基于虛擬儀器的鐵軌損傷檢測系統

1 引言

　　在鐵路的現代化建設中，鐵路的安全是首先需要解決的問題。隨著鐵路建設的發展，以往靠巡道工進行鐵軌檢測的方式在許多新建的鐵路線上，因站點間的距離太長而無法實施。另外，火車的大幅度提速也給巡道工造成更大的危險。現狀迫切需要實施鐵軌狀態的自動化檢測，以代替以往的人工檢測。由于人工對鐵軌進行探傷的危險性大、效率低，并且有可能出現誤檢。因此，設計了一個基于LabVIEW的鐵軌損傷檢測系統，以實現人工探傷向自動化探傷的轉變。

2 檢測系統原理

　　本系統主要采用漏磁場檢測法，其基本原理是利用勵磁磁場和缺陷相互作用產生的漏磁現象來檢測鐵軌表面的裂紋或損傷。實驗證明，在交變磁場的作用下，在役鐵磁性工件的缺陷和夾雜部位，會產生磁疇歸一現象， 并在其上出現漏磁場。當鐵質材料磁化至深度飽和時，在缺陷位置或內應 力相對集中的地方，金屬導磁率最小，磁導率的降低，使磁阻將增加并產生磁場畸變。采用磁敏檢測探頭檢測這一漏磁場可獲得反映裂紋或損傷狀況的特征信息，通過對裂紋漏磁場特征信息即裂紋或損傷檢測信號峰值之間的定量分析，便可獲得裂紋或損傷大小及位置等信息。

3 系統組成

　　定量檢測系統主要由探傷傳感器、預處理電路、數據采集卡和PC 計 算機等組成，如圖1 所示：

圖1 系統硬件部分圖

　　其中探傷傳感器采用西安現代非線性科學應用研究所研制開發NDWL電渦流傳感器以取得裂紋或損傷缺陷信號，這種傳感器在供電要求為AC 5V 4KHz，使用溫度范圍為-40CO到+50CO，在正常情況下，輸出為零，如遇有金屬材料裂紋或表面損傷，可輸出3～10mv的交流信號。

　　預處理電路由濾波器、信號放大器等組成，用于對探傷傳感器輸出信號的調理。 數據采集卡采用凌華推出高速高精度海量儲存數據采集卡PCI－9820，凌華PCI-9820 卡是一塊高速、高分辨率、高容量的PCI 數據采集卡，配備兩組模擬輸入端，具備同步采集的功能。當兩組模擬輸入同時使用時，采樣頻率最高可達65MS/s，而當采集一組模擬輸入，采樣頻率最高可達130MS/s，并且具備14bits的分辨率。同時凌華數據采集卡提供了全新Labview驅動程序PCIS-LVIEW PnP。三部分與計算機硬件連接如圖1虛線內所示。

　　數據傳輸總線使用通訊轉換卡RS-485，RS-485具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、傳輸速度快等優點。RS485能實現電平隔離，隔離電壓為1000V，通訊波特率300bps-2Mbps。

　　由于探傷傳感器輸出的信號強度較弱，而且常伴有干擾信號，所以在預處理電路中對此信號需要進行濾波、放大等處理，使之達到A/D 轉換器輸入電平的幅度要求。處理過的信號經數據采集卡進行A/D 轉換，將模擬信號轉換成數字信號送入計算機中進行分析處理。

4 軟件設計

4.1 軟件開發平臺

　　軟件設計采用美國NI公司的LabVIEW軟件開發平臺，LabVIEW是美國國家儀器（NI）公司開發的一種基于圖形程序的虛擬儀表編程語言，其在測試與測量、數據采集、儀器控制、數字信號分析、工廠自動化等領域獲得了廣泛的應用。LabVIEW程序稱為虛擬儀器程序（簡稱VI），主要包括兩部分：前面板（即人機界面）和方框圖程序。前面板用于模擬真實儀器的面板操作，可設置輸入數值、觀察輸出值以及實現圖表、文本等顯示。
　框圖程序應用圖形編程語言編寫，相當于傳統程序的源代碼。其用于傳送前面板輸入的命令參數到儀器以執行相應的操作。LabVIEW的強大功能在于層次化結構，用戶可以把創建的V 程序當作子程序調用，以創建更復雜的程序。而且，調用階數可以是任意的。LabVIEW這種創建和調用子程序的方法使創建的程序模塊化，易于調試、理解和維護。

　　LabVIEW編程方法與傳統的程序設計方法不同，它擁有流程圖程序設計語言的特點，擺脫了傳統程序語言線形結構的束縛。LabVIEW的執行順序依方塊圖間數據的流向決定，而不像一般通用的編程語言逐行執行。在編寫方框圖程序時，只需從功能模塊中選用不同的函數圖標，然后再以線條相互連接，即可實現數據的傳輸。如圖2就是一個數據采集LabVIEW方框圖程序。

圖2 LabVIEW方框圖程序

4.2 功能的實現

　　本系統的功能實現包括數據采集和數據分析兩大部分。主要完成數據采集、數據處理及波型顯示等功能。

4.2.1 數據采集

　　在鐵軌檢測現場，除采用圖1所示的檢測系統進行集中探傷外，我們還可以組成分散的檢測系統。將探傷傳感器采集到的模擬量信號經采集卡數字化以后，利用串行連接口RS－485總線將數據上傳。在PC機ISA或PCI總線槽中插有多端口RS－485接口板，利用這個接口板接收RS-485串行總線的數據，通過PC機進行分析處理。如圖3所示。

圖3 數據采集原理圖

　　其中遠端設備包括單片機、數據采集卡、預處理電路和電渦流探傷傳感器等。系統數據采集流程圖如圖4虛線內部分所示。

圖4 監測系統工作流程圖

　　對于圖1所示的探傷系統，利用LabVIEW軟件平臺控制進行數據采集，可用功能模板中Advanced提供的Call Library Function，Call Interface Node和Port I/O子模板中的In Port，Out Port函數進行采集。

4.2.2 峰峰值Vpp的測量

　　參數測量可采用功能板Functions/Analysis/Measurement中的功能 函數進行測量，利用所需不同的測量功能函數將采集數據進行分析、計算。其中峰峰值的測量采用LabVIEW 提供的Peak Detector函數，用它可以得到準確的波峰值Peak Value和波谷值Valley Value， 從而得出鐵軌裂紋或損傷缺陷的特征信號峰峰值。

　　Vpp=|Peak Value-Valley Value|

　　用LabVIEW 軟件提供的Peak Detector函數，可以準確的確定波峰和波谷的位置和峰值，然后，建立適當的數學模型即峰峰值Vpp和鐵軌裂紋或損傷面積ΔA的關系式，從而求出缺陷信號的準確位置和峰峰值。

4.2.3 波型顯示

　　波形的顯示采用控制功能模板 Functions/Graph/Waveform. Graph 函數，通過該函數，將輸入到計算機里的采集數據進行處理，并把波形及處理結果以示波器的形式顯示在計算機屏幕上。

5 結果與討論

　　(1)通過實際的測量獲得裂紋或損傷輸出信號Vpp 值，根據漏磁場理論，并通過大量的人為探傷實驗得出一定的關系式，建立適當的數學模 型，就可得出裂紋或損傷大小及位置。

　　(2)本系統在數據采集部分利使用RS-485總線，可實現一臺PC機同時對多條鐵軌進行檢測，并且RS-485 適用于較遠距離的數據傳輸，這點適合于鐵路部門的實際情況。

　　(3)由于本系統采用的傳感器為NDWL電渦流傳感器，所以，同樣適用于其它鐵質材料的裂紋或損傷檢測，如鋼管、鋼板、汽車軸承等。

　　(4)本系統使用方便、快捷，實現了鐵軌探傷檢測的人工向自動化的轉變，可以大大提高鐵路部門工作效率，并且有效保證探傷人員的人身安全。

　　(5)在建立適當的數學模型之前，必須進行大量的探傷實驗，取得大量的數據后，才可以建立比較準確的數學模型