无缝钢轨中超声导波相速度测量方法研究

摘要

超声导波因其检测范围广、不受电气及电磁干扰、传播距离长等特点，特别适合于无缝钢轨的长距离无损检测。目前，基于超声导波的无缝钢轨裂纹检测，主要是通过在时域内测量导波的群速度来确定裂纹位置，由于超声导波的多模态特性和频散特性，会造成时域内群速度测量不准，从而导致裂纹位置定位不准确。基于相速度的超声导波检测，通过2D-FFT算法获取导波相速度值，能够有效提高超声导波波速检测的精度，从而实现钢轨裂纹的准确定位，有利于准确掌握无缝线路钢轨服役状态，对保障高速铁路行车安全具有重大的意义。
　　论文研究了基于2D-FFT算法的无缝钢轨中超声导波相速度测量方法，设计了超声导波信号发射模块、多通道超声信号同步采集模块、线性阵列超声探头，搭建了相速度测量系统，主要完成的工作如下:
　　1.通过研究超声导波的传播特性，选用了基于2D-FFT算法的超声导波相速度测量方法，设计了论文整体研究方案。
　　2.设计了32阵元超声导波线性阵列接收探头，工作频率为150KHz，通过实验和仿真选取了激励探头并将换能器安装于轨腰位置。
　　3.以STM32微处理器和FPGA为核心硬件构架，设计了超声导波发射模块和32通道超声信号同步采集模块，发射模块发射波形周期、时间间隔、发射频率均可调，能够满足导波激励源要求;信号采集模块采样率为2.4MHz，数据可以通过以太网接口传输到上位机进行保存、波形显示和后续的数据处理。
　　4.在实验室条件下，搭建了相速度测量系统，将包含时间—空间信息的数据矩阵进行2D-FFT处理，得到导波频率一波数图，在激励频率处提取波数值，计算出该频率下导波的相速度值，实验数据与半解析理论值有较好的一致性。
　　论文完成了基于2D-FFT算法的超声导波相速度测量整体方案的设计及采集系统的搭建，能够测量出无缝钢轨中超声导波相速度值，为基于超声导波无缝钢轨裂纹检测、导波模态识别研究奠定了良好的基础。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 超声导波钢轨裂纹检测研究现状

1．2．2 超声导波相速度测量研究现状

1．3 研究内容及章节安排

1．3．1 研究内容

1．3．2 章节安排

2 总体研究方案

2．1 超声导波及特性

2．1．1 超声导波基本概念

2．1．2 超声导波的多模态和频散现象

2．1．3 超声导波群速度和相速度

2．2 相速度测量原理

2．2．1 二维快速傅里叶变换

2．2．2 相速度测量方法步骤

2．3 总体方案设计

2．3．1 相速度测量总体方案

2．3．2 阵列接收换能器

2．3．3 导波发射换能器

2．3．4 导波发射模块与数据采集模块

2．4 本章小结

3 理论仿真

3．1 半解析有限元法

3．2 钢轨中相速度频散曲线

3．2．1 有限元离散

3．2．2 建立特征方程

3．2．3 求解频散方程

3．2．4 模态振型仿真

3．3 激励位置选择

3．3．1 ANSYS简介

3．3．2 钢轨建模及仿真参数设置

3．3．3 不同位置激励效果仿真

3．4 本章小结

4 超声导波发射模块设计

4．1 总体方案设计

4．2 DDS基本原理

4．3 硬件电路设计

4．3．1 STM32及其外围电路

4．3．2 FPGA及其外围电路

4．3．3 数模转换电路

4．3．4 功率放大电路

4．4 软件系统设计

4．4．1 整体方案设计

4．4．2 DDS波形发射控制

4．4．3 数模转换信号控制

4．5 本草小结

5 数据同步采集模块设计

5．1 总体方案设计

5．2 硬件电路设计

5．2．1 STM32与FPGA接口电路设计

5．2．2 前置放大电路

5．2．3 模数转换电路

5．2．4 以太网接口电路

5．3 软件系统设计

5．3．1 整体方案设计

5．3．2 FPGA顶层模块设计

5．3．3 模数转换信号控制

5．3．4 STM32读写FPGA数据

5．3．5 以太网数据传输控制

5．4 本章小结

6 系统搭建及相速度测量

6．1 相速度测量系统搭建

6．2 系统各部分性能验证

6．2．1 导波发射模块性能验证

6．2．2 数据同步采集模块性能验证

6．2．3 阵列探头性能验证

6．3 钢轨中导波相速度测量

6．4 本章小结

7．1 论文工作总结

7．2 未来展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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