鐵路供電觸網(wǎng)銷(xiāo)釘?shù)谋銛y式超聲檢測(cè)儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是用于鐵路供電線路受力銷(xiāo)釘?shù)脑诰€無(wú)損檢測(cè)的便攜式超聲檢測(cè)儀，屬于儀器儀表，無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，鐵路系統(tǒng)發(fā)生過(guò)多起因供電接觸網(wǎng)零部件質(zhì)量缺陷引發(fā)的事故，嚴(yán)重影響了供電行車(chē)安全。目前電氣化鐵路供電接觸網(wǎng)設(shè)備日常巡視檢修，在螺栓、螺母、銷(xiāo)釘?shù)攘悴考o(wú)損探傷技術(shù)方面存在盲區(qū)，沒(méi)有專(zhuān)用工具、儀器對(duì)接觸網(wǎng)重要受力零部件進(jìn)行探傷。日常對(duì)接觸網(wǎng)零部件檢查僅限于外觀檢查，只能發(fā)現(xiàn)裂紋明顯的缺陷，且高鐵客專(zhuān)線天窗時(shí)間為夜間，受視線影響更難發(fā)現(xiàn)缺陷，特別對(duì)裂紋不明顯或內(nèi)部有瑕疵的零部件缺陷難以發(fā)現(xiàn)，往往在造成嚴(yán)重影響供電行車(chē)安全的事故時(shí)才得以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。目前，亟需一種針對(duì)觸網(wǎng)零部件的專(zhuān)用檢測(cè)儀器，用以在日常巡檢中及時(shí)發(fā)現(xiàn)零部件存在的缺陷，從而保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明基于超聲無(wú)損探傷技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種用于接觸網(wǎng)零部件檢測(cè)的便攜式超聲檢測(cè)儀，用于鐵路供電線路受力銷(xiāo)釘?shù)脑谝蹤z測(cè)。儀器具有自動(dòng)判斷銷(xiāo)釘是否存在缺陷的功能，操作人員無(wú)需專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)即可操作。此外，本專(zhuān)利還具有體積小，成本低，集成度高，攜帶方便等優(yōu)勢(shì)，滿足工作現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè)需求。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:該檢測(cè)儀由主控制器、超聲信號(hào)激勵(lì)接收模塊、輸入/輸出設(shè)備、電源模塊四部分組成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:主控制器由單片F(xiàn)PGA構(gòu)成;超聲信號(hào)激勵(lì)接收模塊的超聲激勵(lì)接電路在FPGA的控制下發(fā)射高壓脈沖激勵(lì)超聲換能器，電源模塊通過(guò)直流升壓的方式利用電池產(chǎn)生高壓直流電源。超聲換能器與銷(xiāo)釘連接，超聲換能器產(chǎn)生超聲波并通過(guò)耦合劑傳入銷(xiāo)釘;超聲波經(jīng)由銷(xiāo)釘端面或裂紋反射，再由同一換能器接收；回波信號(hào)通過(guò)限幅器、前置放大器、程控增益放大器以及無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)調(diào)理后，經(jīng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并被主控制器采集，經(jīng)運(yùn)算處理后將回波波形顯示在屏幕上，并自動(dòng)識(shí)別出是否存在缺陷及缺陷的位置，回波信號(hào)數(shù)據(jù)寫(xiě)入SD存儲(chǔ)卡保存，用于進(jìn)一步分析。
[0005]基于FPGA編寫(xiě)的主控程序由硬件邏輯程序和操作系統(tǒng)軟件兩部分組成。硬件邏輯程序由Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)，用于脈沖信號(hào)控制，高速數(shù)模轉(zhuǎn)換，顯示屏驅(qū)動(dòng)功能。操作系統(tǒng)由C語(yǔ)言編寫(xiě)，運(yùn)行在基于軟核技術(shù)構(gòu)建的CPU中，用于控制輸入輸出操作及實(shí)現(xiàn)缺陷的自動(dòng)識(shí)別算法。程序具有兩種操作模式，既能夠通過(guò)鍵盤(pán)人工調(diào)節(jié)檢測(cè)參數(shù)，通過(guò)回波波形判斷缺陷，也能夠通過(guò)程序自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)并自動(dòng)識(shí)別缺陷。
[0006]高壓脈沖激勵(lì)信號(hào)的幅值為-300V，脈沖寬度為100ns，所用超聲換能器中心頻率為5MHz；
[0007]程控增益放大器的放大倍數(shù)由參考電壓控制，參考電壓FPGA控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片給出；
[0008]彩色顯示屏分辨率為800x480像素，其驅(qū)動(dòng)方式為:由SRAM高速靜態(tài)隨機(jī)寄存器芯片作為數(shù)據(jù)緩存，操作系統(tǒng)程序首先將屏幕像素點(diǎn)的顏色值寫(xiě)入SRAM，然后硬件邏輯程序以25MHz的時(shí)鐘頻率將像素值讀出并送入顯示屏，屏幕刷新率為每秒30幀；
[0009]缺陷自動(dòng)識(shí)別程序解決了不同材質(zhì)和工藝的銷(xiāo)釘回波幅值不同的問(wèn)題，可以在檢測(cè)中，針對(duì)每一枚銷(xiāo)釘自動(dòng)設(shè)置最佳檢測(cè)參數(shù)；
[0010]SD卡存儲(chǔ)功能由專(zhuān)用FAT32磁盤(pán)管理芯片實(shí)現(xiàn)，通過(guò)FPGA軟核CPU內(nèi)嵌的SPI總線進(jìn)行讀寫(xiě)操作；
[0011]儀器顯示屏可以顯示回波波形，當(dāng)前工作模式，放大器增益，被測(cè)銷(xiāo)釘信息，檢測(cè)人員工號(hào)等信息。
[0012]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于:(I)所發(fā)明儀器是用于鐵路供電線路受力銷(xiāo)釘?shù)脑谝蹤z測(cè)的專(zhuān)用儀器，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快，檢測(cè)精度高。(2)具有高集成度的優(yōu)點(diǎn)，體積小，重量輕，內(nèi)置電池可連續(xù)供電5小時(shí)以上，滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求。(3)儀器基于單片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)，較其他同類(lèi)儀器相比，無(wú)需其他處理器，故成本更低，結(jié)構(gòu)更緊湊，功耗更小。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為檢測(cè)儀總體結(jié)構(gòu)及檢測(cè)原理示意圖；
[0014]圖2主控模塊與外圍電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3超聲激勵(lì)與接收電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4程序結(jié)構(gòu)示意圖與程序流程圖；
【具體實(shí)施方式】
[0017]參照【附圖說(shuō)明】，本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)方式如下:
[0018]圖2為主控模塊與外圍電路結(jié)構(gòu)示意圖。儀器以單片F(xiàn)PGA為主控單元，并利用FPGA片上邏輯單元構(gòu)建軟核CPU。核心最小系統(tǒng)包括:晶振，為FPGA提供工作時(shí)鐘信號(hào);EPSC存儲(chǔ)器，用于下載和保存程序;SDRAM，用于軟核CPU運(yùn)行程序的內(nèi)存。
[0019]主控模塊控制的其他功能有:脈沖信號(hào)發(fā)生電路，將FPGA輸出的10ns的邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為相同時(shí)間長(zhǎng)度的高壓脈沖信號(hào)，用以激勵(lì)超聲換能器;高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率為50MS/s，分辨率為12位，由FPGA提供采樣時(shí)鐘，用于采集回波信號(hào)；串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓值控制程控增益放大器的放大倍數(shù)；SRAM，用于顯示屏像素?cái)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緩存;實(shí)時(shí)時(shí)鐘，提供準(zhǔn)確的系統(tǒng)時(shí)間；其他輸入輸出設(shè)備包括鍵盤(pán)，顯示屏以及SD卡讀寫(xiě)電路均由FPGA主控芯片操作。
[0020]圖3為超聲激勵(lì)與接收電路結(jié)構(gòu)示意圖。超聲波信號(hào)激勵(lì)與接收的過(guò)程為:FPGA首先輸出10ns的3.3V邏輯電平信號(hào)，信號(hào)經(jīng)雙電源總線傳輸器轉(zhuǎn)換為5V的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)，之后輸入場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器，基于開(kāi)關(guān)型場(chǎng)效應(yīng)管的脈沖發(fā)生電路在超聲換能器的輸入端產(chǎn)生一個(gè)高壓脈沖信號(hào)從而激勵(lì)出超聲波?；夭ㄐ盘?hào)由同一換能器接收，經(jīng)過(guò)限幅，前置放大器、程控增益放大器、無(wú)源濾波器后，由高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集。其中，限幅器用于隔離激勵(lì)換能器的高壓信號(hào)，保護(hù)后繼電路;前置放大器用于對(duì)信號(hào)的初步放大和阻抗匹配，程控增益放大器將信號(hào)進(jìn)一步放大至可識(shí)別的幅度，濾波器用于濾除高頻噪聲，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器由高速模數(shù)芯片和信號(hào)運(yùn)算電路等外圍電路組成。
[0021]儀器由7.2V鋰電池供電，在電源模塊中通過(guò)直流升壓的方式獲得用于激勵(lì)換能器的300V直流電壓，其余芯片所使用的電源也均有電池通過(guò)線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器獲得，儀器可在電池供電的狀態(tài)下連續(xù)工作6小時(shí)以上。
[0022]圖4為程序結(jié)構(gòu)示意圖與程序流程圖。主控程序由使用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)的硬件邏輯程序和使用C語(yǔ)言編寫(xiě)的操作系統(tǒng)軟件兩部分組合成。其中軟核CPU由編譯軟件按照配置生成，用來(lái)運(yùn)行操作系統(tǒng)軟件。鎖相環(huán)和隊(duì)列寄存器使用IP核方式實(shí)現(xiàn)，其他程序模塊使用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)。除鎖相環(huán)外，其他邏輯模塊均由CPU控制。鎖相環(huán)對(duì)晶振提供的工作時(shí)鐘進(jìn)行倍頻和分頻，提供給CHJ和其他模塊;激勵(lì)與采集程序由CPU給出使能信號(hào)，用于輸出激勵(lì)脈沖信號(hào)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘；隊(duì)列寄存器實(shí)時(shí)緩存采集到的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)深度為2048點(diǎn)，數(shù)據(jù)寫(xiě)滿時(shí)，相應(yīng)的標(biāo)志位有效，此時(shí)CPU讀取采集的數(shù)據(jù);顯示屏驅(qū)動(dòng)程序由兩部分組成，其一為時(shí)序控制程序，用來(lái)輸出顯示屏的時(shí)鐘信號(hào)和同步信號(hào)，并由SRAM讀取并發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。其二為緩存控制程序，用于并切換控ffjijSRAM的對(duì)象。當(dāng)CPU寫(xiě)入圖像時(shí)，SRAM在CPU的控制下寫(xiě)入數(shù)據(jù)，此時(shí)，時(shí)