基于虚拟仪器的钢轨磨耗检测系统设计

摘  要：目前国内钢轨磨耗检测技术主要限于三种方法：人工检测，效率低、测量误差大;接触式电子设备测量，传感器相对磨耗大;非接触式光学测量，精度高、应用性不强。为了解决以上存在的问题，本文提出了一种基于虚拟仪器的钢轨磨耗检测的系统设计，该系统主要利用非接触检测原理，结合电涡流位移传感器与NI公司的LabVIEW和PXI设备，实现在线式的实时检测、处理、分析等功能，具有成本低、精度高、操作简单等特点。验证性实验结果表明了该系统具有比其它方法更优越的性能。

关键词：钢轨;磨耗检测;涡流传感器;虚拟仪器

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，我国铁路机务部门现行的检测钢轨磨耗主要采用落后的检测方法——人工检测，这种测量方法效率低、可靠性差、工作量大、环境恶劣。另外也有一些研究机构研制了新的检测技术，如电子设备检测和非接触式光学检测。机械设备需要人工进行检测，存在工作量大、工环境恶劣、效率低、机械装置与钢轨进行接触式的检测使得所得到的钢轨外形和轨距的准确度和完整性不够高，同时长期的接触式测量使钢轨造成不必要的磨损，以及测量时要经过一些附件的连接点区域较为困难等缺陷，并且容易受到环境的影响;电子设备虽然比机械设备有较大改进，但是还尚未实现在线自动检测，增加了铁路维修周期;非接触光学系统检测比以上两种性能好，精度高，响应快，安全可靠，工作稳定，避免了与移动物体之间的接触，也就避免不必要的磨损[1][2][3]，但是相对来说系统的成本比较高，实用性不强。为了很好解决上述问题，本文提出了一种基于LabVIEW的钢轨磨耗检测的系统设计，该系统主要利用非接触检测原理，能够实现在线式的实时检测、处理、分析等功能，实验结果表明了该系统具有比其它方法更好的性能。

2 测量原理

　　如图1所示：位移传感器测到的数据传送到放大滤波前置器转化为标准的0-5V的电压信号，数据采集卡采集到电压信号，送到计算机，计算机对采集卡采集的信号进行处理，得到磨损量，并实时显示，同时计算机还可以控制电机驱动传感器在钢轨顶面上快速扫描，保证整个顶面的测量，同时计算机还可以完成测量数据的保存和管理工作。

　　机械硬件装置测量原理如图2所示：定位轮1和支撑轮3通过压紧弹簧5保证与钢轨面可靠接触，在标准轨上，位移传感器4的读数为一定值，当钢轨顶面有磨损时，位移传感器4和钢轨顶面发生相对位移，其位移的大小反映钢轨的顶面磨耗量。

3 系统组成

　　3.1 硬件组成[4]

　　位移传感器采用江阴中泰科技的DO-2非接触式电涡流传感器，并附带放大滤波前置器，由正负12V的直流稳压电源供电。数据采集卡采用NI公司的PXI6070E多功能采集卡，输入范围正负5V至正负10V，精度12位，最高取样率1.25MS每秒。输出-10V-+10V，精度12位，最高取样率1MS每秒。PXI设备采用含PXI8185控制器的PXI1002机箱。

　　3.2 软件组成

　　利用NI 公司的LabVIEW开发此系统，不仅可以很方便地实现复杂的数据处理功能，而且用户界面具有美观、交互性和个性化等特点;其模块化的设计，又大大方便了程序的修改和维护。

4 系统流程图

　　如图3所示。参数设置包括测量人员，时间日期，路段区域，设置完毕后开始采集，采集回来的数据应该是在0-5V之间，若不在0-5V之间的数据就应该剔除不用，采集过程中，采用曲线拟合的方法把电压值转化为物理量即磨损量，实时显示磨损量的数值。采集结束后对采集的数据进行处理，存储采集数据，可显示打印本次测量的结果报表，可查询这段钢轨的检测、磨损状况、使用寿命等。若不再测量即结束。

5 系统软件实现

　　系统主界面图如图4所示。

　　5.1 传感器静态曲线拟合

　　运用LabVIEW自带的曲线拟合函数，选择不同的拟合方法对数据进行拟合，达到最佳拟合。

　　最初需要对传感器进行曲线标定。采集静态数据，对位移-电压进行拟合。多次测量多次拟合，得出最佳拟合曲线。如图5所示

　　电涡流传感器对被测物的测量面积大于探头直径的3倍，所以当探头移动到钢轨边缘时，就不再是原来的标定曲线。需要重新标定在边缘时的特征曲线。经过多次测量试验，采取不同的拟合系数，最终没有找到合适的曲线，也就是说当探头移动到超出钢轨边缘之外时，就不再有共同的特征曲线了。因此，限定测量在钢轨边缘内进行有效测量。

　　5.2 数据采集与读取

　　采集数据过程中，实际磨耗量将曲线图和数字形式实时显示，如有超出预定最大磨耗量值时报警显示。读取数据也可以将磨耗量以曲线图和数字形式显示。曲线可以刻画出钢轨磨耗的不同分布。如图6所示。

　　5.3剔除奇异值与滤波

　　在实际的测量过程中由于外界干扰，测量的数据难免出现奇异值，所以在采集完毕后要对采集的测量数据进行奇异值剔除与滤波。奇异值的剔除可编程实现。滤波可用LabVIEW自带的滤波函数取得最佳滤波效果。

　　5.4数据保存

　　为了防止采集的数据将来不及被有序、完全地读取，从而造成缓冲区溢出致使有用数据丢失，数据自动保存。数据保存时可以以文本或者报表格式保存，方便以后的读取数据和历史数据查询。

　　5.5历史记录查询

　　运用Database工具包，编程可实现对历史数据的查询，按时间、磨损量、测量区间等关键词进行查询。查询完毕可以选择显示或者打印。如图7所示。

　　5.6打印报表

　　报表打印功能可在历史记录查询模块中得以实现。按照查询方式打印查询结果。

　　5.7帮助

　　主要是针对系统的操作以及可能遇到的问题的说明。

6 系统功能特点

　　本系统的具有主要动态功能是：

　　（1）自动检测钢轨外形尺寸

　　（2）检测数据保存

　　（3）自动判别，超限报警，以及人工辅助判别

　　本系统的主要的管理处理功能是

　　（1）报表显示检测数据

　　（2）自动建立检测结果数据库

　　（3）提供对检测结果数据的搜索、查询、统计等功能。

　　（4）报表、曲线的打印功能

7 结论

　　经过多次的验证性测试，实验结果可信性高，基本实现了实时在线检测，可以做到数据采集与数据处理同时进行，系统精度高、操作简单。

参考文献

　　[1]孟佳，高晓蓉. 钢轨磨损检测技术的现状与发展[J]. 铁道技术监督，2005,（1），34～36

　　[2]D.R.HolfeId and G.E Ghafe. How computer technology aids in measuring rail wear. RailwayTrack&Structures.1989,（11）

　　[3]卓红俞.手推式钢轨外形尺寸图像检测系统[D]. 成都: 西南交通大学, 2005.1～15

　　[4] 赵胜会,刘平,施保华,陈堂贤. 基于虚拟仪器的计算机控制实验系统[J].微计算机信息 , 2006, （19） .

　　[5] 杨乐平，李海涛，杨磊,LabVIEW程序与应用[M].北京:电子上业出版社，2001

　　[6]National Instrument Corporation, LabVIEW User Manual. 1998