一种钢轨重伤电磁层析无损检测装置及方法,所述检测装置包括:L形阵列传感器、电磁层析无损检测机箱、探伤监控及记录计算机和探伤监控液晶面板。其中,电磁层析无损检测机箱包括功率驱动电路、激励方向控制电路、激励电流分配VCCS阵列、激励信号分配放大电路、正交程控双通道DDS激励信号发生器、总线、系统电源、FPGA同步控制电路、前置信号调理电路、信号数字解调FPGA芯片、嵌入式系统、通信接口、液晶显示模块。本发明可使钢轨探伤可随列车运行在线探测,便于及时发现对轨道交通具有较大潜在危害的钢轨重伤情况。
1.一种钢轨重伤电磁层析无损检测装置,其特征在于:所述检测装置包括:L形阵列传感器(101)、电磁层析无损检测机箱(115)、探伤监控及记录计算机(116)、和探伤监控液晶面板(117),其中,电磁层析无损检测机箱(115)中包括功率驱动电路(102)、激励方向控制电路(103)、激励电流分配VCCS阵列(104)、激励信号分配放大电路(105)、正交程控双通道DDS激励信号发生器(106)、总线(107)、系统电源(108)、FPGA同步控制电路(109)、前置信号调理电路(110)、信号数字解调FPGA芯片(111)、嵌入式系统(112)、通信接口(113)、和液晶显示模块(114),所述电磁层析无损检测机箱(115)安装于列车底部,电磁层析无损检测机箱(115)靠近钢轨的一侧安装L形阵列传感器(101),L形阵列传感器(101)位于两根钢轨内侧与列车轮缘接触的部位,所述嵌入式系统(112)以嵌入式微处理器及微处理器外围电路为核心,所述L形阵列传感器(101)由五组平行均匀排列的第一组线圈(204)、第二组线圈(205)、第三组线圈(206)、第四组线圈(207)、第五组线圈(208)组成,每组线圈包括线圈(203)和线圈磁轭(202),其中所述激励方向控制电路、激励电流分配VCCS阵列、激励信号分配放大电路、正交程控双通道DDS激励信号发生器、FPGA同步控制电路、嵌入式系统、通信接口分别与总线连接;正交程控双通道DDS激励信号发生器、激励信号分配放大电路、激励电流分配VCCS阵列、激励方向控制电路、功率驱动电路、L形阵列传感器、前置信号调理电路、信号数字解调FPGA芯片、嵌入式系统1依次相连;FPGA同步控制电路与信号数字解调FPGA芯片相连接;液晶显示模块与嵌入式系统相连接;通信接口、探伤监控及记录计算机和探伤监控液晶面板依次连接。
2.一种钢轨重伤电磁层析无损检测方法,其特征在于:所述检测方法包括如下步骤:1)系统初始化,设置嵌入式系统(112)工作参数,由嵌入式系统(112)设置正交程控双通道DDS激励信号发生器(106)产生的信号参数和信号数字解调FPGA芯片(111)的解调参数;2)选择存储于嵌入式系统(112)的一种循环激励模式,按照顺序选择线圈(204A、205A、206A、207A、208A、208B、208C、208D、207D、206D、205D、204D、204C、204B),进行循环激励,其他线圈做为检测线圈使用;3)正交程控双通道DDS激励信号发生器(106)开始产生激励信号,由嵌入式系统(112)分别控制激励信号分配放大电路(105)、激励电流分配VCCS阵列(104)、激励方向控制电路(103)按照选定循环激励模式循环选择通道分别进行激励信号电压放大、电流放大、和激励方向选择;4)功率驱动电路(102)对激励信号进行功率放大,L形阵列传感器(101)产生检测电磁场,前置信号调理电路(110)开始同步采集激励回采信号和检测信号;5)信号数字解调FPGA芯片(111)对检测线圈采集的数据进行在线解调,嵌入式系统(112)将检测信号解调信息按照激励循环周期进行排列,排列得到14×19的二维阻抗矩阵,并将其作为测量信息,进行钢轨损伤分布图像的重建;以及6)探伤监控及记录计算机(116)通过通信接口(113)获得钢轨损伤分布信息,进行历史记录并通过探伤监控液晶面板(117)进行信息的实时显示;然后返回第5)步骤循环处理。
3.根据权利要求2所述的钢轨重伤电磁层析无损检测方法,其特征在于:所述嵌入式系统(112)用于控制激励方向控制电路(103)、激励电流分配VCCS阵列(104)和激励信号分配放大电路(105)产生激励信号,并用于控制检测线圈的信号解调控制,同时用于实现钢轨损伤分布图像的重建。
4.根据权利要求2所述的钢轨重伤电磁层析无损检测方法,其特征在于:所述FPGA同步控制电路(109)和控制前置信号调理电路(110)同步采集第一组线圈(204)、第二组线圈(205)、第三组线圈(206)、第四组线圈(207)、第五组线圈(208)的检测信号。
5.根据权利要求2所述的钢轨重伤电磁层析无损检测方法,其特征在于:所述信号数字解调FPGA芯片(111)采用数字解调算法实时在线解调检测信号。
6.根据权利要求2所述的钢轨重伤电磁层析无损检测方法,其特征在于:循环激励的周期为14,作为检测线圈使用的线圈为19个。技术领域
本发明涉及一种钢轨重伤电磁层析无损检测装置及方法。
背景技术
目前,可用于高速在线钢轨探伤的技术是电磁钢轨探伤,但电磁钢轨探伤技术是点测量模式,由于其原理的限制,其检测范围仅为钢轨头部的5%到30%。虽然电磁钢轨探伤检测范围小,在目前迫切需求高速钢轨探测的情况下,由于其具有非接触和高速度的特性,这一技术仍然具有明显的优势,但还未能实现钢轨损伤深度及位置的检测。
发明内容
本发明的目的是提供了一种钢轨重伤电磁层析无损检测装置和方法,提高电磁钢轨探伤的检测能力,实现高速在线钢轨探伤。根据本发明的一个方面,提供了一种钢轨重伤电磁层析无损检测装置,所述钢轨重伤电磁层析无损检测装置包括:L形阵列传感器、电磁层析无损检测机箱、探伤监控及记录计算机和探伤监控液晶面板。其中电磁层析无损检测机箱包括功率驱动电路、激励方向控制电路、激励电流分配VCCS阵列、激励信号分配放大电路、正交程控双通道DDS激励信号发生器、总线、系统电源、FPGA同步控制电路、前置信号调理电路、信号数字解调FPGA芯片、嵌入式系统、通信接口、液晶显示模块。其中所述激励方向控制电路、激励电流分配VCCS阵列、激励信号分配放大电路、正交程控双通道DDS激励信号发生器、FPGA同步控制电路、嵌入式系统、通信接口分别与总线连接;正交程控双通道DDS激励信号发生器、激励信号分配放大电路、激励电流分配VCCS阵列、激励方向控制电路、功率驱动电路、L形阵列传感器、前置信号调理电路、信号数字解调FPGA芯片、嵌入式系统1依次相连;FPGA同步控制电路与信号数字解调FPGA芯片相连接;液晶显示模块与嵌入式系统相连接;通信接口、探伤监控及记录计算机和探伤监控液晶面板依次连接。优选地,所述前置信号调理电路110包括包含AD转换电路和滤波放大电路。优选地,所述电磁层析无损检测机箱安装于列车底盘的下方。优选地,所述嵌入式系统包含嵌入式微处理器、构成微处理器系统的外围接口电路。根据本发明的另外一个方面,提供了一种钢轨重伤电磁层析无损检测方法,所述钢轨重伤电磁层析无损检测方法实现步骤包括:第一步、在列车在线运行过程中,选择存储于嵌入式系统的一种循环激励模式进行循环激励,不做激励的其他线圈作为检测线圈使用。第二步、嵌入式控制系统控制正交程控双通道DDS激励信号发生器产生特定激励信号,激励信号依次经过激励信号分配放大电路、激励电流分配VCCS阵列、激励方向控制电路,这三个模块按照选定循环激励模式循环选择通道分别进行激励信号电压放大、电流放大和激励方向选择。第三步、功率驱动电路对激励信号进行功率放大,激励信号通过线圈使L形阵列传感器产生检测电磁场。第四步、前置信号调理电路在FPGA同步控制电路电路控制下对检测信号进行同步采集,并将采集数据传送至信号数字解调FPGA芯片。第五步、信号数字解调FPGA芯片对检测线圈采集的数据进行在线解调,嵌入式系统将检测信号解调信息按照激励循环周期进行排列排列得到二维阻抗矩阵,并将其作为测量信息,进行钢轨损伤分布图像的重建。第六步、探伤监控及记录计算机通过通信接口获得钢轨损伤分布信息,进行历史记录并通过探伤监控液晶面板进行信息的实时显示。优选地,所述第五步的数字解调算法采用FFT(Fastxa0FourierTransform,快速傅里叶变换)频谱分析法。优选地,所述第五步的钢轨损伤分布图像的重建采用LBP(线性反投影)法和正则化广义逆算法。本发明将电磁层析成像(EMT)通过投影重建图像的思想引入钢轨探伤,设计了全新的传感器结构,这种结构区别于传统EMT系统的封闭式结构,创新地采用了L形开放式结构,这种结构适合于钢轨在线监测。为应用这种全新的结构,本发明提出了相应的图像重建算法。本发明的有益效果在于:将电磁层析成像技术与电磁无损检测技术相结合,应用了数字信号解调技术,采用循环激励技术和L形阵列传感器,解决了目前钢轨探伤技术中探伤装置需接触钢轨、探测信息非立体及探测速度慢、探伤周期长的问题,使钢轨探伤可随列车运行在线探测,便于及时发现对轨道交通具有较大潜在危害的钢轨重伤情况。
附图说明
图1是根据本发明的一种钢轨重伤电磁层析无损检测装置的总体结构图;以及图2是根据本发明的一种钢轨重伤电磁层析无损检测装置中L形阵列传感器的详细结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例详述如下:根据本发明的钢轨重伤电磁层析无损检测装置,如图1所示,包括L形阵列传感器101、电磁层析无损检测机箱115、探伤监控及记录计算机116、和探伤监控液晶面板117。其中,电磁层析无损检测机箱115包括功率驱动电路102、激励方向控制电路103、激励电流分配VCCS阵列104、激励信号分配放大电路105、正交程控双通道DDS(Directxa0Digitalxa0Dynthesizer,直接频率合成器)激励信号发生器106、总线107、系统电源108、FPGA同步控制电路109、前置信号调理电路110、信号数字解调FPGA芯片111、嵌入式系统112、通信接口113和液晶显示模块114;所述激励方向控制电路103、激励电流分配VCCS阵列104、激励信号分配放大电路105、正交程控双通道DDS激励信号发生器106、FPGA同步控制电路109、嵌入式系统112、通信接口113分别与总线107连接;正交程控双通道DDS激励信号发生器106、激励信号分配放大电路105、激励电流分配VCCS阵列104、激励方向控制电路103、功率驱动电路102、L形阵列传感器101、前置信号调理电路110、信号数字解调FPGA芯片111、嵌入式系统112依次相连;FPGA同步控制电路109与信号数字解调FPGA芯片111相连接;液晶显示模块114与嵌入式系统112相连接;通信接口113、探伤监控及记录计算机116和探伤监控液晶面板117依次连接。嵌入式系统112用于控制激励信号产生、循环激励模式选择、检测信号采集和解调,完成系统参数配置及解调信息排列和信息输出,内部包含嵌入式微处理器及辅助电路。总线107用于检测系统内部信息的传输。与激励方向控制电路103、激励电流分配VCCS阵列104、激励信号分配放大电路105、正交程控双通道DDS激励信号发生器106、FPGA同步控制电路109、嵌入式系统112、通信接口113分别连接。正交程控双通道DDS激励信号发生器106受嵌入式系统112控制,用于产生的激励信号,内部包含高精度DDS芯片,可编程控制激励信号的频率、幅度和初相。与总线107和激励信号分配放大电路105分别相连。激励信号分配放大电路105受嵌入式系统112控制,按照选定循环激励模式循环选定通道对激励信号进行电压放大。与总线107和正交程控双通道DDS激励信号发生器106分别相连。激励电流分配VCCS阵列104受嵌入式系统112控制,按照选定循环激励模式循环选定通道对激励信号进行电流放大。与总线107和激励信号分配放大电路105分别相连。激励方向控制电路103受嵌入式系统112控制,按照选定循环激励模式循环选定通道对激励信号进行方向选择。与总线107和激励电流分配VCCS阵列104分别相连。功率驱动电路102对激励信号进行功率放大,与激励方向控制电路103和L形阵列传感器101分别相连。L形阵列传感器101由线圈磁轭202和线圈203构成,加载激励电流后产生检测电磁场。与功率驱动电路102和前置信号调理电路110分别相连。前置信号调理电路110受FPGA同步控制电路109控制,用于同步采集信号并对信号进行滤波、放大处理,包含AD转换电路和滤波放大电路。与L形阵列传感器101、FPGA同步控制电路109和信号数字解调FPGA芯片111分别相连。信号数字解调FPGA芯片111应用数字解调算法对检测信息进行在线解调,在FPGA同步控制电路109控制下与前置信号调理电路110和嵌入式系统112分别进行数据传输。与前置信号调理电路110、FPGA同步控制电路109和嵌入式系统112分别相连。FPGA同步控制电路109协助嵌入式系统112对采集过程进行同步控制,包括控制前置信号调理电路110中多通道AD转换器的同步采集,控制前置信号调理电路110与信号数字解调FPGA芯片111及信号数字解调FPGA芯片111与嵌入式系统112之间的数据传输。与总线107、信号数字解调FPGA芯片111及前置信号调理电路110相连。液晶显示模块114用于显示电磁层析无损检测机箱115参数及工作信息,与嵌入式系统112相连。通信接口113用于嵌入式系统112与探伤监控及记录计算机116传递钢轨损伤分布信息,与嵌入式系统112和探伤监控及记录计算机116分别相连。电磁层析无损检测机箱115与列车底盘连接,内部包含功率驱动电路102、激励方向控制电路103、激励电流分配VCCS阵列104、激励信号分配放大电路105、正交程控双通道DDS激励信号发生器106、总线107、系统电源108、FPGA同步控制电路109、前置信号调理电路110、信号数字解调FPGA芯片111、嵌入式系统112、通信接口113、液晶显示模块114。探伤监控及记录计算机116用于监控检测过程,并通过通信接口113与嵌入式系统112进行通信,实时控制探伤监控液晶面板117显示检测系统获得的钢轨损伤分布信息并存储记录信息。与通信接口113和探伤监控液晶面板117相连。探伤监控液晶面板117用于显示检测系统获得的钢轨损伤分布信息,与探伤监控及记录计算机116相连。系统电源108为电磁层析无损检测机箱115中各电子设备提供电源。图2是本发明一种钢轨重伤电磁层析无损检测装置及方法中所述L形阵列传感器101的详细结构图,在图2中,L形阵列传感器101由第一组线圈204、第二组线圈205、第三组线圈206、第四组线圈207、第五组线圈208等五组L形传感器均匀排列组成。每组线圈包括线圈203、线圈磁轭202;检测时L形阵列传感器101位于钢轨201上方,线圈磁轭202与钢轨201的工字头上部在X与Z方向分别平行并保持适当距离。其中:钢轨201是轨道交通所使用的钢制轨道,一般由锰钢制成。线圈磁轭202用于传输磁通量,提高同组线圈的耦合程度,采用L形形状以适应钢轨易损部位的重伤探测。线圈203用于产生激励电磁场强度和感应检测电磁场强度,是激励信号和检测信号的载体。第一组线圈204、第二组线圈205、第三组线圈206、第四组线圈207、第五组线圈208:五组平行均匀排列的L形线圈组,共20(5×4)个线圈,按图中位置分别编号为204A、204B、204C、204D、205A、205B、205C、205D、206A、206B、206C、206D、207A、207B、207C、207D、208A、208B、208C、208D。在图3中,一种在线钢轨探伤的图像处理辅助检测方法,其实施流程说明如下:1)系统初始化,设置嵌入式系统112工作参数,由嵌入式系统112设置正交程控双通道DDS激励信号发生器106产生的信号参数和信号数字解调FPGA芯片111的解调参数。2)选择存储于嵌入式系统112的一种循环激励模式,按照图2中204A、205A、206A、207A、208A、208B、208C、208D、207D、206D、205D、204D、204C、204B的顺序选择线圈进行周期为14的循环激励,不做激励的19个线圈做为检测线圈使用。3)正交程控双通道DDS激励信号发生器106开始产生激励信号,由嵌入式系统112分别控制激励信号分配放大电路105、激励电流分配VCCS阵列104、激励方向控制电路103按照选定循环激励模式循环选择通道分别进行激励信号电压放大、电流放大和激励方向选择。4)功率驱动电路102对激励信号进行功率放大,L形阵列传感器101产生检测电磁场,前置信号调理电路110开始同步采集1路激励回采信号和19路检测信号。5)信号数字解调FPGA芯片111对检测线圈采集的数据进行在线解调,嵌入式系统112将检测信号解调信息按照激励循环周期进行整合排列得到14×19的二维阻抗矩阵,并将其作为测量信息,进行钢轨损伤分布图像的重建。6)探伤监控及记录计算机116通过通信接口113获得钢轨损伤分布信息,进行历史记录并通过探伤监控液晶面板117进行信息的实时显示;然后返回第5步骤循环处理。