CN105067704B - 空心车轴探伤系统及探伤方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空心车轴探伤系统，包括：超声波传感器，编码器，UT超声处理模块；探头旋转角度补偿装置为设置在探杆内的倾角传感器，其输出倾角传感器模拟量信号；倾角及编码信号处理模块，其接收倾角传感器模拟量信号和编码器数字脉冲信号，将其分别转化为探杆的偏转角度和探头的旋转角度，并输出至上位机；上位机根据探杆的偏转角度对探头的旋转角度进行补偿，以确定空心车轴的探伤位置，本发明又提供了一种基于空心车轴探伤系统的探伤方法。通过本发明提供的空心车轴探伤系统及探伤方法解决了探伤过程中探头角度因探杆偏转而造成的误差问题，能准确定位探伤位置，提高探伤的准确性，同时有效的监测探杆的偏转状态，提高探杆的使用寿命。

Description

空心车轴探伤系统及探伤方法

技术领域

本发明涉及空心车轴探伤系统及探伤方法。更具体地说，本发明涉及一种通过检测探杆的偏转角度从而对探头的旋转角度进行补偿，准确定位缺陷位置的空心车轴探伤系统及探伤方法。

背景技术

当前，动车组空心车轴探伤已经成为保证列车安全运行的一项重要检修规程。国际上通用的空心车轴探伤技术是利用一个探杆，在探杆顶端安装超声波发射和接收探头。探头部分是通过电机连接探头架安装在探杆上。在探伤作业中，随着探杆往车轴内部沿着轴向纵深缓慢推进，同时前端的探头缓慢旋转，依靠超声信号即可实现在轴向位移上空心车轴径向360度的缺陷检测。通过准确测定探头的轴向位移和旋转角度，即可对车轴缺陷进行精准定位。该探杆与拖链柔性连接，在不探伤作业时收回到探伤机内部，其推进和收缩依靠伺服电机系统来驱动；而探头旋转角度则是依靠与探头旋转电机同轴的旋转编码器来精确测定。在整个探伤和行进过程中探杆并不旋转，只有探头旋转。

但是，实际测量时发现，由于探头的连续单向(顺时针或逆时针)旋转会对探杆产生一定的旋转作用力，虽然这个力非常小，正常情况下可以忽略。但是，因为探杆是依靠拖链与探伤机主体连接，连接有一定活动空间。因此在某些不可预知及不可控的情况下，探头的旋转作用力会导致探杆会有小幅度的偏转或摆动。该摆动量虽然很小，但是会对探头的旋转角度定位造成误差，最终影响了探伤准确度。同时，因为探杆长期处在受力状态，会造成拖链劳损，直接影响到探杆寿命。

鉴于以上，亟待有一种能够解决空心车轴探伤装置探头旋转角度误差问题，并且能对正在探伤作业时的探杆进行一定程度的状态检测的空心车轴探伤系统及探伤方法的产生。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种能准确定位缺陷位置、提高探伤准确度的空心车轴探伤系统及探伤方法。

本发明的一个目的是提供的了一种能提高探伤系统的探伤性能、提高探杆使用寿命的空心车轴探伤系统及探伤方法。

为此，本发明提供了一种空心车轴探伤系统，包括，设置在探头上的超声波传感器，设置在探杆上的编码器，用于接收超声波传感器发出的超声波信号和编码器发出的编码器数字脉冲信号并输出至上位机的UT超声处理模块，其中：

探头旋转角度补偿装置，其包括设置在探杆内的倾角传感器，所述探头旋转角度补偿装置输出倾角传感器模拟量信号；

倾角及编码信号处理模块，其接收倾角传感器模拟量信号和编码器数字脉冲信号，将其分别转化为探杆的偏转角度和探头的旋转角度，并输出至上位机；所述上位机根据探杆的偏转角度对探头的旋转角度进行补偿，以确定空心车轴的探伤位置。

优选的是，其中，所述倾角传感器通过模拟量采集电路将倾角传感器模拟量信号发送至倾角及编码信号处理模块。

优选的是，其中，所述编码器通过高速脉冲采集电路将编码器数字脉冲信号发送至倾角及编码信号处理模块。

优选的是，其中，所述倾角及编码信号处理模块为ARM7架构核心微控制器。

优选的是，其中，所述ARM7架构核心微控制器的操作系统为uC/OS嵌入式实时操作系统。

优选的是，其中，所述倾角及编码信号处理模块的主频为48MHz。

优选的是，其中，所述探杆的一端与探头连接，另一端通过拖链与输送机构柔性连接，所述输送机构通过拖链驱动所述探杆沿空心车轴内表面水平移动。

优选的是，其中，还包括：

驱动装置，其设置在所述探杆内，所述驱动装置的输出轴与所述探头相连，以驱动所述探头旋转。

一种基于所述的空心车轴探伤系统的探伤方法，包括以下步骤：

步骤一、在探头上安装超声波传感器、探杆内安装倾角传感器和编码器，建立UT超声处理模块及倾角及编码信号处理模块；

步骤二、所述超声波传感器向空心车轴内表面发射超声波并将反射回来的超声波信号发送至UT超声处理模块；所述倾角传感器将倾角传感器模拟量信号发送至倾角及编码信号处理模块；所述编码器将编码器数字脉冲信号分别上传至所述UT超声处理模块和倾角及编码信号处理模块；

步骤三、所述UT超声处理模块将编码器数字脉冲信号转换成探头的旋转角度，将超声波信号转换成与探头的旋转角度对应的超声波形，并输出至上位机进行显示；所述倾角及编码信号处理模块将编码器数字脉冲信号转换成探头的旋转角度，将倾角传感器模拟量信号转换成探杆的偏转角度，并形成一一对应关系输出至上位机；

步骤四、所述上位机根据探杆的偏转角度对探头的旋转角度进行补偿，以确定空心车轴的探伤位置。

优选的是，其中，所述上位机根据探杆的偏转角度对探头的旋转角度进行补偿，以确定空心车轴的探伤位置，具体为：

所述上位机接收所述倾角及编码信号处理模块发送的有对应关系的探头的旋转角度和探杆的偏转角度，同时接收UT超声处理模块发送的与探头的旋转角度对应的超声波形和探头的旋转角度；所述上位机根据倾角及编码信号处理模块和UT超声处理模块发送的相同的探头的旋转角度，确定同一探头旋转角度下超声波形与探杆的偏转角度的对应关系，并将探杆的偏转角度补偿到探头的旋转角度上，以精确确定空心车轴的探伤位置。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明提供的空心车轴探伤系统设置的探头旋转角度补偿装置和倾角及编码信号处理模块可检测探杆的偏转角度，将探杆的偏转角度补偿到探头的旋转角度上；可以准确定位测量点，提高探伤准确度，从而解决了传统探伤系统探头的旋转角度因探杆偏转而造成的误差问题。

2、本发明提供的空心车轴探伤系统较原有的探伤系统新增了探头旋转角度补偿装置和倾角及编码信号处理模块，该模块与原有的探伤控制系统并行使用，不破坏原有的探伤系统，容易实现，且成本低廉，操作简单。

3、本发明提供的空心车轴探伤系统中的上位机可有效地检测探杆的偏转状态，当探杆有大幅度倾斜时进行预警，这样可及早的发现问题，提高了探杆的使用寿命，降低维护及保养成本。

4、通过本发明提供的空心车轴探伤方法，可实现对缺陷位置的准确定位，解决了空心轴探伤探杆扰动对测量准确度的影响。

附图说明

图1为本发明所述的空心车轴探伤系统的信号采集系统示意图。

图2为本发明所述的空心车轴探伤系统的结构示意图。

图3为本发明所述的空心车轴探伤系统中倾角及编码信号处理模块的信号采集系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、图2及图3所示，本发明提供了一种空心车轴探伤系统，包括：

设置在探头1上的超声波传感器2，设置在探杆3上的编码器4；

UT超声处理模块5，用于接收超声波传感器2发出的超声波信号210和编码器4发出的编码器数字脉冲信号410并输出至上位机；

探头旋转角度补偿装置6，其包括设置在探杆内的倾角传感器，所述探头旋转角度补偿装置6输出倾角传感器模拟量信号610；

倾角及编码信号处理模块7，其接收所述探头旋转角度补偿装置6通过模拟量采集电路8发送的倾角传感器模拟量信号610和编码器4通过高速脉冲采集电路9发送的编码器数字脉冲信号410，将其分别转化为探杆的偏转角度和探头的旋转角度，并输出至上位机10；所述上位机10根据探杆的偏转角度对探头的旋转角度进行补偿，以确定空心车轴的探伤位置。

其中，所述倾角及编码信号处理模块7为ARM7架构核心微控制器，且在所述ARM7架构核心微控制器内移植嵌入式uC/OS实时操作系统，倾角及编码信号处理模块7的主频为48MHz。在本发明中，倾角及编码信号处理模块7独立于UT超声处理模块5，且并行使用。

在所述空心车轴探伤系统中，所述探杆3的一端与探头1连接，另一端通过拖链11与输送机构柔性连接，所述输送机构通过拖链11驱动所述探杆3沿空心车轴12内表面水平移动。在所述探杆3内设置驱动装置13，所述驱动装置13的输出轴与所述探头1相连，以驱动所述探头1旋转。探伤时，输送机构通过拖链11将探杆3伸入空心车轴12的内部，然后带动驱动装置13驱动探头1旋转。

一种基于所述的空心车轴探伤系统的探伤方法，包括以下步骤：

步骤一、在探头1上安装超声波传感器2、探杆3内安装倾角传感器6和编码器4，建立UT超声处理模块5及倾角及编码信号处理模块7；

步骤二、所述超声波传感器2向空心车轴12内表面发射超声波并将反射回来的超声波信号210发送至UT超声处理模块5；所述倾角传感器6将倾角传感器模拟量信号610发送至倾角及编码信号处理模块7；所述编码器4将编码器数字脉冲信号410分别上传至所述UT超声处理模块5和倾角及编码信号处理模块7；

步骤三、所述UT超声处理模块5将编码器数字脉冲信号410转换成探头的旋转角度，将超声波信号210转换成与探头的旋转角度对应的超声波形，并输出至上位机10进行显示；所述倾角及编码信号处理模块7将编码器数字脉冲信号410转换成探头的旋转角度，将倾角传感器模拟量信号610转换成探杆的偏转角度，并形成一一对应关系输出至上位机10；

步骤四、所述上位机10根据探杆的偏转角度对探头的旋转角度进行补偿，以确定空心车轴的缺陷位置：所述上位机接收所述倾角及编码信号处理模块发送的有对应关系的探头的旋转角度和探杆的偏转角度，同时接收UT超声处理模块发送的与探头的旋转角度对应的超声波形和探头的旋转角度；所述上位机根据倾角及编码信号处理模块和UT超声处理模块发送的相同的探头的旋转角度，确定同一探头旋转角度下超声波形与探杆的偏转角度的对应关系，并将探杆的偏转角度补偿到探头的旋转角度上，以精确确定空心车轴的缺陷位置。

本发明倾角及编码信号处理模块的信号采集系统如图3所示：倾角及编码信号处理模块7以基于ARM7架构核心微控制器为核心，拓展高精度的模拟量采集电路8和高速脉冲采集电路9，拓展数据存储电路14和TCP/IP网络模块电路15，采集编码器4的编码器数字脉冲信号410和探杆的倾角传感器6的倾角传感器模拟量信号610。为了保证高速采集的实时性，倾角及编码信号处理模块的主频为48MHz，并且在ARM7架构核心微控制器7上移植嵌入式实时操作系统uC/OS，调度数据采集和处理，并以TCP/IP网络通信方式快速返回数据。通信时，模块工作在服务器方式，为避免数据缓存溢出，当模块与上位机成功连接后只要采集到数据，就立即将数据发送给上位机。图2中16为电源电路。

本发明在传统的探杆上加装倾角传感器，并且开发全新的倾角及编码信号处理模块，该模块独立于探伤系统运行且随同探伤作业一起运行，但并不干涉原有的探伤过程。本发明的探伤信号采集系统如图1所示。传统的探伤系统中UT超声处理模块采集超声波信号和编码器数字脉冲信号，经过处理后生成与探头位置对应的超声波形，进入上位机电脑进行显示。本发明的探伤系统中新增加了ARM7架构核心微控制器中的倾角及编码信号处理模块7。该模块并行采集编码器数字脉冲信号410，同时采集新安装的探头旋转角度补偿装置的倾角传感器模拟量信号610，并形成一一对应关系，经过简单处理后，通过TCP/IP网络模块电路15同时送入交换机17并上传至上位机10中。上位机10接收到UT单元的超声波形及编码器位置信息，同时也接收到倾角及编码信号处理模块传送的编码器位置信息和探杆倾角信息。然后，在软件处理中，根据两边数据中相同的编码器位置信息对应出超声波探伤信号和探杆倾角信号，再使用倾角信息对探头位置进行修正，即可得出缺陷完全正确的位置信息。

例如，当探头编码器给出的旋转角度为正向(假定顺时针为正)30度时，此时测得的探杆倾角为正向1.5度，即探杆也意外发生了1.5度的正向偏转。上位机软件将该1.5度(探杆位置)对UT采集回来的30度(探头位置)进行补偿，即原来的30度探头处所对应的缺陷实际位置应该为30-1.5＝28.5度处，此时即补偿完毕。

本发明设计的关于编码器和倾角传感器信号采集部分工作过程及参数性能说明如下：

在探伤作业过程中，倾角和编码信号处理模块实时采集编码器数字脉冲信号，计算探头的旋转角度，同时采集倾角传感器模拟量信号，计算探杆的偏转角度，然后将数据打包发送给上位机。为了保证探伤精度和准确度，要求数据采集系统具有较高的实时性。设计精度要求为至少保证探头旋转角度0.1度(一圈为360度)的分辨率，探杆偏转角度的分辨率也为0.1度。举例说明：如果编码器的参数为每转一圈A相和B相发出3600个脉冲，并且正常探伤速度为每分钟探头旋转80转，即80r/min，要保证精准获得探头旋转角度数据，则要求编码器至少每秒钟采集4800次。并且为了准确获取每个旋转角度对应的探杆偏转角度数值，要求模拟量采集电路的采样频率在48KHz以上。并且，若倾角传感器的满量程为-30度～30度，为了保证倾角0.1度的分辨率的稳定性和重复性，必须采用13位以上的A/D转换宽度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种空心车轴探伤系统，包括，设置在探头上的超声波传感器，设置在探杆上的编码器，用于接收超声波传感器发出的超声波信号和编码器发出的编码器数字脉冲信号并输出至上位机的UT超声处理模块，其特征在于：

探头旋转角度补偿装置，其包括设置在探杆内的倾角传感器，所述探头旋转角度补偿装置输出倾角传感器模拟量信号；

倾角及编码信号处理模块，其接收倾角传感器模拟量信号和编码器数字脉冲信号，将其分别转化为探杆的偏转角度和探头的旋转角度，并输出至上位机；所述上位机根据探杆的偏转角度对探头的旋转角度进行补偿，以确定空心车轴的探伤位置。

2.如权利要求1所述的空心车轴探伤系统，其特征在于，所述倾角传感器通过模拟量采集电路将倾角传感器模拟量信号发送至倾角及编码信号处理模块。

3.如权利要求1所述的空心车轴探伤系统，其特征在于，所述编码器通过高速脉冲采集电路将编码器数字脉冲信号发送至倾角及编码信号处理模块。

4.如权利要求1所述的空心车轴探伤系统，其特征在于，所述倾角及编码信号处理模块为ARM7架构核心微控制器。

5.如权利要求4所述的空心车轴探伤系统，其特征在于，所述ARM7架构核心微控制器的操作系统为uC/OS嵌入式实时操作系统。

6.如权利要求1所述的空心车轴探伤系统，其特征在于，所述倾角及编码信号处理模块的主频为48MHz。

7.如权利要求1所述的空心车轴探伤系统，其特征在于，所述探杆的一端与探头连接，另一端通过拖链与输送机构柔性连接，所述输送机构通过拖链驱动所述探杆沿空心车轴内表面轴向水平移动。

8.如权利要求1所述的空心车轴探伤系统，其特征在于，还包括：

驱动装置，其设置在所述探杆内，所述驱动装置的输出轴与所述探头相连，以驱动所述探头旋转。

9.一种基于如权利要求1所述的空心车轴探伤系统的探伤方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在探头上安装超声波传感器、探杆内安装倾角传感器和编码器，建立UT超声处理模块及倾角及编码信号处理模块；

步骤二、所述超声波传感器向空心车轴内表面发射超声波并将反射回来的超声波信号发送至UT超声处理模块；所述倾角传感器将倾角传感器模拟量信号发送至倾角及编码信号处理模块；所述编码器将编码器数字脉冲信号分别上传至所述UT超声处理模块和倾角及编码信号处理模块；

步骤三、所述UT超声处理模块将编码器数字脉冲信号转换成探头的旋转角度，将超声波信号转换成与探头的旋转角度对应的超声波形，并输出至上位机进行显示；所述倾角及编码信号处理模块将编码器数字脉冲信号转换成探头的旋转角度，将倾角传感器模拟量信号转换成探杆的偏转角度，并形成一一对应关系输出至上位机；

步骤四、所述上位机根据探杆的偏转角度对探头的旋转角度进行补偿，以确定空心车轴的探伤位置。

10.如权利要求9所述的空心车轴探伤方法，其特征在于，所述上位机根据探杆的偏转角度对探头的旋转角度进行补偿，以确定空心车轴的探伤位置，具体为：

所述上位机接收所述倾角及编码信号处理模块发送的有对应关系的探头的旋转角度和探杆的偏转角度，同时接收UT超声处理模块发送的与探头的旋转角度对应的超声波形和探头的旋转角度；所述上位机根据倾角及编码信号处理模块和UT超声处理模块发送的相同的探头的旋转角度，确定同一探头旋转角度下超声波形与探杆的偏转角度的对应关系，并将探杆的偏转角度补偿到探头的旋转角度上，以精确确定空心车轴的探伤位置。