基于LabVIEW的超声导波断轨检测系统的设计

任 远，张友鹏，史宏章，田铭兴

（兰州交通大学自动化与电气工程学院，1.硕士研究生；2.教授，甘肃 兰州 730070；3.兰州铁路局武威工务段，工程师，甘肃 武威 733000）

钢轨是轨道交通运输系统的重要组成部件，铁路运营线上如果出现钢轨断裂就有可能造成列车脱轨、倾覆等重大行车事故。目前我国主要采用钢轨探伤小车定期在轨道上检查、人工巡轨以及使用轨道电路进行断轨检测。其中，钢轨探伤小车检测速度慢，占用维修天窗时间长，且易受工务人员个人经验和责任感影响，已不能满足新形势下我国铁路高速发展需求。而轨道电路受道床参数影响较大，在道床阻抗小或长期积水的隧道区段通常采用新式闭塞设备而不安装轨道电路。因此，新型断轨检测设备的研究开发，对保障铁路运输业的安全具有重要意义。本文以USB6251数据采集卡为核心硬件，以LabVIEW8.5为软件平台，研发超声导波断轨检测系统，重点介绍该系统检测原理、结构组成、主要功能及其实现方法。

1 超声导波断轨检测原理

钢轨材料作为固体声传播介质具有良好的声导管特性，当超声波被局限在棒状或管状介质的边界内传播时，边界对超声波产生反复不断的反射传导，这样就形成了由纵波、横波、表面波、兰姆波等基本超声波类型以各种方式组合形成的超声导波〔1〕。与传统单一波形的能量集中式超声检测方法相比，超声导波具有检测频率相对较低、传播距离远、检测距离长等特点〔2〕。其检测原理如图1所示。

图1 超声导波断轨检测系统原理图

在图1中，发射器向固定在钢轨轨腰上的超声波换能器发射高压脉冲电信号，压电换能器通过逆压电效应原理向钢轨中发射超声导波信号，经钢轨传导后在接收端由超声波探头接收。通过接收端对所获得信号的幅值比较，或在给定窗口时间内能否接收到事先设定的超声信号，判定接收端与发射端之间的钢轨完整情况。

该方法采用机械波作为检测信号，因此基本不受牵引回流与钢轨电气参数影响。且设备原理简单，安装和维护方便，设备功耗成本相对较低，非常适用于较长无缝钢轨断裂检测。在长大隧道、南方山区潮湿积水和采用整体道床的轨道一次参数不良的地区，可以替代轨道电路完成断轨检测。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件组成 超声导波断轨检测系统的硬件结构主要由超声导波发射、数据采集、信号接收调理和上位机4个部分组成（如图2）。

图2 单检测区间系统硬件结构框图

工作过程中，首先由上位机程序控制数据采集模块板卡的2路模拟输出通道，产生高频脉冲信号链，然后经由超声波发射模块驱动超声波探头，探头通过压电陶瓷的逆压电效应原理向钢轨中发射超声导波检测信号，经钢轨传导后在另一端由接收探头接收。接收到的信号经接收调理模块简单处理后，送至数据采集卡进行采集，最后利用上位机软件处理接收来的检测数据，综合分析出检测区间内的钢轨完整情况。

2.2 硬件模块的功能

2.2.1 数据采集 数据采集模块主要完成实时数据采集和模数转换工作。系统采用由美国国家仪器公司生产的NI-USB6251数据采集卡，该采集卡有8路采样率达1.25 MS/s的16位差分模拟输入通道、24路数字I/O以及2路BNC模拟输出通道〔3〕。可以满足系统对超声波检测信号的发生、采集及向计算机传送数据的功能需求。

2.2.2 超声导波发射 超声波信号发射模块由功率放大器和超声波探头组成。其中，功率放大器的作用是放大由数据采集卡模拟输出通道产生的脉冲激励信号，并驱动发射探头工作。发射模块中选用美国T&C公司的ULTRA2020型功率放大器，其工作频率范围为0.01～15 MHz，输出功率可达50 W。超声波探头是利用压电陶瓷的逆压电效应原理，将脉冲电信号转化为声波类型的物理信号，通过介质传播，由接收端对信号的波形与衰减进行分析判断介质内部情况的器件。超声波换能器选用具有双频特性的NTK公司DA44525-46型压电换能器，其发射频率有25 kHz和40 kHz2种。

2.2.3 信号接收调理 该模块中包含的接收传感器用于采集和提取钢轨中的超声导波信号，并通过信号调理电路转换为可测量的电压信号供数据采集卡采集。传感器采用美国ENDEVCO公司的7259a-100型加速度传感器，其具有极宽的频响特性，可在恶劣环境状况下测量高频振动，并采用了环形剪切式设计，具有高达80 kHz的共振频率，工作温度可达-55～125℃。

由于压电式加速度传感器为高阻抗、自发电式元件，无需外接电源，但输出为电荷信号，因此必须通过信号调理电路转换为电压量后再进行采集。信号调理电路如图3所示，其主要原理是一个带反馈电容的电压放大器。工作时输出电压经Cf电容反馈回来，以维持输入电压为零，从而将输入电荷量转换为低阻抗的输出电压量，并消除电缆电容Cc的影响。

图3 信号接收与调理模块电路原理图

2.2.4 上位计算机 系统的上位机由装有断轨检测软件的工业控制计算机或便携式计算机构成。上位机主要用于实现两方面的功能：一是通过软件编程驱动NI-6251数据采集卡的2路模拟输出通道，生成特定频率和脉宽的高频脉冲信号链；二是对数据采集卡采集来的接收端传感器信号进行处理分析，通过快速傅立叶变换和时频分析等方法，综合判断检测区间内是否有断轨情况发生，并实现断轨报警、波形记录、历史数据回放等功能。

3 系统软件设计

超声导波断轨检测系统采用基于虚拟仪器技术的LabVIEW开发环境进行软件编程设计，实现检测信号的生成、接收、处理、断轨判断和记录功能。系统软件框架和流程如图4和图5所示。

图4 系统软件结构框架图

图5 系统软件流程图

3.1 检测信号生成程序 该部分采用LabVIEW仿真信号发生器编程，产生2路频率相同但脉宽相异的高频脉冲振荡信号，通过DAQ输出控件直接驱动USB-6251卡的2个模拟输出通道，产生高频脉冲振荡信号，最终控制超声波发射模块向钢轨中发射超声导波。

3.2 数据采集程序 由于NI-USB6251卡支持DAQmx驱动程序，所以设计时直接使用DAQmx Da⁃ta Acquisition开发〔4〕。在这一部分中，主要是采集参数的设置，包括物理通道的选择、采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置和采样边界值的设置等。

3.3 断轨判断与报警程序 断轨判断与报警程序采用用户事件编写。当给定时间间隔内接收到的信号采样值低于设定的阈值时，就会触发用户事件，产生断轨报警，并进行数据记录。

3.4 数据保存程序 数据保存是把采集的接收端信号特征数据及其对应时间保存到MySQL数据库。其程序是首先进行数据库的选择和数据库表格的建立，然后用LabSQL工具包将采集的数据按照一定的时间间隔保存到数据库的表格里。另外对报警时刻的波形进行报警日志记录，供日后波形回放和断轨分析时使用。

3.5 历史数据查询程序 历史数据查询程序可将已保存在数据库中的波形特征数据读取出来供用户分析。由于保存数据表格的主键已设为保存时刻，每个数据在时间上是唯一的，所以历史数据的查询只需要从数据库里按照一定的条件进行检索就可以完成。另外，该部分程序还能提供报警事件的波形回放功能。

3.6 用户操作界面 根据系统设计要求，在上位机上显示的断轨检测系统用户界面如图6所示。该界面主要包括：1）系统时间与操作员登陆窗口；2）系统开关与工作状态指示灯；3）超声波信号源开关与波形显示面板；4）接收端两轨信号接收与分离显示界面；5）断轨报警阈值参数设定、报警指示灯和设备故障自检指示灯；6）数据存储面板。

图6 超声导波断轨检测系统控制面板

在图6中，钢轨两端为模拟通道输出的2路脉冲间隔不同的超声波脉冲信号，经钢轨传导后在中间由数据采集卡采集，信号经滤波、放大后显示在中间面板上。再经过延时算法将2路信号分离开，分别显示于相邻面板上。在此图中，接收信号分离后，由于轨1信号低于设定幅值，系统判断轨1发生断轨，并做报警提示。其他3个轨段信号幅值均大于给定阈值，钢轨状况良好。

4 系统的安装与测试

4.1 试验线的选择 该系统选择某长大隧道上行线DK177+050～DK180+050区间进行断轨检测试验。该隧道为双线无缝电气化长大隧道，相关资料显示该区段通过全新世F7活动断层，通过长度785 m，目前仍有地震活动迹象，断轨潜在发生率较高。

4.2 系统的安装 首先，在现场的工控机或便携式计算机上安装编写好的上位机检测程序。然后，将NI-USB6251采集卡与ULTRA2020功率放大器以及信号调理模块连接起来。再采用楔形铝制基座将超声波换能器和接收传感器固定于双轨轨腰侧面，耦合部分采用环氧胶填充耦合。最后，将探头信号线连接到相关设备并上电测试。

4.3 系统的测试 测试的内容主要包括系统稳定性测试、轮轨噪声对检测设备的影响测试、温度变化引起钢轨声传导特性的变化对系统影响测试、施工或其他人为作业对系统影响的测试等。通过对上述测试项目的数据整理分析，可进一步完善系统的各项功能，提高系统的检测精度和可靠性。

5 结束语

研究表明，超声导波断轨检测系统与传统的断轨检测方法相比，可实现对钢轨的实时在线断轨监测。该检测方法原理简单、设备安装和维护方便、运行功耗相对较低。在无法使用轨道电路的无缝区段，可以替代轨道电路完成实时断轨检测功能。因此，该系统对实现我国铁路部门制定的“三防”措施中的防断轨要求，保障铁路运输生产安全都具有重要意义。

未来随着铁路新技术的发展，结合对轮轨噪声的研究，该检测方法还有望实现区间内列车占用检测和钢轨中机械波载波通信等功能。

〔1〕Joseph L.Rose.Ultrasonic Waves in Solid Media〔M〕.Cam⁃bridge:Cambridge University Press，2004：82-92.

〔2〕Joseph L.Rose.Rail Inspection With Guided Waves〔C〕.NDT 12th Asia-Pacific Conference，Auckland，Nov 2006.

〔3〕National Instruments.USB-6251 Data Acquisition〔EB/OL〕.（2008.3）.〔2009.12.21〕.www.ni.com/products/.

〔4〕杨乐平，李海涛，杨磊.LaVIEW程序设计与应用〔M〕.北京：电子工业出版社，2007.