基于虚拟仪器的铁轨损伤检测系统

摘 要：本文介绍了铁质材料因裂纹或损伤而产生缺陷的定量检测原理，设计了基于虚拟仪器的铁轨损伤检测系统，详细介绍并分析了LabVIEW开发平台在数据采集和数据分析上的实现方法，实现了一台PC同时对多条铁轨进行损伤检测，并论证了该方法的可行性与可靠性，得出了相关的结论。

1 引言

在铁路的现代化建设中，铁路的安全是首先需要解决的问题。随着铁路建设的发展，以往靠巡道工进行铁轨检测的方式在许多新建的铁路线上，因站点间的距离太长而无法实施。另外，火车的大幅度提速也给巡道工造成更大的危险。现状迫切需要实施铁轨状态的自动化检测，以代替以往的人工检测。由于人工对铁轨进行探伤的危险性大、效率低，并且有可能出现误检。因此，本 National Instruments公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW，设计了一个基于LabVIEW的铁轨损伤检测系统，以实现人工探伤向自动化探伤的转变。

2 检测系统原理

本系统主要采用漏磁场检测法，其基本原理是利用励磁磁场和缺陷相互作用产生的漏磁现象来检测铁轨表面的裂纹或损伤。实验证明,在交变 磁场的作用下，在役铁磁性工件的缺陷和夹杂部位,会产生磁畴归一现象， 并在其上出现漏磁场。当铁质材料磁化至深度饱和时，在缺陷位置或内应 力相对集中的地方，金属导磁率最小,磁导率的降低，使磁阻将增加并产 生磁场畸变。采用磁敏检测探头检测这一漏磁场可获得反映裂纹或损伤状 况的特征信息，通过对裂纹漏磁场特征信息即裂纹或损伤检测信号峰值之 间的定量分析，便可获得裂纹或损伤大小及位置等信息。

3 系统组成

定量检测系统主要由探伤传感器、预处理电路、数据采集卡和PC 计 算机等组成，如图1 所示：

其中探伤传感器采用西安现代非线性科学应用研究所研制开发NDWL 电涡流传感器以取得裂纹或损伤缺陷信号，这种传感器在供电要求为AC 5V 4KHz,使用温度范围为-40CO 到+50CO,在正常情况下，输出为零，如遇 有金属材料裂纹或表面损伤，可输出3～10mv 的交流信号。

预处理电路由滤波器、信号放大器等组成，用于对探伤传感器输出 信号的调理。 数据采集卡采用凌华推出高速高精度海量储存数据采集卡PCI－ 9820，凌华PCI-9820 卡是一块高速、高分辨率、高容量的PCI 数据采集 卡，配备两组模拟输入端，具备同步采集的功能。当两组模拟输入同时使 用时，采样频率最高可达65 MS/s，而当采集一组模拟输入，采样频率最 高可达 130 MS/s，并且具备14 bits 的分辨率。同时凌华数据采集卡提 供了全新 Labview 驱动程序PCIS-LVIEW PnP。三部分与计算机硬件连接 如图1 虚线内所示。

数据传输总线使用通讯转换卡RS-485，RS-485 具有抗干扰能力强、 传输距离远、传输速度快等优点。RS485 能实现电平隔离，隔离电压为 1000V。通讯波特率300bps-2Mbps。

由于探伤传感器输出的信号强度较弱，而且常伴有干扰信号，所以在 预处理电路中对此信号需要进行滤波、放大等处理，使之达到A/D 转换器 输入电平的幅度要求。处理过的信号经数据采集卡进行A/D 转换，将模拟 信号转换成数字信号送入计算机中进行分析处理。

4 软件设计

4.1 软件开发平台

软件设计采用美国NI 公司的LabVIEW 软件开发平台，LabVIEW 是美国 国家仪器（NI）公司开发的一种基于图形程序的虚拟仪表编程语言，其在 测试与测量、数据采集、仪器控制、数字信号分析、工厂自动化等领域获 得了广泛的应用。LabVIEW 程序称为虚拟仪器程序（简称VI），主要包括 两部分：前面板（即人机界面）和方框图程序。前面板用于模拟真实仪器 的面板操作，可设置输入数值、观察输出值以及实现图表、文本等显示。

框图程序应用图形编程语言编写，相当于传统程序的源代码。其用于传送 前面板输入的命令参数到仪器以执行相应的操作。LabVIEW 的强大功能在 于层次化结构，用户可以把创建的VI 程序当作子程序调用，以创建更复 杂的程序。而且，调用阶数可以是任意的。LabVIEW 这种创建和调用子程 序的方法使创建的程序模块化，易于调试、理解和维护。

LabVIEW 编程方 法与传统的程序设计方法不同，它拥有流程图程序设计语言的特点，摆脱了传统程序语言线形结构的束缚。LabVIEW 的执行顺序依方块图间数据的 流向决定，而不像一般通用的编程语言逐行执行。 在编写方框图程序时，只需从功能模块中选用不同的函数图标，然后 再以线条相互连接，即可实现数据的传输。如图2 就是一个数据采集 LabVIEW 方框图程序。


4.2 功能的实现

本系统的功能实现包括数据采集和数据分析两大部分。主要完成数据 采集、数据处理及波型显示等功能。

4.2.1 数据采集

在铁轨检测现场，除采用图1所示的检测系统进行集中探伤外，我们 还可以组成分散的检测系统。将探伤传感器采集到的模拟量信号经采集卡 数字化以后，利用串行连接口RS－485总线将数据上传。在PC机ISA或PCI 总线槽中插有多端口RS－485接口板，利用这个接口板接收RS-485串行总 线的数据，通过PC机进行分析处理。如图3所示。


其中远端设备包括单片机、数据采集卡、预处理电路和电涡流探伤传 感器等。系统数据采集流程图如图4虚线内部分所示。


对于图1所示的探伤系统，利用LabVIEW软件平台控制进行数据采集， 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函数进行采集。

4.2.2 峰峰值Vpp 的测量

参数测量可采用功能板 Functions/Analysis/Measurement 中的功能 函数进行测量，利用所需不同的测量功能函数将采集数据进行分析、计算。 其中峰峰值的测量采用LabVIEW 提供的Peak Detector 函数，用它可以得 到准确的波峰值Peak Value 和波谷值Valley Value, 从而得出铁轨裂纹 或损伤缺陷的特征信号峰峰值

Vpp=|Peak Value-Valley Value|

用LabVIEW 软件提供的Peak Detector 函数，可以准确的确定波峰和 波谷的位置和峰值，然后，建立适当的数学模型即峰峰值Vpp 和铁轨裂 纹或损伤面积ΔA的关系式，从而求出缺陷信号的准确位置和峰峰值。

4.2.3 波型显示

波形的显示采用控制功能模板 Functions/Graph/Waveform. Graph 函 数，通过该函数，将输入到计算机里的采集数据进行处理，并把波形及处 理结果以示波器的形式显示在计算机屏幕上。

5 结果与讨论

(1)通过实际的测量获得裂纹或损伤输出信号 Vpp 值，根据漏磁场理 论，并通过大量的人为探伤实验得出一定的关系式，建立适当的数学模 型，就可得出裂纹或损伤大小及位置。

(2)本系统在数据采集部分利使用RS-485 总线，可实现一台PC 机同 时对多条铁轨进行检测，并且RS-485 适用于较远距离的数据传输，这点适合于铁路部门的实际情况。

(3)由于本系统采用的传感器为NDWL 电涡流传感器,所以，同样适用 于其它铁质材料的裂纹或损伤检测，如钢管、钢板、汽车轴承等。

(4)本系统使用方便、快捷，实现了铁轨探伤检测的人工向自动化的 转变，可以大大提高铁路部门工作效率，并且有效保证探伤人员的人身 安全。

(5)在建立适当的数学模型之前，必须进行大量的探伤实验，取得大 量的数据后，才可以建立比较准确的数学模型。