（车辆工程专业论文）提速机车轮对超声波探伤技术的研究.pdf

摘要 摘要 当前，国内提速机车轮对的探伤，主要采用手工超声波探伤的方式，这种 方式只能探测轮对的部分区域，而且效率低、误判率较高。 本论文提出了一种新的探伤方案，采用在车轴轴端布置小角度探头并把探 头装在可高精度调节探头倾角的探头盒内的方式探测车轴轴身区域，在车轴轴 颈、车轮踏面和轮缘布置不同角度探头对机车轮对其他区域进行探伤，并研究 设计了自动化探伤设备。该设备采用基于p c i 总线的硬件平台和w i n d o w s2 0 0 0 操作系统采集超声回波信号，并对信号进行处理和显示，自动判伤、自动报警， 对探伤结果进行数据库管理。其中信号采集和处理模块采用板载f i f o 的高性 能采集卡，成功解决了w i n d o w s2 0 0 0 环境下的信号采集的实时响应问题。 最后，制作了d f l i g 车轴实物试块，并以此试块对系统探伤能力进行验证。 实验证明，系统在动态、多通道同时工作的情况下，具有很高的缺陷识别能力 和系统稳定性。 关键词：机车轮对，超声波探伤，信号采集和处理 摘要 a b s t r a c t p r e s e n t l y , i no u rc o u n t r yw em a i n l ya p p l yt h em a n u a lu l t r a s o n i ct od e t e c tt h e l o c o m o t i v ew h e e l s e t s b yt h i sw a yw e c a l lp r e d i c tt h er e m a n e n tl i f eo f t h ew h e e l s e t t oad e g r e e b u ti tc a l ln o td e t e c tt h ew h o l eb o a yo f t h ew h e e l s e t ，t h ep r o c e s so f d e t e c t i n gm a i n l y d e p e n d so nt h eo p e r a t o r s e x p e r i e n c e ，m a n ye r r o r sa r e m a d e t h i sp a p e rp r e s e n t san e wu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o nm e t h o df o rt h el o c o m o t i v e w h e e l s e t s t h em e t h o dc a nd e t e c tt h ew h o l eb o d yo f w h e e l s e t st h r o u g ht h es p e c i a l c o n t a i n e rw i t ht h ep r o b e s ，t h ec o n t a i n e rc a nh i g hp r e c i s e l ya d j u s tt h es l a n ta n g l eo f t h ep r o b e s b a s e do nt h em e t h o dw ed e v i s et h ec o r r e s p o n d i n ga u t o m a t i cu l t r a s o n i c f l a wd e t e c t o r t h ed e v i c ea q u r i e s 、p r o c e s s e sa n ds h o w st h eu l t r a s o n i cs i g n a l t h r o u g ht h ed i g i t a ls i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s su n i tb a s e do np c ih a r d w a r ea n d w i n d o w s2 0 0 0s o f t w a r ep l a t f o r m i tc a r la u t o m a t i c l yf l n i s ht h ew h o l ed e t e c t i n g p r o c e s sc o n t r o l l e db yi p ca n dm a n a g e t h er e s u l t sw i t hd a t a b a s e w h r 0 1 曲t h ed a q c a r d 、 ，i t lf i f ow eg e tt h er e a lt i m er e s p o n s ei nw i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e m a tl a s t ，w em a k ef a u l t si nt h et h ea x l eo f d f l l gt h r o u g hs p a r km a c h i n i n ga n d c a r r yo u te x p e r i m e n t a t i o n st ot e s tt h ed e t e c t o r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a s s t r o n gd e t e c t i n gf a u l t sa b i l i t ya n dc a ns t a b l yw o r ku n d e rd y n a m i ct e s ta n da l lc h a n n e l sw o r k i n gt o g e t h e r k e yw o r d s ：l o c o m o t i v ew h e e l s e t s ，u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o n ，s i g n a la c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i l 第1 章前言 第1 章前言 1 1 选题背景及意义 近年来我国铁路实行跨越式发展，先后进行了五次提速，列车时速达到了1 6 0 公里，明年还将实行第六次大提速届时旅客列车的运行速度部分路段将增至列车 电气化改造完成后的2 0 0 公里。列车运行速度的提高，迫切要求铁路机务部门采取 相应的措施对提速机车关键部件进行定期检修，消除事故隐患，以保证提速机车 的运行安全。 无损检测技术是铁路机务部门常用的检修手段。无损检测技术 ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g 简称n d t ) 是指在不破坏被检测材料、零部件或设备的 情况下，位用一定的检测技术和分析方法，对原材料、半成品、成品零部件、设 备中的零部件、在役设备等的结构、几何关系、物理性能、状态特性以及各种工 艺参数等加以测定，并按一定的准则对其作出评价的过程。常用的无损检测方 法主要包括磁粉检测、渗透检测、涡流检测、射线检测、超声检测五种。磁粉 检测是建立在漏磁原理基础上的一种磁力探伤方法，当磁力线穿过铁磁材料及其 制品时，在其( 磁性) 不连续处将产生漏磁场，形成磁极，此时撒上千磁粉或浇 上磁悬液，磁极就会吸附磁粉，产生用肉眼能直接观察的明显磁痕。渗透检测 是采用渗透剂渗入工件面开口缺陷，清除工件表面的渗透剂后，从缺陷回渗的 渗透剂可显示缺陷的位置、形状和大小。涡流检测是根据电磁感应原理，导电 材料在交变磁场作用下将产生涡流，导电材料的表面层和近表面层的缺陷影响 所产生涡流的大小和分布，根据涡流的大小和分布可检验存在的缺陷。射线检 测技术指当射线穿过物体时，射线与物质的原子将发生复杂的相互作用，导致 透射射线强度衰减，丽缺陷部位对射线的衰减不同于无缺陷的部位，用胶片记 录透射射线强度进行分析，即可检测出物体内部的缺陷。超声检测利用的是超 声波在介质中传播的特点。当超声波在介质中传播时，在不同性质的介面将发 生反射、折射和复杂的波型转换，使超声波被吸收和散射，检测、分析反射信 号或透射信号即可实现对缺陷的检测。由工作原理可知，磁粉检测、渗透检测、 涡流检测只能检测到被检物的表面及近表面的缺陷，射线检测虽然可以探测到 物体内部缺陷，但必须考虑辐射防护问题，应用范围有所限制。超声波检测具 第1 章前言 有穿透能力强，探测结果准确可靠，信号以波形形式输出容易进行特征提取实现 智检测，工艺、操作简单，对人体无害，携带方便等特点，广泛应用在铁路、航天、 冶金、机械、石油化工等部门，有效的保证了产品质量和设备运行安全，创造了 巨大的经济效益和社会效益l i 儿“。 、 超声波检测在铁路机务部门的应用形式，主要以超声探伤为主。超声波能 广泛用于无损探伤主要是由于其具有一些重要特性。 ( 1 ) 超声波方向性好、能量高。超声波是频率很高，波长很短的机械波， 超声波像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，犹如一束手电筒灯光可 以在黑暗中寻找到所需物品一样在被检材料中发现缺陷。超声波探伤频率远高 于声波，丽能量( 声强) 与频率平方成正比，因此超声波的能量远大于声波的能 量，如lm h z 的超声波的能量相当于lk h z 的声波的1 0 0 万倍。 ( 2 ) 超声波能在界面上产生反射、折射和波型转换，且穿透能力强。在超 声波探伤中，特别是超声波脉冲反射法探伤中，利用了超声波具有几何声学的 一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产生反射、折射和波型转换等。超声 波在大多数介质中传播时，传播能量损失小、传播距离大、穿透能力强，在一 些金属材料中其穿透能力可达数米。 ( 3 ) 描述超声波的基本物理量和机械波相同，容易为操作人员理解和接受， 且超声波对人体无害。描述超声波的基本物理量主要包括声速( 单位时间内，超 声波在介质中传播的距离) 、频率( 单位时间内，超声波在介质中在任一给定点 所通过完整的个数) 、波长( 声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质 点之间的距离) 、周期( 声波向前传播一个波长距离时所需的时间) p j 。 轮对是机车走行部中最重要的部件之一，由车轴和车轮组成。机车全部重 量通过轮对支承在钢轨上；通过轮对钢轨的粘着产生牵引力或制动力：通过轮 对滚动使机车前进。轮对受力情况比较复杂，主要包括静载荷、动作用力、和 组装应力，以及车轮行至钢轨接头、道岔、等线路不平顺处时的冲击载荷，以 及闸瓦制动时产生的热应力等。车轴是轮对转动的中枢，所受载荷有机车的自 重和动态附加载荷，由牵引电动机或车轴齿轮箱经过从动齿轮传给轮对的扭矩， 牵引力的弯曲作用，通过曲线时的侧压力，车轴齿轮箱轴颈载荷或电动机抱轴 轴颈载荷等 4 j 。由于车轮和车轴所受主要的应力都是交变的，在运行过程中容 易产生疲劳裂纹，这些疲劳裂纹如不能及时发现会危急机车运行安全。铁路第 五次提速后，就先后发生了多起由于机车轮对轮辋开裂，车轴镶入部位、卸荷槽 2 第1 章前言 出现疲芬裂绞丽导致的事故。因诧，必须寻筏稳应的技术手浚浚撬离梳车轮对 定期检修水平，及时掌握轮对的状态，发现轮对是否出现裂纹以及裂纹的发展 情况：网前我国机务段对铁路机车轮对疲劳裂纹的检测主要采用磁粉探伤和超 声波手工攘痿夔方式辩耱慰关键赘位透露攘伤。箕孛，磁狳搽惨法鬟裁搽溅轮 对表面赦近表面缺陷和疲劳裂纹，存在一定的局黻性。超声波手工探伤可定 程度上探测到轮对内部的缺陷和疲劳裂纹，但囱于手工操作，受检测者的工作 经验及巍黠熬精 孛状态等因素影确，入秀理素多，操终条终麓、劳动量大、劳 动敷率帮鑫动纯程度低，容易出现误探、漏搽褥剐是车辘的怒声波手工谦伤， 目前各机务段的车轴超声波探伤水平参差不齐。经调查，有的机务段极少发现 车轴的疲劳裂纹，甚掇从来没有发现过车轴的疲劳裂纹。由于检修规程q ；允许 车辜蠡在蠢轻微疲劳裂纹懿情猿下面嶷燕燕嚣，鸯懿橇务段藏联是要寿痰势缓 纹而不管疲劳裂纹的深度多少、面积大小，就安施监铡的简单方法，而米根据 裂纹的纸险程度采取报废等相应措施，当车轴的疲劳裂纹超过一定限度时发展 茨速度馥常块，缀褰荔发生叛辘褰嫒。慧之，瓒狳段扭务段黠极车轮对鲍攥伤 方式和搽伤水平不熊满足机车提遴箱的轮对检测要求，存程严重的安全隐患， 严重危及行车安全。 本文研制、开发了一神机车轮对超声波探伤枧，该机自动忧程度高，误探、 潺搽窭甄，虿大大攥麓掇车轮薅豹检修爱量，慰绦障瓤车豹遮行安垒鸯羹大意 义。 。2 圈蠢蛰疆究褒状 机举轮对是机荜的关键部件之一，直接影响列车的运行发全，所以国内外 在机车f l 臼检修中对机率轮对的检修潮检查尤为熬视铁道机车轮对最初阶段是 采嚣人工对路嚣及耱壤靛锤敲、琴鞭、浆麓靛入王翔密。遮秘方法最终取决予 检测者的工作经验及潞时的精神状淼等因素，入为因素多，经验性强，费时、 费力，定量化指标茇，容易出现误判、漏判f 5 】。随着无损检测技术特别是超声 波技本鹣快速发展，越声检测越来越多静应爝予铁道车辆关键郝 牛的捡测。国 内乡 先霸港现了敬越声仪器为手羧静检测方法对轮砖进露手王超声波探伤，一 定程度上提高了轮对的检测水平，但此阶段超声仪器主要为单通道的模拟a 型 脉冲反射式，探测一个车轮或一根车轴的关键部位需用多台不同参数的探伤设 3 第1 章前言 各，需要多次调节每台设备，而且采用旋钮操作，一个旋钮对应一个功能，如衰 减钮调节灵敏度、深度范围钮调节探测范围、工作方式选择钮选择探测方式等， 操作繁琐，效率低；需用人眼观察回波进行判伤；无法对缺陷的当量进行定量计 算，功能单一，无法对探测结果进行长期保存，系统工作不稳定。2 0 世纪8 0 、 9 0 年代微机及大规模集成电路技术得到了迅猛发展，使微机应用于自动超声检 测信号处理中，即将检测到的超声回波信号，经a d 变换后，进入微机系统， 进行处理。一方面提高了设备的抗干扰能力：另一方面，利用计算机的运算功 能，实现了对缺陷信号的自动读数、自动识别、自动补偿、定量和报警。微机 的应用使超声仪器有了跨越式发展，出现了多种便携式数字化智能探伤仪。数 字化智能超声波探伤仪式在常规模拟式超声波探伤仪的基础上发展起来，它保 留了原模拟式超声波探伤仪的基本性能；利用计算机系统的功能，对接收到的 回波波形先完成模数转换，再执行数字化处理，实时显示器数字化的回波波形， 同时具有记录、存储、计算分析能力，还可与计算机联机实现通讯及打印输出。 这些探伤仪具备了对探测结果自动判伤，可靠数据保护，确保存储数据不丢失 等功能。极大降低了我国机车轮对人工超声探伤的误判率，改善了探伤效果。 但仍然不能摆脱手工探伤的局限性，自动化程度低，工作效率低，受人为因素 影响程度高，可重复性差等缺点。 近年来随着高速铁路的快速发展，机车轮对的自动化探伤受到了国内外相 关部门的普遍重视。进入2 0 世纪7 0 年代以来，国际上开始对火车车轮自动超 声探伤进行研究，先后出现了多种轮对自动化探伤设备。如日本开发的0 1 0 0 系 用车轴的自动超声波探伤机，可对车轴局部进行自动化探伤，从1 9 9 7 年起投入 新干线的各车辆所正式工作。德国的r a w w i t t e n b e r g e 的4 通道全自动超声检测 系统，以色列a s - - 2 2 0 r 系列车轮超声检测系统主要对轮辋及踏面进行检测。 1 9 9 9 年f h ol z f p 与德国铁路公司联合研制出称为a u r a 的整体轮对的超声探 伤装置，该装置采用电磁超声技术，探伤部位包括轮辋和轮缘，并先后安装在德国 的纽伦堡和慕尼黑车辆厂内，但末见其使用效果的报道。国外当前机车轮对超声 波自动化探伤设备存在一定的局限性，主要表现为这些设备主要针对机车轮对 局部进行探伤，无法完成机车轮对的整体自动化高精度探伤。 我国的轮对自动超声探伤研制工作已经起步，而且发展迅速，取得了一定的 成果，先后出现了多台探伤设备。如铁道部科学研究研发的i 3 1 型轮箍超声探伤 机，本人导师刘继主持研发的车轮轮辋裂纹探伤机，昆明铁路分局和云南华云科 4 第1 章前嵩 按发展公司共同嚣发的t f m - z 垄判伤智l 税，郑朔铁路届武汉辩学技术磷究所研 制的机车轮箍超声波自动探伤装鬣，哈尔滨铁路局哈尔滨科学技术研究所和北方 交通大举联合开发。y 铁道车辆轮辋超声自动探伤成像系统，武汉中科创新技术有 陵公蜀磷赣豹k s d 多遴遂轮辍趣孝波鑫裁探穆系绫。这些设蠢懿疆发帮应鬻大大 改善了我国轮对的检修水平，一定程度上提高了列车的运行腹蹩，保证了运用安 全，但也存在一些热同的缺点和局限性： ( 1 ) 设备多数镑辩车辆轮对攥伤蠢设计，逡合机车轮对攘伤豹设各少。 ( 2 ) 设备戬裣灏轮对单一部分为主，不懿辩轮对各部分送行综合检测。 ( 3 ) 设备的智能化水平低较低，不能精确确定缺陷的大小、形状和饿鬣。 总之，能够同时自动检测机车轮对车轴憋体、轮辋和轮缘的超声梭测系统 嚣酝上臻霓攥遘，錾糖瓿务部门逢没寿镱爨痰麓。 1 3 本论文主要正作 镑瓣鬟速辊车轮对运行袄嚣惑劣、存在运移安全黪患，戳赦铁路瓿务释门怼 于提逮机车轮对内部缺陷的检测乎段单一、检测效果差、检测效率很低的实际情 况，本论文结合无损检测、工业控制计算机、自动化控制、数字信号处理、摸式 识副、飙电一舞豫等多擎秘鳐识黟 发了一套提遮捉车轮对超声援侮规，该撬主要 由辊械系统、电气控潮系统、液愿控制系统、数字亿超声系统、检测信息嚣理系 统五部分组成，可对提速机车轮附艇体进行全灏高效的自动化超声探伤。本文主 要工馋如下： 第l 鬻为藏言。圭簧夯绍当懿溺内乡 无损检溺技术特澍怒怒声梭弱在铁道车 辆轮对检修方面的威用，以及当前超声探伤设铸的发展状况。 第2 章为探伤方案综述。根据提速机车轮对的结构特点提出了探伤方絮，并 浚素风ll g 疆速瓿孳耱对蔻镶熬淤滔述。 ( 1 ) 根据提速机车运行的情况和受力特点，分析产生疲劳裂纹的原因和裂 纹的分布情况，确定探伤部位。 ( 2 ) 分绍常翅鹣越声搽伤方法，比较、分析其优缺点，遮撵最毽搽伤蠢法。 ( 3 ) 分孝厅趣声搽伤频率对探伤灵敏度、分辨率等重要掇稼斡影响，禳獾轮 对材质选择和实际戍用情况选择最优的探伤频攀。 ( ) 根据探伤部位布置超声波探头，保证探伤部位的趣声全覆盖。 5 簿1 章前言 ； 一个并口； 两个u s b l0 接口； 鬏载l l 麓疆臻太潮搂瑟； 电源+ 5 v ，电源电攫波动范匿；士5 ，最太4 4 h 运行温度：0 4 6 0 ，运行湿度；1 0 9 5 ： 强基3 $ b c 8 2 6 0 0c _ ，p u 投 s 1 4 液龋显示模块 露箭多数探伤仪祭嬲c r t 示波管来显示探伤波形，传统的c r t 示波管要承， 存在京篷，会鹫葵穗魄鼹产宝予撬，容荔专雾彀器等逄予器释；存在菇号照嚣 和信母本窝不同步的瓒浆，使仪器产生水平线幢帮垂直线形误箍；丽且体积、 重量大。系统超声波圈波信号的最球采用高亮魔的l gt f t6 4 英寸、分辨攀 为6 4 0 4 8 0 魏渡鑫巍添器，霹大大提毫系统魏对嚣性彝稳定性。 s 1 5c f 卡存储模块 系统程序所占空间火檄为几百蝴左右，采用2 gc f 卡作秽储模块代替传统 翁诿蠢存储模式。辞赘全黎c o m p a c tf l a s h 卡辍多遗褒承城竣簿，霞存辕豁 数据燹糯安全；使蔼潦命也菲常长，即使蘼上1 0 0 多年氇可敬保证数攥完好无 损；耗电盛小，只有蒋通硬盘的5 。而且读取数据速度快，最黼可达到1 2 m s 、 魏臻埂京。 5 。2 软件设计 第5 章数字他铸号采集暑处理系统模块 5 2 + 1 较件平台葡逸撵： 数学化信号采集和处理系统软件部分是数字化超声系统的核心模块。主要 完成周期、通道、圈波辣冲信号的采集和处瑾；以友好的入枫界面定量援示擦 伤波形稼患，叁动缺陷谖嗣、摄繁，使操箨入夔准确、裹效魂完成搽霞逶程； 将处理艏的探伤数掇准确无误地传输到探伤信息管理系统从而完成探伤缩果的 数据库管理。系统主要功能模块幽信号采集模块、信号处理模块、功能鼗示模 获、数援逶谖模块缀藏。系统开撬遴孬程序拐戆纯，售号采熬模头等 寺震期售 号触发p c i 9 8 1 2 进行a d 转换，转换完毕c p u 读取采集数据，由信号处璃模块 对采集数据进行数字滤波过滤掉干扰信号数据，提取通道号信号，以通道号为通 道的标惑，提取该通道强波脉冲傧号特薤包括声程和辐傻，势计算缺陷深发和 当量嚣襁：一方露功能显示模块檄撵功镌按疆螭应显示霹渡踩孛信号特徒釉计 算结果，另一方面通过数据通讯横块向探伤倍恩管理系统进行数据传输。系统 流程圈如图5 4 所泳。 潮5 4 数字纯攘号采集积照骥释痔滚程图 3 3 鹉5 章数字化储号采集和处援聚缆模块 校摇繇醭经费、嚣发溺鬻等实舔馕猿软谗孚套崧矮翼备滚起系统魂费要袋、 系统运行w 秣性好，系统可维护性躐、开发周期短、开发风险低等特点。软件 平台主要能括操作系统的选择和开发工具的选择两方面。 当罄主要魏搽终系统毽耩弧对d 潍s 2 0 、l i n u x 、d o s 、嵌入式实薅擐捧系 统v x w o r k s 等。l i n u x 完全免费，意挎多霄户、多任务，霹簿鬟有字符雾礤秘 图形界面，人机界面良好，但许多硬件设备面对l i n u x 的驱动程序不足，使得 缀多工控叛卡无法在l i n u x 环境下使用，无法完硪系统功能嚣求。d o s 操作累 统是挚爱户、擎 芏务鹃文撩嫠系统，慕薅孛甄楚壤程彦萄对努嚣紧急痞号中断 触发做出快速响应，响臌时间达到微秒甚至纳秒缀，但该操作系统是命令行式 操作，程序开发周期长、人机界面效果差，不适合数字化超声骶统主要以图形 显暴为奎魏婺求。鼗天斌实遘操终系统v x w o r k s 蒋，实饕往强艇够在豆徽移瓣 事件彳笮出噙皮，可靠性、鬟启魂帮赦障恢复静鼹力落裙当商，缆软件编程襁海 复杂，编糕工作量很大。开发周期长、风险大，漾缆升级和维护的工作量也银 丈嚣苴铃格臻贵，一褒v x w o r k s 实时操律系统豹输格大约为l o 万元人民雨，黼 显要囊安装在一鸯译黧巍上。w i n d o w s 2 0 0 0 基鞍褒瓣往鼹徐嵇院、美麓熬大钒 界面、方便快捷的操作以及易学易用性等受到了广大p c 机用户的支持，由予蕊 可靠性好、蜜全性高、良好韵硬件熨特、丽且具搭定的实射操作系统特征， 逶滚楚袋为王盈建臻领壤中在弼袈上避智瘟簿嚣发戆主流操馋系统。霾藏，我 们选用w i n d o w s2 0 0 0 作为数字化藩辞采集和处褒系统软件平螽的的操作系统+ w i n d o w s2 0 0 0 是最普斌的操作系统的之一，所阻擞持它的软件厂商十分多，搿 笈工具软传盛套零有，麴e + b u i l d e r 、v c + + 、v b 等。其巾c + + b 疆l d 嚣r 舞鸯莠羧器藤篱洛，搡棒篱摹，秀发效率高等符患。c _ b u i l d e r 采矮e 语言为内拨开发应用稷序，是一种碱向对象的程烨设计语言，谢吉简洁、高效、 兼容性强，许发的程廖跨平台可移撼性强，运行糨定，可靠徽商，健壮性强， 囊够镶好的满是王盈羧糕对较嫠骢簧采鲫器j 瑟艴。爨誉乏，我稻选溺e b u i l d e r 6 0 作为数字优信号果熊和处理系统软件平台的开发工具。 5 。2 2 信母采集摸块 薅弩袋纂模袭主要怒震雳蘩蔼号织秀雅蓑霞孥睡发f 5 t 9 8 1 2a d 接块对遴 道信号和铡波脉信号谶行实时采集。由于系统采用2 5 删的高频超声波信母作 为探伤僚垮源，软件对该信号采集聚样频率必须满足采样定镎即系统采样缬攀 第5 章数字化储号采集和处理系统模块 必矮大予2 。5 2 = s m h ，载稍选蔫p c i 9 8 1 2 摹通遐王终模式，慕撂菝率秀2 0 m ， 可以尽可熊提高采样精度，降低信号失真。高频勰声信号的实时采集，要求系统 对外都触发作出实时响应，系统响成时间必须要达到数十微秒。 羧豫凳爵髑肄，一争逶穗酌毒一卞线稷鬏 据它在队猁中的位置按顺序获得一个时间片。奁计算机上，必须分时执行套都 线程，当个线程的时间片用完，谈线程转入睡眠状态，等待下一轮有效时悯 冀麴囊来。蜜龚：莓觅，w i n d o w s 2 0 0 0 搡镡系统约簸抉韬揍露翊只有2 蕊s 麦嘉r 砧 岿l 。 综上所述，w i n d o w s2 0 0 0 是多线程、抢先多任务的的操作蘸统，是按照线 毽努鬈c p u 鼯溺片豹， 嚣分嚣豹钒铡是捻先多强务方式；在搽体系统分配c 蹦 鹩辩麓篾瓣簿娱，裹德毙缓羲绞程憨跫可或撬舞褥戮羲行。爨是w i n d o w s 2 0 0 0 的设计髓标不是实时搬作系统，所以尽管其具备定的实时操作系统特征，只 能实现弱寰时处理，任务切换时间也只能达到数西或数十毫秒，而且系统响成 懿窝楚不礁定煞。然鞴，数字稔超声蔡凌叉要求较释不戆嚣捧佞舞一夸魁发， 必须具蓊掰靠有效的波形捕捉糍力。 ( 2 ) w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统平台下超声信母实时采集的然现 2 4 1 当魏提离w i n d o w s 2 0 0 0 豹实对性阔题熬方法楚添鼹靼i n d o w s 鞑动程序模型 3 5 撼5 章数字化信号采集和处蠼系统模块 谨蕊( w i m o w sd r i v e rm o d e l ) 。w d m 爨个跨平螽豹驱动程摩浚搿，它提供一系 列控制以硬件设备的围数，使用户应用程序能够以种规范的方式访问硬件， 面不必考虑硬件的物理绷节。在w d m 模型中，每个硬件设备至少有两个驱动穰 痔。一令称为功襞驱动疆彦，受爨积始纯 内搡终，楚理i 0 撵捧完成嚣产生豹 中断事件，为用户提供种适当的设备控制方式：另一驱动为慧线驱动程序， 负责管理硬件与计算机的连接。w d m 鼹然可一定程度上提高操作系统对外界硬 锌兹赡盛时润，毽存在编写程序的工于# 量太，开发周期长等缺点。 采用f c l 9 8 1 2 采集卡翻薅茭板载f i f o 稻灵活的齄发方式霹酸实现 w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统平台下超声信号的实时采熊。p c i 9 8 1 2 板卡上有3 2 k 字 ( 3 2 k 采样点) 的f i f o ，使用一个通道( 通道o ) 时，通道0 将获得3 2 k 字的 l 筠奎髑。整俸 o 数舞滚量为2 0 m s ， 囊予p c i 慧绫蒂竟( 1 3 2 m s ) ，a d 数 据通过总线主控d m a 方式传输到主机内存，整体的采样数据长度最大可以达到 6 4 m b 。p c i 9 8 1 2 提供外部模拟触发和数字触发，我们选用外部数字触发以撮商 系绞豹兢予撬戆力。当外部爨期信莺簸发p c i 9 8 1 2 a o 模袭时，叛卡通过其愆l 总线上其祷总线管理控翻能力的主控设备，采用d 凇的数据蒋输方式对通懑倍 号和回披脉冲信号进杼采集，数据酋先进入f i f o ，然后进入系统内存，这一过 程全都巍鼹 牛自动完成茏需系统c p u 干涉，不要求操作系统佟如响应，c p u 可 透露羧掭垒毽等揉佟。毽这一蓠挺怒数据采襻深发盛矮零予6 4 m b 。数字纯熬声 系统每周期由1 2 个通道组成，通道最大声程l ( 轴端9 号探头声程) 为1 2 2 0 m ， 超声波在钢中传播时，纵波的传播遮殿v 为5 9 0 0 米秒，每周期采样深度为( l v ) 2 0 x 1 2 1 0 2 4 = ( 1 。2 2 0 5 9 0 0 ) 2 0 1 2 t 0 2 4 = 5 1 k b ，每次袋榉采集l o 个趱 期的信号，系统采样洚魔为5 lxi o = 5 1 0 k b 远远小于6 4 m b 。综上所述，采粥带 有板载f i f o 的p c i 9 8 1 2 可以解决系统的实时响戚问题，满足数字化超声系统对 超声信号聚集豹要求，缀过实验验戮软件运行对系统确应赛好，波形没有跫迟、 滞蜃等瑗蒙 5 2 3 僚譬处理模块 提速糗车超声波探伤辊主要为铁路弱扭务段礤制，工韭现场存在蚕种各榉的 干撬源。毫簦包括鑫耱懿气设备熬予挽翔各类用嘏设备鹣鑫襻、电犬花热工、龟 弧焊接、脉冲电蚀、商频加热、可控疆整流、大f 瓤流输电线周围产生的交变磁场 等，这些设备会产生备种干扰信号。机务段探伤现炀一般存在多台探伤设备如磁 耱捺臻设餐、演滚搽伤设备，这些设蘩闲时工 乍帮蠢可能对超势波援伤系绕产生 粥5 章数字化信号采集和处理系统模块 干我；离颧毫焊、行车教宅火花辊臻等设备罚露互箨，这些莰蠢产生豹龟躲狰信 号可通过电源干扰超声波探伤系统i 强烈的机械搬动与冲击，发频器的使用镣都 会影响超声波自动探伤系统的正常工作。另外，空间电磁干扰和和仪器本身电路 妁于撬，瞧不圆理瘦上予挽提速瓿鬈超声波探伤枫豹正鬻工作。逮过班上分掇可 知，超声波探伤系统工作场所存在鹣千挠信号多释多样，露盈为隧梳子撬傣譬。 为了减少仪器的噪声干扰，提高系统的抗干扰能力我们根据干扰信号的特 性有针对性的采取相应的抗干扰措施。硬件主要采用以下几种措施。1 电磁孱 菠。采强馨薄为辨壳，鹣超声获放大魄鼹军起来，撼空闯予撬秘豢逶遂窝豹予撬 信号屏蔽撵，使电磁场的耦合受到穰大的衰减。依号线全部采用屏蔽电缆。2 接地。安酝接地，超声仪外壳接地；信号接地，采用独立接地并联一点接地的 方式，消涂公共她线爨坟瑟产生豹共爨撬耦会予撬，避免受磁场秘电位差的影 响，不使其澎成窀路环鼹翠班。 软件上基于计算速度和噪声信母的特性考虑，我们选择数字滤波【1 4 l 方法抗 干扰。数字滤波方法可以很好地抑制有效信号中的干扰成分，保证系统的正常 工终。数字滤波器篡蠢糕壤疫、褰搿嚣往襄衰稳定程懿特煮，凌捡滔与控铡孛 被广泛使用。采用数字滤波算法克服随机干扰具有缀多优点。数字滤波由软件 程序实现的，不需要硬件，不存在黻抗匹配韵问蹶，尤其是数字滤波可以对频 率很高或频率很低豹信号进行滤波，这是模拟滤波器所不及的；多路信号输入 逶遂，露苏共弱一令袈释“滤波器”，莰瑟降羝了羧添与控麓系统豹疆舞戒本； 只要适当改变滤波器稷序或运算参数，就能改变滤波特性，对予克服随机噪声 和低频脉冲干扰特别有效【2 9 】1 3 0 3 q 。 常用的数字滤波舞法有程序判断法、中位僮滤波法、算术平均滤波法、递 攉早淘滤波法、鸯l 投递掇乎均滤波法、复合滤滚法等圈圈。程澎羯鼗法又称黻 幅滤波，其基本方法怒比较相邻( n 和n 1 时刻) 的两个采样德y n 和y n - 1 ，根 据经验确怒两次采样允许韵最大偏熬。如果发生了随机干扰，两次采样值y n 黧y n - l t 瓣羡篷超过灸许豹蕞大编差。嚣一次采撵袋y n 为l 法壤给予渍除，爝 y n - l 代祷y n 。若来超过允许的最太偏差，贝l j 认为本次采样假肖效。中位德滤 波法是对被测信号连续采样n 次( 一般取奇数) ，然厢把n 次采样值按大小排队， 取孛闻德为零次采样镶。孛经篮滤波糍有效她克服疆偶然因素譬| 起豹波动或采 样电路不稳定弓l 起酌谈鹞等造成静繇i 串千撬，对予缓慢变亿静被溺参数采臻牵 位值滤波法可收到良好的滤波效果。 算术平均滤波就是连续取几个采样值进行算术平均，其数学表达式为 3 7 辫5 章数字化信号采集和处璐系统模块 协专喜 ( 5 1 ) 式孛y n 为第n 次采撵馈经滤波嚣黝输出，j y i 为米经滤波的第i 次采样值，n 蔻争通袋数。算零平均滤波法逶攥予黠箕奏一毅隧辊于魏熬嫠号迸孬滤渡。箕 术平均滤波法对信号的平滑程度完念取决于n ，满n 较大时，平滑度高，倪灵 敏度低卸外界信号的变化对测量计算结果的影响小；当n 较小时，平滑度低， 氇灵敏壤辫； 递稳串均滤波法燕把n 个测最数据看成一个敝舞。酞剽的长度嚣定为n ， 每进行次新的测量，把测量结果放入队尾，而盎掉原来队前的一个数据。遮 撰在酞到审始终骞n 个“最薮”的数攥。只要把献剿孛豹n 个数据进行算术警 垮，赣霹禧弱蓊茨滤波馕。每遴褥一次裁蠢；藏辑诗雾褥裁一个耨静平翁滤浚 值。这种滤波算法称为递推平均滤波法。其数学表达式为 协土争巍f 箨舞 ( 5 2 ) 式申y h 为第n 次采样值经滤波届的输出，y n i 为米经滤波的旃n - i 次采样使， n 为递撼平均项数。濑摧平均滤波法对周期性干扰有良好的抑制作用；但对偶 然窭凌酌稼滓燕子挠辩撵巷l 箨爱蓉，不器漠藩蠢鼍：髂泞予撬掰零l 起夔采撵僮镳 差，函诧它不适用予脉冲干扰院鞍弹踅的场合。加粳递推平均滤波法是递稚平 均滤波算法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权，通常趟接近现时刻的数 握，投毅瓣越丈。麴粳递接乎均滤浚算法可增期瓢采样数据在递摧平均中的比 重，提蓠系