[實用新型]一種鋼軌裂紋聲發射信號高速采集裝置

有效

• 申請號: 201821221371.2
• 申請日: 2018-07-30
• 公開（公告）號: CN208350719U
• 公開（公告）日: 2019-01-08
• 發明（設計）人: 王鵬翔;陳曉東;王臻煒;王威;梁維海;張勝強
• 申請（專利權）人: 四川西南交大鐵路發展股份有限公司
• 主分類號: G01N29/14
• 分類號: G01N29/14;G01N29/36;G05B19/042
• 代理公司: 成都華風專利事務所(普通合伙) 51223
• 代理人: 徐豐;張巨箭

本實用新型涉及高速數據采集領域，公開了一種鋼軌裂紋聲發射信號高速采集裝置。該高速采集裝置主要采用“處理器+FPGA”的雙嵌入式系統架構，其中FPGA部分主要實現采集和運算的功能，而處理器則主要完成數據傳輸、緩存及輔助運算的功能。本實用新型可以實現鋼軌裂紋聲發射信號高速采集對采集裝置低功耗、高性能、高穩定、易部署的要求；其嵌入式結構，縮小了設備的整體體積，更適用于在鐵路軌旁安裝；通過在FPGA運算本公司自行研發的算法判斷鋼軌是否有裂紋、掉塊產生并預警，保障了行車安全。

技術領域

本實用新型涉及聲發射信號采集技術領域，尤其涉及一種應用于鋼軌裂紋聲發射信號高速采集裝置。

背景技術

材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射(AcousticEmission,簡稱AE),有時也稱為應力波發射。鋼軌在應力作用下的變形與裂紋擴展，是鋼軌結構失效的重要機制。鋼軌在斷裂時發出的彈性波，經介質傳播到達鋼軌表面，引起表面的機械振動。聲發射傳感器將表面的瞬態位移轉換成電信號。聲發射信號經鋼軌裂紋聲發射信號高速采集裝置放大、處理后，其波形或特性參數被記錄與顯示。最后，經數據的分析與解釋，判定出鋼軌的特性。

聲發射傳感器采集到聲發射信號轉換為電信號，實際應用中，鋼軌裂紋聲發射信號高速采集裝置其實是對電信號進行采集。目前市面上并沒有一款專門針對鋼軌聲發射信號進行高速采集的裝置。如果使用現有電信號采集裝置采集鋼軌聲發射信號仍有許多缺點：(1)現有采集裝置為通用型信號采集裝置，結構功能繁復，成本偏高。(2)現有采集裝置只具備信號采集功能，為滿足數據分析功能往往需要增加工控機等運算處理設備，增加系統的整體尺寸，使得現場安裝施工條件惡劣，并大量增加了成本。(3)為滿足鋼軌旁安裝設備的強電磁干擾環境及惡劣的天氣環境，且滿足聲發射信號采集必要的采樣率、采樣精度等條件，造成采用現有采集裝置選型困難。

為克服現有采集裝置及采集信號問題，本實用新型發明提出了一種基于鋼軌裂紋聲發射信號高速采集裝置，該采集裝置采用低功耗、高性能、高穩定、易部署的要求；結合其嵌入式結構，縮小了設備的整體體積，更適用于在鐵路軌旁安裝；通過在FPGA運算本公司自行研發的高速算法判斷鋼軌是否有裂紋、掉塊產生并預警，保障行車安全。按照國標電子電路電磁兼容性要求進行設計，滿足鋼軌旁安裝設備的強電磁干擾環境及惡劣的天氣環境的工作要求。

發明內容

本實用新型的目的在于，提出一種鋼軌裂紋聲發射信號高速采集裝置，其體積小巧，具有雙嵌入式系統，能夠實現實時高速采集、實時傳輸、同步運算、數據暫存、參數配置、自動校時、功能自檢、自復位等功能，并具備電源指示燈、運行指示燈及通訊指示燈顯示；

為實現高速采集功能，采集裝置以300kHz～1MHz采樣率持續采樣，在FPGA中判斷是否過車，有過車則發出“算法觸發信號”。在沒有“算法觸發信號”時，采集裝置進入待機工作模式：以60s為周期(可設定)發送心跳信號；同時，采集裝置自動判斷當前各傳感器是否正常，如果不正常，則發送傳感器故障報警信號；在“算法觸發信號”到來時，采集裝置進行算法運算模式：調用“裂紋損傷判定算法”進行實時運算，若發現報警，則發出裂紋報警信號。同時將各傳感器原碼信號通過以太網接口輸出。當算法運算模式下，在FPGA中判斷是否過車結束，若過車結束則取消觸發信號，采集裝置恢復待機工作模式。

進一步的裂紋傷損判定算法的理論依據來源于斷裂力學和聲發射信號處理，彈性材料在發生裂紋萌生、裂紋發展、甚至掉塊或斷裂時，一部分能量以伴生聲發射信號釋放。安裝在鋼軌底部的定制聲發射傳感器被動采集這些這些伴生聲發射信號，然后經過事件截取、預處理、Wigner-Vill高階譜(4階)表征、特征提取、聚類分析、并最終根據聚類結果進行分類報警。

為實現實時傳輸功能，該采集裝置在算法模式下時，通過千兆以太網通道傳輸當前所有接入通道的采集原碼數據(校準后2Byte原碼，開放二次校準零度和滿度，作為參數配置)，傳輸過程與采集過程應同步進行，所有數據在采集過程完畢后3分鐘內完成傳輸。