钢轨高速探伤系统超声发射接收装置的设计

1、收稿日期 :2002年 9月钢轨高速探伤系统超声发射 /接收装置的设计孙军华 董明利 祝连庆北京机械工业学院摘 要 :介绍了钢轨高速探伤检测系统的工作原理 , 设计了超声发射 /接收装置电路 , 验证结果表明该装置完 全可满足钢轨高速探伤的要求 。关键词 :钢轨探伤 , 超声发射 /接收 , 电路设计Design of U ltrasonic Emission and R eception Devicein R ail Fla w H igh 2speed I Sun Junhua Dong Mingli Abstract :The w orking principle of rail fla

2、w high 2, and the circuit of ultras onic emission and reception device is designed. The emission and reception device can meet perfectly the needs of the rail flaw high 2K eyw ords :ultras emission and reception , circuit design 1 引言我国铁路运营线路长度近七万公里 , 由于线路 质量状况较差 , 超期服役钢轨数量较多 , 钢轨伤损发 生率高 , 因伤损引起的钢轨折断

3、时有发生 , 直接危及 行车安全 。 为保障铁路运输安全 , 防止事故发生 , 必 须定期对钢轨进行探伤检测 。 目前铁路部门检测钢 轨内部缺陷的主要设备为小型钢轨超声探伤仪 , 由 人工进行钢轨伤损检测 。 每条线路平均每年需检测 十遍以上 , 总检测里程近一百万公里 , 全路有近万名 专职检测人员从事钢轨探伤检测工作 。发达国家的铁路钢轨伤损检测已基本由探伤车 承担 , 人工检测仅作为辅助手段用于对伤损的复核 。 探伤车主要采用超声无损探伤检测方法 。 各国根据 其铁路状况 , 采用停顿式或连续式两种作业模式进 行检测 , 如美国 、 加拿大主要采用停顿检测模式 , 即 探伤车发现伤损后

4、, 探伤车需停下 , 由操作员复核后 再继续检测 ; 而西欧国家和日本则大多采用连续检 测模式 , 即检测数据在检测完成后进行处理 , 发现伤 损由人工另行复核 。探伤车的作业速度一般在 40km/h 以下 , 大大低于列车正常运行速度 。实际检 测作业时 , 一般需封闭线路 , 对铁路正常运营影响较 大 。本文介绍了一种新型钢轨探伤车高速检测系统 的工作原理 , 该系统的检测速度可达 80km/h , 为普 通探伤车检测速度的两倍 , 可大大提高检测效率 。 本文重点介绍了该系统中超声发射 /接收装置及电路的设计 , 为适应高速探伤的要求 , 该电路必须具有 高信噪比 、 高灵敏度和良好的抗

5、干扰性能 。 2 钢轨高速探伤检测系统工作原理 钢轨高速探伤检测系统由高速轮探头、 超声发 射 /接收装置 、 探轮自动对中伺服装置 、 高速数据采 集系统 、 伤损分析系统等组成 , 其工作原理见图 1。图 1 钢轨高速探伤检测系统工作原理检测系统工作时 , 充满传声耦合液的探轮在钢 轨上滚动 , 探轮内的超声组合探头向钢轨发出连续 脉冲超声波束 , 通过耦合液及探轮壁到达钢轨内 。 如钢轨内存在伤损 , 则超声波束将被反射 , 探头内的 超声换能器接收反射回来的超声波束 , 并将其转换 为电信号 , 即得到伤损回波信号 。超声接收装置将 微弱的回波信号放大 , 并经过检波 、 滤波 、 电

6、平转换 等处理后送入 A/D 转换器和数据采集卡 , 最后经计 算机处理得到探伤数据并予以保存 。 探伤数据经伤 损分析系统实时处理 , 以 B 2型图方式在屏幕上实时 显示 。 探伤数据可随时回放 , 重现当时的检测结果 。 探轮自动对中伺服装置可控制探头组与钢轨自动对 中 , 以确保超声波束传入钢轨内 。 3 超声发射 /接收装置电路设计用于超声探伤的换能器由压电材料薄片构成 ,152002年第 36卷 12它可将存储在电容器 C 内的能量转换为向外发射 的超声波信号 。为发射超声波 , 设计了一种高效的 尖脉冲发生器来激励换能器 (电路原理见图 2 , 这 种激励方式有利于产生波形紧凑的

7、超声波束 。首先 , 直流电源通过电阻 R c (47K 和阻尼电阻 R d (1K 将电容 C (容量 122pF 充电至高压 320V (典型 值为 250400V , 充电时间为 122×10-12×(47+1 ×103=519×10-6s , 可满足较高脉冲重复频率的设 计要求 。 在施加高压后 , 开关 S 突然闭合 , 使处于高 电压的电容器 C 如同并接在换能器两端一样 。此 时换能器压电材料以发射超声波的形式响应电压突 变 。 随后 , 由于与换能器并联的阻尼电阻 R d 用 , 激励电压迅速下降 不同阻抗 , 调节 。 R d , 若振

8、铃时间过长 , 波变宽 , 从而影响钢轨近表面的分辨率 。图 2 换能器激励电路原理由于换能器前辐射面声压与激励电压对时间的导数 (d V /d t 成正比 , 因此尽量减小激励脉冲上升 时间至关重要 。 上升时间主要受到开关 S 的闭合速 度和串联在电容器回路内的寄生电感的影响 。 电路 设计时 , 参考了快速可控硅和 M OSFET 的高压脉冲 驱动电路实验参数 , 并通过实验证明快速可控硅的 开关可靠性随着发射频率的增加 (315KH z 而下降 , 不易达到高重复频率的设计要求 。因此选用 M OS 2FET 晶体管作为高压脉冲开关驱动元件 。 M OSFET 晶体管开关可用于激励电压

9、达 1000V 、 上升时间小 于 10ns 的场合 , 且可安全通过 30A 甚至更大的脉冲 电流 。 因此 , 采用 M OSFET 晶体管可改善脉冲波形 , 产生符合要求的高压窄脉冲 , 实际电路产生的高压 窄脉冲波形见图 3。图 3 激励脉冲波形 为了提高钢轨伤损检出率 , 超声发射 /接收装置 应具有较高的发射重复频率 。 目前美国使用的探伤 车探 测 速 度 为 40km/h , 超 声 发 射 重 复 频 率 为 2100H z , 则其探测密度为 :(40×106 /(3600×2100 =513mm 。 本探伤车的检测速度为 80km/h , 脉冲重 复频

10、率为 5000H z , 探测密度为 :(80×106 /(3600×5000 =414mm 。本探伤仪采用 2. 5MH z 换能器 , 它在高压窄脉 , 换能器接 , 。由 , 噪 因此对超声接收电路的设计要求较为严格 。 整个超声发射 /接收电路的构成见图 4。由于探伤 时需使用 4个探轮 (每条钢轨 2个 , 每个探轮内又设置有 5个不同角度 (0°、 38°和 70°的探头 , 即 4个 探轮上共有 20个探头 , 因此超声发射 /接收电路需 设计 20个通道 。 为防止相互干扰 , 各个通道之间应 完全隔离 。图 4 超声发射 /接

11、收电路的构成由于探轮安装在车厢下的探伤小车上 , 回波信号需经过较长的电缆线才能传输至车厢内的计算机 中 , 这将导致信号衰减 , 而回波信号幅值本身仅为几 毫伏 , 为提高信号强度 , 在探轮内设置了前置放大器 和 驱 动 器 。由 于 回 波 信 号 受 到 超 声 波 高 频 (215MH z 振荡信号的调制 , 因此必须利用检波电路 检出回波信号 。 输出驱动器采用 BUF634, 它具有转 换速率高 (2000V/s 、 驱动能力强 (最大输出电流 250mA 等 特 点 , 可 保 证 回 波 信 号 不 失 真 。由 于 BUF634由 +15V 直流电源供电 , 而所用数据采集

12、卡要求输入信号在 05V 范围内 , 且输入阻抗为 50, 因此电平转换电路实际上就是一个由变阻器与数据 采集卡输入电阻串联构成的分压电路 。 通过调节变 阻器 , 数据采集卡即可得到 05V 范围内的输入信 号 。 由于超声波束在传播过程中要随着声程的增大 而衰减 , 因此远离始波的回波比始波附近的回波衰 减更大 。 为补偿这种差异 , 设计了补偿器 , 它实际上 是一个三角波发生器 , 其斜率可调 , 也可上下平移 , 且补偿器频率与脉冲重复频率一致 。 放大电路中使25工 具 技 术用了低噪声电压控制增益放大器 AD603, 将三角波 电压信号加到 AD603的增益控制端 , 通过调节三

13、角 波 , 使始波附近的信号放大倍数较小 、 远离始波的信 号放大倍数较大 , 即可达到补偿的目的 。 4 设计结果验证用设计的超声发射电路分别驱动 0°、 38°和 70°探头 , 并用数字示波器观察超声接收电路输出的回 波波形 , 结果如图 5所示 。图 5 回波波形 图中 , 波形 a 为 0°探头探测到的轨底波形 。由 于 0°探头发出的超声波束与轨面及轨底垂直 , 超声 波束可在钢轨内来回反射 , 因此可看到二次波 (甚至 三次波 。 波形 b 为 38°探头探测螺孔裂纹时得到的 回波 , 由于螺孔边缘和螺孔裂纹同时有超声波

14、束反 射到探头 , 因此呈现出双峰波形 , 这也是判别螺孔裂 纹的重要标志 。 波形 c 是 0°探头探测到的螺孔顶部 回波 , 由于轨面距螺孔顶部的声程较短 , 故回波离始 波较近 。 , 否则 。波形 d 为 70<5mm 小孔的回波波 , 设计的超声发射 /接收电路具有 高信噪比 、 高灵敏度及高频响特性 , 完全可满足钢轨 高速 (80km/h 探伤的检测要求 。参考文献1 美国无损检测学会 . 美国无损检测手册 (超声卷 . 世界图书出版公司2 李 刚等 . 钢轨探伤车技术中高速探轮的研制及试验 . 中国铁道科学 ,2001(63 张卫平等 . 现代电子电路原理与设计

15、 . 原子能出版社第一作者 :孙军华 , 在读硕士研究生 , 北京机械工业学院 电子信息工程系 ,100085, 北京市海淀区清河小营编辑 :张 宪潜力巨大的国内机床市场吸引众多外商国内机床市场巨大的需求潜力 , 正在吸引越来越多的国外制造商 。 最近参加 2002年中国国际金属加工工业展览会 的各国机床企业 , 纷纷表示了对我国市场的兴趣 。此次展会全面展示了全球金属加工流程和技术领域内 的最新产品以及软件控制 、 检测测试技术方面的产品 。美国 肯纳飞硕 (K ennametal , 德国通快 (T rumpf 、 费罗斯塔 (Fer 2rostahl AG 、 意大利葛氏巴利尼 (G A

16、SPARI NI 、 韩国韩光等世 界知名机床制造商都出现在展会上 。德国机床制造商协会 与德国科技工业部共同资助了 35家企业参加此次展会 , 这 已是德国展团第四次参展 。德国机床制造商协会市场主管 戈哈 海恩表示 , 由于美国及世界其它市场的经济下滑 , 德国 机床制造业今年上半年的产量削减了 15%, 但来自中国的 市场需求却令人乐观 。根据德国机床制造商协会的统计 ,16月中国进口德国机床的订单金额超过 1. 83亿美元 , 同比 增加了 81%。海恩说 , 近年来中德两国已在机床工业及其相关的生产 设备领域建立了良好的合作关系 , 双方在金属加工技术的许 多领域都已草签了有关建立贸

17、易关系和进行经济合作的协 议。 海恩表示 , 中国经济的持续发展必然导致机床市场需求 的增长 , 中国加入世界贸易组织也将成为机床市场发展的重要推动力。 作为国际机床市场主要的制造商、 出口商以及中 国的主要供货商 , “ 德国机床工业将在中国获得很好的机会” 。资料表明 , 我国目前是世界第三机床消费市场 、 第二大 机床进口国 。 中国机床工具工业协会的统计显示 ,2001年国 内金属加工机床进口总额为 24亿美元 。今年上半年机床工 具产品进口继续保持较快增长 ,15月份金属加工机床进 口 10172亿美元 , 同比增长两成 。东风朝柴公司 2002年第 10万台柴油机下线东风朝柴公司 2002年第 10万台柴油机已于最近下线 , 创下了产销量历史最高纪录 。今年以来 , 东风朝柴公司抢抓市场机遇 , 以持续改进系 统为基点 , 全面实施企业流程再造 ; 率先实施 CRM 战略 , 对 产