CN109709217B - 一种双轨式超声波探伤系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双轨式超声波探伤系统，其包括运行在铁轨上的探伤小车、安装在探伤小车上的探伤装置和工控机；探伤装置安装在探伤小车的底侧且包括超声波探轮；超声波探轮安装有对中装置和预紧装置对中装置准确地对准铁轨，预紧装置使超声波探轮与铁轨之间有一定的压力，使超声波探轮正常滚动；超声波探伤轮内密封安装有用于负责检测铁轨不同位置的超声波发送与接收探头；工控机内部安装有超声波发送与接收数据采集板卡；超声波发送与接收数据采集板卡电连接超声波发送与接收探头，超声波发送与接收数据采集板卡采用PCI总线与外部PC机连接通讯。本发明可以自主行走、双轨同时检测的装置，降低探伤成本，减小铁路工人工作量。

Description

一种双轨式超声波探伤系统

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种双轨式超声波探伤系统。

背景技术

随着我国经济的高速发展，铁路和轨道交通的重要作用越来越凸显，随着铁路的发展，相应的也增加我国铁路维修检测工作的任务和困难，由于铁路运输的体量大，一旦出现意外将会产生毁灭性的结果和不可估量的损失，这就要求我们铁路维修部门能够及时准确的检查出轨道中存在的损伤缺陷，确保轨道运行的安全可靠。

目前我国铁路铁轨探伤手段主要分为小型手推式探伤车和大型探伤车，小型手推式探伤车效率低下，铁路工人工作量较大，需要花费大量时间进行人工判断；大型探伤车虽然速度较快，但造价昂贵，成本高昂，精度较低，设备数量有限。

因此，需要研究一种双轨式超声波探伤系统，可以自主行走、双轨同时检测的装置，降低探伤成本，减小铁路工人的工作量。

发明内容

针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种结构设计合理、紧凑，操作便捷，安全可靠，探伤检测精准，可以自主行走、双轨同时检测的装置，降低探伤成本，减小铁路工人工作量的双轨式超声波探伤系统。

本发明的技术方案如下：

上述的双轨式超声波探伤系统，包括运行在铁轨上的探伤小车、安装在所述探伤小车上的探伤装置和工控机；所述探伤装置安装在所述探伤小车的底侧且包括超声波探轮；所述超声波探轮安装有对中装置和预紧装置对中装置准确地对准铁轨，所述预紧装置使所述超声波探轮与铁轨之间有一定的压力，使所述超声波探轮正常滚动；所述超声波探伤轮内密封安装有用于负责检测铁轨不同位置的超声波发送与接收探头；

所述工控机内部安装有超声波发送与接收数据采集板卡；所述超声波发送与接收数据采集板卡电连接所述超声波发送与接收探头，所述超声波发送与接收数据采集板卡采用PCI总线与外部PC机连接通讯。

所述双轨式超声波探伤系统，其中：所述超声波发送与接收数据采集板卡包括DSP控制芯片、片上存储器、FPGA控制芯片、AD转换模块、时钟源、电平转换模块、D/A模块、限幅保护电路、程控放大电路、可调滤波电路、电平变换电路和电源电路；

所述限幅保护电路的信号输入端电连接所述超声波探轮内的超声波发送与接收探头，以接收所述超声波发送与接收探头发出的回波信号；所述限幅保护电路的信号输出端电连接所述程控放大电路，所述程控放大电路的输出端电连接所述可调滤波电路，所述可调滤波电路的输出端电连接所述电平变换电路，所述电平变换电路的输出端电连接所述A/D转换模块并通过所述A/D转换模块与所述FPGA控制芯片双向电连接；

所述FPGA控制芯片与所述时钟源电连接，同时所述FPGA控制芯片还与所述A/D转换模块双向电连接；所述DSP控制芯片分别与所述片上存储器和电平转换模块电连接，且所述DSP控制芯片还通过PCI总线与外部PC机双向电连接；

所述电平转换模块电连接所述A/D转换模块，同时还电连接所述D/A模块并通过所述D/A模块电连接所述程控放大电路；

所述DSP控制芯片的型号是TMS320F28335；所述FPGA控制芯片的型号是EP4CE10NIOS ALTERA；所述电源电路输入220V交流电压，输出±5V、1.5V、1.7V、3.3V电压。

所述双轨式超声波探伤系统，其中：所述限幅保护电路由交流电源V10、电阻R11～R12、电容C11～C12、二极管D1A和二极管D2A连接组成；所述电阻R12一端连接所述交流电源V10的正极，另一端依次通过连接所述电容C11和C12连接至所述交流电源V10的负极；所述电阻R11一端连接所述交流电源V10的负极，另一端连接于所述电阻R12与电容C11之间；所述二极管D1A的阳极端连接于所述电容C11与电容C12之间，所述二极管D1A的阴极端连接所述交流电源V10的负极；所述二极管D2A的阴极端连接于所述电容C11与电容C12之间，所述二极管D1A的阳极端连接所述交流电源V10的负极；所述电阻R11的电阻值为1KΩ，所述电阻R12的电阻值为10KΩ，所述电容C11和C12的电容值为0.1μF。

所述双轨式超声波探伤系统，其中：所述程控放大电路由交流电源V20、电阻R201～R214、电容C201～C212、运算放大器U21～U22、电压表XMM21～XMM22、示波器XSC21和0.1V电池DAinput连接组成；

所述交流电源V20的正极连接所述运算放大器U21的同相输入端，所述交流电源V20的负极接地，所述运算放大器U21的反相输入端接地，所述运算放大器U21的负电源端连接-5V电源VCC_N，所述运算放大器U21的正电源端连接5V电源VCC_P，所述运算放大器U21的接地端接地，所述运算放大器U21的输出端连接所述电阻R207并通过所述电阻R207连接至所述运算放大器U22的同相输入端；所述电阻R202一端接地，另一端连接所述交流电源V20的正极；所述电压表XMM21的正极端连接于所述交流电源V20的正极；所述电容C201一端接地，另一端连接所述电阻R201并通过所述电阻R201连接所述运算放大器U21的同相输入端；所述电容C206一端接地，另一端连接所述运算放大器U21的负电源端；所述电容C210一端接地，另一端连接所述运算放大器U21的负电源端；所述电容C210一端连接接地，另一端连接所述运算放大器U21的负电源端；所述电阻R205一端连接5V电源VCC_P，另一端连接所述电阻R204并通过所述电阻R204连接于所述电容C201与电阻R201之间；所述电阻R206一端连接5V电源VCC_P，另一端连接所述电阻R203并通过所述电阻R203连接于所述电容C201与电阻R201之间；所述电容C205一端接地，另一端连接所述运算放大器U21的正电源端；所述电容C209一端接地，另一端连接所述运算放大器U21的正电源端；所述0.1V电池DAinput的负极接地，正极连接所述电阻R208并通过所述电阻R208分别连接所述运算放大器U21和U22；所述电容C204一端接地，另一端连接于所述0.1V电池DAinput的正极与所述电阻R208之间；所述电容C202一端接地，另一端连接所述运算放大器U22的同相输入端；所述运算放大器U22的反相输入端接地，所述运算放大器U22的负电源端连接-5V电源VCC_N，所述运算放大器U22的正电源端连接5V电源VCC_P，所述运算放大器U22的接地端接地，所述运算放大器U22的输出端连接所述电阻R214并通过所述电阻R214分别连接所述电压表XMM21和示波器XSC21；所述电容C208一端接地，另一端连接所述运算放大器U22的负电源端；所述电容C212一端接地，另一端连接所述运算放大器U22的负电源端；所述电阻R212一端连接5V电源VCC_P，另一端连接所述电阻R211并通过所述电阻R211连接于所述电容C203与电阻R209之间；所述电阻R213一端连接-5V电源VCC_N，另一端连接所述电阻R210并通过所述电阻R210连接于所述电容C203与电阻R209之间；所述电容C207一端接地，另一端连接5V电源VCC_P；所述电容C211一端接地，另一端连接5V电源VCC_P；

所述运算放大器U21和U22采用的型号为AD603AR；所述电阻R203、电阻R204、电阻R210、电阻R211均为可调电阻且电阻值均为5KΩ；所述电阻R205、电阻R206、电阻R212、电阻R213的电阻值均为5.1KΩ；所述电阻R201、电阻R202、电阻R207、电阻R209的电阻值均为100Ω；所述电阻R208的电阻值为10KΩ；所述电阻R214的电阻值为50Ω；所述电容C201、电容C203、电容C205、电容C206、电容C207、电容C208的容量均为0.1μF；所述电容C202的容量为1PF；该电容C204的容量为1μF；所述电容C209、电容C210、电容C211、电容C212的容量均为10μF。

所述双轨式超声波探伤系统，其中：所述可调滤波电路由交流电源V30、电阻R301～R312、电容C301～C313、运算放大器U31和U32、电压表XMM31和示波器XSC31连接组成；

所述交流电源V30的负极接地，正极连接所述电阻R301一端；所述电阻R301另一端连接所述电容C302并通过所述电容C302连接所述运算放大器U31的同相输入端；所述电阻R305一端接地，另一端连接所述运算放大器U31的反相输入端；所述电容C303一端接地，另一端依次通过串接所述电阻R306和R304连接至所述运算放大器U31；所述运算放大器U31的正电源端连接5V电源VCC，负电源端连接-5V电源VDD，接地端接地，输出端依次通过串接所述电阻R307和电容C309连接至所述运算放大器U31的同相输入端；所述电容C301一端接地，另一端连接于所述电阻R301与电容C302之间；所述电阻R302一端连接所述运算放大器U31，另一端连接于所述电阻R301与电容C302之间；所述电阻R303一端接地，另一端连接所述运算放大器U31的同相输入端；所述电容C305一端接地，另一端连接所述运算放大器U31的负电源端；所述电容C306一端接地，另一端连接所述运算放大器U31的负电源端；所述电容C304一端接地，另一端连接所述运算放大器U31的正电源端；所述电容C307一端接地，另一端连接所述运算放大器U31的正电源端；所述电容C308一端接地，另一端连接于所述电阻R307与电容C309之间；所述电阻R308一端连接所述运算放大器U31，另一端连接于所述电阻R307与电容C309之间；所述电阻R309一端接地，另一端连接所述运算放大器U32的同相输入端；所述电阻R310一端连接所述运算放大器U32的反相输入端，另一端连接所述运算放大器U32；所述运算放大器U32的正电源端连接5.0V电源VCC，负电源端连接-5.0V电源VDD，接地端接地，输出端连接所述电阻R312并通过所述电阻R312分别连接所述电压表XMM31和示波器XSC31；所述电容C311一端接地，另一端连接所述运算放大器U32的负电源端；所述电容C312一端接地，另一端连接所述运算放大器U32的负电源端；所述电容C310一端接地，另一端连接所述运算放大器U32的正电源端；所述电容C313一端接地，另一端连接所述运算放大器U32的正电源端；

所述运算放大器U31和U32采用的型号为AD8000YRDZ；所述电阻R301、电阻R302、电阻R307、电阻R308的阻值均为620Ω；所述电阻R303、电阻R309、R312的阻值均为1.2KΩ；所述电阻R304和电阻R310的阻值均为240Ω；所述电阻R305和电阻R311的阻值均为500Ω；所述电阻R306的阻值为1KΩ；所述电容C301、电容C302、电容C308、电容C309的容量均为100PF；所述电容C303、电容C304、电容C305、电容C310、电容C311的容量均为0.1μF；所述电容C306、电容C307、电容C312、电容C313的容量均为10μF。

所述双轨式超声波探伤系统，其中：所述探伤系统还包括安装在所述探伤小车上的水箱和蓄电池；所述水箱中盛有耦合液；所述蓄电池安装在水箱上部，其分别为小车控制台、小车制动装置、伺服装置、工控机提供电能。

所述双轨式超声波探伤系统，其中：所述探伤小车包括小车本体以及安装在所述小车本体上的小车控制台、小车制动装置、伺服装置、扫石器和喷淋装置；所述小车本体包括车架、对称安装在所述车架前后底侧的行走轮、安装在所述车架上部的座椅；所述小车本体通过所述行走轮运行在所述铁轨上；所述小车控制台设置在所述车架的前侧上部，其分别通过线束电连接所述小车制动装置、伺服装置、扫石器和喷淋装置；所述伺服装置采用伺服电机且安装在所述小车本体的所述车架上；所述扫石器和喷淋耦合装置安装在所述车架的底侧，并匹配位于所述小车本体前侧的所述行走轮与所述探伤装置之间。

所述双轨式超声波探伤系统，其中：所述小车控制台设置在所述小车本体的车架上部前侧，其主面板上安装有小车控制按键；所述小车控制按键采用按钮控制继电器闭合的方式控制电机启停和正反转，其包括小车制动装置控制按键、伺服装置控制按键、扫石器控制按键和喷淋装置控制按键；

所述小车制动装置采用脚踩闸瓦式机械制动装置和电磁刹车制动装置；所述脚踩闸瓦式机械制动装置安装在小车司机位置，通过人工脚踩的防止进行控制；所述电磁刹车制动装置由所述小车制动装置控制按键控制启停；所述伺服装置由所述伺服装置控制按钮控制启停；所述扫石器由所述扫石器控制按钮控制启停；

所述喷淋耦合装置由所述喷淋耦合装置控制按钮控制启停，其通过管道连接所述水箱；所述喷淋耦合装置通过喷头将所述水箱内的耦合液喷洒在铁轨表面，使超声波能更好的进入铁轨内部，以保证所述超声波探轮到铁轨的耦合对中和超声波的无损传播。

所述双轨式超声波探伤系统，其中：所述超声波探轮具有一对且均通过探轮支架安装在所述小车本体的车架底侧；每个所述超声波探轮还安装有对中预紧装置，所述对中预紧装置安装在所述探轮支架上面；所述对中预紧装置还设有控制所述超声波探轮和钢轨之间压力的弹簧，通过调节所述弹簧来调节所述超声波探轮和钢轨之间压力。

所述双轨式超声波探伤系统，其中：所述超声波发送与接收数据采集板卡还搭载有回波和缺陷深度在线显示软件，通过所述回波和缺陷深度在线显示软件可即时对铁轨伤损进行判断；

所述回波和缺陷深度在线显示软件主要包括数据采集模块、A扫绘制模块、缺陷计算模块、缺陷缓冲区模块和缺陷存储模块；

所述数据采集模块用于对超声波回波信号进行数据采集，通过所述A/D转换模块将模拟回波信号转换成数字信号并进行存储和传输；

所述A扫绘制模块用于将所述A/D转换模块转换后的数字信号通过图像绘制的方式，实时显示在所述回波和缺陷深度在线显示软件的面板上，图像横轴代表检测深度，纵轴代表回波波高；

所述缺陷计算模块用于对回波信号与预设缺陷闸门参数对比分析，判断回波是否存在缺陷信息，如果存在，则将缺陷信息暂存缺陷缓冲区；

所述缺陷缓冲区模块用于缓存回波中的缺陷信息，当缓冲区满时，发送缓冲区满标志信号；

所述缺陷存储模块用于接受缓冲区满标志信号，当缺陷缓冲区满时，读取缓冲区内的缺陷信息并打包存入系统硬盘空间，刷新缓冲区，等待下一次读取。

有益效果：

本发明双轨式超声波探伤系统结构设计合理、紧凑，整车模块化设计，满足在钢轨检测时，来车快速拆卸、运输的要求；本发明自带动力，和传统的手推车相比，具有自主行走的特点，减少检测工人的工作量；本发明可以同时检测两条轨道，检测时速可达15Km/h，和传统手段相比，极大提高了工作效率；本发明成本低廉，和大型探伤车相比，极大地降低了探伤成本且可连续使用；本发明具备缺陷实时显示功能，可供车载工作人员实时分析、判断；本发明具备缺陷信息存储功能，可供工作人员在线下重现缺陷信息，做进一步分析、判断。本发明将探伤系统和小车结合在一起，大大提高探伤效率，将轮式探头结合到小车当中，通过对中预紧装置与小车进行连接，对中预紧装置设有控制所述超声波探轮和钢轨之间压力的弹簧，通过调节弹簧可调节超声波探轮和钢轨之间压力，对中预紧装置准确地对准钢轨并使超声波探轮和铁轨之间有一定的压力，能有效保证超声波探轮正常滚动。

附图说明

图1为本发明双轨式超声波探伤系统的探伤小车的结构示意图；

图2为本发明双轨式超声波探伤系统的超声波发送与接收数据采集板卡的结构连接原理图框；

图3为本发明双轨式超声波探伤系统的超声波探轮内的超声波发送与接收探头的安装位置示意图；

图4为本发明双轨式超声波探伤系统的超声波发送与接收数据采集板卡上的限幅保护电路的电路图；

图5为本发明双轨式超声波探伤系统的超声波发送与接收数据采集板卡上的程控放大电路的电路图；

图6为本发明双轨式超声波探伤系统的超声波发送与接收数据采集板卡上的可调滤波电路的电路图；

图7为搭载在本发明双轨式超声波探伤系统的超声波发送与接收数据采集板卡上的回波和缺陷深度在线显示软件的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。

如图1所示，本发明双轨式超声波探伤系统，包括探伤小车1、水箱2、蓄电池3、探伤装置4和工控机5。

该探伤小车1具有自行走，双向运行，速度稳定的特点，其包括小车本体11以及安装在小车本体11上的小车控制台12、小车制动装置13、伺服装置14、扫石器15和喷淋装置16。

该小车本体11包括车架111、对称安装在车架111前后底侧的行走轮112、安装在车架111上部中段的座椅113；该小车本体11通过行走轮112运行在钢轨上。

该小车控制台12设置在该小车本体11的车架111上部前侧，其主面板上安装有小车控制按键。该小车控制按键采用按钮控制继电器闭合的方式控制电机启停和正反转，包括小车制动装置控制按键、伺服装置控制按键、扫石器控制按键和喷淋装置控制按键，通过不同的按键分别控制小车制动装置13、伺服装置14、扫石器15和喷淋装置16，实现小车启停、加速、制动等，保证小车平稳运行。

该小车制动装置13也设置在该小车本体11的车架上部前侧且位于小车控制台12下侧，其与小车控制台12通过线束电连接；其中，探伤小车1在铁轨上运行时，当需要下车检查或遇到突发情况时，需要探伤小车1能及时停车，这就要求探伤小车1有良好的制动装置；为了保证探伤小车1的制动平稳可靠；该探伤小车1采用脚踩闸瓦式机械制动装置和电磁刹车制动装置组合的小车制动装置13；其中，该电磁刹车制动装置原理为电子自动抱闸制动减速机与制动器连接，断电后车轮会自动抱闸；该小车制动装置13中的脚踩闸瓦式机械制动装置安装在小车司机位置，通过人工脚踩的方式进行控制；小车制动装置13中的电磁刹车制动装置，由安装在小车控制台12的小车制动装置控制按键控制启停。

该伺服装置14采用伺服电机141且安装在小车本体11的车架111上，其通过线束与小车控制台12电连接，并由安装在小车控制台12上的伺服装置控制按钮控制启停。

该扫石器15和喷淋耦合装置16安装在小车本体11的车架111底侧，并匹配位于小车本体11前侧的行走轮112与探伤装置4之间；其中，该扫石器15和喷淋耦合装置16均通过线束与小车控制台12电连接，该扫石器15由安装在小车控制台12上的扫石器控制按钮控制启停，该喷淋耦合装置16由安装在小车控制台12上的喷淋耦合装置控制按钮控制启停。

该水箱2安装在小车本体11的车架111的后侧上部且位于小车本体11后排的座椅113下侧；该水箱2中盛有耦合液，该喷淋耦合装置16通过管道连接水箱2。

该蓄电池3安装在水箱2上部，其分别为小车控制台12、小车制动装置13、伺服装置14、工控机5提供电能；其中，该蓄电池3与水箱2之间设有防护板，以防止蓄电池3受潮、进水影响工作性能。此外，该蓄电池3作为探伤小车1的动力来源，电池容量可供探伤小车1连续工作6h以上。

该探伤装置4通过螺栓安装在探伤小车1的小车本体11的车架111底侧，其包括探轮支架41和超声波探轮42。

该探伤装置4主要完成超声波发送与接收探头的对中、预紧及耦合，使探轮在运行过程中垂直方向的平稳，保证探伤结果的准确可靠。该探轮支架41用来保证超声波探轮42和铁轨的对中和预紧力，其上部连接在车架111的底侧。

该超声波探轮42具有一对，该一对超声波探轮42安装在探轮支架41上并通过探轮支架41安装在车架111的底侧；其中，每个超声波探轮42还安装有对中预紧装置43；该对中预紧装置43安装在探轮支架41上面且与超声波探轮42直接连接；该对中预紧装置43由两块可相对移动的钢板组成，通过移动钢板位置，调整超声波探轮42相对钢轨位置，对准位置后通过多个螺丝将两片钢板对紧；对中预紧装置43在两块钢板上部还设有控制超声波探轮42和钢轨之间压力的弹簧44，通过调节弹簧44来调节超声波探轮42和钢轨之间压力；对中预紧装置43准确地对准钢轨并使超声波探轮42和铁轨之间有一定的压力，能有效保证超声波探轮42正常滚动。

如图3所示，该超声波探伤轮42内密封了九个通道的超声波发送与接收探头，超声波发送与接收探头与工控机5内部的超声波发送与接收数据采集板卡连接，通过超声波发送与接收数据采集板卡来控制超声波发送与接收探头的工作参数，不同位置的超声波发送与接收探头用于负责检测钢轨不同的位置；该9个通道分别是0°直探头通道、前左70°斜探头通道、后左70°斜探头通道、前70°直探头通道、后70°直探头通道、前右70°斜探头通道、后右70°斜探头通道、前37°斜探头通道和后37°斜探头通道。该水箱2内的耦合液由喷淋耦合装置16通过喷头在铁轨表面喷洒耦合液，使超声波能更好的进入铁轨内部，保证超声波探轮42到铁轨的耦合对中和超声波的无损传播。

该工控机5安装在小车本体11的车架111的中段上部且位于小车本体11中排的座椅113下侧；其中，该工控机5内部安装有超声波发送与接收数据采集板卡，外部安装有显示屏51。

如图2所示，该超声波发送与接收数据采集板卡采用PCI总线与外部PC机通讯，其包括DSP控制芯片501、片上存储器502、FPGA控制芯片503、A/D转换模块504、时钟源505、电平转换模块506、D/A模块507、限幅保护电路508、程控放大电路509、可调滤波电路510、电平变换电路511和电源电路512。

该DSP控制芯片501的型号是TSM320F28335；该FPGA控制芯片503型号是EP4CE10NIOS ALTERA。该限幅保护电路508的信号输入端电连接超声波探轮42内的超声波发送与接收探头，以接收超声波探轮42内的超声波发送与接收探头发出的回波信号，该限幅保护电路508的信号输出端电连接程控放大电路509；该程控放大电路509的输出端电连接可调滤波电路510，该可调滤波电路510的输出端电连接电平变换电路511，该电平变换电路511的输出端电连接A/D转换模块504并通过A/D转换模块504与该FPGA控制芯片503双向电连接。该FPGA控制芯片503还与时钟源505电连接，同时该FPGA控制芯片503还与A/D转换模块504双向电连接。该DSP控制芯片501分别与片上存储器502和电平转换模块506电连接，且该DSP控制芯片501还通过PCI总线与外部PC机双向电连接。该电平转换模块506电连接A/D转换模块504，同时还电连接D/A模块507并通过D/A模块507电连接程控放大电路509。由FPGA控制芯片503发送频率可调的激励信号，使超声波探轮42内的超声波发送与接收探头发送相同频率的超声波；超声波发送与接收探头接收回波信号，由于回波信号较为微弱且掺杂高压激励信号，所以需要经过限幅保护电路508滤除高压激励信号，程控放大电路509对微弱的回波信号进行可变增益地放大，可调滤波电路510对回波信号中的噪音进行转换，进而进入AD转换部分，经A/D转换模块504转换以后进入FPGA控制芯片503和DSP控制芯片501进行信号处理，信号处理结果经PCI总线进入PC机；该超声波发送与接收数据采集板卡的电源电路512输入220V交流电压，输出±5V；1.5V；1.7V；3.3V。

如图4所示，该限幅保护电路508由交流电源V10、电阻R11～R12、电容C11～C12、二极管D1A和二极管D2A连接组成。

该电阻R11的电阻值为1KΩ，该电阻R12的电阻值为10KΩ，该电容C11和C12的电容值为0.1μF。

该电阻R12一端连接交流电源V10的正极，另一端依次连接电容C11和C12并连接至交流电源V10的负极；该电阻R11一端连接交流电源V10的负极，另一端连接于电阻R12与电容C11之间；该二极管D1A的阳极端连接于电容C11与电容C12之间，该二极管D1A的阴极端连接交流电源V10的负极；该二极管D2A的阴极端连接于电容C11与电容C12之间，该二极管D1A的阳极端连接交流电源V10的负极。

如图5所示，该程控放大电路509由交流电源V20、电阻R201～R214、电容C201～C212、运算放大器U21～U22、电压表XMM21～XMM22、示波器XSC21和0.1V电池DAinput连接组成。

该运算放大器U21和U22采用的型号为AD603AR。

该电阻R203、电阻R204、电阻R210、电阻R211均为可调电阻且电阻值均为5KΩ；该电阻R205、电阻R206、电阻R212、电阻R213的电阻值均为5.1KΩ；该电阻R201、电阻R202、电阻R207、电阻R209的电阻值均为100Ω；该电阻R208的电阻值为10KΩ；该电阻R214的电阻值为50Ω。

该电容C201、电容C203、电容C205、电容C206、电容C207、电容C208的容量均为0.1μF；该电容C202的容量为1PF；该电容C204的容量为1μF；该电容C209、电容C210、电容C211、电容C212的容量均为10μF。

该交流电源V20的正极连接运算放大器U21的同相输入端，该交流电源V20的负极接地，该运算放大器U21的反相输入端接地，该运算放大器U21的负电源端连接-5V电源VCC_N，该运算放大器U21的正电源端连接5V电源VCC P，该运算放大器U21的接地端接地，该运算放大器U21的输出端连接电阻R207并通过电阻R207连接至运算放大器U22的同相输入端；该电阻R202一端接地，另一端连接交流电源V20的正极；该电压表XMM21的正极端连接于交流电源V20的正极；该电容C201一端接地，另一端连接电阻R201并通过电阻R201连接运算放大器U21的同相输入端；该电容C206一端接地，另一端连接运算放大器U21的负电源端；该电容C210一端接地，另一端连接运算放大器U21的负电源端；该电容C210一端连接接地，另一端连接运算放大器U21的负电源端；该电阻R205一端连接5V电源VCC_P，另一端连接电阻R204并通过电阻R204连接于电容C201与电阻R201之间；该电阻R206一端连接5V电源VCC P，另一端连接电阻R203并通过电阻R203连接于电容C201与电阻R201之间；该电容C205一端接地，另一端连接运算放大器U21的正电源端；该电容C209一端接地，另一端连接运算放大器U21的正电源端；该0.1V电池DAinput的负极接地，正极连接电阻R208并通过电阻R208分别连接运算放大器U21和U22；该电容C204一端接地，另一端连接于该0.1V电池DAinput的正极与电阻R208之间；该电容C202一端接地，另一端连接运算放大器U22的同相输入端；该运算放大器U22的反相输入端接地，该运算放大器U22的负电源端连接-5V电源VCC_N，该运算放大器U22的正电源端连接5V电源VCC_P，该运算放大器U22的接地端接地，该运算放大器U22的输出端连接电阻R214并通过电阻R214分别连接电压表XMM21和示波器XSC21；该电容C208一端接地，另一端连接该运算放大器U22的负电源端；该电容C212一端接地，另一端连接该运算放大器U22的负电源端；该电阻R212一端连接5V电源VCC_P，另一端连接电阻R211并通过电阻R211连接于电容C203与电阻R209之间；该电阻R213一端连接-5V电源VCC_N，另一端连接电阻R210并通过电阻R210连接于电容C203与电阻R209之间；该电容C207一端接地，另一端连接5V电源VCC_P；该电容C211一端接地，另一端连接5V电源VCC_P。

如图6所示，该可调滤波电路510由交流电源V30、电阻R301～R312、电容C301～C313、运算放大器U31和U32、电压表XMM31和示波器XSC31连接组成。

该运算放大器U31和U32采用的型号为AD8000YRDZ。该电阻R301、R302、R307、R308的阻值均为620Ω；该电阻R303、电阻R309、R312的阻值均为1.2KΩ；该电阻R304和电阻R310的阻值均为240Ω；该电阻R305和电阻R311的阻值均为500Ω；该电阻R306的阻值为1KΩ。该电容C301、电容C302、电容C308、电容C309的容量均为100PF；该电容C303、电容C304、电容C305、电容C310、电容C311的容量均为0.1μF；该电容C306、电容C307、电容C312、电容C313的容量均为10μF。

该交流电源V30的负极接地，正极连接电阻R301一端；该电阻R301另一端连接电容C302并通过电容C302连接运算放大器U31的同相输入端；该电阻R305一端接地，另一端连接运算放大器U31的反相输入端；该电容C303一端接地，另一端依次通过串接电阻R306和R304连接至运算放大器U31；该运算放大器U31的正电源端连接5V电源VCC，负电源端连接-5V电源VDD，接地端接地，输出端依次通过串接电阻R307和电容C309连接至运算放大器U31的同相输入端；该电容C301一端接地，另一端连接于电阻R301与电容C302之间；该电阻R302一端连接运算放大器U31，另一端连接于电阻R301与电容C302之间；该电阻R303一端接地，另一端连接运算放大器U31的同相输入端；该电容C305一端接地，另一端连接运算放大器U31的负电源端；该电容C306一端接地，另一端连接运算放大器U31的负电源端；该电容C304一端接地，另一端连接运算放大器U31的正电源端；该电容C307一端接地，另一端连接运算放大器U31的正电源端；该电容C308一端接地，另一端连接于电阻R307与电容C309之间；该电阻R308一端连接运算放大器U31，另一端连接于电阻R307与电容C309之间；该电阻R309一端接地，另一端连接运算放大器U32的同相输入端；该电阻R310一端连接运算放大器U32的反相输入端，另一端连接运算放大器U32；该运算放大器U32的正电源端连接5.0V电源VCC，负电源端连接-5.0V电源VDD，接地端接地，输出端连接电阻R312并通过电阻R312分别连接电压表XMM31和示波器XSC31；该电容C311一端接地，另一端连接运算放大器U32的负电源端；该电容C312一端接地，另一端连接运算放大器U32的负电源端；该电容C310一端接地，另一端连接运算放大器U32的正电源端；该电容C313一端接地，另一端连接运算放大器U32的正电源端。

其中，该超声波发送与接收数据采集板卡还搭载有回波和缺陷深度在线显示软件，通过该回波和缺陷深度在线显示软件可即时对铁轨伤损进行判断。该回波和缺陷深度在线显示软件属自主研发，主要包括数据采集模块、A扫绘制模块、缺陷计算模块、缺陷缓冲区模块和缺陷存储模块。

该数据采集模块用于对超声波回波信号进行数据采集，通过A/D转换模块504将模拟回波信号转换成数字信号，并进行存储和传输。

该A扫绘制模块用于将A/D转换模块504转换后的数字信号通过图像绘制的方式，实时显示在该回波和缺陷深度在线显示软件的面板上，图像横轴代表检测深度，纵轴代表回波波高。

该缺陷计算模块用于对回波信号与预设缺陷闸门参数对比分析，判断回波是否存在缺陷信息，如果存在，则将缺陷信息暂存缺陷缓冲区。

该缺陷缓冲区模块用于缓存回波中的缺陷信息，当缓冲区满时，发送缓冲区满标志信号。

该缺陷存储模块用于接受缓冲区满标志信号，当缺陷缓冲区满时，读取缓冲区内的缺陷信息并打包存入系统硬盘空间，刷新缓冲区，等待下一次读取。

该回波和缺陷深度在线显示软件的工作流程为：

软件使能系统工作，检查探伤参数文件是否存在，存在则打开程序主程序界面，不存在则初始化或设置探伤参数；软件使能板卡开始采样后，捕获回波数据，并将捕获的回波数据绘制A超波形；同时分析回波数据中的缺陷信息，如果存在缺陷，则将缺陷信息绘制B超波形并暂存到缓冲区内；当缓冲区内数据满时，存储缓冲区内缺陷信息，刷新缓冲区，等下下一次存储。

经硬件部分处理发送的数据经PCI总线传输到工控机4，利用工控机4强大的数据处理能力将其即时显示出来。在该回波和缺陷深度在线显示软件的界面上半部分，分为左轨和右轨的A超显示部分，每个探轮中的九个通道可自由切换回信信号显示，操作工人可通过对回波信号的分析，判断某点铁轨伤情；在界面的中部黑色区域是缺陷深度显示区域，左轨和右轨的各通道的缺陷深度曲线在此区域进行绘制，帮助操作工人检测某段铁轨伤损情况，同时每个探轮的九个通道的具体缺陷深度数值显示在右下角区域；左下角区域是对通道、重复频率、采样点数、增益等参数进行设置的区域，通过软件设置参数，对DSP和FPGA进行控制。该回波和缺陷深度在线显示软件以Visual Studio 2008为平台，基于微软基础类库研发的。该回波和缺陷深度在线显示软件具有左右轨18个通道自由切换实时显示回波和缺陷深度的功能。

本发明结构设计合理、紧凑，可以自主行走、双轨同时检测的装置，降低探伤成本，减小铁路工人工作量。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双轨式超声波探伤系统，包括运行在铁轨上的探伤小车、安装在所述探伤小车上的探伤装置和工控机；其特征在于：所述探伤装置安装在所述探伤小车的底侧且包括超声波探轮；所述超声波探轮安装有对中预紧装置，对中预紧装置准确地对准铁轨，所述预紧装置使所述超声波探轮与铁轨之间有一定的压力，使所述超声波探轮正常滚动；所述超声波探轮内密封安装有用于负责检测铁轨不同位置的超声波发送与接收探头；

所述工控机内部安装有超声波发送与接收数据采集板卡；所述超声波发送与接收数据采集板卡电连接所述超声波发送与接收探头，所述超声波发送与接收数据采集板卡采用PCI总线与外部PC机连接通讯；

所述超声波发送与接收数据采集板卡包括DSP控制芯片、片上存储器、FPGA控制芯片、A/D转换模块、时钟源、电平转换模块、D/A模块、限幅保护电路、程控放大电路、可调滤波电路、电平变换电路和电源电路；

所述限幅保护电路的信号输入端电连接所述超声波探轮内的超声波发送与接收探头，以接收所述超声波发送与接收探头发出的回波信号；所述限幅保护电路的信号输出端电连接所述程控放大电路，所述程控放大电路的输出端电连接所述可调滤波电路，所述可调滤波电路的输出端电连接所述电平变换电路，所述电平变换电路的输出端电连接所述A/D转换模块并通过所述A/D转换模块与所述FPGA控制芯片双向电连接；

所述FPGA控制芯片与所述时钟源电连接，同时所述FPGA控制芯片还与所述A/D转换模块双向电连接；所述DSP控制芯片分别与所述片上存储器和电平转换模块电连接，且所述DSP控制芯片还通过PCI总线与外部PC机双向电连接；所述电平转换模块电连接所述A/D转换模块，同时还电连接所述D/A模块并通过所述D/A模块电连接所述程控放大电路；

所述DSP控制芯片的型号是TMS320F28335；所述FPGA控制芯片的型号是EP4CE10 NIOSALTERA；所述电源电路输入220V交流电压，输出±5V、1.5V、1.7V和3.3V电压；

所述程控放大电路由交流电源V20、电阻R201～R214、电容C201～C212、运算放大器U21～U22、电压表XMM21～XMM22、示波器XSC21和0.1V电池DAinput连接组成；

所述交流电源V20的正极连接所述运算放大器U21的同相输入端，所述交流电源V20的负极接地，所述运算放大器U21的反相输入端接地，所述运算放大器U21的负电源端连接-5V电源VCC_N，所述运算放大器U21的正电源端连接5V电源VCC_P，所述运算放大器U21的接地端接地，所述运算放大器U21的输出端连接所述电阻R207并通过所述电阻R207连接至所述运算放大器U22的同相输入端；所述电阻R202一端接地，另一端连接所述交流电源V20的正极；所述电压表XMM22的正极端连接于所述交流电源V20的正极；所述电容C201一端接地，另一端连接所述电阻R201并通过所述电阻R201连接所述运算放大器U21的同相输入端；所述电容C206一端接地，另一端连接所述运算放大器U21的负电源端；所述电容C210一端接地，另一端连接所述运算放大器U21的负电源端；所述电阻R205一端连接5V电源VCC_P，另一端连接所述电阻R204并通过所述电阻R204连接于所述电容C201与电阻R201之间；所述电阻R206一端连接5V电源VCC_N，另一端连接所述电阻R203并通过所述电阻R203连接于所述电容C201与电阻R201之间；所述电容C205一端接地，另一端连接所述运算放大器U21的正电源端；所述电容C209一端接地，另一端连接所述运算放大器U21的正电源端；所述0.1V电池DAinput的负极接地，正极连接所述电阻R208并通过所述电阻R208分别连接所述运算放大器U21和U22；所述电容C204一端接地，另一端连接于所述0.1V电池DAinput的正极与所述电阻R208之间；所述电容C202一端接地，另一端连接所述运算放大器U22的同相输入端；所述运算放大器U22的反相输入端接地，所述运算放大器U22的负电源端连接-5V电源VCC_N，所述运算放大器U22的正电源端连接5V电源VCC_P，所述运算放大器U22的接地端接地，所述运算放大器U22的输出端连接所述电阻R214并通过所述电阻R214分别连接所述电压表XMM21和示波器XSC21；所述电容C208一端接地，另一端连接所述运算放大器U22的负电源端；所述电容C212一端接地，另一端连接所述运算放大器U22的负电源端；所述电阻R212一端连接5V电源VCC_P，另一端连接所述电阻R211并通过所述电阻R211连接于所述电容C203与电阻R209之间；所述电阻R213一端连接-5V电源VCC_N，另一端连接所述电阻R210并通过所述电阻R210连接于所述电容C203与电阻R209之间；所述电容C207一端接地，另一端连接5V电源VCC_P；所述电容C211一端接地，另一端连接5V电源VCC_P；

所述运算放大器U21和U22采用的型号为AD603AR；所述电阻R203、电阻R204、电阻R210、电阻R211均为可调电阻且电阻值均为5KΩ；所述电阻R205、电阻R206、电阻R212、电阻R213的电阻值均为5.1KΩ；所述电阻R201、电阻R202、电阻R207、电阻R209的电阻值均为100Ω；所述电阻R208的电阻值为10KΩ；所述电阻R214的电阻值为50Ω；所述电容C201、电容C203、电容C205、电容C206、电容C207、电容C208的容量均为0.1μF；所述电容C202的容量为1PF；所述电容C204的容量为1μF；所述电容C209、电容C210、电容C211、电容C212的容量均为10μF；

所述可调滤波电路由交流电源V30、电阻R301～R312、电容C301～C313、运算放大器U31和U32、电压表XMM31和示波器XSC31连接组成；

所述交流电源V30的负极接地，正极连接所述电阻R301一端；所述电阻R301另一端连接所述电容C302并通过所述电容C302连接所述运算放大器U31的同相输入端；所述电阻R305一端接地，另一端连接所述运算放大器U31的反相输入端；所述电容C303一端接地，另一端依次通过串接所述电阻R306和R304连接至所述运算放大器U31；所述运算放大器U31的正电源端连接5V电源VCC，负电源端连接-5V电源VDD，接地端接地，输出端依次通过串接所述电阻R307和电容C309连接至所述运算放大器U31的同相输入端；所述电容C301一端接地，另一端连接于所述电阻R301与电容C302之间；所述电阻R302一端连接所述运算放大器U31，另一端连接于所述电阻R301与电容C302之间；所述电阻R303一端接地，另一端连接所述运算放大器U31的同相输入端；所述电容C305一端接地，另一端连接所述运算放大器U31的负电源端；所述电容C306一端接地，另一端连接所述运算放大器U31的负电源端；所述电容C304一端接地，另一端连接所述运算放大器U31的正电源端；所述电容C307一端接地，另一端连接所述运算放大器U31的正电源端；所述电容C308一端接地，另一端连接于所述电阻R307与电容C309之间；所述电阻R308一端连接所述运算放大器U31，另一端连接于所述电阻R307与电容C309之间；所述电阻R309一端接地，另一端连接所述运算放大器U32的同相输入端；所述电阻R310一端连接所述运算放大器U32的反相输入端，另一端连接所述运算放大器U32；所述运算放大器U32的正电源端连接5.0V电源VCC，负电源端连接-5.0V电源VDD，接地端接地，输出端连接所述电阻R312并通过所述电阻R312分别连接所述电压表XMM31和示波器XSC31；所述电容C311一端接地，另一端连接所述运算放大器U32的负电源端；所述电容C312一端接地，另一端连接所述运算放大器U32的负电源端；所述电容C310一端接地，另一端连接所述运算放大器U32的正电源端；所述电容C313一端接地，另一端连接所述运算放大器U32的正电源端；所述电阻R311一端接地，另一端连接所述运算放大器U32的反相输入端；

所述运算放大器U31和U32采用的型号为AD8000YRDZ；所述电阻R301、电阻R302、电阻R307、电阻R308的阻值均为620Ω；所述电阻R303、电阻R309、R312的阻值均为1.2KΩ；所述电阻R304和电阻R310的阻值均为240Ω；所述电阻R305和电阻R311的阻值均为500Ω；所述电阻R306的阻值为1KΩ；所述电容C301、电容C302、电容C308、电容C309的容量均为100PF；所述电容C303、电容C304、电容C305、电容C310、电容C311的容量均为0.1μF；所述电容C306、电容C307、电容C312、电容C313的容量均为10μF。

2.如权利要求1所述的双轨式超声波探伤系统，其特征在于：所述限幅保护电路由交流电源V10、电阻R11～R12、电容C11～C12、二极管D1A和二极管D2A连接组成；

所述电阻R12一端连接所述交流电源V10的正极，另一端依次通过连接所述电容C11和C12连接至所述交流电源V10的负极；所述电阻R11一端连接所述交流电源V10的负极，另一端连接于所述电阻R12与电容C11之间；所述二极管D1A的阳极端连接于所述电容C11与电容C12之间，所述二极管D1A的阴极端连接所述交流电源V10的负极；所述二极管D2A的阴极端连接于所述电容C11与电容C12之间，所述二极管D1A的阳极端连接所述交流电源V10的负极；

所述电阻R11的电阻值为1KΩ，所述电阻R12的电阻值为10KΩ，所述电容C11和C12的电容值为0.1μF。

3.如权利要求1所述的双轨式超声波探伤系统，其特征在于：所述探伤系统还包括安装在所述探伤小车上的水箱和蓄电池；所述水箱中盛有耦合液；所述蓄电池安装在水箱上部，其分别为小车控制台、小车制动装置、伺服装置、工控机提供电能。

4.如权利要求3所述的双轨式超声波探伤系统，其特征在于：所述探伤小车包括小车本体以及安装在所述小车本体上的小车控制台、小车制动装置、伺服装置、扫石器和喷淋装置；

所述小车本体包括车架、对称安装在所述车架前后底侧的行走轮、安装在所述车架上部的座椅；所述小车本体通过所述行走轮运行在所述铁轨上；

所述小车控制台设置在所述车架的前侧上部，其分别通过线束电连接所述小车制动装置、伺服装置、扫石器和喷淋装置；

所述伺服装置采用伺服电机且安装在所述小车本体的所述车架上；所述扫石器和喷淋装置安装在所述车架的底侧，并匹配位于所述小车本体前侧的所述行走轮与所述探伤装置之间。

5.如权利要求4所述的双轨式超声波探伤系统，其特征在于：所述小车控制台设置在所述小车本体的车架上部前侧，其主面板上安装有小车控制按键；所述小车控制按键采用按钮控制继电器闭合的方式控制电机启停和正反转，其包括小车制动装置控制按键、伺服装置控制按键、扫石器控制按键和喷淋装置控制按键；所述小车制动装置采用脚踩闸瓦式机械制动装置和电磁刹车制动装置；所述脚踩闸瓦式机械制动装置安装在小车司机位置，通过人工脚踩的方式进行控制；所述电磁刹车制动装置由所述小车制动装置控制按键控制启停；所述伺服装置由所述伺服装置控制按键控制启停；所述扫石器由所述扫石器控制按键控制启停；

所述喷淋装置由所述喷淋装置控制按键控制启停，其通过管道连接所述水箱；所述喷淋装置通过喷头将所述水箱内的耦合液喷洒在铁轨表面，使超声波能更好的进入铁轨内部，以保证所述超声波探轮到铁轨的耦合对中和超声波的无损传播。

6.如权利要求4所述的双轨式超声波探伤系统，其特征在于：所述超声波探轮具有一对且均通过探轮支架安装在所述小车本体的车架底侧；所述对中预紧装置安装在所述探轮支架上面；所述对中预紧装置还设有控制所述超声波探轮和钢轨之间压力的弹簧，通过调节所述弹簧来调节所述超声波探轮和钢轨之间压力。

7.如权利要求1所述的双轨式超声波探伤系统，其特征在于：所述超声波发送与接收数据采集板卡还搭载有回波和缺陷深度在线显示软件，通过所述回波和缺陷深度在线显示软件可即时对铁轨伤损进行判断；

所述回波和缺陷深度在线显示软件主要包括数据采集模块、A扫绘制模块、缺陷计算模块、缺陷缓冲区模块和缺陷存储模块；

所述数据采集模块用于对超声波回波信号进行数据采集，通过所述A/D转换模块将模拟回波信号转换成数字信号并进行存储和传输；

所述A扫绘制模块用于将所述A/D转换模块转换后的数字信号通过图像绘制的方式，实时显示在所述回波和缺陷深度在线显示软件的面板上，图像横轴代表检测深度，纵轴代表回波波高；

所述缺陷计算模块用于对回波信号与预设缺陷闸门参数对比分析，判断回波是否存在缺陷信息，如果存在，则将缺陷信息暂存缺陷缓冲区；

所述缺陷缓冲区模块用于缓存回波中的缺陷信息，当缓冲区满时，发送缓冲区满标志信号；

所述缺陷存储模块用于接受缓冲区满标志信号，当缺陷缓冲区满时，读取缓冲区内的缺陷信息并打包存入系统硬盘空间，刷新缓冲区，等待下一次读取。