摘 要：目前國內鋼軌磨耗檢測技術主要限于三種方法：人工檢測，效率低、測量誤差大;接觸式電子設備測量，傳感器相對磨耗大;非接觸式光學測量，精度高、應用性不強。為了解決以上存在的問題，本文提出了一種基于虛擬儀器的鋼軌磨耗檢測的系統設計，該系統主要利用非接觸檢測原理，結合電渦流位移傳感器與NI公司的LabVIEW和PXI設備，實現在線式的實時檢測、處理、分析等功能，具有成本低、精度高、操作簡單等特點。驗證性實驗結果表明了該系統具有比其它方法更優越的性能。 關鍵詞：鋼軌;磨耗檢測;渦流傳感器;虛擬儀器 [b][align=center]Design of Rail Wear Detection System Based on Lab VIEW Wang Junfeng Song Wenai[/align][/b] 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，我國鐵路機務部門現行的檢測鋼軌磨耗主要采用落后的檢測方法——人工檢測，這種測量方法效率低、可靠性差、工作量大、環境惡劣。另外也有一些研究機構研制了新的檢測技術，如電子設備檢測和非接觸式光學檢測。機械設備需要人工進行檢測，存在工作量大、工環境惡劣、效率低、機械裝置與鋼軌進行接觸式的檢測使得所得到的鋼軌外形和軌距的準確度和完整性不夠高，同時長期的接觸式測量使鋼軌造成不必要的磨損，以及測量時要經過一些附件的連接點區域較為困難等缺陷，并且容易受到環境的影響;電子設備雖然比機械設備有較大改進，但是還尚未實現在線自動檢測，增加了鐵路維修周期;非接觸光學系統檢測比以上兩種性能好，精度高，響應快，安全可靠，工作穩定，避免了與移動物體之間的接觸，也就避免不必要的磨損[1][2][3]，但是相對來說系統的成本比較高，實用性不強。為了很好解決上述問題，本文提出了一種基于LabVIEW的鋼軌磨耗檢測的系統設計，該系統主要利用非接觸檢測原理，能夠實現在線式的實時檢測、處理、分析等功能，實驗結果表明了該系統具有比其它方法更好的性能。 2 測量原理 　　如圖1所示：位移傳感器測到的數據傳送到放大濾波前置器轉化為標準的0-5V的電壓信號，數據采集卡采集到電壓信號，送到計算機，計算機對采集卡采集的信號進行處理，得到磨損量，并實時顯示，同時計算機還可以控制電機驅動傳感器在鋼軌頂面上快速掃描，保證整個頂面的測量，同時計算機還可以完成測量數據的保存和管理工作。 　　機械硬件裝置測量原理如圖2所示：定位輪1和支撐輪3通過壓緊彈簧5保證與鋼軌面可靠接觸，在標準軌上，位移傳感器4的讀數為一定值，當鋼軌頂面有磨損時，位移傳感器4和鋼軌頂面發生相對位移，其位移的大小反映鋼軌的頂面磨耗量。 3 系統組成 　　3.1 硬件組成[4] 　　位移傳感器采用江陰中泰科技的DO-2非接觸式電渦流傳感器，并附帶放大濾波前置器，由正負12V的直流穩壓電源供電。數據采集卡采用NI公司的PXI6070E多功能采集卡，輸入范圍正負5V至正負10V，精度12位，最高取樣率1.25MS每秒。輸出-10V-+10V，精度12位，最高取樣率1MS每秒。PXI設備采用含PXI8185控制器的PXI1002機箱。 [align=center] 圖1 系統硬件組成 1、定位輪 2、鋼軌 3、支撐輪 4、位移傳感器5、壓緊彈簧 圖 2 測量機械示意圖[/align] 　　3.2 軟件組成 　　利用NI 公司的LabVIEW開發此系統，不僅可以很方便地實現復雜的數據處理功能，而且用戶界面具有美觀、交互性和個性化等特點;其模塊化的設計，又大大方便了程序的修改和維護。 4 系統流程圖 　　如圖3所示。參數設置包括測量人員，時間日期，路段區域，設置完畢后開始采集，采集回來的數據應該是在0-5V之間，若不在0-5V之間的數據就應該剔除不用，采集過程中，采用曲線擬合的方法把電壓值轉化為物理量即磨損量，實時顯示磨損量的數值。采集結束后對采集的數據進行處理，存儲采集數據，可顯示打印本次測量的結果報表，可查詢這段鋼軌的檢測、磨損狀況、使用壽命等。若不再測量即結束。 [align=center] 圖3 系統流程圖[/align] 5 系統軟件實現 　　系統主界面圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 系統主界面 圖 5 曲線擬合圖[/align] 　　5.1 傳感器靜態曲線擬合 　　運用LabVIEW自帶的曲線擬合函數，選擇不同的擬合方法對數據進行擬合，達到最佳擬合。 　　最初需要對傳感器進行曲線標定。采集靜態數據，對位移-電壓進行擬合。多次測量多次擬合，得出最佳擬合曲線。如圖5所示 　　電渦流傳感器對被測物的測量面積大于探頭直徑的3倍，所以當探頭移動到鋼軌邊緣時，就不再是原來的標定曲線。需要重新標定在邊緣時的特征曲線。經過多次測量試驗，采取不同的擬合系數，最終沒有找到合適的曲線，也就是說當探頭移動到超出鋼軌邊緣之外時，就不再有共同的特征曲線了。因此，限定測量在鋼軌邊緣內進行有效測量。 　　5.2 數據采集與讀取 　　采集數據過程中，實際磨耗量將曲線圖和數字形式實時顯示，如有超出預定最大磨耗量值時報警顯示。讀取數據也可以將磨耗量以曲線圖和數字形式顯示。曲線可以刻畫出鋼軌磨耗的不同分布。如圖6所示。 　　5.3剔除奇異值與濾波 　　在實際的測量過程中由于外界干擾，測量的數據難免出現奇異值，所以在采集完畢后要對采集的測量數據進行奇異值剔除與濾波。奇異值的剔除可編程實現。濾波可用LabVIEW自帶的濾波函數取得最佳濾波效果。 [align=center] 圖6 數據采集模塊 圖7 歷史記錄及打印模塊前面板[/align] 　　5.4數據保存 　　為了防止采集的數據將來不及被有序、完全地讀取，從而造成緩沖區溢出致使有用數據丟失，數據自動保存。數據保存時可以以文本或者報表格式保存，方便以后的讀取數據和歷史數據查詢。 　　5.5歷史記錄查詢 　　運用Database工具包，編程可實現對歷史數據的查詢，按時間、磨損量、測量區間等關鍵詞進行查詢。查詢完畢可以選擇顯示或者打印。如圖7所示。 　　5.6打印報表 　　報表打印功能可在歷史記錄查詢模塊中得以實現。按照查詢方式打印查詢結果。 　　5.7幫助 　　主要是針對系統的操作以及可能遇到的問題的說明。 6 系統功能特點 　　本系統的具有主要動態功能是： 　　（1）自動檢測鋼軌外形尺寸 　　（2）檢測數據保存 　　（3）自動判別，超限報警，以及人工輔助判別 　　本系統的主要的管理處理功能是 　　（1）報表顯示檢測數據 　　（2）自動建立檢測結果數據庫 　　（3）提供對檢測結果數據的搜索、查詢、統計等功能。 　　（4）報表、曲線的打印功能 7 結論 　　經過多次的驗證性測試，實驗結果可信性高，基本實現了實時在線檢測，可以做到數據采集與數據處理同時進行，系統精度高、操作簡單。 參考文獻 　　[1]孟佳，高曉蓉. 鋼軌磨損檢測技術的現狀與發展[J]. 鐵道技術監督，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]卓紅俞.手推式鋼軌外形尺寸圖像檢測系統[D]. 成都: 西南交通大學, 2005.1～15 　　[4] 趙勝會,劉平,施保華,陳堂賢. 基于虛擬儀器的計算機控制實驗系統[J].微計算機信息 , 2006, （19） . 　　[5] 楊樂平，李海濤，楊磊,LabVIEW程序與應用[M].北京:電子上業出版社，2001 　　[6]National Instrument Corporation, LabVIEW User Manual. 1998