基于電磁超聲的鋼軌探傷裝置

張 恒，汪開(kāi)燦，王淑娟

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 軍用電器研究所，哈爾濱 150001）

鋼軌長(zhǎng)期服役后會(huì)出現(xiàn)裂紋、擦傷、磨損甚至斷裂等多種損傷，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并進(jìn)行必要的維護(hù)、更換，損傷將逐漸擴(kuò)大，是鐵路運(yùn)輸中巨大的安全隱患［1］。

目前，國(guó)內(nèi)外主要采用壓電超聲技術(shù)對(duì)在役鋼軌進(jìn)行檢測(cè)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已有相應(yīng)的探傷裝置問(wèn)世［2］。然而壓電超聲依賴(lài)聲耦合劑，限制了探傷速度，還造成現(xiàn)有超聲裝置體積大、復(fù)雜程度高等相關(guān)問(wèn)題［3］。

近年來(lái)逐漸興起的電磁超聲檢測(cè)技術(shù)無(wú)需耦合劑，無(wú)需對(duì)試件表面進(jìn)行預(yù)處理，檢測(cè)速度快、效率高。通過(guò)改變探頭結(jié)構(gòu)和頻率，可以方便地激發(fā)出多種形式的超聲波［4］。因此，研制基于電磁超聲的鋼軌探傷裝置具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

英國(guó)華威大學(xué)的FAN等人開(kāi)發(fā)了透射式雙探頭低頻寬帶表面波電磁超聲系統(tǒng)，可檢測(cè)深度2mm的表面裂紋［5］。美國(guó)LEE等人利用有限元軟件ABAQUS仿真分析了不同頻率導(dǎo)波在鋼軌有無(wú)缺陷時(shí)的傳播情況，證實(shí)了低頻導(dǎo)波檢測(cè)軌頭橫向缺陷的可行性［6］。但其在鋼軌缺陷深度達(dá)到橫截面10%時(shí)，才能清楚地看到缺陷回波信號(hào)，檢測(cè)精度較低。2008年，在第十七屆世界無(wú)損檢測(cè)大會(huì)上，俄羅斯的VIGOR公司展示了由8個(gè)通道、10個(gè)電磁超聲探頭組成的鋼軌檢測(cè)設(shè)備UD－EMA－RWT－01M，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的在線(xiàn)檢測(cè)，但還沒(méi)有相關(guān)商品問(wèn)世［7］。

國(guó)內(nèi)對(duì)電磁超聲的相關(guān)研究起步較晚，但由于無(wú)需接觸等諸多優(yōu)點(diǎn)，電磁超聲越來(lái)越多地受到廣大無(wú)損檢測(cè)工作者的關(guān)注。哈爾濱工業(yè)大學(xué)軍用電器研究所設(shè)計(jì)了電磁超聲表面波鋼軌檢測(cè)裝置，采用透反結(jié)合方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌表面的快速檢測(cè)［8］。

筆者將以鋼軌在線(xiàn)探傷為工程背景，設(shè)計(jì)多通道電磁超聲鋼軌探傷裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的全面探傷。

1 多通道電磁超聲鋼軌探傷方法

電磁超聲換能器 （Electromagnetic Acoustic Transducer，簡(jiǎn)稱(chēng)EMAT）由發(fā)射接收線(xiàn)圈、磁鐵、試件三部分構(gòu)成，利用洛侖茲力機(jī)理或磁致伸縮機(jī)理在導(dǎo)體中激發(fā)和接收超聲波［9］。工作時(shí)，由發(fā)射電路在發(fā)射線(xiàn)圈中通以高頻交變電流，在試件內(nèi)會(huì)產(chǎn)生渦流；渦流在外界強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，引起試件質(zhì)點(diǎn)的周期性振動(dòng)和彈性形變，從而激發(fā)出超聲波。電磁超聲接收是發(fā)射的逆過(guò)程，使用不同的線(xiàn)圈、磁場(chǎng)、驅(qū)動(dòng)方式，可以激發(fā)出多種類(lèi)型的超聲波。

由于鋼軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺陷類(lèi)型繁多，僅使用單一探頭無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的全面探傷。為此，設(shè)計(jì)了4通道鋼軌探傷方法。探頭安裝在探傷裝置的支架上，布置方式如圖1所示。

圖1 鋼軌檢測(cè)探頭布置示意圖

在圖1中，參考TB／T 2340—2012《鋼軌超聲波探傷儀》標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了頻率1MHz的37°斜入射波探頭A，采用雙探頭工作于一發(fā)一收模式，用于檢測(cè)螺孔斜裂紋、軌底裂紋缺陷；設(shè)計(jì)了頻率2MHz的0°垂直入射體波探頭B，采用螺旋線(xiàn)圈，用于檢測(cè)鋼軌軌頭中部、軌腰、軌底的水平裂紋等缺陷。由于滾動(dòng)接觸疲勞產(chǎn)生的裂紋多發(fā)生在鋼軌軌頭，且分布在軌頭表面不同深度內(nèi)。所以裝置設(shè)計(jì)了頻率1.5MHz的表面波探頭C和頻率0.5MHz的表面波探頭D，采用線(xiàn)圈間距為波長(zhǎng)一半的等間距曲折線(xiàn)圈，用于檢測(cè)鋼軌近表面的踏面裂紋和相對(duì)較深的軌頭核傷等缺陷。

2 裝置總體方案設(shè)計(jì)

基于電磁超聲的鋼軌探傷裝置主要包括多通道電磁超聲發(fā)射接收電路和主控電路。其中，主控電路包括FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）及其外圍電路、DSP（數(shù)字信號(hào)處理）及其外圍電路以及基于A(yíng)RM的顯示及存儲(chǔ)電路。裝置的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 鋼軌探傷裝置總體結(jié)構(gòu)框圖

在圖2中，多通道電磁超聲發(fā)射接收電路負(fù)責(zé)多種超聲波信號(hào)的激發(fā)和接收，回波信號(hào)由FPGA及其外圍電路進(jìn)行采集，經(jīng)DSP進(jìn)行信號(hào)處理后，由ARM完成數(shù)據(jù)的顯示存儲(chǔ)和人機(jī)交互。

裝置整體機(jī)械裝配圖如圖3所示。整個(gè)裝置由主機(jī)箱和機(jī)械底座組成，無(wú)需攜帶水箱，體積較小。

圖3 鋼軌探傷裝置整體機(jī)械裝配圖

3 多通道電磁超聲發(fā)射接收電路設(shè)計(jì)

3.1 多通道發(fā)射電路設(shè)計(jì)

脈沖發(fā)射電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。由后級(jí)控制電路給出觸發(fā)信號(hào)，F(xiàn)PGA收到觸發(fā)信號(hào)后，輸出四路頻率可調(diào)、波頭數(shù)可調(diào)的互補(bǔ)脈沖對(duì)給驅(qū)動(dòng)電路。此外，F(xiàn)PGA還控制升壓電路使能，提供逆變所需的高壓。逆變后經(jīng)過(guò)阻抗匹配，在EMAT線(xiàn)圈中產(chǎn)生高頻交變電流，激發(fā)出所需的多種超聲波。

圖4 脈沖發(fā)射電路結(jié)構(gòu)框圖

3.2 升壓電路設(shè)計(jì)

電磁超聲換能器發(fā)射超聲波時(shí)，需要為逆變電路配備高壓電源，體積龐大［10］。筆者設(shè)計(jì)了640V的升壓電路，采用單端反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由變壓器T、二極管D、功率管Q、高壓電容C、控制電路和電壓檢測(cè)電路組成，其原理框圖如圖5所示。圖中的VCC是電源，R是電阻。

圖5 升壓電路原理框圖

在圖5中，電壓檢測(cè)電路與控制電路形成了一個(gè)閉環(huán)，當(dāng)升壓電壓小于設(shè)定值時(shí)，控制電路會(huì)以一定電流向電容C充電；當(dāng)檢測(cè)到電容電壓達(dá)到了設(shè)定值之后，則控制停止繼續(xù)充電。圖6為充電時(shí)電容C中電壓的實(shí)測(cè)波形，6s內(nèi)便可將電壓升至640V。

圖6 升壓電路工作中電容充電波形

3.3 多通道接收電路設(shè)計(jì)

EMAT換能器回波信號(hào)微弱，對(duì)周?chē)h(huán)境噪聲敏感，信號(hào)常常淹沒(méi)在噪聲之中。裝置的接收電路采用四級(jí)放大電路結(jié)合高通濾波電路以及選頻網(wǎng)絡(luò)，將接收信號(hào)從復(fù)雜的噪聲背景中提取出來(lái)。接收電路主要由接收探頭、濾波電路、放大電路以及選頻網(wǎng)絡(luò)幾個(gè)部分組成。

4 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。FPGA和AD9222組成數(shù)據(jù)采集電路，將多路的電磁超聲回波信號(hào)采集并存儲(chǔ)到FPGA內(nèi)部FIFO中；采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)DSP的外部總線(xiàn)傳到DSP中，DSP選用TI公司的TMS320C6713，負(fù)責(zé)超聲回波的數(shù)據(jù)處理；處理結(jié)果通過(guò)DSP總線(xiàn)傳到雙口RAM中暫存；ARM負(fù)責(zé)將雙口RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和人機(jī)交互，其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路采用U盤(pán)存儲(chǔ)方式。

圖7 主控電路結(jié)構(gòu)框圖

5 電磁超聲信號(hào)處理方法

經(jīng)FPGA數(shù)據(jù)采集電路采集到的電磁超聲回波信號(hào)中仍然夾雜著多種噪聲，所以，該裝置設(shè)計(jì)了自相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的提取。自相關(guān)算法是利用外界干擾波動(dòng)的隨機(jī)性與超聲信號(hào)的周期性來(lái)對(duì)缺陷回波信號(hào)進(jìn)行提取，需要對(duì)波形進(jìn)行重復(fù)采集。檢測(cè)原理如圖8所示。

圖8 自相關(guān)算法原理圖

在圖8中，vi1、vi2是不同檢測(cè)周期下的EMAT接收信號(hào)。兩組信號(hào)先經(jīng)過(guò)帶通濾波器處理，再進(jìn)入乘法器，乘法運(yùn)算后通過(guò)低通濾波器即可將缺陷回波信號(hào)v0提取出來(lái)。

IIR橢圓型數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快、過(guò)渡帶窄［11］，所以選其作為自相關(guān)算法中的基本濾波單元。

利用MATLAB軟件工具箱中的FDATool（Filter Design and Analysis Tool）可方便地進(jìn)行濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)。以500kHz電磁超聲表面波為例，選用4階IIR橢圓型帶通濾波器，采樣頻率為4MHz，上限截止頻率設(shè)為400kHz，下限截止頻率設(shè)為600kHz，設(shè)計(jì)出的帶通濾波器的幅頻特性曲線(xiàn)如圖9所示?？梢钥闯?，該濾波器選頻特性好，對(duì)截止頻率以外的信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制作用。

圖9 帶通濾波器幅頻特性曲線(xiàn)

6 試驗(yàn)方法和結(jié)果

為了說(shuō)明裝置的有效性，在加工有人工缺陷的鋼軌試塊和軌頭具有核傷的實(shí)際鋼軌上進(jìn)行探傷試驗(yàn)。鋼軌缺陷示意圖如圖10所示。

圖10 鋼軌中缺陷示意圖

利用電壓探頭分別測(cè)量加載到各發(fā)射線(xiàn)圈上的電壓信號(hào)，加載到探頭A上的電壓信號(hào)如圖11所示，電壓峰峰值達(dá)到2400V。

圖11 A通道發(fā)射信號(hào)

加載到探頭B上的電壓峰峰值達(dá)到1600V；加載到探頭C上的電壓峰峰值可達(dá)1400V；加載探頭D上的電壓峰峰值達(dá)1500V。

采用自相關(guān)算法對(duì)四通道回波信號(hào)進(jìn)行處理，如圖12所示為A通道接收信號(hào)波形及自相關(guān)算法處理后的波形?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)自相關(guān)算法處理后，噪聲得到了極大抑制，施加一定的閾值就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的判別。

裝置整機(jī)聯(lián)調(diào)實(shí)物圖如圖13所示。

圖12 A通道接收信號(hào)及自相關(guān)算法處理后信號(hào)

圖13 裝置整機(jī)聯(lián)調(diào)實(shí)物圖

各探頭在鋼軌上探傷的檢測(cè)照片和波形如圖14所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可以對(duì)鋼軌軌底裂紋、螺孔水平裂紋、踏面裂紋、軌頭核傷等多種缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)鋼軌全面探傷功能。

7 結(jié)論

研制了基于電磁超聲的鋼軌探傷裝置，提出多通道電磁超聲鋼軌探傷方案；設(shè)計(jì)了大功率發(fā)射和低噪聲接收電路；設(shè)計(jì)的主控電路能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行采集、處理、顯示和存儲(chǔ)；提出了自相關(guān)信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)了回波信號(hào)的提取。試驗(yàn)表明該裝置可以對(duì)軌腰、軌底、軌頭、踏面進(jìn)行探傷，且對(duì)于列車(chē)行車(chē)安全具有重要意義，應(yīng)用前景廣闊。

圖14 裝置各探頭鋼軌探傷的照片及波形圖

［1］李斌，張智，任新建.在役鋼軌常見(jiàn)傷損形式綜述［J］.包鋼科技.2004，30（3）：52－54.

［2］Clark R.Rail flaw detection：overview and needs for future developments［J］.NDT＆E International，2004，37：111－118.

［3］EDWARDS R S，DIXON S，JIAN X.Depth gauging of defects using low frequency wideband rayleigh waves［J］.Ultrasonics，2006，44（1）：93－98.

［4］王雪梅，倪文波，王平.高速鐵路軌道無(wú)損探傷技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2013，35（2）：10－17.

［5］FAN Y，DIXON S，EDWARDS R，et al.Ultrasonic surface wave propagation and interaction with surface defects on rail track head［J］.NDT＆E International，2007，40：471－477.

［6］LEE C M，ROSE J L，CHO Y.A guided wave approach to defect detection under shelling in rail［J］.NDT＆E International，2009，42：174－180.

［7］GORDELY V I，Gordely A V.Development of instruments for NDT of rail－tracks with use of contactless electromagnetic acoustic emission transducers（EMATs）［C］／／17th［8］World Conference on Nondestructive Testing.Shanghai，China：ELSEVIER SCIENCE SA，2008：255－262.

［8］邱玉，許霽，汪開(kāi)燦，等.基于電磁超聲表面波的鋼軌在線(xiàn)探傷裝置［J］.無(wú)損檢測(cè)，2013，35（5）：43－46.

［9］王淑娟，康磊，趙再新，等.電磁超聲換能器的研究進(jìn)展綜述［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006（5）：46－50.

［10］汪開(kāi)燦.基于電磁超聲的鋼軌缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010：1－40.

［11］郝小江，唐宇.IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及DSP實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008，21（9）：91－92.