[实用新型]一种钢轨裂纹声发射信号高速采集装置

说明书

本实用新型涉及高速数据采集领域，公开了一种钢轨裂纹声发射信号高速采集装置。该高速采集装置主要采用“处理器+FPGA”的双嵌入式系统架构，其中FPGA部分主要实现采集和运算的功能，而处理器则主要完成数据传输、缓存及辅助运算的功能。本实用新型可以实现钢轨裂纹声发射信号高速采集对采集装置低功耗、高性能、高稳定、易部署的要求；其嵌入式结构，缩小了设备的整体体积，更适用于在铁路轨旁安装；通过在FPGA运算本公司自行研发的算法判断钢轨是否有裂纹、掉块产生并预警，保障了行车安全。

技术领域

本实用新型涉及声发射信号采集技术领域，尤其涉及一种应用于钢轨裂纹声发射信号高速采集装置。

背景技术

材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(AcousticEmission,简称AE),有时也称为应力波发射。钢轨在应力作用下的变形与裂纹扩展，是钢轨结构失效的重要机制。钢轨在断裂时发出的弹性波，经介质传播到达钢轨表面，引起表面的机械振动。声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号。声发射信号经钢轨裂纹声发射信号高速采集装置放大、处理后，其波形或特性参数被记录与显示。最后，经数据的分析与解释，判定出钢轨的特性。

声发射传感器采集到声发射信号转换为电信号，实际应用中，钢轨裂纹声发射信号高速采集装置其实是对电信号进行采集。目前市面上并没有一款专门针对钢轨声发射信号进行高速采集的装置。如果使用现有电信号采集装置采集钢轨声发射信号仍有许多缺点：(1)现有采集装置为通用型信号采集装置，结构功能繁复，成本偏高。(2)现有采集装置只具备信号采集功能，为满足数据分析功能往往需要增加工控机等运算处理设备，增加系统的整体尺寸，使得现场安装施工条件恶劣，并大量增加了成本。(3)为满足钢轨旁安装设备的强电磁干扰环境及恶劣的天气环境，且满足声发射信号采集必要的采样率、采样精度等条件，造成采用现有采集装置选型困难。

为克服现有采集装置及采集信号问题，本实用新型发明提出了一种基于钢轨裂纹声发射信号高速采集装置，该采集装置采用低功耗、高性能、高稳定、易部署的要求；结合其嵌入式结构，缩小了设备的整体体积，更适用于在铁路轨旁安装；通过在FPGA运算本公司自行研发的高速算法判断钢轨是否有裂纹、掉块产生并预警，保障行车安全。按照国标电子电路电磁兼容性要求进行设计，满足钢轨旁安装设备的强电磁干扰环境及恶劣的天气环境的工作要求。

发明内容

本实用新型的目的在于，提出一种钢轨裂纹声发射信号高速采集装置，其体积小巧，具有双嵌入式系统，能够实现实时高速采集、实时传输、同步运算、数据暂存、参数配置、自动校时、功能自检、自复位等功能，并具备电源指示灯、运行指示灯及通讯指示灯显示；

为实现高速采集功能，采集装置以300kHz～1MHz采样率持续采样，在FPGA中判断是否过车，有过车则发出“算法触发信号”。在没有“算法触发信号”时，采集装置进入待机工作模式：以60s为周期(可设定)发送心跳信号；同时，采集装置自动判断当前各传感器是否正常，如果不正常，则发送传感器故障报警信号；在“算法触发信号”到来时，采集装置进行算法运算模式：调用“裂纹损伤判定算法”进行实时运算，若发现报警，则发出裂纹报警信号。同时将各传感器原码信号通过以太网接口输出。当算法运算模式下，在FPGA中判断是否过车结束，若过车结束则取消触发信号，采集装置恢复待机工作模式。

进一步的裂纹伤损判定算法的理论依据来源于断裂力学和声发射信号处理，弹性材料在发生裂纹萌生、裂纹发展、甚至掉块或断裂时，一部分能量以伴生声发射信号释放。安装在钢轨底部的定制声发射传感器被动采集这些这些伴生声发射信号，然后经过事件截取、预处理、Wigner-Vill高阶谱(4阶)表征、特征提取、聚类分析、并最终根据聚类结果进行分类报警。

为实现实时传输功能，该采集装置在算法模式下时，通过千兆以太网通道传输当前所有接入通道的采集原码数据(校准后2Byte原码，开放二次校准零度和满度，作为参数配置)，传输过程与采集过程应同步进行，所有数据在采集过程完毕后3分钟内完成传输。