基于STM32的钢轨超声无损检测系统设计

邢立国，贾冰倩，刘欣程，齐延兴

基于STM32的钢轨超声无损检测系统设计

邢立国，贾冰倩，刘欣程，齐延兴

（临沂大学 自动化与电气工程学院，山东 临沂 276005）

文章采用超声波无损检测技术设计了一款以STM32微处理器为核心的钢轨缺陷检测系统。针对钢轨的异型结构和检测要求，配备了多通道多角度的探头。系统主要由超声波发射模块和回波接收模块构成。经仿真和实验验证，所设计系统能有效检出钢轨缺陷，满足应用要求。

钢轨；超声波；STM32；无损探伤

1 引言

在铁路运营中，钢轨起着支撑列车的作用。在列车运行过程中，钢轨不断受到摩擦、挤压、弯曲和冲击作用，再加上钢轨内部隐藏的核伤，会导致钢轨突然断裂，可能造成脱轨、倾覆等重大事故的产生。因此，铁路系统要求定期对在役钢轨进行检测，以降低事故发生几率[1-3]。本文针对在役钢轨可能出现的断轨、裂缝、核伤等情况，利用超声波技术设计一款钢轨无损检测系统。

超声波检测是通过电脉冲激发超声换能器晶片，使其发射超声波。定向发射的超声波束在被测工件中传播，遇到缺陷时反射、透射和衰减。利用超声波的反射和透射特性，通过接收回波信号进行伤损评定。

钢轨属于异型结构，需对钢轨的轨头、轨腰、轨底以不同的入射角发射超声波来增大覆盖范围。本设计入射角采用0º、37º和70º配置，以完全覆盖钢轨的检测区域。

2 系统构成

本系统采用超声波检测技术实现对钢轨的无损探伤。系统主要由超声波发射模块、回波接收模块、STM主控模块组成。超声波发射模块主要由激励信号产生电路、放大电路和探头组成。回波接收模块由滤波电路、功率放大电路和A/D转换电路组成。主控模块选用带有12位ADC的32位嵌入式微处理器STM32F103，完成系统控制和数据处理。钢轨超声无损检测系统原理框图如图1所示。

系统工作过程为：STM32产生激励信号，经转换、放大后直接激励超声波换能器，产生所需的超声波。超声波在传播过程中遇到缺陷反射得到回波信号，经信号调理、A/D转换后，由STM32对数据进行分析和处理，最终评定伤损结果并显示。

图1 钢轨超声无损检测原理框图

3 硬件设计

该系统硬件部分主要由STM32主控模块、超声波发射模块、回波接收模块、显示模块、通信模块等组成。现对超声波发射模块和回波接收模块进行分析说明。

3.1 超声波发射模块

超声波发射探头的驱动电路有多种，如储能电感放电法、电容放电法、互补对称结构法、半桥驱动结构法，这些方法大都需要外加超过400V的高压直流电，且电路参数不易调整。本设计采用推挽结构脉冲变压器法驱动探头，该方法最大优点是不需要外加高压直流，其通过一类推挽放大电路，经脉冲变压器产生高压脉冲激励换能器。

超声波在钢轨内传播过程中会产生衰减，为不影响其探伤效果，需要发射电路产生足够高的激励信号以驱动探头[4,5]。脉冲频率信号由STM32的定时器产生，经隔离、功率放大后驱动探头。本设计中，功率放大部分由升压电路完成，其主要功能是将脉冲频率信号进行放大处理。脉冲发射电路如图2所示。

图2 脉冲发射电路

开关管选用的是N沟道增强型MOSFET场效应管IRLU3410，其耐压值达100V，导通电阻约0.1欧，损耗很小，完全满足本系统需要。

3.2 回波接收模块

超声回波信号很微弱，需对回波信号进行滤波、放大，然后进行模数转换。

图3 两级二阶带通滤波器电路

由于超声回波信号幅值小且含有较多噪声信号，需经滤波放大，以提高其信噪比和损伤信号辨识能力。经验证，二阶带通滤波器的品质因数对元件参数误差很敏感，不适于本检测系统。故本设计采用了两级二阶带通滤波器，两级选用相同的放大倍数。该滤波器具有较强的选频特性，能有效滤除噪声干扰信号。两级二阶带通滤波器电路如图3所示。

放大器选用AD625，是一款增益可编程、满电源幅度输出。低价仪表放大器，最大增益可达1000。具有较宽的动态范围、温度稳定性和可靠性、体积小、功耗低。应用电路简单，这里从略。

超声回波信号经滤波、功率放大后，需进行A/D转换。本设计应用STM32自带的12位ADC完成转换。

4 软件设计

钢轨超声无损检测系统软件采用C语言编写，采用模块化程序设计，主要包括主程序、数据转换子程序、数据处理子程、显示子程序、通信程序等。系统主程序流程图如图4所示。

5 结论

经系统仿真和实验验证，所设计的钢轨超声无损检测系统能有效地检测出钢轨存在的表面缺陷和内部核伤，满足现阶段铁路钢轨探伤的要求，具有较高的实用价值和广阔的应用前景。

[1] 赵扬,陈建伟.在役钢轨无损检测技术与系统的应用发展[J].无损检测,2014,36(3):58-64.

[2] 李文超,张丕状.超声波检测钢轨缺陷及定位的研究[J].核电子学与探测技术,2012,32(9):1062-1065.

[3] 戴雨馨,王月明.多探测点超声法在线钢轨检测系统研究[J].制造业自动化,2018,40(3):75-77.

[4] 胡金萍.超声波钢轨探伤仪的研制与开发[D].太原:中北大学,2007.

[5] 严钦男.基于嵌入式的钢轨超声导波无损检测系统[J].湖北科技学院学报,2013,33(9):4-6.

Design of Rail Ultrasonic Nondestructive Testing System Based on STM32

Xing Liguo, Jia Bingqian, Liu Xincheng, Qi Yanxing

( School of Automation and Electrical engineering, Linyi University, Shandong Linyi 276005 )

In this paper, ultrasonic nondestructive testing technology is used to design a rail defect detection system with STM32 microprocessor as the core. Multi-channel multi-Angle probe is provided for the special structure and testing requirement of rail. The system is mainly composed of ultrasonic transmitting module and echo receiving module. The simulation and experimental results show that the system can effectively detect rail defects and meet the application requirements.

Steel rail; Ultrasonic; STM32; Nondestructive test

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.022

U461.99

A

1671-7988(2021)06-71-02

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1671-7988(2021)06-71-02

邢立国，就读于临沂大学自动化与电气工程学院。