基于超声导波的无缝线路钢轨温度应力检测系统设计

摘要

随着高速铁路的发展，无缝线路由于消除了钢轨接缝，极大的改善了轨道结构，减小了振动，因而得到广泛应用。但正由于轨缝的消失，钢轨在温度改变时无法自由伸缩，导致在钢轨内部产生很大的温度应力，使钢轨出现胀轨、跑道或断轨，严重影响行车安全。因此，研究一种快捷、准确的钢轨温度应力检测方法以预防胀轨、断轨的发生，对确保铁路安全运营意义重大。
　　本文重点研究了基于超声导波的钢轨纵向温度应力检测方法，并设计了基于声弹性原理的由超声导波换能器、高压驱动电路板，高速多功能接收电路板组成的钢轨温度应力检测系统。
　　首先论文研究了超声导波在钢轨中的传播特性，讨论了超声导波法测量钢轨温度应力的理论基础——声弹性原理，设计完成了基于PIC30F6014A和FPGA的超声导波高压激励电路和基于ARM单片机和FPGA接收电路，实现了对超声导波探头的激励，实现了两路超声导波信号的接收、存储和处理，通过编写相关程序，实现了两路超声信号声时差的精确读取。最后，建立了基于超声导波的钢轨温度应力检测系统和应力试验平台，完成了系统标定和检测试验，测量误差在3.5MPa以内。
　　论文实现了基于超声导波的钢轨温度应力检测，试验结果验证了钢轨温度应力与超声导波在钢轨内部传播速度近似线性的关系，证明了基于声弹性原理的正确性及检测系统的可行性，为课题的深入研究奠定了良好的基础。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外现有检测方法

1．2．2 课题研究方向与发展趋势

1．3 论文研究内容及章节安排

1．3．1 论文研究内容

1．3．2 论文章节安排

2 超声导波应力检测原理与总体方案

2．1 温度应力的产生

2．2 声弹性原理

2．3 超声导波

2．3．1 导波的基本概念

2．3．2 群速度和相速度

2．3．3 多模态性和频散现象

2．4 检测系统总体方案设计

2．5 本章小结

3 硬件电路设计

3．1 硬件总体方案

3．2 FPGA概述

3．3 超声导波发射电路板设计

3．3．1 电路总体构成

3．3．2 超声导波发射原理

3．3．3 中央处理单元

3．3．4 高压激励电路设计

3．3．5 数模转换电路

3．3．6 实时时钟电路

3．4 超声导波接收电路板设计

3．4．1 电路总体构成

3．4．2 中央处理单元

3．4．3 温度采集电路设计

3．4．4 无线通信设计

3．4．5 数据存储设计

3．4．6 电源设计

3．5 本章小结

4 软件程序设计

4．1 软件整体方案

4．1．1 超声导波信号激励

4．1．2 超声导波信号接收

4．2 FPGA程序设计

4．2．1 时钟管理模块(PLL)

4．2．2 数据缓冲模块(FIFO)

4．3 ARM程序设计

4．3．1 实时时钟

4．3．2 SD卡数据存储

4．3．3 温度采集

4．3．4 时间差的计算

4．3．5 无线通信

4．4 本章小结

5 系统的标定及检测试验

5．1 大型钢轨拉伸实验平台

5．2 标定系统

5．3 系统标定及检测试验

5．3．1 系统标定

5．3．2 检测试验结果分析

5．4 本章小结

6 总结及展望

6．1 论文工作总结

6．2 展望

参考文献

附录

作者简历

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