CN105223273A - 一种动车组裂纹检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动车组裂纹检测仪，属于超声波探伤领域，检测仪包括超声波探头、电源管理模块、高压模块、超声波发射电路、超声波接收电路模块、转换电路模块、现场可编程逻辑阵列微处理器、显示屏、报警器和储存器。其中电源管理模块分别与高压模块、转换电路模块、现场可编程逻辑阵列、微处理器连接；高压模块依次与超声波发射电路、探头、超声波接收电路模块、转换电路模块相连；现场可编程逻辑阵列分别与高压模块、超声波发射电路、超声波接收电路模块、转换电路和微处理器连接；微处理器分别与显示屏、报警器、储存器连接。本发明结构合理，能够快速、高精度地对裂纹进行检测，体积小携带方便，续航、储存能力强，适合于动车组车间裂纹检测。

Description

一种动车组裂纹检测仪

技术领域

本发明属于超声波探伤领域，特别是涉及一种动车组裂纹检测仪。

背景技术

随着我国铁路列车速度的不断增加，动车组列车的振动工况变得极为复杂，动车组列车零部件在设计时均能满足强度要求，但是其长期工作在交变载荷和振动的工况下，疲劳损坏问题时常发生。目前对动车组机械部件裂纹检测的主要手段还停留在人工目视的方法，目视检验的最大局限性是它容易发生遗漏现象且无法检测部件内部微裂纹。动车组机械部件裂纹检测的另一种主要手段是超声波检测。超声波检测是指超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术。而目前，铁路部门采用超声波检测手段对动车组机械部件裂纹的检测往往是长时间作业，操作人员技术水平低。并且现有的超声波探伤仪探伤过程中为了能较清楚地了解缺陷回波的细节，常常需要操作仪器按键，使用波门展宽功能来放大缺陷回波，且体积大，操作复杂，续航能力差，另超声波探伤仪一般储存的是波形图和峰值点，存储量小，自动化程度低，操作人员需要经过专业培训，不能满足现有的使用需求，非常影响企业的工作效率。铁路部门迫切需求简单、准确、高效、时间长的裂纹检测设备。

发明内容

本发明目的在于克服以上现有技术的不足之处，提供一种动车组裂纹检测仪，该检测仪具有操作简单、效率高、工作时间长、存储量大的优点。。

具体有以下技术方案实现：

一种动车组裂纹检测仪，其特征在于，包括超声波探头、电源管理模块、高压模块、超声波发射电路、超声波接收电路模块、ADDA转换电路模块、现场可编程逻辑阵列、微处理器、显示屏、报警器和储存器；其中，电源管理模块的输出端分别与高压模块、ADDA转换电路模块、现场可编程逻辑阵列、微处理器连接；高压模块依次与超声波发射电路、探头、超声波接收电路模块、ADDA转换电路模块相连；现场可编程逻辑阵列分别与高压模块、超声波发射电路、超声波接收电路模块、ADDA转换电路模块和微处理器连接；微处理器分别与显示屏、报警器、储存器连接。

本发明的特点及有益效果在于：

采用模块化设计和高速采样器件，提高了仪器的技术性能、工作速度和稳定性，同时减小了仪器的体积和重量。本发明只有电源开关和数据储存按钮，去掉了其他复杂的按钮，不需要经过专业培训，操作简单。本发明设计的超声波接收电路模块，可自动放大信号，还可以使得小信号能得到足够的放大，而强信号在放大过程中又不会致使系统饱和过载。本发明储存的是整个波形的数据点，在电脑上通过Matlab程序可读取出图像，数据可供科研使用且储存容量高达4GB。本发明采用10000mAh移动电源供电，可长时间作业。

附图说明

图1为本发明所述动车组裂纹检测仪的电路方框图。

图2为本发明输入保护电路的电路图。

具体实施方式

本发明提出的一种动车组裂纹检测仪，结合附图和实施案例进一步说明如下：

本发明的一种动车组裂纹检测仪的实施例电路结构如图1所示，本发明包括超声波探头1、电源管理模块2、高压模块3、超声波发射电路4、超声波接收电路模块15、ADDA转换电路模块9、现场可编程逻辑阵列FPGA(Field－ProgrammableGateArray)10、微处理器MCU(MicrocontrollerUnit)11、显示屏12、报警器13和储存器14；其连接关系为：电源管理模块2的输出端分别与高压模块3、ADDA转换电路模块9、现场可编程逻辑阵列FPGA10、微处理器MCU11的输入端连接；高压模块3的输出端依次与超声波发射电路4、探头1、超声波接收电路模块15和ADDA转换电路模块9相连；现场可编程逻辑阵列FPGA10的输出端分别与高压模块3、超声波发射电路4、探头和超声波接收电路模块15相连；现场可编程逻辑阵列FPGA10还分别与ADDA转换电路模块9和微处理器MCU11双向连接；微处理器MCU11的输出端分别与显示屏12、报警器13、储存器14输入端连接。

上述各部件的具体实施方式及功能说明如下：

本实施例的超声波接收电路模块15具体包括依次连接的输入保护电路5、前置放大电路6、可控增益放大电路7和滤波电路8，其中，前置放大电路采用MAX4104ESA运算放大器，可控增益放大电路采用VCA810电压控制增益放大器。

本实施例的输入保护电路5的具体电路如图2所示，该电路包括二个电阻R5、R6，二个二极管D3、D4，一个电容C24；其中，第一电阻R5与电容C24并联，两个二极管D3、D4反向并联；两个反向并联的二极管D3、D4的一端连接在并联的第一电阻R5与电容C24的输出端和第二电阻R6的输入端之间(BNCOUT)；并联的第一电阻R5与电容C24的输入端为保护电路的输入端BNC，第二电阻R6的输出端为保护电路的输出端AMP1IN，两个反向并联的二极管D3、D4的另一端接地。

滤波电路利用集成运放MAX4104ESA构成二阶压控电压源带通滤波电路。

超声波发射电路采用宽带窄脉冲发生电路由场效应管(MOS管)，三极管，电阻，电容构成。

由于高压脉冲很容易产生高频辐射，会对周围的电路产生很严重的信号干扰，超声波发射电路和超声波接收电路模块一起整个采用铜罩屏蔽来提高电路的稳定性。

本实施例提供的微处理器MCU采用STM32F103处理器。现场可编程逻辑阵列FPGA采用EP2C8Q208C8这款现场可编程逻辑CycloneIIFPGA，微处理器MCU和现场可编程逻辑阵列FPGA均预先存储有处理程序。

微处理器MCU模块是这个系统的最前端，其中存储的程序负责与用户交互的功能。首先，微处理器MCU与现场可编程逻辑阵列FPGA模块通信，获取AD采集的波形信号转换的数字信号，并且对信号做数字处理，显示到TFT显示屏上，同时计算超声波的回波次数，声程，缺陷位置，还有深度等信息。微处理器MCU还可以根据设定好的裂纹缺陷阈值，来启动蜂鸣器报警。最终，还可以用TF卡来存储，记录波形。

现场可编程逻辑阵列FPAG作为高速数字处理模块，其中存储的程序主要负责控制AD模块采集并存储回拨信号的波形，并且把采集的数字信号通过一定的格式发送给微处理器MCU。同时，现场可编程逻辑阵列FPGA还负责驱动DA模块，输出可调的直流电压值，控制放大电路的增益值。

高压模块采用12Z601-10C5V直流高压发生器带有可调电位器。ADDA转换电路模块采用高速模数转换器AD9280和数模转换器AD9708。显示屏采用320*480TFT显示器进行显示。电源管理模块作为整个系统的配电系统，采用10000mAh移动电源为整个检测仪供电，采用移动电源5V/2A输入。报警器采用蜂鸣报警装置。

Flash储存器采用TF卡来储存，储存容量高达4GB。检测仪储存整个波形的数据点的数据可由电脑端Matlab程序读取显示在电脑端进行科研研究。

探头采用单晶换能器BSN1540探头。

本发明动车组裂纹检测仪的具体工作过程如下：

将探头1与被测工件表面接触，按下电源管理模块2按钮。电源管理模块2作为整个系统的配电系统，采用移动电源5V/2A输入，直接为ADDA转换电路模块9，现场可编程逻辑阵列FPGA10和微处理器MCU11供电，同时经过一级的升压12V，为高压模块3供电。高压模块3输入12V/0.2A的直流电源，输出高压驱动后级的超声波发送电路4。其中带有可调电位器的高压模块调节输出电压，本系统固定采用400V高压，稳定驱动超声波发送电路4。由于高压脉冲很容易产生高频辐射，会对周围的电路产生很严重的信号干扰，采用铜罩屏蔽整个超声波发送电路4和超声波接收电路模块15，提高电路的稳定性。当系统上电之后，完成系统的初始化工作，然后由现场可编程逻辑阵列FPGA10控制超声波发送电路4产生100Hz的高压激励脉冲，该脉冲经过探头线到达探头的压电晶片，产生超声波发射信号。超声波发射信号在被测工件内传播，并携带工件的缺陷和界面信息返回探头1，经过探头的压电晶片转换为电信号进入本动车组裂纹检测仪的超声波接收电路模块15对接收的信号进行放大滤波。

由于本发明采用的探头是一款单晶换能器，因此激励脉冲高压将输入到接收通道，造成其在接收通道输入端输入的信号不仅有微伏级的回波信号，而且还有上百伏的发射脉冲高压信号，如果不对此信号进行处理，将损坏后级接收通道电路元件，导致不能正常接收回波信号，造成系统检测的误判。为此，设计中采用了串联和并联限幅电路的保护电路设计方案，输入保护电路5的电阻R5起到限流的作用，电容C24可以通过高频小信号，二极管D3和D4起到电压钳位的作用。当信号大于0.7V时，二极管D4导通，把BNCOUT信号限制在0.7V；当电压小于-0.7V时，二极管D3导通，把BNCOUT信号幅度限制在-0.7V，通过两个二极管的配合，把信号Vb(AMP1IN的电压值)，控制在：-0.7V<Vb<0.7V的范围内。因此，超声波的回波微弱信号不会受到影响，无损的输入到后级的前置放大电路6，再输入到可控增益放大电路7，再输入到滤波电路8，然后输出给ADDA转换电路9中的AD转换电路，电信号被转变为数字信号，再送至现场可编程逻辑阵列FPGA10模拟的FIFO储存器(先入先出双口缓冲器)中暂时储存。同时，FPGA还负责驱动ADDA转换电路9中的DA模块，输出可调的直流电压值，控制放大电路的增益值，至此完成了信号的接收。

然后微处理器MCU11从现场可编程逻辑阵列FPGA10模拟的FIFO中读出采样信息，进行数据处理将数字信号所代表的回波值经运算后生成回波幅度曲线，并传送到显示屏TFT12上。Flash储存器14负责探伤数据的储存，容量高达4GB，使得本检测仪在完成探伤工作的同时大量有效的保留探伤数据，并根据用户的指令随时可在电脑端Matlab程序上回放显示所保留的探伤数据。本检测仪还设有一个报警器13，MCU微处理器11可以根据设定好的裂纹缺陷阈值，来启动蜂鸣器报警。

Claims (10)

1.一种动车组裂纹检测仪，其特征在于，包括超声波探头、电源管理模块、高压模块、超声波发射电路、超声波接收电路模块、ADDA转换电路模块、现场可编程逻辑阵列、微处理器、显示屏、报警器和储存器；其中，电源管理模块的输出端分别与高压模块、ADDA转换电路模块、现场可编程逻辑阵列、微处理器连接；高压模块依次与超声波发射电路、探头、超声波接收电路模块、ADDA转换电路模块相连；现场可编程逻辑阵列分别与高压模块、超声波发射电路、超声波接收电路模块、ADDA转换电路模块和微处理器连接；微处理器分别与显示屏、报警器、储存器连接。

2.根据权利要求1所述的动车组裂纹检测仪，其特征在于，所述超声波接收电路模块包括依次连接的输入保护电路、前置放大电路、可控增益放大电路和滤波电路。

3.根据权利要求2所述的动车组裂纹检测仪，其特征在于，所述输入保护电路包括二个电阻，二个二极管，一个电容；其中，第一电阻与电容并联，两个二极管反向并联；两个反向并联的二极管的一端连接在并联的第一电阻与电容的输出端和第二电阻的输入端之间；并联的第一电阻与电容的输入端为保护电路的输入端，第二电阻的输出端为保护电路的输出端，两个反向并联的二极管的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的动车组裂纹检测仪，其特征在于，所述超声波发射电路和超声波接收电路模块整个采用铜罩屏蔽。

5.根据权利要求1所述的动车组裂纹检测仪，其特征在于，所述微处理器采用STM32F103处理器。

6.根据权利要求1所述的动车组裂纹检测仪，其特征在于，所述现场可编程逻辑阵列FPGA采用EP2C8Q208C8这款现场可编程逻辑CycloneIIFPGA。

7.根据权利要求1所述的动车组裂纹检测仪，其特征在于，所述高压模块采用12Z601-10C5V直流高压发生器。

8.根据权利要求1所述的动车组裂纹检测仪，其特征在于，所述前置放大电路采用MAX4104ESA运算放大器。

9.根据权利要求1所述的动车组裂纹检测仪，其特征在于，所述可控增益放大电路采用VCA810电压控制增益放大器。

10.根据权利要求1所述的动车组裂纹检测仪，其特征在于，所述ADDA转换电路模块采用高速模数转换器AD9280和数模转换器AD9708。