摘 要：目前國(guó)內(nèi)鋼軌磨耗檢測(cè)技術(shù)主要限于三種方法：人工檢測(cè)，效率低、測(cè)量誤差大;接觸式電子設(shè)備測(cè)量，傳感器相對(duì)磨耗大;非接觸式光學(xué)測(cè)量，精度高、應(yīng)用性不強(qiáng)。為了解決以上存在的問題，本文提出了一種基于虛擬儀器的鋼軌磨耗檢測(cè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)主要利用非接觸檢測(cè)原理，結(jié)合電渦流位移傳感器與NI公司的 LabVIEW和PXI設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在線式的實(shí)時(shí)檢測(cè)、處理、分析等功能，具有成本低、精度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該系統(tǒng)具有比其它方法更優(yōu)越的性能。
關(guān)鍵詞：鋼軌;磨耗檢測(cè);渦流傳感器;虛擬儀器
Design of Rail Wear Detection System Based on Lab VIEW Wang Junfeng Song Wenai
Abstract: The technology of rail wear detection currently in china is mainly developed in three methods: manual detection with low efficiency and many errors, contact electronic detection with high relative wear of sensor and optical detection with high accuracy and low application. So it is very important and necessary to develop a set of detection system with high accuracy and application. This article proposed one kind of design for rail wear detection system with non-contact eddy current sensor and PXI based on Lab VIEW. The system can realize online real-time detection, processing, analysis functions, has advantage in low cost, high accuracy, simple operation and so on. The confirmation experiment results have indicated this system has more superior performance than other methods.Key words: Rail; Wear Detection; Eddy Sensor; LabVIEW
1 引言
目前，我國(guó)鐵路機(jī)務(wù)部門現(xiàn)行的檢測(cè)鋼軌磨耗主要采用落后的檢測(cè)方法——人工檢測(cè)，這種測(cè)量方法效率低、可靠性差、工作量大、環(huán)境惡劣。另外也有一些研究機(jī)構(gòu)研制了新的檢測(cè)技術(shù)，如電子設(shè)備檢測(cè)和非接觸式光學(xué)檢測(cè)。機(jī)械設(shè)備需要人工進(jìn)行檢測(cè)，存在工作量大、工環(huán)境惡劣、效率低、機(jī)械裝置與鋼軌進(jìn)行接觸式的檢測(cè)使得所得到的鋼軌外形和軌距的準(zhǔn)確度和完整性不夠高，同時(shí)長(zhǎng)期的接觸式測(cè)量使鋼軌造成不必要的磨損，以及測(cè)量時(shí)要經(jīng)過一些附件的連接點(diǎn)區(qū)域較為困難等缺陷，并且容易受到環(huán)境的影響;電子設(shè)備雖然比機(jī)械設(shè)備有較大改進(jìn)，但是還尚未實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)檢測(cè)，增加了鐵路維修周期;非接觸光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)比以上兩種性能好，精度高，響應(yīng)快，安全可靠，工作穩(wěn)定，避免了與移動(dòng)物體之間的接觸，也就避免不必要的磨損[1][2][3]，但是相對(duì)來說系統(tǒng)的成本比較高，實(shí)用性不強(qiáng)。為了很好解決上述問題，本文提出了一種基于LabVIEW的鋼軌磨耗檢測(cè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)主要利用非接觸檢測(cè)原理，能夠?qū)崿F(xiàn)在線式的實(shí)時(shí)檢測(cè)、處理、分析等功能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該系統(tǒng)具有比其它方法更好的性能。
2 測(cè)量原理
如圖1所示：位移傳感器測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到放大濾波前置器轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的0-5V的電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡采集到電壓信號(hào)，送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)采集卡采集的信號(hào)進(jìn)行處理，得到磨損量，并實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)計(jì)算機(jī)還可以控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器在鋼軌頂面上快速掃描，保證整個(gè)頂面的測(cè)量，同時(shí)計(jì)算機(jī)還可以完成測(cè)量數(shù)據(jù)的保存和管理工作。
機(jī)械硬件裝置測(cè)量原理如圖2所示：定位輪1和支撐輪3通過壓緊彈簧5保證與鋼軌面可靠接觸，在標(biāo)準(zhǔn)軌上，位移傳感器4的讀數(shù)為一定值，當(dāng)鋼軌頂面有磨損時(shí)，位移傳感器4和鋼軌頂面發(fā)生相對(duì)位移，其位移的大小反映鋼軌的頂面磨耗量。
3 系統(tǒng)組成
3.1 硬件組成[4]
位移傳感器采用江陰中泰科技的DO-2非接觸式電渦流傳感器，并附帶放大濾波前置器，由正負(fù)12V的直流穩(wěn)壓電源供電。數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的 PXI6070E多功能采集卡，輸入范圍正負(fù)5V至正負(fù)10V，精度12位，最高取樣率1.25MS每秒。輸出-10V-+10V，精度12位，最高取樣率1MS每秒。PXI設(shè)備采用含PXI8185控制器的PXI1002機(jī)箱。
圖1 系統(tǒng)硬件組成
1、定位輪 2、鋼軌 3、支撐輪 4、位移傳感器5、壓緊彈簧
圖 2 測(cè)量機(jī)械示意圖
3.2 軟件組成
利用NI 公司的LabVIEW開發(fā)此系統(tǒng)，不僅可以很方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能，而且用戶界面具有美觀、交互性和個(gè)性化等特點(diǎn);其模塊化的設(shè)計(jì)，又大大方便了程序的修改和維護(hù)。
4 系統(tǒng)流程圖
如圖3所示。參數(shù)設(shè)置包括測(cè)量人員，時(shí)間日期，路段區(qū)域，設(shè)置完畢后開始采集，采集回來的數(shù)據(jù)應(yīng)該是在0-5V之間，若不在0-5V之間的數(shù)據(jù)就應(yīng)該剔除不用，采集過程中，采用曲線擬合的方法把電壓值轉(zhuǎn)化為物理量即磨損量，實(shí)時(shí)顯示磨損量的數(shù)值。采集結(jié)束后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)，可顯示打印本次測(cè)量的結(jié)果報(bào)表，可查詢這段鋼軌的檢測(cè)、磨損狀況、使用壽命等。若不再測(cè)量即結(jié)束。
圖3 系統(tǒng)流程圖
5 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)主界面圖如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)主界面
圖 5 曲線擬合圖
5.1 傳感器靜態(tài)曲線擬合
運(yùn)用LabVIEW自帶的曲線擬合函數(shù)，選擇不同的擬合方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，達(dá)到最佳擬合。
最初需要對(duì)傳感器進(jìn)行曲線標(biāo)定。采集靜態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)位移-電壓進(jìn)行擬合。多次測(cè)量多次擬合，得出最佳擬合曲線。如圖5所示
電渦流傳感器對(duì)被測(cè)物的測(cè)量面積大于探頭直徑的3倍，所以當(dāng)探頭移動(dòng)到鋼軌邊緣時(shí)，就不再是原來的標(biāo)定曲線。需要重新標(biāo)定在邊緣時(shí)的特征曲線。經(jīng)過多次測(cè)量試驗(yàn)，采取不同的擬合系數(shù)，最終沒有找到合適的曲線，也就是說當(dāng)探頭移動(dòng)到超出鋼軌邊緣之外時(shí)，就不再有共同的特征曲線了。因此，限定測(cè)量在鋼軌邊緣內(nèi)進(jìn)行有效測(cè)量。
5.2 數(shù)據(jù)采集與讀取
采集數(shù)據(jù)過程中，實(shí)際磨耗量將曲線圖和數(shù)字形式實(shí)時(shí)顯示，如有超出預(yù)定最大磨耗量值時(shí)報(bào)警顯示。讀取數(shù)據(jù)也可以將磨耗量以曲線圖和數(shù)字形式顯示。曲線可以刻畫出鋼軌磨耗的不同分布。如圖6所示。
5.3剔除奇異值與濾波
在實(shí)際的測(cè)量過程中由于外界干擾，測(cè)量的數(shù)據(jù)難免出現(xiàn)奇異值，所以在采集完畢后要對(duì)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行奇異值剔除與濾波。奇異值的剔除可編程實(shí)現(xiàn)。濾波可用LabVIEW自帶的濾波函數(shù)取得最佳濾波效果。
圖6 數(shù)據(jù)采集模塊
圖7 歷史記錄及打印模塊前面板
5.4數(shù)據(jù)保存
為了防止采集的數(shù)據(jù)將來不及被有序、完全地讀取，從而造成緩沖區(qū)溢出致使有用數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)自動(dòng)保存。數(shù)據(jù)保存時(shí)可以以文本或者報(bào)表格式保存，方便以后的讀取數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查詢。
5.5歷史記錄查詢
運(yùn)用Database工具包，編程可實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢，按時(shí)間、磨損量、測(cè)量區(qū)間等關(guān)鍵詞進(jìn)行查詢。查詢完畢可以選擇顯示或者打印。如圖7所示。
5.6打印報(bào)表
報(bào)表打印功能可在歷史記錄查詢模塊中得以實(shí)現(xiàn)。按照查詢方式打印查詢結(jié)果。
5.7幫助
主要是針對(duì)系統(tǒng)的操作以及可能遇到的問題的說明。
6 系統(tǒng)功能特點(diǎn)
本系統(tǒng)的具有主要?jiǎng)討B(tài)功能是：
（1）自動(dòng)檢測(cè)鋼軌外形尺寸
（2）檢測(cè)數(shù)據(jù)保存
（3）自動(dòng)判別，超限報(bào)警，以及人工輔助判別
本系統(tǒng)的主要的管理處理功能是
（1）報(bào)表顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)
（2）自動(dòng)建立檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)庫
（3）提供對(duì)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)的搜索、查詢、統(tǒng)計(jì)等功能。
（4）報(bào)表、曲線的打印功能
7 結(jié)論
經(jīng)過多次的驗(yàn)證性測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信性高，基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，可以做到數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理同時(shí)進(jìn)行，系統(tǒng)精度高、操作簡(jiǎn)單。
參考文獻(xiàn)
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