（测试计量技术及仪器专业论文）基于fpga和dsp的数字式超声检测系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国铁路高速重载战略的实施，铁路运输速度和能力稳步提升，铁道 机车车辆在肩负着新的历史责任和任务的同时也面临着更加严峻的行车安全考 验。机车车辆零部件性能的稳定是列车安全运行的重要保证，这些零部件在长 期运营的情况下极易出现不同程度的损伤，对铁路安全运输构成威胁，严重时 甚至引起重大的行车事故。因此，采用先进的检测技术和仪器对机车车辆在役 零部件进行及时的检修，对于保证行车安全和铁路发展战略的加速实施具有重 要的现实意义。 论文针对目前铁道机车车辆超声检测领域模拟式检测系统的问题与不足， 提出了一套以f p g a 和d s p 为核心的数字式超声检测系统方案，实现了高频率、 低幅值的超声模拟信号的采集、处理、存储和传输。 论文完成了检测系统的硬件电路设计工作。系统选用高速宽带放大器 a d 8 0 9 9 和a d 6 0 3 对超声回波信号进行了调理，并采用采样频率达4 0 m h z 的8 位高速模数转换器t l c 5 5 4 0 对调理后的信号进行采样量化；系统以f p g a 器件 e p lc 3 t 14 4 c 8 和d s p 器件t m s 3 2 0 f 2 8l2 为控制模块核心，解决了超声回波高 速数据流的处理问题；此外，系统采用u s b 控制器c y 7 c 6 8 0 l3 作为与上位机 通讯的接口完成采集数据的传输。 论文在f p g a 开发软件q u a r t u s l i 中完成了系统逻辑控制和数据缓存等功能 模块的设计和仿真，验证了软件设计的有效性；系统采用c 语言在d s p 集成开 发环境c c s 中完成了系统的采集控制软件开发工作；另外，系统在k e i l 环境 下进行了u s b 固件程序的编写与调试。 论文在完成系统软硬件设计的基础上，在车辆实验室对所设计的数字式超 声检测系统进行了功能测试。测试结果证明，该检测系统能够满足超声检测所 需的高速数据采集、处理和传输的要求，提高了超声检测系统的自动化和智能 化的程度，对于完善和发展超声检测具有很强的理论意义和现实意义。 关键字：车辆零部件检测；数字式超声波检测系统；f p g a ：d s p ；u s b 西南交通大学硕士研究生学位论文第ii 页 a b s t r a c t w i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no fh i g h s p e e da n do v e r l o a ds t r a t e g y ，t h en a t i o n a l t r a n s p o r t a t i o ns p e e d a n dc a p a b i l i t yh a v ei n c r e a s e ds t e a d y l y , a n dt h e r a i l w a y l o c o m o t i v e sv e h i c l e sa r eu n d e r t a k i n gn e wr e s p o n s i b i l i t ya n dm i s s i o n ，a n da tt h e s a m et i m ef a c i n gam o r es e v e r et e s to fd r i v i n gs a f l y t h es t a b i l i t yo fl o c o m o t i v e v e h i c l e k e yp a r t s i sa n i m p o r t a n t g u a r a n t e e f o rt h es a f e o p e r a t i o n o f t r a i n ，h o w e v e r ，t h e s ec o m p o n e n t sw i l ls u f f e rv a r i o u sd a m a g ei nd i f f e r e n td e g r e e ，o r c a u s e as e r i e so fs e r i o u st r a f f i ca c c i d e n tu n d e rt h ec o n d i t i o no fl o n g - t e r mo p e r a t i o n ， w h i c hh a sb e e na g r e a t t h r e a t e nt ot h e t r a n s p o r t a t i o n t h e r e f o r e ，at i m e l y m a i n t e n a n c ef o rt h ei n s e v e rv e h i c l ep a r t sw i t ht h eu s eo fa d v a n c e dd e t e c t i o n t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ti so fi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot h ea s s u r a n c eo f d r i v i n gs a f t ya n dd e v e l o p m e n ts t r a t e g yi m p l e m e n t i o n a i m i n ga tt h ed i s a d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g so fa n a l o gu l t r a s o n i ci n s p e c t i o n e q u i p m e n tc u r r e n t l yu s e di n t h er a i l w a yl o c o m o t i v e sa n dc a rf i e l d ，a d i g i t a l u l t r a s o n i ci n s p e c t i o ns y s t e mb a s e do nf p g aa n dd s pw a sp u tf o r w o r d ，w h i c h e n a b l et h ea c q u s i t i o n ，p r o c e s s i n g ，s t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o no fh i g h - f r e q u e n c y , l o w a m p l i t u d eu l t r a s o n i ca n a l o gs i g n a l t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ed i g i t a li n s p e c t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e d h i g h s p e e d ，w i d eb a n d w i d t hd e v i c e sa d 8 0 9 9a n da d 6 0 3w e r ea d o p t e da s t h es y s t e m a m p l i f i e r ，a n da8 b i ta n a l o g t o d i g i t a lc o n v e n t o rt l c 5 5 4 0w a su s e da st h es y s t e m a d c ，w h o s es a m p l i n gr a t ei su pt o4 0 m h z b e s i d e s ，t h ep r o b l e mo fh i g hs p e e dd a t a f l o wp r o c e s s i n gw a sw e l ls o l v e d ，u s i n gf p g ad e v i c ee p1c 3t14 4 c 8a n dd s p d e v i c et m s 3 2 0 f 2 812a st h ec o r eo fs y s t e mc o n t r o lm o d u l e ；i na d d i t i o n ，t h es y s t e m c h o o s e du s bc o n t r o l l o rd e v i c ec y 7 c 6 8 0l3a st h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e b e t w e e ns y s t e ma n dt h eh o s tc o m p u t e r t h ep a p e rd e s i g n e dt h ef p g as o f t w a r e ，s u c ha st h ef u n c t i o nm o d u l eo fl o g i c c o n t r o la n dd a t ac a c h e ，a sw e l la ss i m u l a t e dt o v e r i f yt h e e f f e c t i v e n e s si n q u a r t u s i i ；b e s i d e s ，t h es y s t e ma c q u s i t i o na n dc o n t r o l s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti s f i n i s h e di nc c sb a s e do ncl a n g u a g e ；a tl a s t ，t h eu s bf i r m w a r ew a sf i n i s h e di n k e i le n v i r o m e n t t h ed i g i t a lu l t r a s o n i ci n s p e c t i o ns y s t e mw a st e s t e di nt h ev e h i c l el a b o r a t o r yo n t h eb a s i so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m p l e t i o n t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h es y s t e m c a nm e e tt h en e e d so ft h eh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o n o fu l t r a s o n i cs i g n a l ，a n dm a d eag r e a ti m p r o v e m e n ti nt h ea s p e c t so f a u t o m a t i o na n d i n t e l l i g e n t ，b e i n go fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h eu l t r a s o n i ci n s p e c t i o nd e v e l o p m e n t b o t hi np r a c t i c ea n dt h e o r y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 k e yw o r d s ：i n s p e c t i o no fv e h i c l ep a r t s ；d i g i t a lu l t r a s o n i ci n s p e c t i o ns y s t e m ； f p g a ；d s p ；u s b 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 查阅了超声检测仪器和方法的国内外研究现状及发展趋势；针对目前铁 道机车车辆领域常用的模拟式超声检测系统的不足提出数字化的改进方案，完 成总体设计。 2 完成了以f p g a 和d s p 为核心的超声检测系统硬件电路各个工作模块的 设计，包括回波信号调理模块、数据采集模块、系统主控模块、以及数据传输 模块。 3 编写了基于v h d l 与c 语言的系统应用软件。应用软件主要完成系统增 益控制、a d 转换、数字信号的采集、存储和传输控制。 4 在实验室完成了超声检测系统软硬件调试；借助信号发生器、示波器和 超声波探头等测试仪器对所设计的数字式超声检测系统进行了功能测试。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名： 智廷 帆。卜，7 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彩使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者虢灰p 醚 日期： 沙cp 弓一( 指导老师签名： 印 同期洳州7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 铁路是我国国民经济和社会发展的大动脉，在我国五大交通运输方式中一 直处于首要地位。近年来，随着高速重载战略的实施和大批客运专线的相继开 通，我国铁路呈现出一个前所未有的发展态势。自2 0 世纪9 0 年代木至今，我 国铁路已经成功进行了6 次提速，提速线路达到16 5 0 0 k m ，3 5 0 k m h 的世界铁 路最高运营速度被誉为“中国速度”。2 0 0 7 年，国产3 0 0 k m h 动车组列车已于 北京奥运会之前在京津城际铁路投入使用；目前，3 8 0 k m h 的动车组已于上海 世博会期间批量下线。铁路运输速度和能力的稳步提升意味着对高速客运以及 重载货运列车提出了更高的要求，铁道机车车辆在肩负着新的历史责任和任务 的同时也面临着更加严峻的行车安全考验。 机车车辆零部件，如轮对、构架、摇枕和侧架等的安全可靠对我国铁路高 速、重载战略的实施具有十分重要的意义。由于运行过程中轮轨间的相互作用 及其设计、制造和检修等多方面的原因，铁道机车车辆零部件在长时间运行的 情况下均会出现不同程度的损伤和裂纹，这些故障有的已经酿成了行车事故， 对铁路运输安全构成威胁，暴露出机车车辆零部件仍存在较多的安全隐患。 l9 9 8 年6 月，从德国慕尼黑开往汉堡的i c e 8 8 4 城际特快列车由于轮箍故 障发生脱轨事故，造成了严重的经济损失和人员伤亡【lj ；2 0 0 9 年4 月，陕西韩 城开往北京西站的l l6 4 次列车由于车钩断裂导致第1 1 至l6 位6 节车厢脱轨， 由于列车行驶速度较低才没有造成严重后果；2 0 0 5 年2 月2 4 日，西安东车辆 段技检31 0 9 0 次4 8 辆编组车，发现机后3 8 位p 6 4 3 4 1 3 7 9 7 八位车轮辐板孔处裂 纹4 9 0 m m ；2 0 0 5 年1 1 月l3 日，榆林车辆段延北列检二班5 道技检2 3 0 0 4 次 2 5 辆编组车，发现机后8 位c 6 2 8 4 6 0 3 3 4 3 二位车轮踏面剥离长度5 2 m m ，轮辋 外侧裂纹3 5 m m 、内测裂纹1 3 5 m m ；2 0 0 5 年7 月1 7 同，郑州北车辆段列检2 7 0 2 0 次5 0 辆编组车，发现机后4 6 位c 6 2 a 4 51 1l0 0 一位摇枕自下排水孔处向立面横 裂纹长2 9 0 m m ；2 0 0 5 年2 月6 同，南昌南车辆段赣东列检所技检4 9 0 l5 次， 发现机后4 0 位p 6 2 n 3 3 1 4 0 7 3 二位车钩钩头裂损长1 1 0 r a m 、开口2 m m ；2 0 0 6 年 3 月2 同，济南西车辆段列检2 6 0 2 2 次6 2 辆编组车，发现机后2 6 位c 6 2 a 4 5 2 6 7 6 2 一位摇枕二位头部裂纹1 0 0 m m ；2 0 0 6 年2 月1 9 同，广州北北列检所技检2 7 0 2 9 次5 l 辆编组车，发现机后1 4 位g 7 0 h 6 4 5 0 0 6 2 二位1 3 号作用式车钩钩腕裂损【2 】。 表1 1 为铁道部运输局装备部2 0 0 6 年完成的全路货车故障发现率分布表， 列检中共发现典型故障2 7 6 5 0 4 件，故障发现率为lo 0 8 件万辆。j 下是由于列 检人员严格执行规章制度对运行车辆进行检修，才使大量故障事件没有造成更 多的重大行车事故。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 表1 12 0 0 6 年全路货车故障发现率分布表 为了准确及时的发现列车零部件的故障隐患，从而保证提速列车运行的安 全与稳定，各国铁路部门采用了大量的高新技术设备对铁路机车车辆进行可靠 而有效的维修。例如，德国高速动车组汉堡动车段的高速列车维修基地配备了 最先进的维修装备，包括具有良好人机工程的架空检修轨道、转向架更换装置 以及现代化的检修过程微机管理与控制系统，有效地提高了检测效率和准确度 【3 】；同本目前共设立了18 个新干线车辆检修基地，每个基地都配备有定期维修、 故障处理和设备清洗等工作台对日常车辆进行检修，在很大程度上杜绝了行车 事故的发生【4 】。由此可见，采用先进而可靠的技术方法和仪器设备对机车车辆 进行检查和维修，以消除铁道机车车辆零部件性能和质量方面潜在的安全隐患， 对于保证机车车辆的安全运营和高速重载战略的加速实施具有重要的意义。 无损检测是一门新兴的综合性应用学科，它在不损坏材料工件或成品的使 用性能的前提条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对声、磁、 光、电、热场等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件和结构件等的内部 和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变 化做出判断和评价”】。随着现代科学技术的发展，无损检测以其精湛的技艺和 坚实的理论基础成为了现代工业生产中质量控制和质量保证的重要方法，在现 代国民经济建设中占有举足轻重的地位。 超声检测是无损检测技术的重要方法之一，超声波在不同性质的介质中传 播时将发生反射、折射和复杂的波型转换，使得超声波能量被吸收和散射，而 被测材料的不连续性或不均匀性信息就己隐藏在超声信号中，检测并分析反射 信号或透射信号即可实现对缺陷的检测，与其它常规无损检测技术相比，超声 检测具有检测对象范围广、灵敏度高、缺陷定位准确等特点，因而在铁道机车 车辆无损检测领域得到广泛应用。 根据我国颁布的超声探头性能测试方法标准( j b t1 0 0 6 2 1 9 9 9 ) ，无损检测 的超声回波频率一般在0 5 m h z 10 m h z 之间，用于铁道机车车辆检测的超声波 探头一般为2 5 m h z 5 m h z 6 | 。由于信号的高频特性，目前铁道机车车辆检修中 广泛采用的模拟式超声检测设备只能对回波的模拟信号进行分析，需要通过有 经验的工作人员根据仪器显示屏上的超声波回波波形进行人工分析才能得出正 确的结论；并且对材料缺陷的判断主要依赖于工作人员的技术水平和经验，具 有很强的主观性和不确定性；此外，按照国际施工检验标准规定，超声检测必 须要有可靠及可信的现场记录，而模拟式仪表无法记录存储包含着缺陷特征的 回波信息，不利于对缺陷进一步分析，给实际超声检测带来了很大的问题和不 便。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 近年来，随着电子技术和计算机技术的发展，超声检测进入了数字化的时 代。数字式超声检测系统具有自动判别、波形数据处理和数据存储的功能，不 但提高了检测结果的有效性，还解决了缺陷记录的问题，具有广阔的研究和应 用背景。 综上所述，现代铁路运输业的高速发展对铁道机车车辆各个零部件的产品 质量和检测效率都提出越来越高的要求，超声无损检测作为铁道机车车辆检修 领域的重要方法在保证零部件性能安全与稳定方面起着重要的作用，然而目前 广泛采用的模拟式超声检测设备已经无法满足快速发展的铁道机车车辆日常检 修要求。因此，研究并设计数字化的超声检测系统，对于拓展超声检测技术在 铁道机车车辆领域中的应用具有很强的现实意义。 1 2 超声检测在轨道交通中的应用 超声检测技术作为一种通用的无损检测方法，自引入铁道机车车辆领域以 来，一直是检测机车车辆零部件的重要手段。经过铁道行业几代无损检测人员 的努力，目前已经形成了一套完整的超声探伤技术理论，并随着实践的深入而 不断地充实与完善，广泛应用于铁道机车车辆各个关键环节的检修中。 1 2 1 机车轮对超声波检测 轮对由车轴和一组车轮组成，它是转向架的关键承载部件，运转时不断承 受着拉压、剪切、弯曲、扭转等复杂应力的作用，经年深同久的长期运行后容 易产生疲劳裂纹；此外，由于车轴属于铸锻件，在制造过程中会存在缺陷，从 而由于应力集中而发生裂纹，直接危及车辆行驶安全。研究表明，机车车轴裂 纹易发生在车轴压装座的一个短距离内，且完全是隐蔽的，在不退轮芯的情况 下，除超声波外没有其他方法具有足够的灵敏度能探测这些裂纹【7j 。 如图1 1 所示为机车车轴超声检测示意图，采用垂直探伤( 图1 1a ) 和斜角 探伤( 图1 1b ) 两种检测方式，可以基本涵盖车轴常见故障分布区，保证车轴检 测的有效性。 机车车轮在小于其断裂应力的外力作用下，在某些宏观缺陷和微观组织不 均匀处形成应力集中，而外力的长期反复作用会导致在这些地方产生局部裂纹， 裂纹扩展后就会造成金属的断裂。目前，国际上多采用三种方法完成车轮探伤， 一是采用表面波对踏面及其近表面缺陷进行探伤；二是采用体波( 包括纵横波) 对轮辋内部缺陷探伤；三是采用板波对幅板进行探伤pj 。 世界许多国家已将超声波应用于轮对的无损探伤，并做出了许多积极地探 索。例如，德国佛朗霍菲协会无损检测研究所经多年努力，成功研制了一套称 为a u r o p a 的车轮踏面裂纹电磁超声( e m a t ) 探伤装置( 如图1 2 所示) ，并在 德国汉堡和西班牙马德卑的机车修理厂投入使用。该装置包括e m a t 探头、探 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 a 垂直探伤 b 斜角探伤 图1 1 车轴超卢检测示意图 f 猫最秸i 图1 2a u r o p a 的车轮踏面探伤装置 伤仪、控制系统、数据采集与分析处理的计算机，是一套全自动的探伤与数据 处理系统。a u r o p a 使用的声脉冲频率为0 4 m h z ，声表面波可沿车轮踏面传 播两周，能探出踏面中10 m m 深、2 0 m m 长的裂纹。较之传统的压电超声设备， 该装置由于采用了e m a t 技术，能够在不需要耦合剂的情况下对表面质量不高 的工件进行有效地探测，适用于车轮在高速运行时进行检测 9 1 0 】。 日本铁道综合技术研究所开发了应用表面s h 波对车轮与车轴配合部位进 行探伤的新型超声波车轴探伤法。通过实心车轴的自动探伤试验，对传统的车 轴探伤法与新的探伤法的工作原理、探伤精度等进行了比较，发现在裂纹反射 波与压装反射波判定困难时，应用手动的表面s h 波探伤法可进行精确检查， 防止了缺陷的误判和漏检】。 我国南宁铁路局柳州机务段为了对东风4 d 型机车车轴进行全面的超声检 测，针对机车车轴的各个应力集中点，在车轴上设计了1 2 处模拟缺陷作为探伤 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的对比缺陷当量，并采用多角度超声波探头对车轴进行全面检测。通过多种类 型和角度的超声检测方法的其同作用，实现了对东风。d 型机车车轴的全面检测 。 我国马鞍山钢铁公司研制的车轮数字化自动超声搽伤系统( 如图1 3 ) ，可 以探测出32 r a m 的平底孔【1 ”。与德国a u r a 自动超声探伤装置相比该探伤 系统在探伤的全面性、声耦合方法及探测盲区方面还有待改进提高。 幽1 3 马鞍山铡铁公司乍轮数字化臼动超卢探伤系统示意瞄 超声相控阵列技术( u l t r a s o n i cp h a s e da r r a yt e c h n o l o g y ) 是近年来超声检测 中的一个新的技术热点 l ”。超声相控阵列技术使用不同形状的多阵元换能器来 产生和接收超声波，通过控制换能器阵列中各阵元发射( 或接收) 脉冲的时自】延 迟改变声波到达( 或柬自) 物体内某点的相位关系实现聚焦点和声束方向的 变化( ”】。与传统超卢检测相比，超声相控阵技术具有可榆测复杂结构件和盲区 位簧缺陷的特点，可实现高速、争方位和多角度检测。德国铁路在2 0 0 0 年与弗 朗霍菲研究所和德国联邦材料检测委员会台作致力于高速列车车轮超声相控 阵列检测系统的研制工作在6 年多的时间里逐步完善了适用于高速列车的车 轮探伤体系( 如图l - 4 ) ，包含用于落轮缺陷检测的a u r a 系统和用于在线动志 检测的u f p e 系统，该系统已应用在德国m u n i c h 、w i t t e n b e r g e 、k r e f e l d 、 k a i s e r s l a u t e r n 等地的车辆厂、轮对检修厂。对保证高速列车轮对的安全起到重 饔作用1 1 6 , 1 7 1 。 a 薄轮缺陷检测的a u r a 系统b 枉线动态检测的u f p e 系统 酗i 4 大型超卢相控阵列捡涮系统 要蜜窑里查兰翌主竺塞兰兰竺堡兰兰! 至 12 2 钢轨超声波检测 列车在牵引和制动过程中会对钢轨造成强烈的摩擦、挤压、拐弯和冲击作 用，在这些应力的反复作用下钢轨极易产生疲劳裂纹。而裂纹一旦产生就会 快速发展，从而造成钢轨故障、甚至折断等重大恶性事故，严重影响了机车车 辆的行车安全。因此，铁路钢轨定期检测对于保证铁路系统的安全运行至关重 要。 目前世界各国在钢轨探伤方面主要采用两种方式，一种是大型超声波轨检 车( 如图1 5 所示) ，另外一种是手推式超声波探伤仪( 如图1 6 所示) 。 图i - 5 大型超卢轨检车 图i - 6 手推式超声波探伤仪 超声波钢轨探伤车是联邦德国k r a u t k r a m e r 公司于1 9 5 6 年试制成功的”。 这种探伤车能够探测钢轨的轨头和轨腰范围内( 包括接头附近) 的疲劳缺陷和焊 接缺陷，还能检测擦伤、轨头压溃、波浪形磨耗，以及轨底锈蚀和月牙掉块。 车辆装有自动记录设备，能把钢轨伤损信号、里程信号和线路特征信号( 桥梁、 隧道、接头、轨枕类别等) 等记录在同一纸带或胶片上。根据记录可分析确定伤 损的大小和在钢轨内的位置，根据连续两次的已录还可确定钢轨伤损的发展速 度和发展规律。 此外，各国还广泛采用人工推进的各种小型和便携式钢轨探伤仪。此类小 型设备可以自定测量里程，并用计算机处理记录得到的探伤信号，有效地降低 了人力资源消耗和检测费用，提高了超声波钢轨探伤的检测速度和效率。 我国钢轨探伤主要是采用从美国进口的4 0 k m h 的探伤车，铁科院金属化 学研究所于2 0 0 1 年自主研发了8 0 k m h 的钢轨探伤车，但由于需要向钢轨顶面 喷水作为耦合剂，探伤速度难以再提高”。 近几年，激光超声作为一种新发展起来的超声技术得到了超声检测研究人 员的关注。激光超声的原理是将强度调制的激光束射入闭合的介质空间时会产 生声波。利用激光脉冲来激发超声脉冲，不仅是非接触的，而且可以重复产生 根窄的超声脉冲，在时问和空间部具有极高的分辨率，适合于超薄材料的检测 tlii叠霎彝 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 和研究。将激光超声探伤应用于钢轨探伤领域，由于不需形成传统的钢轨探伤 车探伤所需的耦合水膜，因而可以克服探伤的速度瓶颈，极大提高探伤效率。 1 2 3 超声检测在铁道机车车辆其他方面的应用 超声检测在铁道机车车辆领域的应用范围很广，不但可以应用于轮对、钢 轨的检测，也可应用于锻件、铸件、焊接件等的检测。例如，目前车辆段广泛 采用磁粉探伤法对货车制动梁端轴探伤，然而磁粉探伤存在一定的盲区，只能 发现制动梁端轴表面的裂纹，而对于端轴的内部裂纹却发现不了，极易形成安 全隐患，影响货车运行安全。沈阳铁路局大连北车辆段采用超声波探伤可有效 地发现隐藏在闸瓦托嵌入部分和端轴内部的裂纹，防止制动梁端轴在运用过程 中折断。经过对现场使用情况的跟踪调查，超声波探伤仪不仅能发现磁粉探伤 可以检测的裂纹，而且还可以发现大约占检修总数1 5 的隐藏裂纹【2 0 1 。 随着检测工艺和技术水平的提高，超声检测范围也由过去的工艺试验逐步 应用于机车车辆所有关键零部件，如焊接构件焊缝、铸钢摇枕、侧架、锻造曲 轴、铸铁制动盘、轴瓦、动车空心轴等 2 。超声检测范围的扩大可及时发现车 辆主要部件内部的裂纹，防止故障配件的装车使用，从而防止和减少了事故的 发生，保证了铁道机车车辆的运输安全。 1 3 超声检测仪器的发展历史和国内外研究现状 1 3 1 超声检测仪器发展历史 前苏联科学家s o k o l o v 于l9 2 9 年首次提出了利用超声波探测物体内部的缺 陷和结构，并成功研制了第一台连续波穿透法超声检测系统。19 31 年，德国人 m u h l h a u s e r 在专利中提出了用双探头超声波系统来探测材料中缺陷的工业应用 方案，这是超声波应用于固体缺陷检测的最早记载 2 2 1 。 上世纪6 0 年代以后，电子设计技术的进步和探头分辨率的提高，为检测系 统的改良和进一步应用打下了基础，使超声检测系统在脉冲发射的性能、放大 器增益、线性度等特性上有较大的改进，极大地提高了超声检测结果的可信性。 前联邦德国的k r a u t k r a m e r 公司于l9 6 4 年成功研制了小型超声检测系统，其主 要性能指标取得了突破性进展，标志着超声检测跨入了近代超声探伤技术阶段 【2 3 】 o 2 0 世纪7 0 年代至9 0 年代是国际超声无损检测技术发展的兴旺时期，计算 机技术的发展和计算机性能价格比的提高，使计算机应用于超声自动检测信号 处理领域成为可能，同时为数字式超声检测系统的研究奠定了基础。数字式超 声检测系统承袭了模拟检测系统的基本模式和功能，同时利用微处理器实现了 缺陷数据的自动读数、自动识别、自动补偿、显示和存储等功能，具有抗干扰 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 能力强、动态范围大、使用方便等特点，不但可以解决缺陷的记录问题，而且 减少了人为误差，提高了探伤结果的可靠性【2 4 1 。德国k r a u t k r a m e r 公司于l9 8 3 年推出了第一台u s d i 型便携式数字式超声检测系统，尽管重量较重、体积较 大，但其自动设置距离波幅校正( d a c ) 曲线、自动判伤、数据存储和打印输出 功能已显示出数字化超声检测系统的强大生命力【2 5 1 。 目前已经诞生的数字化检测系统，其能耗和体积重量不断下降，性能指标 逐步提高，在各种超声检测标准的支持下，已广泛应用于机械、冶金、电力、 铁道、石化、航空、造船、建筑等行业的材料和工件的检测中【l1 1 。 1 3 2 国外研究现状 早期的超声检测系统受电子技术和芯片性能的制约，主要是以模拟式检测 系统为主。模拟式检测系统可以满足简单的超声检测，但是对于日益发展的工 业制造领域，已经越来越无法满足其数字化和自动化的要求。 近年来，计算机软硬件技术、高速数字信号处理技术、虚拟仪器技术的发 展，特别是集成化电路的应用，使超声检测技术在数据处理方法、仪器检测性 能、设备自动化和智能化程度方面均取得了巨大进步，超声检测系统的数字化 逐渐成为超声无损检测技术研究的热点。当前，国际上超声检测系统j 下朝着系 统化、智能化、小型化的方向发展，国外一些生产和研究超声检测仪器的公司 已经在这些方面走在了前列，其中以德国的k r a u t k r a m e r 公司、英国的声纳 ( s o n a t e s t ) 公司、美国的泛美( p a n a m e t r i c s ) 公司和通用( g e ) 公司、加拿 大r d t e c h 公司的产品最具代表性，上述这些公司生产的超声检测系统在数 据采集、分析和成像处理方面的技术水平较高，在世界上处于领先水平。 德国k r a u t k r a m e r 公司生产的u s m 3 5 x d a c 超声波探伤仪，探头频率在 0 2 m h z 2 0 m h z 内连续可调，采样频率高达1 0 0 m h z ，检测精度可至0 5 m m ， 增益范围为0 1 l0 d b ，采用a 扫描方式，并具有彩色显示功能【2 6 1 。 英国的声纳公司研制的s i t e s c a n l 4 0 便携式超声波探伤仪，检测范围为 5 m m 10 0 0 0 m m ，采用单探头或双探头工作模式，增益范围为0 1 l o d b ，且具有 视频和模拟输出以及标准r s 2 3 2 接口【2 川。 美国泛美公司生产的e p o c h 4 便携式超声波探伤仪，装备了可调方波发生 器和负峰激励脉冲发生器后，增强了对材料的穿透能力和系统信噪比，这特别 有利于对困难材料的检测，如金属铸件、大型锻件等。该检测仪测量精度为 l m m ，且含有d a c 校j 下和时间变化增益校正( t v g ) 功能【2 8 1 。 美国通用公司根据多年的超声检测技术和专家经验，研制出名为u s m 的 超声检测仪器，其检测范围为l m m 14 0 16 m m ，探头频率在o 5 m h z 2 0 m h z 内 连续可调，在数据处理方面支持u s b 传输和s d 外部存储。经测试，该仪器能 够在油气、航天、电力等各种苛刻的工况下j 下常工作【2 引。 加拿大r d t e c h 公司生产的t o m o s c a n 超声数据采集、分析和图像处 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 理系统，具有3 2 个通道、采集速率达l2 0 m h z 的1 2 位a d 转换器，还具有实 时信号处理，a 扫描、b 扫描和c 扫描图像显示等功厶匕1 2 , 3 0 】。 目前，国外已将高速a d 技术用于超声波信号的采集，其采样频率可达 10 0 m h z 以上，大容量缓冲技术、信号分析技术和成像处理也达到一定的水平， 有些已可实现检测数据的传送、存储和分析。 此外，国外一些超声检测仪器研发公司还利用计算机技术和控制理论克服 了检测过程中需要耦合剂和换能器接近被检材料这一限制条件，如英国声纳公 司的超声波管道机器人探测器可自动调节位置和角度，使超声波探头始终处于 良好耦合状态；意大利航空公司推出的超声波自动检测装置采用计算机辅助设 计( c a d ) 技术，通过计算机的控制可将换能器置于任意形状结构件需要探测的 位置【3 1 1 。这些仪器的发明和问世扩大了超声检测的应用领域，使超声检测方法 在更多行业得到推广。 1 3 3 国内研究现状 我国5 0 年代初期由长春应用物理所的查天锡、向明等仿制了加拿大生产的 超声波探伤仪，并与上海材料研究所前身综合应用研究所一起在工业生产中推 广超声波探伤技术。6 0 年代，已经先后出现了上海仪器厂、武汉电子仪器厂和 汕头超声波仪器厂等超声波仪器专业生产厂家。在8 0 年代初，国内各生产厂家 研制生产的超声波探伤仪的放大器线性度、动态范围、灵敏度和当量读数精度 等主要技术指标均有大幅度提高，特别值得一提的是，1 9 8 0 年汕头超声仪器厂 推出的c t s 2 2 型超声波探伤仪的主要性能指标与当时国际同类仪器水平相当， 稳定性、可靠性均有很大的提高，深受国内用户好评。l9 8 9 年中科院武汉物理 所武汉科声技术公司成功研制出国内第一台全数字化超声波探伤仪( k sl0 l0 型) ，并于l9 9 0 年批量推向市场；与此同时中科院声学所数字、模拟组合式电 脑超声波探伤仪亦研制成功并推向市场，从而推进了我国新一代数字化超声波 探伤仪的发展p 2 | 。 目前，国内超声波仪器生产厂商主要有汕头超声检测研究所和武汉中科创 新技术公司。汕头超声检测研究所生产的c t s 2 6 a ( 如图1 7 所示) 数字式超声 波检测仪，工作频率达2 0 m h z ，扫描范围在5 m m 5 0 0 0 m m ( 钢纵波) 内连续可 调，采用高亮度示波管，具有宽频带、高灵敏度、高分辨力的优点，是一种多 用途的便携式超声探伤仪，适用于机械制造、航空航天、交通等工业和国防部 门的超声探伤【33 】；武汉中科创新技术公司主要从事数字化超声波探伤仪器设备 的研制、开发和生产，公司生产的早期产品k s l 0 2 0 超声探伤仪采用2 0 m h z 采 样频率，在实际应用中当超声波频率达到2 5 m h z 时，高频回波就有较大的畸 变。为进一步提高仪器性能，满足窄脉冲及高频探伤的需求，公司不断提高采 样频率，形成了不同型号的系列产品，以满足不同用户的要求。目前h s 5l0 ( 如 图1 8 所示) 型便携探伤仪采用8 0 m h z 采样频率，可以满足工业超声波探伤的 要童茎鎏查兰罂主里茎生兰些兰兰兰! ! 要 要求，但还无法存储记录回波波形数据。 痢i l - 、 图l 一7c t s - 2 6 a 1 4 论文研究意义和主要工作 14 1 论文研究意义 铁道机车车辆的快速发展对超声检测系统提出了更新更高的要求，目前广 泛采用的模拟式检测系统由于检测效率低、精度低以及无法存储检测数据的缺 点，已经无法满足现代化的检测需求。随着计算机技术、电子技术的发展和新 材料的不断涌现，模拟式超声检测系统受到了前所未有的挑战。特别是9 0 年代 以来，大量速度高、性能优良、价格低廉的模拟及数字芯片的出现，为超声检 测系统数字化的实现提供了可能，使得超声检测得到了长远的发展。 首先，数字信号处理芯片( d s p ) ，作为一种为达到快速数学运算而特殊设 计的新型微处理器，具有强大的数据处理能力，可对高速a d 采样后的数据流 进行实时处理井分析。d s p 以其快速的指令周期、哈佛结构、流水操作和专用 的乘法器，使之在相同的主频f ，甚至要比目前最先进的个人计算机快1 0 倍 5 0 倍，另外d s p 还同时能肩负以往主c p u 完成的运算和控制功能。d s p 技 术与现代计算机技术的结合将进一步提高系统实时性，在超声无损检测中必将 具有广泛的应用前景【3 s 1 ；现场可编程逻辑阵列( f p g a ) 是一种新型高性能的可 编程逻辑器件f p g a 内部含有丰富的可编程逻辑单元，其器件密度最高可达 数千万门可以完成复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的 高端数字逻辑电路设计领域。这些高性能、低功耗的d s p 和f p g a 芯片的价格 己降到了国内市场可接受的水平，大大降低了超声检测系统的研发成本。 其次，大量高速率、低成本的a d 转换器的出现和普及使得直接射频采样 成为可能。转换速率是数字式超声波检测系统的一项非常关键的指标t 按照奈 奎斯特采样定理，采样频率至少应为信号昂高频率的两倍才能保证原始信号的 再现，在实际超声检测中为了保证缺陷回波信号的有效采集，采样频率至少应 为2 0 m h z 。目前，国外同类仪器的采样频率已经高达5 0 0 m h z ；国内也相继出 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 现了各类数字化超声检测设备，最近几年出现的新一代便携式超声检测系统采 样频率己经提高到了4 0 m h z ，基本可以完成超声回波信号的准确采集。 最后，通用串行总线( u s b ) 的出现和发展，为高速数据流的可靠传输提供 了保证。由于超声波检测中的数据流转换速度快、传输数量大，传统的p c 机 通用接口无论是在通讯速度、容错性、还是稳定性上都有很大的不足。通用串 行总线是一种快速、灵活的总线接口，它支持热插拔，并且所有的配置过程都 由系统自动完成，无需用户干预。最新的u s b 2 0 规范支持最高达4 8 0 m b s 的 传输速率，远高于一般的总线接口，完全可以满足高速数据流的传输。 新技术、新材料、新方法的发展，使得采用数字式超声波探伤设备取代传 统的模拟设备，无论从技术的角度还是从经济的角度看都已成熟。因此，本文 提出了一种以f p g a 技术和d s p 技术为核心的数字式超声检测系统的设计方 案，将d s p 的高效数据处理能力与f p g a 的复杂组合逻辑和时序逻辑控制相结 合，实现了超声波检测所需的高速数据采集；系统以u s b 接口作为通讯的主要 传输通道，实现了回波信号的高速传输。该系统具有采集信号频率范围宽、采 样速度快、数据传输稳定的优点，对于完善和发展超声检测系统具有很强的理 论意义和现实意义。 1 4 2 论文主要工作 本课题的主要目标是结合超声波检测技术、数字信号处理技术和计算机技 术，研究并开发一套数字式超声波检测系统。论文在分析了当前模拟式超声检 测系统的不足和问题后，提出了以f p g a 和d s p 为核心的数字式超声检测系统， 并从硬件和软件方面对该系统进行了详细的论述，最后在实验室利用相关仪器 对系统性能做了测试。此系统不仅保留了模拟式检测系统的优点，并且把数字 技术引入回波处理当中，增加了回波存储，传输等功能，使系统性能提高了一 个层次。 本论文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 查阅了超声检测的技术方法和国内外研究现状、发展趋势；针对模拟式 超声检测系统的不足提出数字化的改进方案。 2 完成了以f p g a 和d s p 为核心的超声检测系统各个工作模块的设计，包 括回波信号调理模块、数据采集模块、控制模块、以及数据传输模块。 3 编写了基于v h d l 与c 语言的系统应用软件。应用软件主要完成系统增 益