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動車組壓縮氣體泄漏超聲波智能檢測與識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2022-11-11 01:15:40朱奧輝
鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用 2022年10期
關(guān)鍵詞:信號處理動車組超聲波

潘 超,韋 樸,朱 昊,朱奧輝

(1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 南京動車段,南京 210012;2.南京工程學(xué)院 江蘇省先進(jìn)數(shù)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 211167)

近年來,中國高速鐵路迅猛發(fā)展,復(fù)興號動車組的運(yùn)營速度高達(dá)350 km/h。為了保障動車組的運(yùn)行安全,動車組需要定期進(jìn)行運(yùn)營維護(hù)。只有及時快速準(zhǔn)確地對整列動車組的各個系統(tǒng)進(jìn)行必要檢修,動車組列車運(yùn)行的安全性才能得到保證[1-3]。動車組多個關(guān)鍵系統(tǒng),如動車組的制動系統(tǒng)、受電弓、主斷路器、空氣彈簧、車鉤等均使用了壓縮氣體,因此穩(wěn)定的壓縮空氣供給是保證設(shè)備良好運(yùn)行的基礎(chǔ),但在檢修過程中,微小氣體泄漏所產(chǎn)生的聲音在嘈雜的現(xiàn)場環(huán)境中無法通過人耳被迅速察覺,因而難以被及時檢測到。車體設(shè)備艙內(nèi)部空間狹小,傳統(tǒng)檢測使用氣泡法、涂抹法等檢測周期長、精度低且人工成本很高,無法快速準(zhǔn)確地找到氣體泄漏位置[4-6]。因此,動車組的檢修亟須一種新型的氣體泄漏檢測方法和裝備,以實(shí)現(xiàn)對壓縮氣體泄漏快速、準(zhǔn)確地檢測。針對傳統(tǒng)麥克風(fēng)檢測的方式極易受環(huán)境聲音的影響,無法對微弱的泄漏點(diǎn)進(jìn)行檢測的問題,王小然等人[7]采用基于擴(kuò)展Kalman濾波的數(shù)據(jù)融合方法,對氣體泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。該方案技術(shù)復(fù)雜,成熟度較低,目前還無法推廣使用。

本文設(shè)計(jì)了動車組壓縮氣體泄漏超聲波智能檢測與識別系統(tǒng),該系統(tǒng)基于氣體泄漏產(chǎn)生的空載超聲波信號,在檢修現(xiàn)場復(fù)雜的聲環(huán)境中能夠快速檢測并識別微小氣體泄漏聲音,準(zhǔn)確有效定位動車組故障部件氣體泄漏位置。

1 氣體泄漏超聲波檢測原理

當(dāng)容器內(nèi)部氣體壓強(qiáng)大于外部大氣壓強(qiáng)時,由于內(nèi)外壓差較大,一旦容器有輕微破損(小孔或細(xì)小裂縫),氣體就會從破損處沖出。當(dāng)容器破損尺寸較小且雷諾數(shù)較高時,沖出的氣體就會形成湍流,湍流在破損處附近會產(chǎn)生一定頻率的聲波[8-9]。聲波振動的頻率與破損處的大小有關(guān)。若破損處較大,人耳可聽到漏氣聲。由于人耳可聽到的聲音音波范圍為20 Hz~20 kHz,若破損處很小且聲波頻率高于20 kHz時,人耳將無法聽到漏氣聲,但漏氣聲能在空氣中傳播,這種波被稱作空載超聲波??蛰d超聲波是高頻短波信號,其強(qiáng)度隨著離開聲源(破損部位)距離的增加而迅速衰減。漏氣產(chǎn)生的超聲波頻帶較寬,一般為20 ~100 kHz[10],因此氣體泄漏產(chǎn)生的空載超聲波可以被用來對泄漏狀態(tài)進(jìn)行檢測和識別;同時,通過檢測系統(tǒng)與泄漏位置間距離的調(diào)節(jié),判斷信號變化,確定泄漏位置。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

本文系統(tǒng)通過采集氣體泄漏產(chǎn)生的超聲波信號,分析識別動車組用氣設(shè)備是否出現(xiàn)泄漏并快速確定泄漏位置。同時為了滿足檢修需要,本文系統(tǒng)還具有輕量化設(shè)計(jì)、可移動、便攜式、能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時人機(jī)交互等特點(diǎn),由信號采集單元、模擬和數(shù)字信號處理單元、電源管理單元和用戶界面(UI,User Interface)單元4部分組成,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

2.1 信號采集單元

采用硅基麥克風(fēng)作為超聲波采集傳感器,將超聲波信號轉(zhuǎn)為模擬電壓信號,實(shí)現(xiàn)超聲波信號的采集。硅基麥克風(fēng)探測靈敏度高,能夠采集微弱的超聲波信號,其頻響曲線如圖2所示。硅基麥克風(fēng)可以探測到80 kHz以內(nèi)的聲波信號,基本上可以覆蓋超聲波的頻譜范圍。

圖2 硅基麥克風(fēng)的頻響曲線

超聲波的頻率峰值集中在40 kHz以上,常規(guī)環(huán)境中的噪聲信號頻率一般在20 kHz以下。高通型的模擬接收電路能夠自適應(yīng)地過濾20 kHz以下的聲波信號,將常規(guī)環(huán)境中的噪聲信號有效濾除,可有效提高傳感探頭的抗干擾特性。模擬接收電路的頻響特性曲線如圖3所示。

圖3 模擬接收電路的頻響特性曲線

2.2 信號處理單元

信號處理單元實(shí)現(xiàn)對模擬電壓信號的處理及模擬信號至數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,包括模擬信號處理電路和數(shù)字信號處理電路。模擬信號處理電路如圖4所示,選用STM32L系列低功耗ARM處理器實(shí)現(xiàn)后續(xù)的數(shù)字信號處理。信號處理單元將信號采集單元輸出的模擬電壓信號經(jīng)過程序控制放大器放大后分為兩路輸出:一路輸出至高速比較器,另一路輸出 至 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D ,Analog to Digital Converter),實(shí)現(xiàn)模擬信號至數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。設(shè)置閾值電壓,通過高速比較器將輸入的模擬電壓信號與閾值電壓進(jìn)行比較。當(dāng)模擬信號電壓大于閾值電壓時,高速比較器輸出高電平信號,表明系統(tǒng)檢測到超聲波信號,同時觸發(fā)處理器的外部中斷程序;處理器打開A/D模塊,向顯示器實(shí)時輸出檢測的超聲波信號。

圖4 模擬信號處理電路

2.3 供電單元

供電單元采用3.7 V鋰電池供電,通過設(shè)置直流變換器升壓電路將3.7 V電源電壓升高至12 V,作為本文系統(tǒng)中模擬電路的電源;通過設(shè)置直流降壓電路將12 V電壓降壓并穩(wěn)壓至5 V,作為觸摸電容屏的供電電源;通過低壓差線性穩(wěn)壓器(LDR,Low Dropout Regulator)電路產(chǎn)生3.3 V電源,作為ARM處理器的電源。此外,供電電源設(shè)計(jì)了鋰電池充電電路,實(shí)現(xiàn)對鋰電池的在線充電。

2.4 UI單元

為實(shí)現(xiàn)更加方便的人機(jī)交互,UI單元選取STM32L系列高性能ARM處理器作為單元核心;通過設(shè)置觸摸電容屏,采用touchgfx+CubeMX+keil平臺設(shè)計(jì)嵌入式程序,進(jìn)行系統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā),實(shí)現(xiàn)界面顯示和人機(jī)交互。同時,UI單元通過通用異步收發(fā)器(UART,Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)實(shí)現(xiàn)了觸摸電容屏與ARM處理器之間的通信。

3 試驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室搭建了實(shí)驗(yàn)平臺,如圖5所示,通過信號測試檢驗(yàn)系統(tǒng)功能。本文系統(tǒng)采用壓縮氣泵、氣室和軟管模擬不同形式的氣體泄漏,檢測超聲波信號的各項(xiàng)特征。模擬碳滑板漏風(fēng)故障檢測,模擬的漏風(fēng)風(fēng)壓為3.6 Bar,并模擬設(shè)置了多個氣體泄露點(diǎn),通過多次測試對比發(fā)現(xiàn),當(dāng)超聲波采集傳感器與氣體泄露點(diǎn)的距離為15 cm左右時,檢測結(jié)果較好。在實(shí)際檢修現(xiàn)場對氣體泄漏檢測裝置進(jìn)行了測試,測試結(jié)果表明:本文系統(tǒng)能夠?qū)榆嚱M受電弓、轉(zhuǎn)向架制動等氣體泄漏狀況進(jìn)行快速檢測和準(zhǔn)確識別,同時,通過UI界面輸出檢測超聲波的量化幅值。

圖5 實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境

4 應(yīng)用效果

本文系統(tǒng)已試用于動車組運(yùn)用檢修中,系統(tǒng)能夠檢測到聲音微弱的漏風(fēng)故障,通過電容屏實(shí)現(xiàn)漏風(fēng)處泄漏值的檢測增益變大或者縮小,調(diào)整檢測距離,能夠快速適應(yīng)檢測目標(biāo)。本系統(tǒng)具有如下功能特點(diǎn)。

(1)本系統(tǒng)在高速鐵路動車組檢修工作當(dāng)中,能夠代替檢測試漏劑,快速檢測到動車組制動、受電弓等系統(tǒng)部件存在的壓縮氣體漏風(fēng)故障。

(2)本系統(tǒng)具備檢測幅值增益可調(diào)節(jié)功能,通過增益調(diào)節(jié),檢測精度在一定范圍內(nèi)(0~20 cm)不受檢測距離干擾。

(3)本系統(tǒng)具備較好的抗干擾性。通過自動過濾20 kHz以下的聲波信號,可不受檢修現(xiàn)場嘈雜噪音干擾,能夠檢測出微弱的漏風(fēng)故障。

(4)本系統(tǒng)操作方便,通過電容屏實(shí)現(xiàn)泄漏幅值的顯示、操作及系統(tǒng)的開啟/關(guān)閉功能;傳感器采用軟管連接,實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)手持探測,可在狹小空間進(jìn)行檢測,靈活度較高;系統(tǒng)為手持式,采用鋰電池供電,顯著提高了使用的便捷性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了動車組壓縮氣體泄漏超聲波智能檢測與識別系統(tǒng),通過采集動車組氣體泄漏產(chǎn)生的超聲波信號,實(shí)現(xiàn)氣體泄漏故障檢測和識別。本文系統(tǒng)為動車組檢修作業(yè)人員提供方便快捷的壓縮空氣泄漏檢測手段,顯著提高壓縮氣體泄漏檢測的精度和效率,減少檢修成本,提高了工作效率;動車組氣體泄漏故障的早期發(fā)現(xiàn)、及時處理,能夠降低動車組安全運(yùn)行風(fēng)險,對動車組檢修手段的提升和智能化發(fā)展具有借鑒意義。

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