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【摘 要】文章主要介绍一种在钢轨焊缝中应用的超声波探伤系统，并针对超声波探伤系统的整体结构展开详细分析，提出钢轨焊缝超声波探伤系统的具体设计，旨在为铁路列车的稳定运行提供保障。
【关键词】钢轨焊缝;超声波探伤;系统设计分析
【中图分类号】TG441.7 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）12-0046-02
无缝铁路线路的接头较少，不仅节省了接头零件的应用成本，还降低了铁路线路的维修量，同时列车在行驶过程中驶过接缝地点造成的震动与噪音较少，保证了列车的应用年限。但在对钢轨进行焊接时，受设备、工艺等多种因素的影响，导致在焊缝中形成裂纹、灰斑及过烧等问题，这些问题既会降低焊缝的实际调度，还会增加断轨事故的发生概率，因此有必要针对钢轨焊缝展开定期检查，从而为列车的安全运行提供保障。
1 钢轨焊缝超声波探伤系统的结构分析
超声波探伤系统的主要结构是由两个部分组成，分别是扫查系统与探伤系统。
1.1 扫查系统的详细分析
扫查系统主要包括控制器、探头组、编码器、传动机构及分配器。其中，控制器包括编码器、点击、开关、电池及控制板，电池主要是为控制器供应电力，传动机构和电机之间处于连接关系，驱动传动机构运动，当传动机构启动之后，就会带动探头组一起工作，编码器也与电机相连接，由齿轮带动转动。与此同时，开关与控制板、电机相互连接;探头组通常由8个探头组成，其中有6个为双探头，2个为单探头，在运行过程中会在轨头、轨尾及轨腰针处对轨道焊缝展开全面扫查。当双探头进行扫查时，会按照串列形式对两侧及轨底展开扫查，当单探头进行扫查时，会在斜面对轨底脚的上部与下部展开扫查;编码器通常在传动机构中，可以随时得到传动机构在运行过程中的位置与数据，并将其传输到超声波电路板中;探头组的安装位置也在传动机构之中，可以随时形成超声波信号，再由信号线传输到超声波电路板中;探头组在运转过程中会产生相应位置的超声波信号，超声波电路板会把所有传输信号进行整合，再由传输超声波信号的总线将整合后的信息传输到上位机的屏幕中[1]。
1.2 探伤系统的详细分析
在超声波的探伤仪中，探伤系统属于关键系统，在硬件方面的整体结构为嵌入形式的主机与超声波电路板，信号传输的总线为USB。主机应用功耗较低的X86主板，再结合内存条、显示器、键盘等，组成嵌入式系统，当作探伤系统中的上位机。主机中的操作系统为Windows，超声波的电路板为八通道的电路板，自身具有发射、接收超声波，以及对信号进行收集、处理、控制管理和联络USB总线等多种功能，而在主机与电路板之间由USB连接，并实现相关指令与信息数据的传输。
探伤系统中上位机的主要作用是对系统展开控制、操作探伤、判断问题、制作图形、处理数据等，而对信息数据的收集、处理、控制等比较繁琐的程序都是超声波电路板完成，从而能有效提升探伤系统的工作效率[2]。
当连接探伤系统的电源后，操作人员可以通过程序明确系统的工作状态，并下达相关指令，由USB传输到电路板中，FPGA会形成相应的触发信号，信号被MOS管接收后会驱动开关，与电容和电阻之间形成的信号相互配合，就能驱动晶片形成超声波信号。当信号在轨道焊缝中遭遇问题时，就会立即形成反射信号并传给探头，再通过晶片将反射信号变成电信号经过USB直接显示到上位机的屏幕中。
2 钢轨焊缝超声波探伤系统的具体设计
钢轨焊缝超声波探伤系统在运行的过程中，需要处理的任务非常多，同时系统对实时性的要求不断提高，因此在设计超声波探伤系统时，需要充分使用多线程技术[3]。设计过程中，所使用的多线程主要可以分为4个线程，其中主线程需要负责的应用程序为登录界面与数据收集，其他3个辅助线程需要负责的部分如下：{1}图形处理线程。该线程的主要作用是将读取到的实际探伤参数通过A扫图与B扫图的形式显示在系统中。{2}键盘读写线程。该线程的主要作用是通过读取键盘中被按下的按键值，然后通过向主窗口发送按键消息的方式，对其进行过程函数处理。{3}参数设置线程。该线程的主要作用是接收上位机的控制指令，然后对超声波电路板进行设置。
2.1 登录界面的设计
在设计登录界面的过程中，需要设计出完善的用户管理功能，以便满足用户数据传输的安全运行要求及便于数据传输过程的管理。同时，在设计登录模块的过程中，需要为每位用户设置用户名与密码，确保系统安全运行。此外，管理员用户可以针对系统的实际情况完成对用户的增加与删除。
2.2 性能测试的设计
钢轨焊缝超声波探伤系统性能与缺陷定位、定量的准确性直接相关，因此在设计钢轨焊缝超声波探伤系统的过程中，需要针对系统的性能进行测试，具体的测试项目包括水平线性、垂直线性、灵敏度余量、动态范围等，同时需要记录测试的结果，并针对测试结果对系统进行调试与调整[4]。
2.3 参数设置的设计
为了可以更加精准地检测焊缝中存在的缺陷，需要在设计的过程中对超声波参数进行科学合理的设置，通过使用USB芯片下行至FPGA，FPGA读取信息后会对超声波电路板进行控制设置。通道参数设置项目主要包括重复频率、脉冲宽度、发射电压、降噪次数、检波方式、滤波频带及波门A与波门B的位置、宽度、高度等。在设计的过程中，需要结合性能测试结果对参数进行调整，并针对调整后的参数做进一步的测试，确保参数设置的效果与质量。
2.4 探伤功能的设计
在设计钢轨焊缝超声波探伤系统的过程中，需要对系统进行初始化，初始化系统后，上位机会发出开始检测的指令，并向扫查系统传输扫查指令，这时探头组开始移动，并对钢轨焊缝进行扫描，而超声电路板将由探头组获取的实时超声波数据传输至上位机，并对其进行成像处理，然后根据实时显示的A扫波形与B扫波形的实际情况生成图谱，这时需要针对图谱判断钢轨焊缝是否存在超出规定的情况。当超出规定时，系统会及时向报警器发出信号，报警器发出警报。当探头组到达至设定的终点位置时，用户需要向上位机发出检测结束的指令，这时上位机会将检测到的数据储存至相应的储存器中。在对钢轨焊缝进行探伤的过程中，无法通过简单的两个波形对钢轨焊缝的实际情况进行分析，这时就需要运用门内展宽功能对波形进行放大之后再完成分析与判断。此外，当超声波在钢轨中传播时，超声波的能量会随着传播距离的延长而不断减少，同时尺寸相同的反射回波高度也会随着探头距离的增加而不断下降。因此，在对钢轨焊缝进行判断的过程中，不能用观察回波幅度的方式判断缺陷尺寸的大小。为了可以更好地分析钢轨焊缝内的实际情况，就需要消除超声波在钢轨焊缝中传输深度因素的影响。如果要确保返回的实际信号与焊缝结构之间存在关联，就需要对回波信号进行不同深度的增益补偿[5]。
2.5 数据处理的设计
在钢轨焊缝超声波探伤系统设计的过程中，需要针对后期的数据处理工作开展严谨的设计。同时，在设计数据处理模块的过程中，需要确保其具备以下几项功能：{1}文件管理功能。该项功能的主要作用是当超声波检测数据生成为文件时，对文件进行安全的储存、调阅、拷贝、分析、打印等。{2}数据分析功能。该项功能的主要作用是针对超声波检测的数据进行全面的分析与研究，同时针对检测回来的数据参数进行处理，将处理后的数据参数传输至数据储存库，交由文件管理功能对其数据进行保管。
3 结语
综上所述，钢轨焊缝超声波探伤系统中有发射和接受超声波的相关模块，还有对数字信号进行处理与逻辑控制的相关模块。充分利用USB技术能够使超声波探伤系统中的电路板在第一时间和上位机之间展开通信，而且处理数字信号模块所具备的编程性与较为丰富的接口资源，能够有效提升系统对信息数据的处理能力。此外，系统还具有操作界面简洁、操作方便、可靠性强、效率及精准度较高等特点。
参 考 文 献
[1]周翔，宋伟.钢轨焊缝超声波探伤系统设计与实现[J].四川冶金，2019，41（1）：39-43.
[2]李金川.超声波技术在高铁钢轨焊缝探伤中的应用[J].設备管理与维修，2019，439（1）：149-151.
[3]罗小华，张浩，周芃.钢轨焊接接头精密整形工艺及方法[J].中国机械工程，2019，30（3）：77-81.
[4]苏雨露.超声无损检测技术在金属材料焊接的应用研究[J].建筑与预算，2018（2）：33-35.
[5]黄磊，张鸿博，曹孟瑜，等.X80钢级φ1 422 mm埋弧焊管焊缝自动超声检测对比试块合理性分析[J].焊管，2018，41（4）：56-62.
【关键词】钢轨焊缝;超声波探伤;系统设计分析
【中图分类号】TG441.7 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）12-0046-02
无缝铁路线路的接头较少，不仅节省了接头零件的应用成本，还降低了铁路线路的维修量，同时列车在行驶过程中驶过接缝地点造成的震动与噪音较少，保证了列车的应用年限。但在对钢轨进行焊接时，受设备、工艺等多种因素的影响，导致在焊缝中形成裂纹、灰斑及过烧等问题，这些问题既会降低焊缝的实际调度，还会增加断轨事故的发生概率，因此有必要针对钢轨焊缝展开定期检查，从而为列车的安全运行提供保障。
1 钢轨焊缝超声波探伤系统的结构分析
超声波探伤系统的主要结构是由两个部分组成，分别是扫查系统与探伤系统。
1.1 扫查系统的详细分析
扫查系统主要包括控制器、探头组、编码器、传动机构及分配器。其中，控制器包括编码器、点击、开关、电池及控制板，电池主要是为控制器供应电力，传动机构和电机之间处于连接关系，驱动传动机构运动，当传动机构启动之后，就会带动探头组一起工作，编码器也与电机相连接，由齿轮带动转动。与此同时，开关与控制板、电机相互连接;探头组通常由8个探头组成，其中有6个为双探头，2个为单探头，在运行过程中会在轨头、轨尾及轨腰针处对轨道焊缝展开全面扫查。当双探头进行扫查时，会按照串列形式对两侧及轨底展开扫查，当单探头进行扫查时，会在斜面对轨底脚的上部与下部展开扫查;编码器通常在传动机构中，可以随时得到传动机构在运行过程中的位置与数据，并将其传输到超声波电路板中;探头组的安装位置也在传动机构之中，可以随时形成超声波信号，再由信号线传输到超声波电路板中;探头组在运转过程中会产生相应位置的超声波信号，超声波电路板会把所有传输信号进行整合，再由传输超声波信号的总线将整合后的信息传输到上位机的屏幕中[1]。
1.2 探伤系统的详细分析
在超声波的探伤仪中，探伤系统属于关键系统，在硬件方面的整体结构为嵌入形式的主机与超声波电路板，信号传输的总线为USB。主机应用功耗较低的X86主板，再结合内存条、显示器、键盘等，组成嵌入式系统，当作探伤系统中的上位机。主机中的操作系统为Windows，超声波的电路板为八通道的电路板，自身具有发射、接收超声波，以及对信号进行收集、处理、控制管理和联络USB总线等多种功能，而在主机与电路板之间由USB连接，并实现相关指令与信息数据的传输。
探伤系统中上位机的主要作用是对系统展开控制、操作探伤、判断问题、制作图形、处理数据等，而对信息数据的收集、处理、控制等比较繁琐的程序都是超声波电路板完成，从而能有效提升探伤系统的工作效率[2]。
当连接探伤系统的电源后，操作人员可以通过程序明确系统的工作状态，并下达相关指令，由USB传输到电路板中，FPGA会形成相应的触发信号，信号被MOS管接收后会驱动开关，与电容和电阻之间形成的信号相互配合，就能驱动晶片形成超声波信号。当信号在轨道焊缝中遭遇问题时，就会立即形成反射信号并传给探头，再通过晶片将反射信号变成电信号经过USB直接显示到上位机的屏幕中。
2 钢轨焊缝超声波探伤系统的具体设计
钢轨焊缝超声波探伤系统在运行的过程中，需要处理的任务非常多，同时系统对实时性的要求不断提高，因此在设计超声波探伤系统时，需要充分使用多线程技术[3]。设计过程中，所使用的多线程主要可以分为4个线程，其中主线程需要负责的应用程序为登录界面与数据收集，其他3个辅助线程需要负责的部分如下：{1}图形处理线程。该线程的主要作用是将读取到的实际探伤参数通过A扫图与B扫图的形式显示在系统中。{2}键盘读写线程。该线程的主要作用是通过读取键盘中被按下的按键值，然后通过向主窗口发送按键消息的方式，对其进行过程函数处理。{3}参数设置线程。该线程的主要作用是接收上位机的控制指令，然后对超声波电路板进行设置。
2.1 登录界面的设计
在设计登录界面的过程中，需要设计出完善的用户管理功能，以便满足用户数据传输的安全运行要求及便于数据传输过程的管理。同时，在设计登录模块的过程中，需要为每位用户设置用户名与密码，确保系统安全运行。此外，管理员用户可以针对系统的实际情况完成对用户的增加与删除。
2.2 性能测试的设计
钢轨焊缝超声波探伤系统性能与缺陷定位、定量的准确性直接相关，因此在设计钢轨焊缝超声波探伤系统的过程中，需要针对系统的性能进行测试，具体的测试项目包括水平线性、垂直线性、灵敏度余量、动态范围等，同时需要记录测试的结果，并针对测试结果对系统进行调试与调整[4]。
2.3 参数设置的设计
为了可以更加精准地检测焊缝中存在的缺陷，需要在设计的过程中对超声波参数进行科学合理的设置，通过使用USB芯片下行至FPGA，FPGA读取信息后会对超声波电路板进行控制设置。通道参数设置项目主要包括重复频率、脉冲宽度、发射电压、降噪次数、检波方式、滤波频带及波门A与波门B的位置、宽度、高度等。在设计的过程中，需要结合性能测试结果对参数进行调整，并针对调整后的参数做进一步的测试，确保参数设置的效果与质量。
2.4 探伤功能的设计
在设计钢轨焊缝超声波探伤系统的过程中，需要对系统进行初始化，初始化系统后，上位机会发出开始检测的指令，并向扫查系统传输扫查指令，这时探头组开始移动，并对钢轨焊缝进行扫描，而超声电路板将由探头组获取的实时超声波数据传输至上位机，并对其进行成像处理，然后根据实时显示的A扫波形与B扫波形的实际情况生成图谱，这时需要针对图谱判断钢轨焊缝是否存在超出规定的情况。当超出规定时，系统会及时向报警器发出信号，报警器发出警报。当探头组到达至设定的终点位置时，用户需要向上位机发出检测结束的指令，这时上位机会将检测到的数据储存至相应的储存器中。在对钢轨焊缝进行探伤的过程中，无法通过简单的两个波形对钢轨焊缝的实际情况进行分析，这时就需要运用门内展宽功能对波形进行放大之后再完成分析与判断。此外，当超声波在钢轨中传播时，超声波的能量会随着传播距离的延长而不断减少，同时尺寸相同的反射回波高度也会随着探头距离的增加而不断下降。因此，在对钢轨焊缝进行判断的过程中，不能用观察回波幅度的方式判断缺陷尺寸的大小。为了可以更好地分析钢轨焊缝内的实际情况，就需要消除超声波在钢轨焊缝中传输深度因素的影响。如果要确保返回的实际信号与焊缝结构之间存在关联，就需要对回波信号进行不同深度的增益补偿[5]。
2.5 数据处理的设计
在钢轨焊缝超声波探伤系统设计的过程中，需要针对后期的数据处理工作开展严谨的设计。同时，在设计数据处理模块的过程中，需要确保其具备以下几项功能：{1}文件管理功能。该项功能的主要作用是当超声波检测数据生成为文件时，对文件进行安全的储存、调阅、拷贝、分析、打印等。{2}数据分析功能。该项功能的主要作用是针对超声波检测的数据进行全面的分析与研究，同时针对检测回来的数据参数进行处理，将处理后的数据参数传输至数据储存库，交由文件管理功能对其数据进行保管。
3 结语
综上所述，钢轨焊缝超声波探伤系统中有发射和接受超声波的相关模块，还有对数字信号进行处理与逻辑控制的相关模块。充分利用USB技术能够使超声波探伤系统中的电路板在第一时间和上位机之间展开通信，而且处理数字信号模块所具备的编程性与较为丰富的接口资源，能够有效提升系统对信息数据的处理能力。此外，系统还具有操作界面简洁、操作方便、可靠性强、效率及精准度较高等特点。
参 考 文 献
[1]周翔，宋伟.钢轨焊缝超声波探伤系统设计与实现[J].四川冶金，2019，41（1）：39-43.
[2]李金川.超声波技术在高铁钢轨焊缝探伤中的应用[J].設备管理与维修，2019，439（1）：149-151.
[3]罗小华，张浩，周芃.钢轨焊接接头精密整形工艺及方法[J].中国机械工程，2019，30（3）：77-81.
[4]苏雨露.超声无损检测技术在金属材料焊接的应用研究[J].建筑与预算，2018（2）：33-35.
[5]黄磊，张鸿博，曹孟瑜，等.X80钢级φ1 422 mm埋弧焊管焊缝自动超声检测对比试块合理性分析[J].焊管，2018，41（4）：56-62.