导波信号变化周期长,正常信号重复上传的问题,研究了轻量钢轨超声导波异常信号监测算法,监控异常导波数据,节省了通讯带宽和缩短了监测周期。针对传统钢轨探伤方法的轨底检测盲区,基于设计的钢轨裂纹超声导波检测系统,研究了基于超声导波的轨底裂纹检测算法,并部署于便携式钢轨裂纹超声导波检测系统,实现了轨底裂纹的识别与定位。最后通过设计实验验证了系统性能、钢轨裂纹超声导波信号监测算法和轨底裂纹检测算法。系统性能验证实验完成了系统激励与采集的功能测试、激励电路和采集电路性能评估,证明系统能够实现窄带导波激励和远距离导波信号采集,其中激励导波信号可以传播1000米,采集存储深度最高达60M,满足铁路现场的钢轨裂纹检测的需求。通过实际尖轨裂纹监测,证明系统导波信号监测算法可以实现尖轨质量块模拟裂纹的检出。通过轨底裂纹检测实验,验证了轨底裂纹识别与定位算法的准确性,定位相对误差小于5%,满足检测要求。