一种触发式采集模式的直流漏磁检测系统及其方法与流程

本发明属于铁路钢轨缺陷动态测试与检测技术领域，涉及一种触发式采集模式的直流漏磁检测系统及其方法。

背景技术：

随着高速和重载铁路的大发展，在线服役钢轨受到挤压和冲压程度变大，发生损伤的概率也有所提高。高速铁路钢轨的损伤主要由列车轮对与钢轨接触疲劳所导致，而重载铁路钢轨损伤主要源于钢轨的塑性变形和磨损，这给列车行车安全带来巨大威胁和严峻挑战。目前，国内外铁路钢轨检测主要采用基于常规超声波检测技术和涡流检测技术的大型高速探伤车和低速手推式探伤车相结合的方式，其中常规超声检测技术是主要采用轮式探头与钢轨接触，最高巡检速度可达80km/h,能检测钢轨内部缺陷，需要耦合剂，检测效果受钢轨表面几何形状、粗糙度和清洁度的影响，当钢轨表面不平整时，检测过程中容易扎轮，会影响检测结果。针对钢轨缺陷检测的超声检测技术存在表面和近表面检测盲区。涡流检测技术主要优点有不需要耦合剂，适应恶劣环境，高速条件下铁磁性材料缺陷检测，然而，该检测技术受干扰因素较多，难以判断缺陷的大小、形状和种类，同时需要特殊的信号处理技术去处理输出信号，不适于钢轨伤损缺陷的高速、直观检测。

直流漏磁检测技术因其传感器结构简单、检测灵敏度高、能实现非接触式检测，现被广泛用于结构件缺陷的无损检测与评估。结合钢轨等铁磁材料的电磁特性，以及钢轨顶表面裂纹检测要求，漏磁检测技术适合用于钢轨顶表面裂纹高速检测。直流漏磁检测技术的磁化场穿透力强。除了能检测铁磁性材料表面开口缺陷之外，还能较明显地检测出铁磁性材料内部的缺陷,其检测深度可达到距离材料表面7毫米处。

中国专利申请(申请公开号：104764799.A)公开了“一种交流和直流漏磁技术相结合的检测系统及其方法”,提出用直流漏磁和交流漏磁检测技术相结合的方法去克服直流或交流的单一漏磁检测方法不能覆盖全部速度范围的问题。但该申请存在以下缺陷:1.该申请在直流检测系统中，采集卡采用连续模式，在这种模式下，由于采集卡以轮询方式进行采集工作，其相邻两次轮询之间存在一定间隔，所以存在丢失数据的问题，而且所得到的检测数据包里存在许多与缺陷无关的数据，导致数据包很大不利于处理。2.检测系统不能对缺陷进行定位.3.无探头与钢轨距离的监测功能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种触发式采集模式的直流漏磁检测系统及其方法，能够实现探伤车在不同巡检速度条件下对铁路钢轨表面缺陷的漏磁检测，不易丢失数据；可以对铁路钢轨巡检里程进行采集，并与相应铁路段的漏磁检测数据对应起来，对缺陷进行有效定位；能够实现对传感器阵列与被测钢轨表面之间的提离值测量。

为了解决上述现有技术的问题，本发明采用如下技术方案：

本发明的一种触发式采集模式的直流漏磁检测系统，包括工控机、采集卡、滤波电路、放大电路、传感器阵列磁化器、直流激励源；

所述的传感器阵列，包括48路霍尔传感器，分别在每条钢轨的径向巡检BX方向、钢轨横向BY方向、垂直于钢轨表面BZ方向各设置16路；

所述的磁化器加装在所述的传感器阵列正上方，用于提供激磁信号；

所述的直流激励源给磁化器添加激励源，产生磁化场，对被测铁磁性工件进行磁化，当被测铁磁性工件表面有缺陷时，产出漏磁场，利用传感器阵列可以获取到48路漏磁信号并转换为48路检测电压信号；

其特征在于：

所述系统还包括：

触发电路，串接在所述的采集卡和滤波电路之间；所述的触发电路利用窗口比较器原理，对所述的48路检测电压信号进行阈值判断处理；所述的触发电路的阈值通过一个单片机控制数字电位器进行设置；

隔直电路，串接在所述的放大电路和传感器阵列之间，用于对所述的48路检测电压信号进行去除信号中直流分量处理；

位移传感器，与所述的直流激励源的输出端串联，用于测量传感器阵列与被测钢轨表面之间的提离值；

里程编码器，所述的单片机读取里程编码器的输出，从而获取被测铁路钢轨的巡检里程；

所述的采集卡设置为触发式采集模式，其触发信号由所述的触发电路提供；

所述的传感器阵列、隔直电路、放大电路、滤波电路、触发电路、采集卡、工控机依次串行连接，位移传感器、里程编码器、触发电路依次串行连接。

进一步的，所述的隔直电路采用交流耦合的方式，对所述的48路检测电压信号进行去除信号中直流分量处理。

进一步的，所述的直流激励源由蓄电池提供，电压幅值为48V。

进一步的，所述的位移传感器采用BZF-Ⅱ型电涡流式位移传感器。

本发明的一种触发式采集模式的直流漏磁检测方法，其特征在于：当所述的48路检测电压信号中所有信号的电压幅值在设定的阈值范围之内时，所述的触发电路不产生触发信号，因此所述的采集卡不会进行检测电压信号采集；当所述的48路检测电压信号中至少一路信号的电压幅值在设定的阈值范围之外时，触发电路产生触发信号，采集卡则开始进行检测电压信号采集；然后，所述的工控机对采集卡采集到的检测信号进行分析处理，提取出缺陷的特征。

本发明方法在所述的检测信号分析处理时，采用小波去噪和高通滤波器信号处理相结合的技术；处理后的检测信号数据进行多通道漏磁成像显示。

本发明方法采用异步TCP通信的网络二进制流传输的方式，对所述的检测数据进行网络间传输。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明采用触发式采集模式，可以有效地检测出钢轨表面裂纹缺陷，保证检测信号数据的完整性，还能对巡检数据实时稳定的处理、显示、存储和网络传输，提高工控机利用率；分析车体振动干扰信号的频率特征，采用小波去噪和高通滤波相结合的数据处理方法，能有效地滤除漏磁检测信号中车体振动干扰信号，有助于铁路钢轨伤损缺陷分析和识别，并对处理后的检测信号数据进行多通道漏磁成像显示，可以快速、直观地反映钢轨表面裂纹的分布和特征；本发明设置有触发电路，为采集卡配置为触发式采集模式提供硬件条件。

2.本发明融合了直流漏磁检测技术的优势，隔直电路可以去掉了检测信号中直流分量，可以将所有通道的检测信号基准线拉回零位置，不影响信号幅值合理的波动，有助于巡检结果的判断与分析。

3.本发明采用电涡流式位移传感器测量传感器阵列与被测钢轨表面之间的提离值，保证设计探伤车巡检安全；由于直流漏磁检测中探头与钢轨的距离对检测结果的影响很大，因此选用电涡流传感器监测探头与钢轨的距离。

4.针对现有技术的检测系统中没有对缺陷的定位功能，本发明设置了里程编码器，用单片机读取里程编码器脉冲数，从而记录行车里程。

5.本发明采用异步TCP通信的网络二进制流传输，提高了原始检测数据的传输速率。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的系统结构框图。其中，1为工控机，2为采集卡，3为触发电路，4滤波电路，5为放大电路，6为隔直电路，7为传感器阵列，8为磁化器，9为直流激励源，10为位移传感器，11为里程编码器。

图2是本发明的一个实施例的传感器阵列示意图。其中，图2a是传感器板子俯视图，图2b是检测方向示意图。

图3是本发明的一个实施例的隔直电路的单路原理图。

图4是本发明的一个实施例的触发电路的单路原理图，图4a是触发电路原理示意图，图4b是触发信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为本发明的一个实施例的系统结构框图。本发明的实施例的系统，包括工控机1、采集卡2、滤波电路4、放大电路5、传感器阵列7、磁化器8、直流激励源9。

图2是本发明的一个实施例的传感器阵列示意图。如图2所示，每条钢轨设置有48路霍尔传感器，分为BX方向(钢轨径向，即巡检方向)、BY方向(钢轨横向)、BZ方向(垂直于钢轨表面)各16路霍尔传感器，长度为70mm，可以实现钢轨整个横向的覆盖检测。接口为50芯，即48路信号线和两路地信号线。

所述的磁化器8加装在所述的传感器阵列7正上方，用于提供激磁信号。

所述的直流激励源9给磁化器8添加激励源，产生磁化场，对被测铁磁性工件如钢轨进行磁化，当被测铁磁性工件表面有缺陷时，产出漏磁场，利用传感器阵列7可以获取到48路漏磁信号并转换为48路检测电压信号。所述的直流激励源9由蓄电池提供，电压幅值为48V。

所述系统还包括：触发电路3、隔直电路6、位移传感器10、里程编码器11。

所述的触发电路3，串接在所述的采集卡2和滤波电路4之间；所述的触发电路3利用窗口比较器原理，对所述的48路检测电压信号进行阈值判断处理；所述的触发电路3的阈值通过一个单片机控制数字电位器进行设置。

图4是本发明的一个实施例的触发电路的单路原理图。如图4所示，当U_In在U_A与U_B之间(U_A>U_B)时，U_{Out_trg}输出为高电平U_OH，当U_I在U_A与U_B之外(U_A>U_B)时，U_{Out_trg}输出为低电平U_OL。U_I为48路霍尔传感阵列的其中一路输出信号，阈值电压U_A与U_B是可控电压，可通过STM32控制数字电位器调节，满足不同检测环境下的阈值电压的调整。U_{Out_samp}与采集卡AI_CH引脚相连，采集卡可以对AI_CH引脚的信号进行采集。该电路使用窗口比较器芯片LM393实现，阈值电压通过数字电位器AD7376编程控制。

阈值公式：其中，V为阈值，范围为0～5v，D为可编程电位器接收到的字节命令。阈值的设定过程为：上位机和单片机通过RS232接口通信，调整时上位机把帧命令向下发给单片机，单片机接收到完整的命令后把字节发给可编程电位器。

所述的隔直电路6，串接在所述的放大电路5和传感器阵列7之间，用于对所述的48路检测电压信号进行去除信号中直流分量处理；所述的隔直电路6采用交流耦合的方式，对所述的48路检测电压信号进行去除信号中直流分量处理。

所述的位移传感器10，与所述的直流激励源9的输出端串联，用于测量传感器阵列7与被测钢轨表面之间的提离值。该位移传感器10采用BZF-Ⅱ型电涡流式位移传感器。

所述的里程编码器11，所述的单片机读取里程编码器的输出，从而获取被测铁路钢轨的巡检里程；

所述的传感器阵列7、隔直电路6、放大电路5、滤波电路4、触发电路3、采集卡2、工控机1依次串行连接，位移传感器10、里程编码器11、触发电路3依次串行连接。

所述的采集卡2设置为触发式采集模式，其触发信号由所述的触发电路3提供。采集卡在触发采集模式工作时，采集卡设置其触发引脚端低电平为有效的触发采集信号，触发电路3设置为合适的阈值电压，当被测钢轨表面有缺陷时，当传感器阵列中某一路或者某几路霍尔传感器输出电压信号超过设定的阈值时，触发电路3输出为低电平，触发采集卡开始采集检测信号。据此分析，把48路的触发电路3输出信号设计为线与的关系，当所有48路触发电路3输入信号电压幅值未超过阈值时，线与后为高电平，采集卡触发引脚信号为无效，不会采集数据。当48路触发电路3中至少有一路的输入信号电压幅值超过阈值时，线与后为低电平，采集卡触发引脚信号为有效，开始采集数据。

所述的48路检测电压信号依次经过隔直电路6、放大电路5、滤波电路4、触发电路3。当触发电路3有触发信号产生时，采集卡2采集到检测信号，工控机1对采集到的信号进行分析处理，提取出缺陷的特征。

图3是本发明的一个实施例的隔直电路的单路原理图。如图3所示，隔直电路6采用交流耦合的方式，对48路检测信号进行去除信号中直流分量处理。其中截止频率f_-3dB计算公式为：

$f_{-3dB}=\frac{1}{2\mathrm{\π}RC}---\left(1\right)$

当R＝1KΩ、C＝10uF时，f_-3dB≈16Hz，可以通过调节R、C，设定不同的截止频率。

本发明的一个实施例的触发式采集模式的直流漏磁检测方法，其特征在于：当所述的48路检测电压信号中所有信号的电压幅值在设定的阈值范围之内时，所述的触发电路3不产生触发信号，因此所述的采集卡2不会进行检测电压信号采集；当所述的48路检测电压信号中至少一路信号的电压幅值在设定的阈值范围之外时，触发电路3产生触发信号，采集卡2则开始进行检测电压信号采集；然后，所述的工控机1对采集卡2采集到的检测信号进行分析处理，提取出缺陷的特征。

在所述的检测信号分析处理时，采用小波去噪和高通滤波器信号处理相结合的技术；处理后的检测信号数据进行多通道漏磁成像显示。

在原始检测数据网络传输时，采用异步TCP通信的网络二进制流传输。在百兆网通信环境条件下，调用Socket传输函数Send()和Receive()，其稳定的网络传输速率上限为800KB/s。本发明实施例采用可靠性高、稳定的异步TCP通信协议，数据传输方式选用NetworkStream的二进制流传输，其二进制流传输函数BinaryReader.Read()与BinaryWriter.Write()可以直接传输double类型的数据，节省了使用Socket传输函数Send()和Receive()中把double数据类型转换为Byte类型的时间，提高了数据传输速率和保留了原始数据的精度。NetworkStream流传输测试实验结果表明，该传输方式在百兆网通信环境条件下，其传输速率可以达到5MB/s以上。

综上所述，本发明的原理是：检测系统采用传感器阵列，共48路霍尔传感器，隔直、放大、滤波、闸门电路均采用多通道形式，可实现对检测信号的多通道漏磁成像显示。本发明采用48V直流电源作为磁化场激励源，可产生很强的磁化场，可实现不同巡检速度条件下对铁路钢轨表面缺陷的检测。本发明的触发式采集模式，当闸门电路有触发信号产生时，采集卡进行数据采集，包括里程值、提离值，以及检测信号数据。对检测信号处理时，采用小波去噪和高通滤波器信号处理相结合的技术，滤除振动干扰信号和高频噪声干扰信号，并对处理后的检测信号数据进行多通道漏磁成像显示。在原始检测数据网络传输时，采用异步TCP通信的网络二进制流传输，提高原始检测数据的网络传输速率。