黄雪程

卡斯柯信号有限公司，北京 100045

摘要：对于铁路运行的效率以及铁路运输的能力，高速铁路都能分别对其起到加快和提高的作用，同时高速铁路对国民经济的发展也起着推动作用。在确保高铁安全可靠运行的重要内容之中，其中就包括钢轨检测。论文结合本实验室在钢轨检测领域所具有一定的技术上的优势，针对现今对于高速铁路检测方法的不足以及在高速铁路钢轨损伤人工检修方面的困难，采用初始磁导率的方法，设计了一种独特的高速铁路钢轨无损检测仪。

关键词：检测仪、高铁轨道、S3C44B0X

1.引言

未来，铁路运输主要向高速化方向发展。纯净化、高强度、提高钢轨尺寸和平直度、对钢轨中的夹杂物有效的控制是铁路构件钢轨未来的发展方向。钢轨在质量上能否符合要求会对钢轨的使用年限和高铁的行驶安全产生重大的影响。

现今，我国对铁路钢轨的进行检测的方法相对来说还比较落后，主要还是依靠人工检测。这种测量方法比较落后，存在许多缺点，不仅检测的效率低、工人的工作量大、工作的环境比较恶劣、工人检测进度慢、很难对检测的精度进行有效的控制，还存在测量结果不直接，对测量数据整理非常缓慢、不便于对数据进行存档和不便于进行下一步的分析和研究等诸多缺点。面对国内现今这种状况，急切需要研制一种新型无损检测仪，弥补现今对钢轨检测的不足。这种无损检测仪应该在效率、精度和可靠性方面都应该比现今钢轨检测方法高很多，而且要能够动态的对钢轨进行检测，对钢轨的重要质量参数能够进行衡量。因此，能够及时有效的掌握钢轨损伤和对钢轨磨耗趋势进行高效精准的预测是非常必要的。

2.系统总体设计

对某些钢铁件来说，它们在一些类似初始磁导率等磁性能指标的自身磁性能指标之间是否有一定的单值相关性存在对其能否用电磁法检测其质量裂纹、硬度等起着决定性作用。如果在某一范围内，在磁性能与机械性能上的指标存在着单值相关性的关系，并且这种关系经过试验能够被证实，则测量对应钢铁件的机械性能可采用电磁法。本论文研究设计的高速铁路钢轨无损检测仪，具有便携和智能的特点，以ARM微控制器为核心，用于检测钢轨硬度由于钢轨磨耗而发生的改变以及在钢铁组织内部产生的裂纹等参数，并且对钢轨使用的质量和性能能够有效尽早进行分析以及做出相应的措施，提早发现钢轨中存在的问题，从而对重大安全事故能够起到可靠预防和规避的作用。

本文通过分析现今对钢轨检测仪的需求，研究并设计了一个经典的嵌入式系统。微处理器是这一整套嵌入式系统的核心部件，在嵌入式系统性能方面它起着关键作用。通过在上一节介绍系统硬件的组成部分，根据本设计功能的要求，整个硬件控制系统的核心部分决定采用ARM微处理器。

整个硬件系统主要由电源部分，传感器部分，前置信号处理部分，激励发生部分，系统控制部分五大模块组成。下图1即为钢轨检测仪的基本结构。

 

图1 钢轨检测仪硬件结构图

3.系统硬件设计

3.1传感器

实现测量的首要环节是检测传感器，也是本检测仪器的关键组成部分。在某种程度上，检测仪的类型和连接方式对精度和灵敏度起着决定性作用。根据电磁检测的原理，测量线圈和励磁线圈组成检测传感器。测量线圈通过检测线圈感应电压的变化来检测磁场受试件性能的影响，而磁场由激励线圈通过交流电流进而在线圈周围激励而形成。在电磁的无损检测中，检测线圈就是检测传感器，检测线圈能通过提取反映被测钢铁组织结构、成分等性能不同引起的差异量，进而转换成相应的电信号，提供给系统用于放大、处理、显示，进而反映钢轨的损伤、裂纹等相关品质。

线圈的匝数比是设计传感器时需要考虑的一个很重要的因素，线圈的灵敏度和传感器的感应线圈与激励线圈之间的匝数比呈正相关，但同时线圈的尺寸也会相应的增大。本设计检测探头选用u型锰锌铁氧体作为传感器的磁芯，该材料具有比较高的初始磁导率。检测线圈与激励线圈的绕线匝数为十比一，从而使有效磁导率尽量地增大，使传感器探头延时小于1ms，从而使钢轨损伤检测的灵敏度得到提升，并且可以使传感器激励线圈的功率大幅度的下降。

3.2信号处理

持续变化的模拟量是在实际问题中所遇到的信号中的绝大部分，这时就需要一个能够把模拟量转换成数字量的接口电路，从而使处理器能够接收，采集微小电压信号通过低通滤波以及检波来 去除干扰信号，信号通过放大器放大、然后经过A/D转化器转换，模拟电压信号变成数字信号从而提供给微处理器进行分析和处理。转换精度和转换速度是A/D转换器最主要的两个技术指标，本设计通过对设计、性能、成本等各方面因素综合考虑，选用TEXAS INSTRUMENTS公司的ADS1110型号的A/D转换器。

3.3激励发生电路

微处理器和多路模拟开关为传感线圈提供不同频率不同强度的励磁电流PWM(pluse Width Modulation)脉冲宽度调试，简称为脉宽调制，它是一种广泛应用于控制、测量等领域的利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制的非常有效的技术。本系统通过对PWM解除特性的有效利用，进而产生出频率有差异的激磁方波的同时，还可以使蜂鸣器报警，本仪器的设计需要通过试验完全可以由上述产生的激磁信号来提供。

4.系统软件设计

为了保证钢轨检测仪的整体系统能够良好的运行，根据钢轨检测仪的功能需求，软件在执行多个任务时，任务之间具有良好的通信和明确的优先级，同时以一定的实时性作为本软件系统的基础。本设计需要将一个合适的嵌入式实时操作系统移植进该软件中，以便能简化软件的设计，有效提高平台的资源利用率。

钢轨检测仪有关功能的驱动和各任务部分，采用C语言编写。在嵌入式实时操作系统中，系统首先在C语言部分中进入Main()函数运行。系统的初始化在Main()函数中进行，以便为系统各项功能的实现和主程序的运行做准备；其次在Main()函数中对OSInit()函数进行调用，对操作系统进行初始化，为操作系统运行、任务调配等做准备；之后对Osstart()函数进行调用，从而对操作系统的多任务启动进行实现，开始执行操作系统中优先级最高的任务。下图2为软件系统的流程。

 

图2 软件系统的流程

5.结束语

针对我国现有高速铁路依靠人工来检测铁路钢轨的损伤难度较大以及现今发展的状况，论文研究和设计了一套便携式，并在在性价比和安全可靠性方面都非常高的，以电磁无损检测原理为依据的高速铁路钢轨检测仪初步模型。这对于我国铁路钢轨检测未来向更高领域的发展有着非常大的促进作用。采用现今的一些较为流行的技术，根据钢轨检测仪系统所具有的特点和实际使用中的需求，在比较分析之前类似仪器本身所存在的一些不足的基础上，本设计基于嵌入式实时操作系统和ARM微处理器，很好的对检测仪的软硬件在技术上进行实现。各个功能任务模块在设计时，以嵌入式操作系统为基础，检测仪的系统功能需求最终完成。

参考文献

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