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【摘 要】 针对钢轨裂纹损伤，目前普遍采用钢轨探伤车，不能实现实时动态监测，尤其是高速铁路，白天没有维修天窗，为实现对道岔尖轨裂损的实时在线监测，设计开发基于超声导波的尖轨裂损监测系统，介绍其设计方法和测试步骤。该系统以超声导波为检测信号，不易受道床电气参数影响，具有裂损检测、报警记录和故障自动报警等功能，可有效检测出道岔尖轨的裂纹伤损，使工务对轨道最薄弱区段有了实时监测设备，以便及时对伤损尖轨进行有效的处置，防止尖轨断轨，保障列车运行岔区的安全、降低尖轨区发生事故的概率。
【关键词】 声学；高速道岔；裂纹伤损；超声导波
近年来，各种极热、极冷气候频发，温差变化大，钢轨容易产生微裂纹，影响其疲劳性能；我国铁路向客运高速化、货运重载化方向发展，轮轨滚动接触疲劳破坏变得越来越严重，上述因素缩短了钢轨从裂纹发展成断轨的时间，存在突发性断轨的潜在威胁。目前国内外广泛应用的是钢轨探伤车，存在探伤盲区，上道作业人员人身安全风险大，同时不能实现在线监测功能，因此研制尖轨裂损实时监测系统对保障铁路运输安全具有十分重要意义。本文以STM32F103ZE和AD7665为核心采集硬件，以VS2010开发平台、SQL Server 2008数据库平台进行软件设计，研发超声导波尖轨裂损监测系统，重点介绍该系统检测原理、结构组成、主要功能及实现方法。
一、超声导波裂损检测原理
超声导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次反射，并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。主要应用于压力容器、输油管道、水管裂纹检测、航空器壳体检测等方面。
如下图所示，黑线表示发射的超声导波在钢轨中的传播路径，蓝线表示遇到裂纹伤损时产生的回波路径，通过对回波的时频分析来检测裂纹伤损。
图1 超声导波裂损检测原理示意图
该方法采用机械波作为检测信号，对铁路既有设备没有任何影响；而既有设备对超声导波的影响在可控范围内，有办法解决。
二、系统结构组成
尖轨裂损监测系统由轨边监测设备、数据管理中心和数据监测站构成，通过在道岔尖轨安装一对超声导波传感器，周期性地对尖轨进行监测，监测周期可通过上位机设置。系统发送的超声导波沿钢轨传播，遇到裂纹等缺陷将产生回波，因此回波信号包含了裂纹等缺陷信息，通过对回波信号进行时频分析，识别出裂纹并进行报警。报警信息通过网络上传至指定的监控中心。
三、系统硬件设计
（一）系统安全设计
轨边监测设备在室外工作，需充分考虑实际的恶劣工作环境，因此在轨边监测设备设计有电源防雷器、通道防雷和短路保护器。
（二）硬件模块功能
硬件结构主要由超声导波发射、信号接收调理、数据采集以及网络通讯等单元模块组成。
1.超声导波发射
超声导波发射主要由功率放大器和导波传感器组成，其中功率放大器的作用是放大MCU产生的脉冲激励信号，并驱动发射传感器工作。超声导波发射传感器是利用压电陶瓷的逆压电效应原理，将脉冲电信号转化为声波类型的物理信号，在钢轨内部进行传播；传感器采用具有特殊嵌入角的定制超声波传感器。
2.信号接收调理
回波信号接收调理主要由接收传感器和前置放大电路组成，接收传感器利用压电陶瓷的正压电效应原理，提取钢轨中的超声导波回波信号，由于接收到的导波信号属于小信号范畴，同时传感器距采集电路有一定距离，因此采用屏蔽线驱动技术进行放大；信号入口采取RFI电路处理，防止高频信号串入；信号入口设计防雷保护电路；前置放大采用高共模抑制比的仪表放大器AD8221，经预放大的信号通过滤波处理，提供给高速A/D采样芯片进行采用处理。
3.数据采集
数据采集主要完成回波信号的实时采集和模数转换，由于信号频率在30～100kHz范围，按照采样定理，采样率必须大于200kHz，为减小信号失真度，采样频率8倍于信号频率，A/D采样芯片选用AD7665AST，其采样频率高达800～1000KHz，±10V输入信号范围，单+5V电源供电。
4.网络通讯
实现轨边监测设备与数据管理中心的网络数据传输；接口设计有防雷电路进行保护，采用W5100实现网络接口；W5100是一种全硬件TCP/IP协议芯片，MCU可通过总线或SPI方式来控制该芯片，本设计采用SPI方式进行操作。
四、系统软件设计
高速道岔尖轨裂损超声导波检测系统基于MAPLAB开发环境对采集的信号进行时频分析，然后对信号分析处理模块程序进行单片机移植，在单片机系统中实现回波信号采集、去噪、时频分析以及裂损识别等功能。
（一）轨边监测设备软件设计
1.实时多任务设计
系统采用实时嵌入式操作系统，并分为：看门狗任务、采集任务、传输任务、处理任务。
看门狗任务负责监视所有其他任务执行情况，在规定时间内，所有任务应当被执行。如果有任务未得到执行，系统将复位。
采集任務负责正确对尖轨进行一次有效数据采集，包括导波发送、AD转换，数字滤波、干扰过滤等。
处理任务获取采集任务得到的数据，进行FFT、Hilbert变换，评估裂纹伤损。
传输任务负责将处理任务的结果上传上位机和处理上位机的命令。
2.数字信号处理
通过FIR数字滤波算法去除噪声，Hilbert变换提取包络信号，将每一个包络通过高斯函数进行回归，由于是非线性回归，采用粒子群优化算法和马夸特算法相结合方法。
（二）数据管理中心软件设计
数据管理中心服务器具有数据库管理、数据采集以及应用服务等功能，采用VS2010开发平台、SQLServer2008数据库平台进行软件设计 1.数据库管理模块
采用SQLServer数据库分类存储合法的波形、频谱、结果、状态、任务、工作日志等数据，以便数据监测站查询统计。
2.数据采集模块
数据管理中心服务器实时监听网络通讯端口的连接请求，根据连接特征与合法的监测设备建立TCP/IP通讯连接，并对连接队列进行管理，及时清理断开的连接和超时的连接。同时采用多线程对监测设备数据进行验证、分析、管理、显示等处理，并依据数据类别向监测设备发送应答数据，保证上下行数据的及时准确。
3.应用服务模块
服务器自动侦测任务生成与执行状态，第一时间把任务发送到监测设备，并及时更新任务执行状态。任务包括校时、查询、命令等类别，其中，自动校时任务由服务器自动生成，其他任务由数据监测站依据用户权限生成。
（三）数据监测站软件设计
数据监测站通过网络访问数据管理服务器，实现设备状态、报警信息显示以及数据的查询统计等功能。采用C/C++、C#语言进行开发。
五、系统安装和测试
（一）试验线路选择
该系统选择某编组场217号道岔进行现场测试，所选道岔属于编组场咽喉道岔，车流密度大，尖轨容易疲劳损伤大，潜在危险比较大。
（二）系统安装
导波传感器采用专用夹具固定在钢轨腰部，耦合部分采用环氧胶填充耦合，轨边控制箱安装于道岔旁，网线通过防护胶管连接到数据管理中心服务器机房。
（三）系统测试
测试的内容主要包括系统稳定性测试、工作环境温度变化对设备影响测试、轮轨噪声对设备影响测试以及线路作业对设备的影响测试，通过对上述测试项目的数据收集整理，进一步完善系统的各项功能，提供系统的检测精度和可靠性。
六、结束语
研究表明，超声导波技术可实现对尖轨裂损的检测，进一步完善安装方案和裂损判别模型，该系统可用于高速铁路道岔尖轨的裂损检测。工作人员不需到现场就能实时掌控尖轨裂纹伤损状态，使工务对轨道最薄弱区段有了实时监测设备，可以及时对伤损尖轨进行有效的处置、防止尖轨断轨，最大地保障了列车运行岔区的安全、极大地降低尖轨岔区发生事故的概率。
参考文献：
[1]何存富，刘增华.管道导波检测中传感器数量和频率特性研究[J].北京工业大学学报，30（4），2004，12：393-397.
[2]刘振清.超声无损检测中的导波技术[J].無损检测，1999，21（9）
[3] Silk MG， Bainton KF. The propagation in metal tubing of ultrasonic wave modes equivalent to Lamb waves [J]. Ultrasonics， 1979，17（1）：11-19
【关键词】 声学；高速道岔；裂纹伤损；超声导波
近年来，各种极热、极冷气候频发，温差变化大，钢轨容易产生微裂纹，影响其疲劳性能；我国铁路向客运高速化、货运重载化方向发展，轮轨滚动接触疲劳破坏变得越来越严重，上述因素缩短了钢轨从裂纹发展成断轨的时间，存在突发性断轨的潜在威胁。目前国内外广泛应用的是钢轨探伤车，存在探伤盲区，上道作业人员人身安全风险大，同时不能实现在线监测功能，因此研制尖轨裂损实时监测系统对保障铁路运输安全具有十分重要意义。本文以STM32F103ZE和AD7665为核心采集硬件，以VS2010开发平台、SQL Server 2008数据库平台进行软件设计，研发超声导波尖轨裂损监测系统，重点介绍该系统检测原理、结构组成、主要功能及实现方法。
一、超声导波裂损检测原理
超声导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次反射，并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。主要应用于压力容器、输油管道、水管裂纹检测、航空器壳体检测等方面。
如下图所示，黑线表示发射的超声导波在钢轨中的传播路径，蓝线表示遇到裂纹伤损时产生的回波路径，通过对回波的时频分析来检测裂纹伤损。
图1 超声导波裂损检测原理示意图
该方法采用机械波作为检测信号，对铁路既有设备没有任何影响；而既有设备对超声导波的影响在可控范围内，有办法解决。
二、系统结构组成
尖轨裂损监测系统由轨边监测设备、数据管理中心和数据监测站构成，通过在道岔尖轨安装一对超声导波传感器，周期性地对尖轨进行监测，监测周期可通过上位机设置。系统发送的超声导波沿钢轨传播，遇到裂纹等缺陷将产生回波，因此回波信号包含了裂纹等缺陷信息，通过对回波信号进行时频分析，识别出裂纹并进行报警。报警信息通过网络上传至指定的监控中心。
三、系统硬件设计
（一）系统安全设计
轨边监测设备在室外工作，需充分考虑实际的恶劣工作环境，因此在轨边监测设备设计有电源防雷器、通道防雷和短路保护器。
（二）硬件模块功能
硬件结构主要由超声导波发射、信号接收调理、数据采集以及网络通讯等单元模块组成。
1.超声导波发射
超声导波发射主要由功率放大器和导波传感器组成，其中功率放大器的作用是放大MCU产生的脉冲激励信号，并驱动发射传感器工作。超声导波发射传感器是利用压电陶瓷的逆压电效应原理，将脉冲电信号转化为声波类型的物理信号，在钢轨内部进行传播；传感器采用具有特殊嵌入角的定制超声波传感器。
2.信号接收调理
回波信号接收调理主要由接收传感器和前置放大电路组成，接收传感器利用压电陶瓷的正压电效应原理，提取钢轨中的超声导波回波信号，由于接收到的导波信号属于小信号范畴，同时传感器距采集电路有一定距离，因此采用屏蔽线驱动技术进行放大；信号入口采取RFI电路处理，防止高频信号串入；信号入口设计防雷保护电路；前置放大采用高共模抑制比的仪表放大器AD8221，经预放大的信号通过滤波处理，提供给高速A/D采样芯片进行采用处理。
3.数据采集
数据采集主要完成回波信号的实时采集和模数转换，由于信号频率在30～100kHz范围，按照采样定理，采样率必须大于200kHz，为减小信号失真度，采样频率8倍于信号频率，A/D采样芯片选用AD7665AST，其采样频率高达800～1000KHz，±10V输入信号范围，单+5V电源供电。
4.网络通讯
实现轨边监测设备与数据管理中心的网络数据传输；接口设计有防雷电路进行保护，采用W5100实现网络接口；W5100是一种全硬件TCP/IP协议芯片，MCU可通过总线或SPI方式来控制该芯片，本设计采用SPI方式进行操作。
四、系统软件设计
高速道岔尖轨裂损超声导波检测系统基于MAPLAB开发环境对采集的信号进行时频分析，然后对信号分析处理模块程序进行单片机移植，在单片机系统中实现回波信号采集、去噪、时频分析以及裂损识别等功能。
（一）轨边监测设备软件设计
1.实时多任务设计
系统采用实时嵌入式操作系统，并分为：看门狗任务、采集任务、传输任务、处理任务。
看门狗任务负责监视所有其他任务执行情况，在规定时间内，所有任务应当被执行。如果有任务未得到执行，系统将复位。
采集任務负责正确对尖轨进行一次有效数据采集，包括导波发送、AD转换，数字滤波、干扰过滤等。
处理任务获取采集任务得到的数据，进行FFT、Hilbert变换，评估裂纹伤损。
传输任务负责将处理任务的结果上传上位机和处理上位机的命令。
2.数字信号处理
通过FIR数字滤波算法去除噪声，Hilbert变换提取包络信号，将每一个包络通过高斯函数进行回归，由于是非线性回归，采用粒子群优化算法和马夸特算法相结合方法。
（二）数据管理中心软件设计
数据管理中心服务器具有数据库管理、数据采集以及应用服务等功能，采用VS2010开发平台、SQLServer2008数据库平台进行软件设计 1.数据库管理模块
采用SQLServer数据库分类存储合法的波形、频谱、结果、状态、任务、工作日志等数据，以便数据监测站查询统计。
2.数据采集模块
数据管理中心服务器实时监听网络通讯端口的连接请求，根据连接特征与合法的监测设备建立TCP/IP通讯连接，并对连接队列进行管理，及时清理断开的连接和超时的连接。同时采用多线程对监测设备数据进行验证、分析、管理、显示等处理，并依据数据类别向监测设备发送应答数据，保证上下行数据的及时准确。
3.应用服务模块
服务器自动侦测任务生成与执行状态，第一时间把任务发送到监测设备，并及时更新任务执行状态。任务包括校时、查询、命令等类别，其中，自动校时任务由服务器自动生成，其他任务由数据监测站依据用户权限生成。
（三）数据监测站软件设计
数据监测站通过网络访问数据管理服务器，实现设备状态、报警信息显示以及数据的查询统计等功能。采用C/C++、C#语言进行开发。
五、系统安装和测试
（一）试验线路选择
该系统选择某编组场217号道岔进行现场测试，所选道岔属于编组场咽喉道岔，车流密度大，尖轨容易疲劳损伤大，潜在危险比较大。
（二）系统安装
导波传感器采用专用夹具固定在钢轨腰部，耦合部分采用环氧胶填充耦合，轨边控制箱安装于道岔旁，网线通过防护胶管连接到数据管理中心服务器机房。
（三）系统测试
测试的内容主要包括系统稳定性测试、工作环境温度变化对设备影响测试、轮轨噪声对设备影响测试以及线路作业对设备的影响测试，通过对上述测试项目的数据收集整理，进一步完善系统的各项功能，提供系统的检测精度和可靠性。
六、结束语
研究表明，超声导波技术可实现对尖轨裂损的检测，进一步完善安装方案和裂损判别模型，该系统可用于高速铁路道岔尖轨的裂损检测。工作人员不需到现场就能实时掌控尖轨裂纹伤损状态，使工务对轨道最薄弱区段有了实时监测设备，可以及时对伤损尖轨进行有效的处置、防止尖轨断轨，最大地保障了列车运行岔区的安全、极大地降低尖轨岔区发生事故的概率。
参考文献：
[1]何存富，刘增华.管道导波检测中传感器数量和频率特性研究[J].北京工业大学学报，30（4），2004，12：393-397.
[2]刘振清.超声无损检测中的导波技术[J].無损检测，1999，21（9）
[3] Silk MG， Bainton KF. The propagation in metal tubing of ultrasonic wave modes equivalent to Lamb waves [J]. Ultrasonics， 1979，17（1）：11-19