（光学工程专业论文）机车车轮在线超声波检测方法研究.pdf

中文摘要 摘要；超声波检测技术在机车车轮的无损探伤方面是比较成熟的技术。但该 技术在涉及到车轮的在线实时探伤时，还仅限于采用超声表面波的探伤方法论 文首先分析了表面波探伤方法的不足，然后提出了一种全新的机车车轮在线探伤 方法。 首先分析多分量探头组阵列机车车轮超声探伤法。该方法利用了车轮平整的 内侧面作为入射面，设计了由五个不同角度的超声波探头组成的探头组。这个探 头组的声场可以覆盖钢轨踏面下一定深度和广度的区域。基本能实现对机车车轮 主要探伤区域的覆盖，克服了表面波探伤深度浅的不足包含9 0 个探头组的探头 组阵列实现了对整个车轮的完全覆盖。 然后分析多分量探头组阵列探伤系统描述了整个探伤流程，分析了探伤系 统的硬件部分和软件部分硬件部分主要对数据采集卡分时采集8 0 个探伤通道的 数据并保证不会漏采做了详细的论述和理论研究软件部分展示了a 扫描和b 扫 描图像界面，并叙述了软件滤波部分的实现过程系统应用部分是利用探测人工 伤和两个不同自然伤得到的结果对系统的探伤效果作了分析 图3 9 幅，表2 个，参考文献2 l 篇 关键词：无损检测超声波在线探伤多角度机车车轮 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t ：u l t r a s o n i ct e s tt e c h n i q u ei sc o m p a r a b l ym a t u r ei nt h ea s p e c to f e n g i n ew h e e l sn o n d e s t r u c t i v et e s t b u tw h e nr e f e r st oo n l i n et e s to f e n g i n ew h e e l s , i ti s l i m i t e di n t h eu s e o f r a y l a i g h 羽h f a w a v e s f i r s to f a l l , p a p e ra n a l y z et h ed i s a d v a n t a g e o f s u r f a c ew a v e st e s t , a n dt h e np r e s e n tab r a n - n e wo n l i n eu l t r a s o n i ct e s tm e t h o do f e n g i n ew h e e l s f i r s t , a n a l y z eu l t z ”o s o n i ct e s tm e t h o do f 锄g i n cw h e e l sw h i c hu 溺d i f f e r e n ta n g l e s p r o b e sg r o u pa r r a y t l l i sm e t h o dt a k e st h es m o o t hi n s i d ep a n eo fe n g i n ew h e e la st h e i n c i d e n tp a n e d e s i g nap r o b eg r o u pw h i c hh a sf i v ep r o b e sw i t hd i f f e r e n ta n g l e s 1 1 砖 s o u n df i e l do ft h i sp r o b eg r o u pc a nc o v e rac e r t a i nd e p t ha n dw i d t ha mb e n e a t ht h e s u r f 弛o fw h e e l b a s i c a l l y , i tc 越a c c o m p l i s ht h ec o v c fo ft h em a i no b j e c tt e s ta 眠 1 1 l i sm e t h o do v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo f s u r f a c ew a v e st e s tt h a tt h es o u n df i e l dd e p t h i st o ol o w 1 1 坞p r o b eg r o u pa r r a yw h i c hh a s9 0p r o b eg r o u p sc a na c c o m p l i s ht h es o u l l d f i e l dc o v e ro f t h ew h o l ew h e e l s e c o n d ，a n a l y z et h et e s ts y s t e mo f p r o b eg r o u pa r r a y d e s c r i b et h ef l o wc h a r to f t h i sm e t h o d , t h e na n a l y z et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es e c t i o no f t h es y s t e m i nt h e h a r d w a r es e c t i o n , d i s c u s sa n dp r o v ei nt h e o r yh o wt h ea dc a r du s et i m e - s h a r em e t h o d t og a t h e rd a t af r o m8 0t e s tc h a n n e l sa n di p _ s t n en om i s so f d a t a i nt h es o f t w a r es e c t i o n , d i s p l a yt h e a - s c a na n db - s c a nw i n d o w , t h e nd i s c u s st h ea c c o m p l i s h m e n to f d i g i t a lf i l t e r s o f t w a r e i nt h es y s t e ma p p l i c a t i o ns e c t i o n , a n a l y z et h ee f f e c to f t h et e s ts y s t e mb y o b s e r v et e s tr e s u l to f m a n u a ld e f e c ta n dt w od i f f e r e n tu n t u r ed e f e c t s 1 娅y ，0 l r d s ：n o n d e s t r u c t i v et e s t ；u l t r a s o n i c ；o n l i n et e s t ；m u l t ia n g l e ；e n g i n e w h e e l ； c l a s s n o ： 致谢 本论文的工作是在我的导师滕永平副教授的悉心指导下完成的，滕永平副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来滕老师对我的关心和指导 潘岳山工程师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向潘老师表示衷心的谢意 王立新对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的 感谢 在实验室工作及撰写论文期间，王科、吴迪等同学对我论文中软件部分的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 1 1超声波车轮探伤概述 1 引言 高温、高压、高速度和高负荷设备的广泛应用对工业用材料( 或构件) 的质 量提出了更高的要求为满足这种需求，对材料进行不改变其形状、不改变其性 能的无损检测势在必行各种产品的技术文件中都有对其使用性能和质量水平的 明确规定，通过无损检测可以对原材料和零部件提供实时的质量控制。并且把无 损检测获得的质量信息反馈到设计和工艺部门，促进产品的设计与制造工艺，从 而提高产品质量、降低成本、提高生产效率。还可以利用无损检测技术对在役的 装置或构件进行检修能及时发现安全运行的隐患，防止事故如对桥梁建筑、铁 路车辆、飞机火箭、压力容器的检测都有很重大的意义。工业无损检测常用的方 法有超声波，磁粉，射线，涡流和渗透等。它们都有各自的优缺点和使用范围， 如磁粉检测。它有很高的检测灵敏度，能检测出微米级宽度的缺陷，能直观的显 示出缺陷的大小、位置、形状和严重程度，重复性好等。但磁粉只能检测铁磁性 材料以及表面、近表面缺陷。所以，在实际的检测中要根据被检测的工件的材料 性质和形状来选择合适的无损检测方法 超声波无损检测的优点是适用范围广，无论是金属、非金属还是复合材料都 可以应用超声波进行检测；对人体及环境无害；设备轻便，可以现场检测。超声 波是一种弹性波【l 肛引它的传播机理是超声波探头产生的高频振动引起接触材料 的振动，根据惠更斯原理，超声波可以在介质中不断向前传播。超声波具有类似 电磁波的性质，如反射，折射和衍射等。超声波检测技术正是利用了它的这些性 质。 对机车车轮的探伤直接影响到了火车的行车安全，因此其重要性是不言而喻 的目前有很多种机车车轮的探伤方法，从最简单的机车维护员的通过敲击车轮 发出的声音判断车轮的好坏，到探伤工利用单通道超声探伤仪对车轮的探伤，再 到现在的大型超声探伤设备的自动化探伤。可以看出，超声探伤朝着自动化、智 能化和简便化的方向发展 4 1 。下文叙述了两种比较典型的车轮在线探伤方法。这两 种方法都是利用超声表面波探伤。但这并不非偶然，是由表面波的优点和机车车 轮探伤的特点决定的。表面波可以沿车轮踏面传播，仅用几个探头就可以覆盖整 个踏面。探伤成本低，且容易实现。车轮探伤表面剥离是一种最为常见缺陷类型， 而表面波可以比较轻松的探测到剥离。因此选用表面波探伤法实现在线实时探伤 是可以理解的这两种方法的不同点是超声表面波的产生方式和探头的摆放位置 不同 1l h ll li i il 图1 1 表面波探头在钢轨中的摆放 p i c t u r e1 1l a y o u to f s u r f a c ew a v ep r o b ei nt h er a i l 1 2表面波探伤方法概述 1 2 1钢轨内置表面波探头车轮探伤法翻 第一种方法是利用传统的压电晶体超声探头产生表面波。两条钢轨按图分别 镶入几个探头，受橡胶弹簧座的支撑，探头突出轨头，当车辆行走，踏面压住探 头，探头受力与弹簧座内的金属片触发极接触，第一对探头的电路接通并开始工 作，随着车轮的不断前进，每条钢轨的内嵌探头按顺序分别得到触发。当第二个 探头触发的同时第一个探头切断这可以保证探头一的信号不会耦合进探头二中。 触发信号由同步电路产生，并同时加至扫描电路，扫描电路受触发开始工作，产 生锯齿波扫描电压。扫描电压加到示波器的水平偏转板上，使电子束发生水平偏 转，在荧光屏上产生一水平扫描线同时，发射电路受触发产生高频窄脉冲，加 到超声探头，激励压电晶片振动，在车轮表面产生表面波。超声波遇到缺陷反射， 返回探头，又被压电晶片转化为电信号由于电信号很弱，接收后要经过放大和 检波再加到示波管的垂直偏转板上，使电子束发生偏转，即得到缺陷波。根据设 置的缺陷当量，判断实际测得伤的大小。选择耦合时，夏季耦合剂为水，冬季耦 合剂为酒精。这种探伤方法的优点是设备安装维护简单通过设计不同指向的表 面波探头组合可以弥补单探头声束宽度窄的不足，而实现对整个车轮表面的覆盖。 缺点是对钢轨的损坏注定其不可能实现高速度下的实时探伤 2 拥麓羹彰 图1 2 利用电磁声探头产生的表面波 p i c t u r e1 2 矾触w a v e g e n e r a t e db ye m a t 图1 3 车轮踏面两个典型的磨损区 p i c t u r e1 3t w ot ) i p i c a la b r a s i o na r e ao nt h es u r f a c eo f w h e e l 图1 4 车载电磁声探头的安装位置 p i c t u r e1 4t h ei n s t a l ll o c a t i o no f e i 气：rc a r r i e db ye n g i n e 1 2 2车载表面波探头车轮探伤法 6 1 第二种方法是利用电磁超声产生表面波【7 】【8 】，如图1 4 整个设备放置在机车车 轮的上部。利用洛仑兹力原理激发的超声波叫做涡流超声。当高频电流流入放在 金属表面的线圈时，在金属表面的趋肤效应会感应出相应的涡流来，此涡流方向 和线圈电流方向相反如同时在金属表面上加上一个磁场，那么涡流在磁场的作 用下会产生了超声波通过改变磁铁、线圈的结构和磁场在线圈中的位置可以得 到不同的波( 包括纵波、横波、表面波等等) ，还可以通过改变激励电信号的频率 改变超声波的传播方向，这样可以实现波的自由选择。电磁超声技术的优点就是 采用不同的磁铁和线圈结构，很方便的激发和接收各种波形的超声波，如图1 2 所 3 示的表面波 当机车行驶超过6 0 t k m 时所有的车轮表面都会出现或多或少的比较明显的磨 损比较典型的是如上图所示的两个区域，距外轮缘3 0 - 6 0 r a m 的区域一表面的磨 损要比8 0 - 9 0 m m 的区域二要磨损的大在早期，表面的磨损只有借助于放大镜或 化学表面处理才能看清楚。在区域一中有横向的小裂纹，区域二中没有带有明显 趋向性的裂纹。当行驶超过3 6 0 t k m 时，出现裂纹的区域的宽度加倍，裂纹用肉眼 也是可见的。超过4 8 0 t k m 时，一些车轮上的裂纹已经达到了判伤的标准。如上图， 在车轮上放置的电磁声多通道探伤装置有3 个换能器被放置在距外轮缘1 0 m m ， 4 7 m m 和8 5 r a m 处车轮行驶2 4 0 - 3 6 0 t k m 后传感器表现出很高的噪音水平，这是 一种产生磨损的表现。3 6 0 - 4 8 0 t k m 之后，很高的噪声和单峰伤波被检测到 1 3表面波探伤的不足 由表面波的性质可知，裂纹的深度不太影响反射波的高度，因此反射波高不 可做为判伤的准确标准。当裂纹深度小于一个波长时，可以得到非常强烈的发射， 但深度增加衰减增大因此，表面波探伤法只能探测近表面一个波长左右深的裂 纹电磁超声转化效率较低，在b = l k g ( 即0 1 t ) 时，约为0 1 唧。虽然它是非 接触式的检测，可以不受耦合的约束但其检测灵敏度随换能器与表面距离6 增大 而迅速降低，通常距离6 不宜超过1 m m 据上所述，两种方法在探伤范围方面都 存在不可克服的局限性由此，本文要介绍一种有着较大探伤范围的新探伤方法。 4 2 多分量阵列探头车轮超声探伤方法 在超声探伤方法中，探头是非常重要的一环。选用和制作何种探头，应根据 特定的探伤目的和方法，所探工件的性质以及耦合方法决定探头的各种参数与 探伤方法的适合与否直接影响探伤的成败 本章主要介绍用于本系统的多分量探头的类型、结构特点、设计方法、性能特 点和使用方法同时，对探头的主要性能参数进行了分析和测试 2 1车轮中缺陷的种类 在役机车整体车轮中存在的缺陷主要有冶金缺陷和疲劳缺陷两大类冶金缺 陷是车轮在冶金、生产加工过程中产生的缺陷，其方向性不太明显，一般沿碾压 方向延伸；疲劳缺陷是在使用过程中发生的缺陷，轮对在高速运行过程中，承受 各种周期性载荷的作用，踏面产生热裂纹、剥离、掉块等故障愈来愈多，其发展 规律一般先沿着圆周方向发展，然后再折向径向( 也有直接沿径向发展的) ，缺陷发 展速率将大大加快因此，及时检测出这些缺陷，提高轮对质量显得尤为重要。 冶金缺陷( 新制轮箍、车轮) 的探伤方法在部( 1 9 9 8 ) 6 4 号文关于进口轮箍( 车轮) 超声 波探伤及，m t2 9 9 5 - - 2 0 0 0 中已有明确规定 2 2车轮缺陷出现的主要区域 目前我国机车轮对的基本尺寸为：内 电力机车( 内径5 5 0 m m 外径6 2 5 m m ) ：尝雅；慧 缺陷在车轮中出现位置的统计，结果表明缺陷出现的主要区域是距踏面2 5 r a m 和 距内车轮面5 0 - 1 0 0 r a m 的范围内如图1 所示的黑色区域这一区域也将是我们探 伤的重点区域。因此探头设计时要考虑到覆盖这些区域 5 j e 立銮亟太堂亟堂丝监塞 簋三童多赴量眭到握甚主轮超直盥伍左篷 图2 1 车轮探伤主要区域 p i c t u r e2 1t h em a i na r e ao f w h e e lt e s t 2 3多分量探头组设计 为了克服表面波探伤方法探测区域小的不足，我们选择普通的纵波、横波探 头。虽然纵波、横波在车轮中也会有不同程度的衰减，但在保证一定的探伤灵敏 度的前提下这些衰减足可以接受的。选择车轮内侧丽作为超声波探头与车轮的接 触面。这样选择的原因足车轮的内侧面是整个车轮制造过程的基准面。一个标准 的平丽i 是探伤所需要的，这个基准将来也足伤波定位的一个基准。对上述区域最 简单的覆盖方法是利用多个直探头。但这种方法是存在很大弊端的。在这种情况 下，直探头只对单一方向的缺陷敏感，很多不同取向且比较大的缺陷产生的伤波 却比较小。因此，这种探头组合的选择会使后期的判伤工作带来不必要的误判。 我们选择直探头和横波探头组合来实现对踏面的超声波覆盖。这种超声波指向性 的多样性可以弥补超声波单一方向敏感的不足。为了充分利用探头有限的探伤宽 度，选择横波探头的声柬以一个很大角度斜入射到踏面内侧面上。如图2 2 所示， 通过探头的组合可以覆盖踏面上较大区域。 图22 探头盒组合探头的覆盖区域 p i c t u r e2 2t h eg o v e fa r e ao f p r o b e sc o m b i n a t i o n 每组探头共有五个探头。这五个探头中有一个直探头、四个斜探头，并且探 头角度各不相同。目的足扫查车轮内部不同的位置。如图2 3 示，其中两个斜探头 1 、2 主要用于探测远近踏而附近的缺陷：另外两个斜探头4 、5 用于探测踏面以上 到车轮外侧面的区域；直探头的作用一方面足探伤，另一方面是用来临视探头和 车轮的耦合程度。每一组探头置于一个探头盒中。探头盒中_ 自一m 水孔，从叶1 喷 出的水在探头盒和车轮内侧面之间形成水膜由此，构成水膜法探伤水膜法可 以为这种动态车轮探伤提供稳定的耦合水膜法的关键在于探头盒和车轮内侧面 在运动过程中的紧密接触。我们采取了三个措施：第一，在探头盒的不同位置安有 磁钢，保证车轮通过时探头盒自动吸附在车轮内侧面；第二，如图2 1 1 起落架和 安放探头盒的探头架之间有弹簧，即探头架相对于起落架是可以横向活动的。第 三、探头盒内部与探头架之间也有两个弹簧，即探头盒相对于探头架是活动的。 这一紧两松，可以保证在车轮左右上下晃动的过程中探头盒可以紧贴车轮内侧同 时不会造成机械装置和探头的损坏因此，在磁钢和弹簧的共同作用下列车行进 间探头盒与机车车轮的紧密接触保证了水膜的稳定存在 图2 3 探头盒内部构造图 p i c t u r e2 3t h ei n s i d es 仃u c t u r eo f p r o b eb o x 2 4 探头实验参数 本项目采用探头的参数为： 1 、压电陶瓷材料： 2 、压电陶瓷中超声波的纵波速度： 3 、压电陶瓷频率f 4 、压电陶瓷厚度d ： 5 、压电陶瓷直探头尺寸( 删n ) ： 6 、压电陶瓷斜探头尺寸( m m ) ： 7 、背衬钨粉的声阻抗z i ： 7 p c t - 5 a = - 4 1 0 0 m $ e 2 5 m h z d f f i c y 2 f = 0 8 m m d 0 1 5 l h = 1 4 x 1 0 z l = 1 0 4 x 1 0 5 培m 2 j 8 、压电陶瓷的声阻抗z o z z o = 1 5 2 x i o s 堙m 2 j 9 、有机玻璃的声阻z 2 ：z 2 = 3 2 x 1 0 5 k g m 2 j 1 0 、压电陶瓷和背衬界面的声压透射率d l 和声压反射率墨【1 m ： 玛= 糍= 黼= - 1 8 8 1 1521 1 z + z 0 4 + ( 2 ) 皿：粤；垒黑：8 1 2 ( 2 2 ) z i + z 1 0 4 + 1 5 2 、7 1 1 、压电陶瓷和有机玻璃的界面的声压透射率d 2 和声压反射率是： d 2 。冬，要羔。4 1 ( 2 3 ) z ，+ z n3 2 + 1 5 2 、7 r ：z ，2 - z ，o ；3 2 - 1 5 2 ；9 5 9 ( 2 4 ) z ，+ z 、3 2 + 1 5 2 1。 从上述公式和图2 4 可以看出，压电陶瓷和背衬的界面利于超声波的透射不利 于反射，而压电陶瓷和有机玻璃的界面对超声波的作用恰恰相反。正是利用两个 界面对超声波的不同作用使脉冲超声波保证单脉冲波段发射，而不至于在压电陶 瓷内连续反射和透射输出。 1 2 、激发脉冲宽度：是根据探伤用探头的频率选择的由超声板卡激发的脉冲 的时间宽度，它是探头频率的倒数。 绺糊趱 置埘 艨 量枷 电 背村 辩脊枫玻璃 瓷 图2 4 探头结构简化图 p i c t u r e2 4t h ep r e d i g e s to f p r o b es t r u c t u r e 1 3 ，超声波探头的声程； 8 图2 5 探头组声场分布图( 一) p i c t u r e2 5t h ed i s t r i b u t i o no f p r o b eg r o u ps o u n df i e l d ( 1 ) k ，竖一一- i ： 一下 i r 备i 一一土霉l i 兰 ii 1 一一 图2 6 探头组声场分布图( 二) p i c t u r e2 6t h ed i s t r i b u t i o no f p r o b eg r o u ps o u n df i e l d ( 2 ) 指向踏面的探头a ( k 1 5 ) 的声程为9 3 5 6 m m ，指向踏面的探头b ( k 1 1 ) 的声程 为1 5 5 5 0 m m 。并且探头a 的声柬边沿要与探头b 的主声束方向重合，这可以保 证探头a 、b 之间没有盲区。 类似的，探头b 的声束边沿与下一组探头的探头a 的主声束方向重合，这可 以保证两组探头之间没有盲区这样，探头a 、b 和直探头共同保证了对整个踏面 的声束覆盖。探头0 0 1 ) 声程为1 9 7 9 6 m m ，探头e ( k 1 ) 的声程为1 9 7 9 6 m m 。同 样，探头d 、e 之间也要遵循这个原则，保证两探头和相邻组探头问没有盲区。 9 1 4 、超声波探头的灵敏度： 图2 7 探头k i 5 灵敏度余量测试结果 p i c t u r e2 7t h et e s tr e s u l to f p r o b ek 1 5 s e n s i t i v i t y 图2 8 探头k 1 1 灵敏度余量测试结果 p i c t u r e 2 8 t h e t e s t r e s u l t o f p r o b e k l 1 s e n s i t i v i t y 图2 9 探头k 1 灵敏度余量测试结果1 p i c t u r e2 9t h ef i r s tt e s tr e s u l to f p r o b ek 1 s e m i t i v i 够 1 0 图2 1 0 探头k 1 灵敏度余量测试结果2 p i e t u r e2 1 0t h es e c o n dt e s tr e s u l to f p r o b ek i s e n s i t i v i t y 图2 1 1 直探头灵敏度余量测试结果 p i c t u r e2 1 1t h et e s tr e s u l to f m o r m a lp r o b e s e n s i t i v i t y 1 5 、探头的半扩散角： 直探头半扩散角： 护甜学= s i n - l ( 塑等氅矾4 s 。 斜探头半扩散角： 斜探头的矩形晶片的长为：1 7 - 1 4 斜探头的矩形晶片的宽为：w = 1 0 ；s i n 一逸：s i n i 坐：6 5 6 0 。 1 4 g = s i n t ：s i n l 垡：9 2 1 。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 2 5多分量探头组阵列 单组探头不能完成对整个车轮的声场覆盖，必须使用探头组阵列来实现对车 轮的分割覆盖。如图2 1 2 所示，探头组阵列排列在钢轨内侧的探头架上。探头架 固定于起落架上一同放置在钢轨内侧的地沟内，并且可以自动升降其目的是在 不探伤时，探头架下降到地沟中以减少车轮对探头盒的磨损，增加其使用寿命。 每个探头盒的长度是8 8 r a m , 两边各有4 5 个探头盒因此，每侧探头盒的总长度为 3 9 6 0 m m ，所有型号的机车车轮周长都小于此长度。这是保证在探伤中不会出现漏 探的一个很重要的因素其次就是要保证两个探头盒之间不会出现盲区，也就是 每个探头盒的独立的横向探测区域不小于8 8 r a m 这是探头组设计的一个标准， 因此在选择探头晶片大小时应考虑到探头声束方向性和宽度两方面的要求。 图2 1 2 探头盒安装图 p i c t u r e 2 1 2 t h e i n s t a l l a t i o n o f p r o b e b o x s 2 6探头盒分组及探头并联方式 探头盒阵列包含的9 0 个探头盒被分为1 6 组，每组有4 6 个探头盒。每组中同 样的探头并联在一起，接收到的信号送到同一个探伤通道。所以本课题要用支持 1 6 x5 = 8 0 个探伤通道的探伤仪。要注意的一点就是在将六个同样的探头并联在一 起时，其总体的探伤灵敏度相对于单个探头必然要降低很多如图2 1 3 。这对超声 探伤是很不利的，要保证足够的灵敏度余量就要对六个探头进行匹配。实验结果 1 2 表明匹配后整体探头的灵敏度和单个探头相比变化不大，如图2 1 4 - 图2 1 7 以下 数据说明匹配措施达到了预期的目标。 图2 1 3k 1 5 探头未匹配线圈并联灵敏度变化 p i c t u r e2 1 3t h es e n s i t i v i t yo f p a r a l l e lc o n n e c t i o nk 1 5p r o b e sw i t h o u tm a t c h i n g l o o p 图2 1 4k i 5 探头匹配线圈后并联灵敏度变化 p i c t u r o2 1 4t h es e n s i t i v i t yo f p a r a u e lc o n n e c t i o nk 1 5p r o b e sm a t c h i n gl o 叩 图2 1 5k 1 1 探头匹配线圈后并联灵敏度变化 p i c t u r e2 1 5t h es e n s i t i v i t yo f p a r a l l e lc o n n e c t i o nk 1 1p r o b e sm a t c h i n gl o o p 1 3 图2 1 6k l 探头匹配线圈后并联灵敏度变化 p i c t u r e2 1 6t h es e n s i t i v i t yo f p a r a l l e lc o n n e c t i o nk 1p r o b e sm a t c h i n gl o o p 图2 1 7 直探头匹配线圈后并联灵敏度变化 p i c t u r e2 1 3t h es e n s i t i v i t yo f p a r a l l e lc o n n e c t i o nm o r m a lp r o b e sm a t c h i n gl o o p 1 4 3 多分量阵列探头探伤系统 多分量阵列探头探伤系统包括了上一章提到的探头组阵列、用于超声信号的 激发和接收的硬件部分和用于人机交换的探伤软件部分。 3 1探伤系统结构 图3 1 探伤流程图 p i c t u r e3 1f l o wc h a r to f t e s t 图3 2 探头阵列和传感器位置图 p i c t u r e3 2l o c a t i o no f p r o b e a r r a ya n ds e l l , o r 图3 1 是多分量阵列探头探伤系统运转的流程图【“挖1 如图3 2 所示，机车车 轮首先触发钢轨边的传感器l ，探头架升起、水泵开启、提供耦合。之后车轮触发 传感器2 和传感器3 。这两个传感器的信号传到主机后，探伤软件根据两信号的时 间差和设定的两传感器之问的距离求出机车通过时的速度。接着机车车轮通过探 头架的引导部分和探头盒阵列，同时探伤软件会控制探伤机内的超声板卡激发和 接收超声波当车轮到达超声波探头阵列之后的传感器后水泵关闭，探头架下落。 由探头接收的信号首先传到探伤机的超声板卡随后传到数据采集卡。信号经过a d 转换和采样后传到的主机。在主机中数据经过数字图像处理后形成a 扫描，滤波 后形成b 扫描。 3 2 探伤系统的硬件部分 探伤系统的硬件部分包括探头架、探头数据传输线、水泵、耦合剂池、超声 板卡、数据采集卡，可编程控制器、工业用机 3 2 1探头架安装 探头架由四个电机带动从地沟内升起，并由限位开关控制探头架升起的高度。 由于受到机车最前端的扫石器高度的限制，探头盒的高度被限定在其上表面距钢 轨面2 4 6 m 处探头盒内侧面距离钢轨轨头表面外沿水平距离是2 8 c m 。车轮在通 过探头架时先通过探头架的楔形传导部分，该部分可起到缓冲车轮对探头架和探 头盒的挤压以防止其发生形变的作用。传导部分的末端是和钢轨平行的，但其和 轨头的距离要小于探头盒和轨头的距离。距离差与探头盒在与钢轨垂直的方向上 的活动余量有关车轮的弧形轮缘在车轮与探头盒高速接触时也起到了缓冲作用 3 2 2超声板卡 探伤机内有四块p c i 接口超声板卡，每块板卡支持2 0 个探伤通道。各个通道 独立实现超声波探头的激发和数据的接收。 3 2 3数据采集卡选取 超声波缺陷信号时基时间宽度一般为0 6 - 2 0 脚，上升沿时间为1 0 - 4 0 n s ，为 了获得不失真的缺陷波采样信号，采样频率应大于2 倍激励换能器的频率。以 2 5 m h z 探头为例，一个高频周期为4 0 0 n s ，则激励2 5 m h z 换能器前沿应小于 l o o n s ，而一些频带较宽的探伤仪前沿时间已小于1 0 n s ，在这样窄脉冲宽度下工作， 采样频率应大于5 m h z ，如缺陷波信号持续时间为1 脚，则至少在一个缺陷波信 号时问内采样5 以上。但是实际上要高于激励频率l o 倍及以上，才能保证采样波 形不畸变，不丢失峰值，即2 5 m h z 采样，即使这样也难保证峰值点不漏。由于过 高的数据采集将极大提高仪器的成本，促使许多新办法的出现，如：峰值保持器、 圈波检波后采集、随机采样保持值等都是确保峰值不漏，降低采样率的。本实验 1 6 采用8 0 m h z 数据采集卡以超声缺陷回波上升沿1 0 0 n s 为例，假定回波峰是近似 直角三角波，按8 0 m 采样频率计算，图3 3 左右两种采集方式峰值点误差为1 2 5 船， 即1 2 5 1 0 0 = 1 2 5 波幅差，按分贝计算2 0 1 9 0 0 0 8 7 5 ) - - 1 2 d b 差因此数据信号 采集速度及峰值采集点直接影响了超声波探伤仪的垂直线性，是数字化超声技术 一项重要指标 图3 3 包含峰值的采样( 左) 和不包含峰值的采样( 右) p i c t u r e3 3s a m p l i n gw i t hp e a kv a l u e ( 1 e 彤a n ds a m p l i n gw i t h o u tp e a kv a l u e ( r i g h t ) 超声波探伤仪的发射电路产生高压( 负) 脉冲，激励超声波换能器产生高频振 荡，从而形成脉冲超声波，这种脉冲超声波信号经放大处理后，形成相当复杂的 检波脉冲信号由于接收的电信号非常微弱，通常只有数百微伏至数伏，而示波 管全调制所需电压要几百伏，所以接收电路必须具有约1 0 5 的放大能力c r p l 0 0 d b ) 这种工作原理，使得模拟电路处理只能简单进行一些时域分析，而数字电路处理 就能进行频域、能量及相关数据等复杂过程视频放大器在数字化处理上己被高 速a d 卡取代当数字化数据存储之后，就可以利用数字信号处理技术实现对数据 的识别、滤波、时频分析、检测、调制、解调、均衡等其目的都是为了滤除信 号的背景噪声干扰，削弱信号中的多余信息量，便于估计信号的特征参数，或交 换成易分析及易识别的形式 3 2 4数据采集时序控制 超声波在车轮中传播的最长时间为：t ，超声波探头的横向长度为：d ，车轮 的速度为：v 。满足下列关系：v = d t 。探头长度和超声波传播时间可以决定车速 的最大值。即当t 为一次回波的时间，d 为五探头中横向长度最小值时，车速为最 大。如果d = 1 0 m m ，t = 0 1 2 2 2 m s , v = 8 1 8 3 3 m s ，v = 2 9 4 k m h 理论上是能够满足实时 检测的。当然，车速还受到耦合情况和采集次数限制的影响。但本课题要求的3 k m h 是可以满足的。 1 7 当车速不超过3 k m h 时，车轮经过探头的时间是1 2 m s 。每个通道的超声波板 卡的探头激发间隔是4 5 m s 超声波在车轮中传播的最长时间是t = 0 1 2 2 2 m s 。 由于在通过探头阵列的这段时间内，车轮速度不能精确的测量这能通过探 头阵列前测速传感器测得的速度来估计车轮通过探头阵列的平均速度但由于在 3 k m h 时车轮通过4 m 的探头阵列只需要5 s 的时间在这么短的时间内速度不会 有太大起伏。即使起伏比较大，通过实现以下环节也不会出现漏采数据的现象。 如前所述，探头阵列左右各有8 组探头选取相邻的两组探头轮转激发。如 首先第l 、2 组内探头激发，之后第2 、3 组内探头激发，接着第3 、4 组内探头激 发，以此类推。每两组探头中，左右共有2 ( 组数) 2 ( 左右) + 5 ( 探头种类) = 2 0 个探头。要求在激发的同时开始采集数据不同探头间的激发间隔为0 2 m s ，这个 时间大于最长的超声波传播时间t = 0 1 2 2 2 m 摄。即保证所有超声回波数据都会被采 集。第一次轮转的时问间隔为2 0 * 0 2 = 4 m s ，该时间小于同种探头的激发问隔4 5 m s 第二次轮转在4 5 m s 时开始，4 5 + 4 = 8 5 m s 。该时间小于车轮通过探头的时间1 2 m s ， 至少可以保证1 2 m s 内两次激发同一个探头 3 3探伤系统的软件部分 探伤系统的软件部分包括控制参数设置部分、a 扫描显示部分、b 扫描显示部 分、b 扫描滤波部分。 3 3 1控制参数设置部分 图3 4 探头参数和安装参数设置 p i c t u r e3 at h es e t t i n go f p r o b ep a r a m e t e ra n di n s t a l l a t i o np a r a m e t e r 控制参数设置部分有两种实现方式，一种是利用探伤界面的按钮，另一种是 菜单部分弹出的对话框。控制参数有五种探头的灵敏度参数、各探伤通道的闸门 调节参数、通道选择参数、激发脉冲参数、主机与探伤机连接控制参数、显示模 式参数、a 扫描b 扫描转换参数。 3 3 2a 扫描显示部分 图3 5a 扫描显示界面 p i c t u r e3 5t h ed i s p l a yw i n d o wo f a - s c a n 3 3 3b 扫描显示部分【1 3 】 1 9 图3 6b 扫描显示界面 p i c t u r e3 6t h ed i s p l a yw i n d o wo f b - s c a n 3 3 4滤波部分和源代码 3 3 4 1 数据结构【1 4 1 成像软件集数据接收、a 扫描图像动态更新、闸门选择和设置、b 扫描显示与 滤波设置为一体。其中涉及到的参数必须能够实时的更改和保存。为了充分利用 和组织数据，将探伤软件所用到的各种控件参数都放在一个结构体内， t y p e d e f s t r u c t ( b y t e f g ； c h a r g r o u p ； f | 分 霾 c h a r c h a n n e l ； 通道 c h a r g a t e ； 闸门 c h a r s a m p l e _ d e l a y ；, c h a r r a t e ； c h a r c h r i s ； c h a r p u l s e _ w i d t h ； c h a r t i m e o u t ； ) p a r a m e t e r _ w o r d s ；( 3 1 ) 这样在使用软件的过程中对界面的任何控件的值的修改都会保存在这一结构 体内。这一结构体保存在一个后缀为b a t 的文件中。此文件中紧跟该结构体保存的 是探伤结果b 扫描数据。该数据保存在一个多维数组中 c h a rb d a t a 1 2 1 1 8 1 1 0 11 4 5 ； ，【轮对号】【位置组号】 探头号】【序号】 数据】 这个名为b d a t a 的五维数组的每一维代表数据的一种性质，如第一维代表轮对 号，第二维代表探头组阵列的序号共有八组，第三维代表每组中的探头号共有l o 个并分成左右两部分，第四维是b 扫描界面上图形的行号，第五维是b 扫描界面 上图形的列号这一数据在列车完全通过探头阵列后通过前端机传到主机，并紧 跟p a r a m e t e rw o r d s 数据后保存在b a t 文件中。因此在读数据时要注意到数 据的存储顺序下文主要介绍探伤软件滤波部分的实现。 3 3 4 2 数据读取 图3 7 数据打开页面 p i c t u r e3 7w i n d o wt oo p e nt h ed a t a 这一功能是通过重载m f c 中的消息函数o 】 1 f i l e o l p 印0 实现的【l 5 】【1 6 】【1 7 1 8 1 9 。 该函数响应鼠标左键单击界面菜单栏中的打开文件按键这一消息。其代码为： c h a rr af i l e n a m e 8 0 ； c f i l e d i a l o gf i l e b o x ( t r u e , * d a r ”，”0 6 6 - 4 , o f nh i d e r e a d o n l y i o f no v e r w r i t e p r o m p t , ”i m a g e ( + d a t ) i * d a t i a uf i l e s ( + + ) 一+ n n u l l ) ； i f ( f i l e b o x d o m o d a l 0 = = i d o k ) p a r a m e t e rw o r d s m y p m a ； f i l e + f p ； s 唧y 0 b l 跗l e ，矗1 曲o x o e t p a m n a m e o ) ； i f ( ( f p = f o p e n ( m _ f i l e m a m e , ”r b ”) ) ! 一n l 1 ) f r c a d ( & m y p a r a , s i z e o f ( p a r a m e t e r _ w o r d s ) ，1 ，助； f r e a d ( & mn m x n u m e o o 0 ，s i z e o f ( m _ m a x n u m ) ，1 ，而”； f r e a d ( & b d a t a o 】【o 】【o 】【o 】 o 】，s i z e o f ( b d a t a ) ，1 ，审) ； f c l o s e ( f p ) ； i n v a l i d a t e 0 ； ( 3 2 ) 图3 8 软件滤波部分界面 p i c t u r e3 8s o f t w a r ew i n d o wo f f i l t e r $ a 2 t i o n 3 3 4 3b 扫描图像显示 显示部分是在o n d r a w ( c d c * p d c ) f i 数q a 实现的，原因是界面的每一次重绘 都会调用v i e w 类中的o n d r a w 函数。主要是用一个四层循环体将五维数组中的数 据有序的在界面上输出。输出过程包含一个将数组值转化为图像灰度值的过程。 主要代码是 f o