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[应用相关] 关于无损监测方面的应用

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 楼主 | 2019-6-18 14:38 | 显示全部楼层
    无损探伤作为一种先进的非接触式检测技术,在高速铁路的钢轨裂纹检测上有着重大的应
用价值。本文针对钢轨无损探伤研究的试验需求,介绍了研制无损探伤试验台的目标,分析了
电磁探伤的实验原理,明确了无损探伤试验台的工作原理以及监控系统的工作目标。

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 楼主 | 2019-6-18 14:38 | 显示全部楼层
    为实现无损探伤试验台的白动控制,本文设计了嵌入式的监控系统。在介绍了嵌入式系统
技术的应用特点后,选择了基于ARM Cortex-M3的STM32F 103ZET6嵌入式处理器,从功能完整
性角度分析了嵌入式系统的硬件组成,介绍了变频调速系统的工作原理,分析了机电系统的选
型原则,选择了F2000-G矢量变频器和YZP 132M2-8交流电机作为电力拖动方案,设计了变频调
速接口实现试验台的运动控制;设计了基于SZGB-6转速传感器和CWY-DO-504位移传感器的监
测系统和基于DMT804807050_ OSW的人机交互系统,通过Album Designer设计了变频调速接口、
数据采集接口、人机交互接口等硬件电路,最终完成电路板的PCB设计。

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 楼主 | 2019-6-18 14:50 | 显示全部楼层
    在完成系统硬件设计后,本文主要介绍了基于RealView MDK的嵌入式软件开发与调试。首
先,通过系统地介绍MODBUS协议组成与应用特点,分析了该协议的实现原理,结合嵌入式系
统的特点通过编程实现了该协议,并应用于F2000-G的通信以实现变频调速的控制功能;其次,
根据实际被测对象介绍了转速传感器与涡流传感器的应用特点,设计了脉冲测量和定时采样程
序,实现无损探伤试验台实时监控功能;最后,基于人机交互的需要,分析了智能显示终端
DMT804807050 OSW的用户接口,设计了人机交互的处理方案并编程实现,满足了可视化需求。
    最后,本文介绍试验台的装配,进行了各项功能的测试,结果表明,无损探伤试验台与嵌
入式监控系统达到了预定的性能指标,满足了无损探伤的实验要求,具有操作简单、性能可靠、
白动化程度高的优点,通过对课题研究工作的总结,指出了不足之处并对下一步工作进行了展
望。

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 楼主 | 2019-6-18 14:57 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-6-18 15:00 | 显示全部楼层
    铁路作为交通运输的骨干力量,是国家发展的基本需要,是国民经济的基础设施,起着对
社会资源配置和宏观调控的重要作用,具有运输能力大、负载速度快,能源节约、运输效率高,
运营安全等优点[fll。截至2009年底,中国铁路营业里程已达9万公里,但是相对于我国巨大的
人口基数,铁路交通负载还是相当繁重,而且铁路运输正向高速重载的方向发展,要保证铁路
运营的安全可靠,就必须对铁路设备进行定期检测维护[}z}。相对于机车、站台等设备,钢轨具
有安装分布广,里程长,工作环境差异大的特点,是铁路系统安全工作的重点,其故障检测任
务十分繁重。在铁路运营的实际过程中,钢轨路况复杂,工作时负荷动作快,执行频繁,瞬时
冲击负荷大,工作环境恶劣,因而容易产生疲劳应力,进而形成疲劳裂纹。而当裂纹达到一定
程度时,很容易造成部件的突然断裂,如果缺乏及时维修,极易造成巨大的生命财产损失。因
此,必须对钢轨损伤进行定期的检测维护以保证铁路系统安全稳定地高速运行。随着铁路系统
的高速化和长途化,传统的人工巡检、半白动检测系统已经难以满足需求,钢轨白动探伤系统
的需求十分迫切。
    无损检测,又称非破坏性检测,是指在不破坏被检测对象物理性能、化学性能、儿何完整
性等情况下,通过分析对象内部异常和缺陷存在所引起的磁、电、光、声、热等反应的变化,
确定缺陷是否存在,掌握缺陷的特征并对其危害程度加以评价[[3]。无损检测以其非接触、无损
伤、高精度、高效率的工作方式,非常适合钢轨探伤设备,目前常用于检测钢轨裂纹缺陷的无
损探伤方法有:磁粉检测、渗透检测、射线检测、超声波检测、电磁检测[#]。其中磁粉探伤和
渗透探伤具有良好的性能以及显示效果,但是都需要使用磁粉和渗透液等媒介,因而检测速度
慢,常应用于半白动探伤仪。而超声探伤和电磁探伤的检测则是通过超声波和电磁场对钢轨进
行进行故障监测,无需媒介,易于与电了设备集成实现白动化探伤系统,是今后的重点发展方
向。

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 楼主 | 2019-6-18 15:01 | 显示全部楼层
    本课题意义在于通过无损探伤试验台,可负载被测试件进行高速运动,并由检测装置进行
漏磁探伤试验,获得由钢轨缺陷导致的漏磁响应信号,以嵌入式系统为核心的监控系统,可进
行白动化的电机调速控制,完成不同速度条件下的无损探伤实验;对试验台的状态参数进行实
时监测,并提供了各种设各的智能化设置、管理、操作等功能,以此开展无损探伤实验。

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 楼主 | 2019-6-18 15:11 | 显示全部楼层
    铁道科学研究院的金炜等人设计开发了实用化的钢轨探伤小车,该车采用超声探伤系统,
包含了钢轨检测、超声信息处理、传感器伺服控制、钢轨白动跟踪系统,其系统构成如图l.l}s}o
实践结果表明,该车能够在最高时速85 Km/h的运行条件下,以1 mm的对中精度检测l Omm的
钢轨头部横向疲劳裂纹、螺栓孔裂纹、钢轨纵向水平裂纹。

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 楼主 | 2019-6-18 15:22 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-6-18 15:23 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-6-18 15:25 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-6-18 16:16 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-6-18 16:17 | 显示全部楼层
从原理上分析,钢轨探伤的速度特性实验需满足高速相对运动(被测轨道和检测装置之问)
的物理条件,实现相对运动可以采用以下两种方案。
1.被测轨道固定,检测装置高速运动
超声探伤实验中常用的探伤小车就是这种工作模型,实际的被测轨道固定在地面上,检测
装置随着探伤车高速运动,在运动过程中对被测轨道进行无损检测。

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 楼主 | 2019-6-18 16:18 | 显示全部楼层
    2.检测装置固定,被测轨道高速运动
    通过合理的设计使被测轨道高速运动,而检测装置固定,二者问同样形成相对的高速运动,
从而进行高速检测的试验。
    第一种方案中,探伤小车在实验过程中是运行在实际的铁路钢轨上的,这种工作模式与真
实的探伤系统工作条件相同,但是这种实验装置的机械系统复杂,并且需要使用到现有的铁路
系统,其资源申请、费用开销等成本代价过高,不利于试验展开。从原理上分析,第二种方案
是对现实探伤车的模拟,同样能够满足高速相对运动的实验条件,英国伯明翰大学在ACFM研究
中设计的两种实验装置正是采用这种工作模型。由于被测轨道不像检测装置那样结构复杂,既
不需要工作电源,也不需要信号处理线路,非常适合做主运动件,而检测探头作为固定装置有
利于机械系统和电路系统的设计与安装。因此以被测轨道作为运动件,检测装置固定的物理模
型能很好地符合轨道试验机的工作形式。而且漏磁探伤技术作为新兴的研究方向,国内外相关
实验理论及实验装置正处于起步阶段,考虑到其实验成本、实验条件,设备研发周期等问题,
本文选择了检测装置固定,被测轨道高速运动的模拟实验方式。
    通常,在铁路实际运用中,铁路钢轨的布置既有长距离直道也有曲率一定的短距弯道,而直
线又可以等价于曲率半径无穷大的圆弧。这样在选择被测轨道运动形式时使用圆周运动即可满
足实际要求。这样容易达到高速,不再需要长距离的竖直轨道,使得试验系统的体积减小,只
需能够以一定半径回转的试验台系统即可。因此,本文中无损探伤试验台将被测轨道设计为环
形,其环形面作为工作面,加工有各种故障裂纹。被测轨道作为可置换的试件,固定在机械系
统的主轴上,在电机的驱动下作高速旋转,形成与固定在机械基座上的电磁检测装置之问的相
对运动,以此展开高速动态的无损探伤试验。

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 楼主 | 2019-6-18 16:18 | 显示全部楼层
    传统的机械实验系统,多由试验人员手动操作机械装置,其工作效率低、操作复杂难以适
应无损探伤试验系统的运动速度快、数据量大、时问特性要求高的特点。为了解决这些问题,
可通过电了设备对机械试验系统进行状态监控和运动控制,达到无损探伤试验白动化的目的,
而目前正高速发展的嵌入式系统为无损探伤试验的白动化提供了一个较为理想的解决方案。嵌
入式系统是指以应用为中心、硬件可裁剪、软件可定制、对可靠性、成本与体积、功耗与性能
严格要求的,对其他运行设各实现控制、监测等功能的软硬件综合体

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 楼主 | 2019-6-18 16:19 | 显示全部楼层
相比于单独的机械试验装置,使用嵌入式监控系统具有以下优点:
嵌入式系统可对试验系统的各个部分进行统一的监测和控制,集成度高;
嵌入式系统可配置图形化的人机界面,显示直观,操作方便;
传统的手动试验重复性差,而在嵌入式系统对于试验参数的精确监测以及试验装置的
白动控制使得无损探伤试验重复性好,数据可靠。

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 楼主 | 2019-6-18 16:20 | 显示全部楼层
    相比于以计算机为核心的数据采集系统,嵌入式系统具有功能定制化,硬件工作效率高,
执行速度快,系统可靠性高的优点,而且其成本较低、体积较小更易于集成。所以,本课题在
研制无损探伤试验台的过程中,设计了嵌入式监控系统,提供一个可视化、智能化的无损探伤
试验的白动化系统。

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 楼主 | 2019-6-18 16:20 | 显示全部楼层
    在硬件上,处理器是嵌入式系统硬件中的核心部分,目前市场上存在着:51系列、AVR系
列、ARM系列、MIP S系列、DSP系列等多种处理器[f}l。根据无损探伤试验台的机电配置和目
标性能参数,为构成完整的嵌入式硬件系统需要的硬件接口如下:
    1.变频器接口,用于控制变频器及交流电机,实现机电系统的无级调速;
    2.监测系统接口,包括光电转速传感器和涡流位移传感器的信号采集电路接口;
    3.智能人机接口的驱动电路,用于图形界面的显示,人机交互的效果实现;
    4.计算机通信接口,用于嵌入式系统的功能升级和实验数据的保存等。

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 楼主 | 2019-6-18 16:23 | 显示全部楼层
    可见,本系统中测控对象及其接口较多,既有实时性要求较高的电机控制和位移测量,又
有运算性能要求较高的图形界面和信号处理等,所以51系列、AVR系列等传统的MCU难以满
足其应用需求,而ARM系列具有处理能力强,外设可扩展性丰富的优点。同时,相比具有特
殊应用功能的DSP系列和MIPS系列,ARM系列处理器具有设计灵活、开发周期短,性价比
高的优点,支持ARM的开发软件较多,而且相应的仿真调试工具便宜实用,更加适合作为嵌
入式监控系统的处理核心。目前主流的ARM体系包括:ARM7TDMI, ARM920T, XScale,
ARM Cotex-A8, ARM Cotex-M3等[‘。]。其中ARM920T, XScale, ARM Cotex-A8等系列嵌入
式处理器主频高、带MMU和VFP、运算速度快、多媒体性能强劲,因而多应用于消费电了领
域。而ARM7TDMI, ARM Cotex-M3系列嵌入式处理器具有功耗低、性价比高、外设丰富、功
能灵活,集成度高,开发方便的优点,是专门针对工业测控领域的嵌入式处理器,十分符合无
损探伤试验台的应用要求。在制过程中具体选用何种的型号的处理器作为主控芯片,还需要平
衡考虑各方面的硬件需求,以及软件功能的定制目标,其需求如下:
    1.对中断的响应速度较快,管理能力较好,能实时地完成变频器,传感器、触摸屏等电
        路的中断响应;
    2.具有A/D转换接口,满足状态监测的数据采集需要;
具有3个以上的通用异步串行口,以满足各个设备的接口需要;
具有多个可配置的IO口,以便系统的各个控制功能的扩展;
配套工具完善,便于多功能实时测控系统的开发与调试。

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 楼主 | 2019-6-18 16:23 | 显示全部楼层
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