文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.014
中文引用格式： 馬錦生，于桂武，霍繼偉，等. 電磁鋼軌探傷儀器開發與現場測試[J].電子技術應用，2016，42(11)：56-58，65.
英文引用格式： Ma Jinsheng，Yu Guiwu，Huo Jiwei，et al. Development of electromagnetic rail inspection instrument and its field testing[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：56-58，65.
0 引言
鋼軌探傷是鐵路工務部門的重要工作，對鋼軌傷損及時全面的探測直接關系到鐵路運輸的安全。目前用于鋼軌探傷的技術原理包括聲、光、電、磁、熱、輻射等[1]，其中基于聲學原理的超聲鋼軌探傷技術是目前鐵路現場使用最廣泛、最主要的技術，可探測鋼軌內部的多種缺陷[2]。但基于超聲波反射原理的超聲探傷方法，在探測鋼軌淺表層缺陷時有盲區，大約距離鋼軌表面5 mm以內的區域超聲探傷分辨率非常低，甚至對缺陷不敏感。對于鋼軌表面缺陷，基于機器視覺檢測的光學方法在近年來逐漸得到應用，該方法通過圖像識別可標識鋼軌表面的損傷。但光學方法對埋藏在表面之內的缺陷卻無法探測。各種探傷原理中磁學方法是超聲和機器視覺兩種方法的補充，應用電磁感應原理的電磁激勵信號可以在鋼軌的淺表層產生電渦流，若鋼軌內部有缺陷，電渦流產生的磁場將會改變，通過對磁場改變量的解調，可以得出鋼軌缺陷的程度。電磁感應方法進行鋼軌探傷是最早提出用于鋼軌探傷的方法，但由于電磁檢測對電路靈敏度和信噪比有很高的要求，一直沒有得到很好的應用。近年來，隨著集成電路、電磁檢測元器件以及現代信號處理技術的發展，電磁鋼軌探傷越來越受到各國研究者的重視[3，4]。
大秦鐵路是我國新建的第一條雙線電氣化重載運煤專線，年運量最高達到4.5億噸，是世界上年運量最大的鐵路線。大運量導致線路鋼軌的損傷發生概率高，鋼軌維護量大，為此積極探索多種鋼軌探傷新技術，研制了電磁鋼軌探傷儀器。
1 系統總體設計
本文研制的電磁鋼軌探傷儀器由支撐小推車、前端傳感單元、信號處理機箱和監控計算機4部分組成，其結構如圖1所示。
探傷小推車用來裝載信號處理機箱等硬件設備，并使電磁探傷傳感器能夠沿著鋼軌進行探測。在探傷時，小推車的4個輪子需要展平，從而使儀器在探傷時傳感器可平行于鋼軌且保持距離不變。在搬運時，可將小推車的4個輪子調整到垂直位置以便儀器的搬運。前端傳感器裝于小推車車底，共裝3個，分別位于鋼軌的上側、左側、右側3個方向，從而可以探測3個面的鋼軌損傷。信號處理系統安裝于信號處理機箱中，負責對傳感器感應信號的調理及處理。探傷人員通過監控計算機對儀器的探傷過程進行控制，并對探傷數據進行圖表顯示、分析、存儲和遠程傳輸。
如圖2所示， 儀器開機后，操作員通過監控計算機啟動探傷軟件，軟件通過以太網發指令到FPGA信號處理板產生合成激勵信號，激勵信號經過放大器放大后驅動傳感器中的激勵線圈在鋼軌上產生激勵電磁場。同時傳感器中的檢測線圈感應由缺陷調制的耦合場，經過信號調理板接入到FPGA信號處理板進行解調，提取鋼軌缺陷表征信息，再通過以太網將損傷信息傳輸到監控計算機，完成損傷信息的顯示存儲和遠程傳輸。
2 儀器硬件系統設計
探傷儀器硬件系統主要包括信號處理系統和監控計算機，其中信號處理系統是儀器的核心。儀器信號處理系統如圖3所示，處理系統主要包含FPGA信號處理板、多路電源轉換板、模擬信號調理板、ADC和DAC接口板以及鋰電池。
為確保信號處理的實時性，信號處理使用FPGA進行設計，設計使用了Xilinx Kintex7 XC7K325T FPGA芯片，其芯片內部提供了326 080個Logic Cells、830個DSP Slices以及4 MB分布式RAM，為儀器的信號處理提供了充足的資源。ADC和DAC接口板將FPGA產生的DDS數據轉為模擬激勵輸出，同時將調理后的電磁感應信號轉為相應的數字信號輸出；信號調理負責對電磁感應信號進行精密放大與濾波；鋰電池負責對整個硬件系統供電；監控計算機具有網絡通信功能，與FPGA通過網絡進行數據傳輸。
數據的回采、解調及傳輸均由FPGA實現，具有實時性好的特點，但數據量大，故選擇以太網作為數據傳輸的方式。用FPGA實現以太網通信通常有3種方式：(1)三態以太網接口IP核(Intellectual Property Core)方式；(2) LwIP協議棧方式；(3)Verilog HDL直接編程實現方式。綜合考慮軟件設計的靈活性和執行效率，本文使用第3種方法，即通過Verilog HDL直接編程實現。此方法可以定制實現需要的功能，效率高且節省片內資源。
3 儀器FPGA軟件設計
探傷儀器激勵的產生、信號采集、解調、處理及傳輸由Verilog HDL 編程后在FPGA上實現。系統上電之后，由監控計算機將FPGA啟動命令由以太網發送到FPGA中，而后，儀器開始產生模擬激勵信號、線圈感應信號回采及數據分析、傳輸。
儀器的模擬激勵信號先由FPGA通過DDS算法合成16 bit的正弦波形數字信號；而后由16 bit分辨率的DAC AD9777轉換為模擬激勵輸出。檢測信號經信號調理后由14 bit分辨率的ADC ADS62p45轉換為數字信號接入到FPGA中。需注意，在ADC、DAC接口板工作之前，需要由FPGA通過SPI接口對ADC與DAC及時鐘芯片進行工作模式的配置。
FPGA接收到ADC轉換的數字信號之后做一次FFT解調，之后由數據選擇模塊對損傷數據進行提取。將提取的損傷信息由DDR3緩存之后，由以太網將數據傳給監控計算機顯示與存儲。DDR3緩存負責時鐘域的轉換與數據的臨時存儲。
當數據接收、解調遇到異常，FPGA會產生一個錯誤代碼，由以太網傳回檢測計算機以便于錯誤的定位以及調試。同時，檢測計算機可通過以太網發送復位信息，及時重啟FPGA程序，防止探傷中斷。
4 監控計算機軟件設計
人機交互計算軟件采用C#語言設計，編譯器使用Microsoft Visual Studio 2015，軟件界面設計使用了微軟新一代窗體表達架構WPF(Windows Presentation Foundation)進行設計，WPF提供了統一的編程模型，能夠充分利用現代計算機中現有的圖形硬件的全部功能[6]。
監控計算機軟件功能包括控制指令收發、芯片配置寄存器地址及值的設置、以太網探傷數據傳輸、探傷數據存儲以及數據分析的功能。其流程如圖4所示。
5 實驗及分析
該電磁鋼軌探傷儀器樣機在太原鐵路局大秦鐵路茶塢工務段進行了現場測試，對損傷樣軌進行了大量的探傷實驗。其中一個實驗的鋼軌損傷設置如圖5(a)所示，圖中的2個淺表缺陷標注為缺陷1和缺陷2。使用樣機檢測出的探傷曲線如圖5(b)所示。
圖5(b)中，橢圓區域A、B、C為檢測噪聲，這些尖峰噪聲在數據預處理時用中值濾波濾除，圖中矩形區域D和E所示的波動分別對應圖5(a)中的缺陷1和2。該曲線為樣機測試的原始數據，軟件處理后可將缺陷指示出來。由圖中鋼軌損傷表征數據可以看出，所設計的儀器樣機可以有效監測這兩處缺陷。
6 結論
本文所設計的電磁鋼軌探傷樣機采用高速FPGA實現信號的激勵、采集和解調，探傷數據通過以太網傳輸到探傷小推車的監控計算機，進行實時分析。現場測試證明，該電磁鋼軌探傷儀器具有檢測鋼軌淺表層缺陷的能力。后續將對樣機的檢測傳感器進行優化設計，并制作專用的標準損傷試樣進行量化標定。
參考文獻
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[2] 王雪梅.無損檢測技術及其在軌道交通中的應用[M].成都：西南交通大學出版社，2010.
[3] Liu Ze，Li Wen，Xue Fangqi，et al.Electromagnetic tomography rail defect inspection[J].IEEE Transactions on Magnetics，2015，51(10).
[4] YIN W L，PEYTON A J.Sensitivity formulation including velocity effects for electromagnetic induction systems[J].IEEE Transactions on Magnetics，2010，46(5)：1172-1176.
[5] 田耘，徐文波.Xilinx FPGA開發實用教程[M].北京：清華大學出版社，2013.
[6] KOZMINSKI A.Windows Presentation Foundation(WPF) technology meets the challenges of operator interface design in automatic test systems[C].Proceedings of the 2012 IEEE AUTOTESTCON，2012.