0 引言

钢轨探伤是铁路工务部门的重要工作，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术原理包括声、光、电、磁、热、辐射等^[1]，其中基于声学原理的超声钢轨探伤技术是目前铁路现场使用最广泛、最主要的技术，可探测钢轨内部的多种缺陷^[2]。但基于超声波反射原理的超声探伤方法，在探测钢轨浅表层缺陷时有盲区，大约距离钢轨表面5 mm以内的区域超声探伤分辨率非常低，甚至对缺陷不敏感。对于钢轨表面缺陷，基于机器视觉检测的光学方法在近年来逐渐得到应用，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缺陷却无法探测。各种探伤原理中磁学方法是超声和机器视觉两种方法的补充，应用电磁感应原理的电磁激励信号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，可以得出钢轨缺陷的程度。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要求，一直没有得到很好的应用。近年来，随着集成电路、电磁检测元器件以及现代信号处理技术的发展，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，是世界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，钢轨维护量大，为此积极探索多种钢轨探伤新技术，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、信号处理机箱和监控计算机4部分组成，其结构如图1所示。

探伤小推车用来装载信号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个轮子需要展平，从而使仪器在探伤时传感器可平行于钢轨且保持距离不变。在搬运时，可将小推车的4个轮子调整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。信号处理系统安装于信号处理机箱中，负责对传感器感应信号的调理及处理。探伤人员通过监控计算机对仪器的探伤过程进行控制，并对探伤数据进行图表显示、分析、存储和远程传输。

如图2所示， 仪器开机后，操作员通过监控计算机启动探伤软件，软件通过以太网发指令到FPGA信号处理板产生合成激励信号，激励信号经过放大器放大后驱动传感器中的激励线圈在钢轨上产生激励电磁场。同时传感器中的检测线圈感应由缺陷调制的耦合场，经过信号调理板接入到FPGA信号处理板进行解调，提取钢轨缺陷表征信息，再通过以太网将损伤信息传输到监控计算机，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

探伤仪器硬件系统主要包括信号处理系统和监控计算机，其中信号处理系统是仪器的核心。仪器信号处理系统如图3所示，处理系统主要包含FPGA信号处理板、多路电源转换板、模拟信号调理板、ADC和DAC接口板以及锂电池。

为确保信号处理的实时性，信号处理使用FPGA进行设计，设计使用了Xilinx Kintex7 XC7K325T FPGA芯片，其芯片内部提供了326 080个Logic Cells、830个DSP Slices以及4 MB分布式RAM，为仪器的信号处理提供了充足的资源。ADC和DAC接口板将FPGA产生的DDS数据转为模拟激励输出，同时将调理后的电磁感应信号转为相应的数字信号输出；信号调理负责对电磁感应信号进行精密放大与滤波；锂电池负责对整个硬件系统供电；监控计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方式。用FPGA实现以太网通信通常有3种方式：(1)三态以太网接口IP核(Intellectual Property Core)方式；(2) LwIP协议栈方式；(3)Verilog HDL直接编程实现方式。综合考虑软件设计的灵活性和执行效率，本文使用第3种方法，即通过Verilog HDL直接编程实现。此方法可以定制实现需要的功能，效率高且节省片内资源。

3 仪器FPGA软件设计

探伤仪器激励的产生、信号采集、解调、处理及传输由Verilog HDL 编程后在FPGA上实现。系统上电之后，由监控计算机将FPGA启动命令由以太网发送到FPGA中，而后，仪器开始产生模拟激励信号、线圈感应信号回采及数据分析、传输。

仪器的模拟激励信号先由FPGA通过DDS算法合成16 bit的正弦波形数字信号；而后由16 bit分辨率的DAC AD9777转换为模拟激励输出。检测信号经信号调理后由14 bit分辨率的ADC ADS62p45转换为数字信号接入到FPGA中。需注意，在ADC、DAC接口板工作之前，需要由FPGA通过SPI接口对ADC与DAC及时钟芯片进行工作模式的配置。

FPGA接收到ADC转换的数字信号之后做一次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计算机显示与存储。DDR3缓存负责时钟域的转换与数据的临时存储。

当数据接收、解调遇到异常，FPGA会产生一个错误代码，由以太网传回检测计算机以便于错误的定位以及调试。同时，检测计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 监控计算机软件设计

人机交互计算软件采用C#语言设计，编译器使用Microsoft Visual Studio 2015，软件界面设计使用了微软新一代窗体表达架构WPF(Windows Presentation Foundation)进行设计，WPF提供了统一的编程模型，能够充分利用现代计算机中现有的图形硬件的全部功能^[6]。

监控计算机软件功能包括控制指令收发、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分析的功能。其流程如图4所示。

5 实验及分析

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。其中一个实验的钢轨损伤设置如图5(a)所示，图中的2个浅表缺陷标注为缺陷1和缺陷2。使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所示的波动分别对应图5(a)中的缺陷1和2。该曲线为样机测试的原始数据，软件处理后可将缺陷指示出来。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缺陷。

6 结论

本文所设计的电磁钢轨探伤样机采用高速FPGA实现信号的激励、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计算机，进行实时分析。现场测试证明，该电磁钢轨探伤仪器具有检测钢轨浅表层缺陷的能力。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.无损检测技术及其在轨道交通中的应用[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开发实用教程[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.