（1.太原铁路局，山西 太原030013；2.北京交通大学 电子与信息工程系，北京100044）
多频电磁勉励电磁钢轨探伤仪器运用电磁感应事理可探测钢轨浅表层毛病及裂痕，仪器系统包括电磁探伤传感器、电磁勉励解调旗子暗记处理单元、仪器机器承载构造、通信模块和仪器监控打算机。仪器以FPGA为旗子暗记处理核心，实现了电磁勉励旗子暗记的产生与放大、检测旗子暗记的调理与解调，并提取钢轨损伤信息通过以太网传输到监控打算机。监控打算机实现钢轨损伤信息的显示、存储和仪器设置。经现场测试，该仪器能够实时探测到钢轨浅表损伤，具有较好的现场运用前景。
电磁钢轨探伤；电磁无损检测；测试仪器；FPGA；旗子暗记解调
TP23
文献标识码：A
10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.014
中文引用格式：马锦生，于桂武，霍继伟，等. 电磁钢轨探伤仪器开拓与现场测试[J].电子技能运用，2016，42(11)：56-58，65.
英文引用格式：Ma Jinsheng，Yu Guiwu，Huo Jiwei，et al. Development of electromagnetic rail inspection instrument and its field testing[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：56-58，65.
0 弁言
钢轨探伤是铁路工务部门的主要事情，对钢轨伤损及时全面的探测直接关系到铁路运输的安全。目前用于钢轨探伤的技能事理包括声、光、电、磁、热、辐射等[1]，个中基于声学事理的超声钢轨探伤技能是目前铁路现场利用最广泛、最紧张的技能，可探测钢轨内部的多种毛病[2]。但基于超声波反射事理的超声探伤方法，在探测钢轨浅表层毛病时有盲区，大约间隔钢轨表面5 mm以内的区域超声探伤分辨率非常低，乃至对毛病不敏感。对付钢轨表面毛病，基于机器视觉检测的光学方法在近年来逐渐得到运用，该方法通过图像识别可标识钢轨表面的损伤。但光学方法对埋藏在表面之内的毛病却无法探测。各种探伤事理中磁学方法是超声和机器视觉两种方法的补充，运用电磁感应事理的电磁勉励旗子暗记可以在钢轨的浅表层产生电涡流，若钢轨内部有缺陷，电涡流产生的磁场将会改变，通过对磁场改变量的解调，可以得出钢轨毛病的程度。电磁感应方法进行钢轨探伤是最早提出用于钢轨探伤的方法，但由于电磁检测对电路灵敏度和信噪比有很高的哀求，一贯没有得到很好的运用。近年来，随着集成电路、电磁检测元器件以及当代旗子暗记处理技能的发展，电磁钢轨探伤越来越受到各国研究者的重视[3，4]。
大秦铁路是我国新建的第一条双线电气化重载运煤专线，年运量最高达到4.5亿吨，是天下上年运量最大的铁路线。大运量导致线路钢轨的损伤发生概率高，钢轨掩护量大，为此积极探索多种钢轨探伤新技能，研制了电磁钢轨探伤仪器。
1 系统总体设计
本文研制的电磁钢轨探伤仪器由支撑小推车、前端传感单元、旗子暗记处理机箱和监控打算机4部分组成，其构造如图1所示。
探伤小推车用来装载旗子暗记处理机箱等硬件设备，并使电磁探伤传感器能够沿着钢轨进行探测。在探伤时，小推车的4个轮子须要展平，从而使仪器在探伤时传感器可平行于钢轨且保持间隔不变。在搬运时，可将小推车的4个轮子调度到垂直位置以便仪器的搬运。前端传感器装于小推车车底，共装3个，分别位于钢轨的上侧、左侧、右侧3个方向，从而可以探测3个面的钢轨损伤。旗子暗记处理系统安装于旗子暗记处理机箱中，卖力对传感器感应旗子暗记的调理及处理。探伤职员通过监控打算机对仪器的探伤过程进行掌握，并对探伤数据进行图表显示、剖析、存储和远程传输。
如图2所示， 仪器开机后，操作员通过监控打算机启动探伤软件，软件通过以太网发指令到FPGA旗子暗记处理板产生合成勉励旗子暗记，勉励旗子暗记经由放大器放大后驱动传感器中的勉励线圈在钢轨上产生勉励电磁场。同时传感器中的检测线圈感应由毛病调制的耦合场，经由旗子暗记调理板接入到FPGA旗子暗记处理板进行解调，提取钢轨毛病表征信息，再通过以太网将损伤信息传输到监控打算机，完成损伤信息的显示存储和远程传输。
2 仪器硬件系统设计
探伤仪器硬件系统紧张包括旗子暗记处理系统和监控打算机，个中旗子暗记处理系统是仪器的核心。仪器旗子暗记处理系统如图3所示，处理系统紧张包含FPGA旗子暗记处理板、多路电源转换板、仿照旗子暗记调理板、ADC和DAC接口板以及锂电池。
为确保旗子暗记处理的实时性，旗子暗记处理利用FPGA进行设计，设计利用了Xilinx Kintex7 XC7K325T FPGA芯片，其芯片内部供应了326 080个Logic Cells、830个DSP Slices以及4 MB分布式RAM，为仪器的旗子暗记处理供应了充足的资源。ADC和DAC接口板将FPGA产生的DDS数据转为仿照勉励输出，同时将调理后的电磁感应旗子暗记转为相应的数字旗子暗记输出；旗子暗记调理卖力对电磁感应旗子暗记进行精密放大与滤波；锂电池卖力对全体硬件系统供电；监控打算机具有网络通信功能，与FPGA通过网络进行数据传输。
数据的回采、解调及传输均由FPGA实现，具有实时性好的特点，但数据量大，故选择以太网作为数据传输的办法。用FPGA实现以太网通信常日有3种办法：(1)三态以太网接口IP核(Intellectual Property Core)办法；(2) LwIP协议栈办法；(3)Verilog HDL直接编程实现办法。综合考虑软件设计的灵巧性和实行效率，本文利用第3种方法，即通过Verilog HDL直接编程实现。此方法可以定制实现须要的功能，效率高且节省片内资源。
3 仪器FPGA软件设计
探伤仪器勉励的产生、旗子暗记采集、解调、处理及传输由Verilog HDL 编程后在FPGA上实现。系统上电之后，由监控打算机将FPGA启动命令由以太网发送到FPGA中，而后，仪器开始产生仿照勉励旗子暗记、线圈感应旗子暗记回采及数据剖析、传输。
仪器的仿照勉励旗子暗记先由FPGA通过DDS算法合成16 bit的正弦波形数字旗子暗记；而后由16 bit分辨率的DAC AD9777转换为仿照勉励输出。检测旗子暗记经旗子暗记调理后由14 bit分辨率的ADC ADS62p45转换为数字旗子暗记接入到FPGA中。需把稳，在ADC、DAC接口板事情之前，须要由FPGA通过SPI接口对ADC与DAC及时钟芯片进行事情模式的配置。
FPGA吸收到ADC转换的数字旗子暗记之后做一次FFT解调，之后由数据选择模块对损伤数据进行提取。将提取的损伤信息由DDR3缓存之后，由以太网将数据传给监控打算机显示与存储。DDR3缓存卖力时钟域的转换与数据的临时存储。
当数据吸收、解调碰着非常，FPGA会产生一个缺点代码，由以太网传回检测打算机以便于缺点的定位以及调试。同时，检测打算机可通过以太网发送复位信息，及时重启FPGA程序，防止探伤中断。
4 监控打算机软件设计
人机交互打算软件采取C#措辞设计，编译器利用Microsoft Visual Studio 2015，软件界面设计利用了微软新一代窗体表达架构WPF(Windows Presentation Foundation)进行设计，WPF供应了统一的编程模型，能够充分利用当代打算机中现有的图形硬件的全部功能[6]。
监控打算机软件功能包括掌握指令收发、芯片配置寄存器地址及值的设置、以太网探伤数据传输、探伤数据存储以及数据剖析的功能。其流程如图4所示。
5 实验及剖析
该电磁钢轨探伤仪器样机在太原铁路局大秦铁路茶坞工务段进行了现场测试，对损伤样轨进行了大量的探伤实验。个中一个实验的钢轨损伤设置如图5(a)所示，图中的2个浅表毛病标注为毛病1和毛病2。利用样机检测出的探伤曲线如图5(b)所示。
图5(b)中，椭圆区域A、B、C为检测噪声，这些尖峰噪声在数据预处理时用中值滤波滤除，图中矩形区域D和E所示的颠簸分别对应图5(a)中的毛病1和2。该曲线为样机测试的原始数据，软件处理后可将毛病指示出来。由图中钢轨损伤表征数据可以看出，所设计的仪器样机可以有效监测这两处毛病。
6 结论
本文所设计的电磁钢轨探伤样机采取高速FPGA实现旗子暗记的勉励、采集和解调，探伤数据通过以太网传输到探伤小推车的监控打算机，进行实时剖析。现场测试证明，该电磁钢轨探伤仪用具有检测钢轨浅表层毛病的能力。后续将对样机的检测传感器进行优化设计，并制作专用的标准损伤试样进行量化标定。
参考文献
[1] PAPAELIAS M，KERKYRAS S，PAPAELIAS F，et al.The future of rail inspection technology and the INTERAIL FP7 project[C].51st Annual Conference of the British Institute of Non-Destructive Testing 2012，2012：148-156.
[2] 王雪梅.无损检测技能及其在轨道交通中的运用[M].成都：西南交通大学出版社，2010.
[3] Liu Ze，Li Wen，Xue Fangqi，et al.Electromagnetic tomography rail defect inspection[J].IEEE Transactions on Magnetics，2015，51(10).
[4] YIN W L，PEYTON A J.Sensitivity formulation including velocity effects for electromagnetic induction systems[J].IEEE Transactions on Magnetics，2010，46(5)：1172-1176.
[5] 田耘，徐文波.Xilinx FPGA开拓实用教程[M].北京：清华大学出版社，2013.
[6] KOZMINSKI A.Windows Presentation Foundation(WPF) technology meets the challenges of operator interface design in automatic test systems[C].Proceedings of the 2012 IEEE AUTOTESTCON，2012.
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