摘要：針對目前車輪檢測方法大多以傳統(tǒng)手持式人工探傷儀為主的現(xiàn)狀,，本文在國內(nèi)某企業(yè)現(xiàn)役多通道超聲探傷儀硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套多輪對超聲探傷系統(tǒng)。系統(tǒng)基于LabVIEW平臺,，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢,、用戶信息管理、數(shù)據(jù)接收,、數(shù)據(jù)分析、顯示結(jié)果,、數(shù)據(jù)存儲,、自動判傷、輸出檢測報(bào)告等功能,。系統(tǒng)采用可變分辨率的數(shù)據(jù)處理方法,，保證了檢測過程的實(shí)時(shí)性及結(jié)果的準(zhǔn)確性。

　　關(guān)鍵詞：多輪對,；超聲探傷,；LabVIEW；實(shí)時(shí)性

0引言

　　車輪是列車的主要受力部件,，其幾乎承擔(dān)了列車的全部重量并完成在鋼軌上的轉(zhuǎn)動,。車輪的擦傷、剝離,、不圓度,、非正常磨耗加劇以及輪輞周向裂損故障會直接影響行車安全［1］,。目前的探傷手段主要依靠檢測人員的手動探傷［2］，勞動強(qiáng)度大,，探傷效率低,，而且探傷依賴檢測人員的經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確性和可靠性難以保證,。因此列車車輪無損檢測受到了高度重視,。

　　目前常用的列車車輪檢測技術(shù)可以分為電渦流探傷（EC）、磁粉探傷（MT）,、超聲探傷（Ultrasonic Test,，UT）等［3］。超聲探傷具有適用范圍廣,、成本較低,、靈敏度相對較高、便于缺陷的定位和定量分析等優(yōu)勢,，而其中的多探頭多通道組合掃查技術(shù)可以根據(jù)各通道的探頭類型對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理來判定車輪內(nèi)部的傷損情況［4］,。可用于大型的自動化和信息化程度較高的車輪探傷系統(tǒng),。

　　基于上述背景,，本文根據(jù)國內(nèi)某企業(yè)現(xiàn)役多通道超聲探傷儀硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一套多輪對超聲自動探傷系統(tǒng)。主要介紹了自動探傷系統(tǒng)的總體方案,，包括總體架構(gòu),、采集單元、探頭陣列及上位機(jī)軟件系統(tǒng),，闡述了重要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方案,，并對所做工作進(jìn)行總結(jié)。

1系統(tǒng)總體方案概述

　　1.1總體架構(gòu)

　　多輪對超聲自動探傷系統(tǒng)通過多通道組合的超聲波探頭,，分別由上位機(jī)控制獨(dú)立通道進(jìn)行超聲激勵(lì)和信號采集,，最終根據(jù)各通道的探頭類型對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理并分析被測車輪的健康狀態(tài)。采集單元以及控制顯示平臺為系統(tǒng)的核心,，如圖1所示,。每3個(gè)采集單元為一組，通過交換機(jī)將采集數(shù)據(jù)傳送至無線模塊,，再通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳送至路由器,，并最終送入上位機(jī)進(jìn)行處理并顯示結(jié)果。探傷數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議（傳輸控制協(xié)議）傳輸,。而上位機(jī)的控制指令通過UDP協(xié)議（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）,，以相反的傳輸路徑送至各個(gè)采集單元，以控制儀器工作,?！　?/p>

　　1.2采集單元

　　采集單元以UT控制器［5］為核心,，將探頭陣列、水路裝置,、編碼器以及接口控制器等集成在一起,，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。UT控制器通過超聲激勵(lì)與采集電路控制探頭,，產(chǎn)生激勵(lì)并采集超聲波信號,，接口控制器控制水路裝置的打開和關(guān)閉以及采集編碼器數(shù)據(jù)，最終所有數(shù)據(jù)通過UT控制器以無線傳輸方式傳送至上位機(jī),。

　　1.3探頭陣列

　　探頭陣列由編碼器和多個(gè)探頭構(gòu)成,。探頭包括2個(gè)單晶大角度探頭和6個(gè)雙晶直探頭，分別用于檢測踏面及輪緣部分的缺陷和輪輞部分的缺陷,。系統(tǒng)根據(jù)多個(gè)通道超聲探頭的連續(xù)掃查,，可以發(fā)現(xiàn)某一位置的連續(xù)缺陷；根據(jù)不同類型的超聲探頭,，可以從多個(gè)角度對同一缺陷掃查,，獲取該缺陷的大致形狀。根據(jù)多通道多探頭的組合掃查方式,，綜合各個(gè)探頭的檢測數(shù)據(jù),，可以對缺陷進(jìn)行一定程度上的定量表示和定性分析。同時(shí)探頭陣列中加入編碼器用于測量探頭陣列在檢測過程中的位置,。

2探傷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　多輪對超聲自動探傷軟件系統(tǒng)是整個(gè)探傷檢測系統(tǒng)的核心,。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要完成上位機(jī)與采集單元之間數(shù)據(jù)的高速傳輸，采集數(shù)據(jù)的快速處理,，處理結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示,、過限報(bào)警，以及系統(tǒng)自檢,、用戶信息管理,、檢測過程記錄、數(shù)據(jù)存儲,、輸出檢測報(bào)告等綜合功能,。系統(tǒng)工作流程如圖3所示,?！?/p>

　　2.1軟件運(yùn)行及開發(fā)環(huán)境

　　軟件采用美國國家儀器有限公司（NI）的LabVIEW軟件作為開發(fā)工具。LabVIEW的應(yīng)用范圍廣泛,，支持SQL,、Access等數(shù)據(jù)庫編程及多種格式的報(bào)表生成；LabVIEW還提供了豐富的數(shù)據(jù)采集,、分析及存儲的庫函數(shù)（控件）,，其基于圖形化的編程方式使得編程過程簡潔方便,。

　　系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為基于X86的Win7及以上操作系統(tǒng)的控制主機(jī)，CPU要求雙核心以上,，顯卡要求為獨(dú)立顯卡以上,。

　　2.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

　　多輪對超聲自動探傷系統(tǒng)主要功能模塊如圖4所示。包括人機(jī)交互模塊,、數(shù)據(jù)處理模塊,、可視化模塊以及數(shù)據(jù)存儲模塊。

　　人機(jī)交互模塊中用戶信息按普通操作人員及工程師分別設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限,，根據(jù)用戶名的不同進(jìn)行區(qū)分,，登錄時(shí)根據(jù)相應(yīng)權(quán)限進(jìn)入不同的操作界面。參數(shù)設(shè)置部分采用一鍵設(shè)置功能省去復(fù)雜的配置過程,，使操作更加人性化,。

　　數(shù)據(jù)處理模塊包括連接通信、數(shù)據(jù)分析及成像3個(gè)部分,。系統(tǒng)中上位機(jī)與采集單元設(shè)置命令制定了詳細(xì)規(guī)范的通信協(xié)議,，保證了通信過程的可靠性，所以超聲檢測單元命令設(shè)置的通信協(xié)議的可靠性可以在一定程度上有所降低,，故本系統(tǒng)中采用UDP協(xié)議作為超聲檢測單元命令設(shè)置的傳輸層協(xié)議,，而探傷數(shù)據(jù)的傳輸通過TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。TCP是一種面向連接的,、可靠的,、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，其端到端的傳輸方式可以保證通信過程中的數(shù)據(jù)不丟失［6］,。建立連接后每個(gè)采集單元會以最大1.5 Mb/s的速度將數(shù)據(jù)傳輸至軟件系統(tǒng)中供后期處理,。LabVIEW中提供了很多關(guān)于TCP和UDP連接的庫函數(shù)，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信,。采集與處理分別開辟不同的循環(huán)［7］（LabVIEW中多線程體現(xiàn)在多循環(huán)）,，它們之間通過隊(duì)列實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過解析提取出探傷數(shù)據(jù),，以數(shù)組的形式放入隊(duì)列,，方便成像算法處理。成像部分是整個(gè)系統(tǒng)功能的核心部分,，分為實(shí)時(shí)顯示的成像算法以及回放的成像算法,，兩種算法具有相似之處，都是根據(jù)每次接收到的探傷數(shù)據(jù),，先判斷探頭類型,，對雙晶圖4軟件系統(tǒng)功能框圖

　　直探頭和單晶大角度探頭分別選擇相應(yīng)處理方法，接著根據(jù)編碼器信息計(jì)算對應(yīng)在車輪上的位置,，最后改變相應(yīng)位置的色值形成圖像,。

　　可視化模塊包括過程記錄回放,、B掃顯示及檢測數(shù)據(jù)回放。B掃顯示指的是在探傷過程中對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示,。實(shí)時(shí)顯示的目的在于：監(jiān)測探傷設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài),；初步判斷車輪的傷損情況。由于是簡單初步的診斷,，所以采用將采集的數(shù)據(jù)（即聲壓大?。┡c設(shè)定的閾值相比較的方法，小于閾值（無傷）用灰色表示,，大于閾值（有傷）則用紅色表示,，從而對傷損情況進(jìn)行標(biāo)識。這種方式更加直觀地將有傷的部分與無傷的部分區(qū)分開來,。而檢測數(shù)據(jù)的回放則是為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,，所以采用灰度函數(shù)，對于每一個(gè)聲壓值都有一個(gè)相應(yīng)的色值來對應(yīng),，形成圖像,。圖像的顏色可以根據(jù)閾值的變化而變化，根據(jù)閾值及相應(yīng)的顏色對傷損情況做出最終判斷,。

　　數(shù)據(jù)存儲模塊包括數(shù)據(jù)存儲及歷史查詢功能,。LabVIEW提供了快速測量數(shù)據(jù)的存儲解決方案——TDMS文件，其實(shí)質(zhì)為一種二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件存儲類型,。TDMS格式的特點(diǎn)是占用磁盤空間小,，讀寫速度快，可讀性強(qiáng),，是LabVIEW推出的一種用于數(shù)據(jù)快速存儲的數(shù)據(jù)存儲格式［8］,。TDMS的邏輯結(jié)構(gòu)主要分為3層：根目錄、通道組,、通道號,，其中每一層都可以添加特定的屬性，方便讀取和存儲,，有助于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分類和有效檢索,。該存儲方案不僅解決了系統(tǒng)實(shí)時(shí)存儲問題，而且便于歷史數(shù)據(jù)的查詢,。存儲過程開始時(shí)打開文件直至存儲完成將文件關(guān)閉,，避免頻繁打開關(guān)閉文件減緩讀寫速度。數(shù)據(jù)按不同采集單元和不同通道分別存儲,，方便后期管理,。另外系統(tǒng)還采用Access數(shù)據(jù)庫對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理,。

3重要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)方案

　　3.1數(shù)據(jù)解析環(huán)節(jié)方案設(shè)計(jì)

　　采集單元中的數(shù)據(jù)以一定形式發(fā)給上位機(jī)軟件,，數(shù)據(jù)解析即是對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,，轉(zhuǎn)換成成像算法所需的數(shù)據(jù)類型。接收到的數(shù)據(jù)首先要對幀頭進(jìn)行判斷,，數(shù)據(jù)的幀頭為兩個(gè)字節(jié),，如果按照每次取兩字節(jié)進(jìn)行比較，一旦傳輸過程

　　中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失造成數(shù)據(jù)錯(cuò)位,，那么之后接收到的數(shù)據(jù)可能將全部是錯(cuò)誤數(shù)據(jù),。這樣系統(tǒng)的容錯(cuò)能力將會很低，這是不允許的,。因此系統(tǒng)中采用逐個(gè)字節(jié)比較的方法,，對于幀頭正確的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)體部分一次性全部取出,，重排成數(shù)組的形式,，放入隊(duì)列中；而幀頭錯(cuò)誤的數(shù)據(jù),，系統(tǒng)予以丟棄,。接收一幀數(shù)據(jù)的解析流程如圖5所示。

　　前文提到采集單元是以1.5 Mb/s的速度傳輸數(shù)據(jù)的,，當(dāng)6臺設(shè)備同時(shí)工作時(shí)數(shù)據(jù)量是非常大的,。LabVIEW中圖像數(shù)據(jù)主要由LabVIEW中的簇結(jié)構(gòu)構(gòu)成［910］，其中以像素點(diǎn)的排列順序描述圖像中各像素顏色的字節(jié)數(shù)組是圖像處理的主要內(nèi)容,。該數(shù)組是非常大的,。每來一次數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就要對如此龐大的數(shù)組進(jìn)行一次修改,，工作量非常大,。這會對CPU造成很大負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作效率減慢,，無法滿足實(shí)時(shí)顯示的要求,。因此系統(tǒng)在采集分辨率不變的前提下，應(yīng)改變畫圖分辨率進(jìn)行圖像繪制,。首先判斷數(shù)據(jù)是否為有傷的數(shù)據(jù),，對于有傷的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)以高分辨率的方式在圖像上進(jìn)行標(biāo)示,；對于沒有傷的數(shù)據(jù),，系統(tǒng)對位置靠近的一組數(shù)據(jù)只取一幀進(jìn)行畫圖，處理過程中降低分辨率,，以較粗的線條將這一組數(shù)據(jù)的位置覆蓋,，這樣與每一幀數(shù)據(jù)都進(jìn)行繪制形成的圖像相比在視覺效果上并無明顯差別，而實(shí)際上卻大大提高了CPU的處理速度，并能保證傷損不丟失,。同時(shí)為避免頻繁刷新占用太多CPU資源,，系統(tǒng)采用延遲前面板刷新的方式［11］，以200幀/次的刷新頻率對前面板進(jìn)行刷新顯示,，實(shí)際中該頻率并不影響人眼的觀察,，并且能使系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的效果。

4結(jié)論

　　本文所介紹的多輪對超聲自動探傷系統(tǒng)可以對一節(jié)車廂3對車輪同時(shí)進(jìn)行檢測,，節(jié)省人力,，大大提高了檢測車輪的效率。同時(shí)基于LabVIEW平臺設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)軟件,，其優(yōu)點(diǎn)為：（1）設(shè)置不同的操作權(quán)限,，防止由于操作人員的誤操作而導(dǎo)致探傷結(jié)果的不準(zhǔn)確；（2）采用友好的人機(jī)交互界面及一鍵設(shè)置方式,，省去了復(fù)雜的參數(shù)配置,，操作人員只需簡單培訓(xùn)而無需具備相關(guān)專業(yè)知識即可操作儀器；（3）軟件采用B掃的顯示方式來呈現(xiàn)探傷結(jié)果,，更加直觀易懂,；（4）軟件采用可變分辨率的方法形成B掃圖像，同時(shí)延遲前面板刷新,，即使大量探傷數(shù)據(jù)也可完成實(shí)時(shí)顯示,。

　　軟件功能豐富齊全，除探傷顯示等基礎(chǔ)功能外還包括系統(tǒng)自檢,、用戶信息管理,、檢測過程記錄、數(shù)據(jù)查看,、數(shù)據(jù)存儲以及輸出檢測報(bào)告等綜合功能,，滿足目前對探傷設(shè)備的功能需求，并具有可擴(kuò)展性,。

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