轮轴检测专用超声波探头角度自动测试系统及测试方法与流程

本发明涉及一种探头角度自动测试系统及测试方法，特别是一种轮轴检测专用超声波探头角度自动测试系统及测试方法。

背景技术：

铁路运输作为国民经济的重要组成部分，铁路运输安全至关重要。定期对货车轮轴进行检测为保证铁路行车安全起到重要作用。超声波探伤具有灵敏度高、穿速力强、声束指向性好、缺陷检出率高和对人体无害等优点成为铁路轮轴检测的主要方法。超声探头作为超声波发射和回波接收器件，是整个检测系统的重要组成部分。其性能的好坏直接影响着超声波探伤的准确与否，是保证探伤质量的关键之一。探头在使用过程中，由于晶片磨损导致探头角度发生变化。使用者在不知情的情况下继续使用，容易造成对缺陷定位不准确造成误判。因此探伤前要进行日常校验，测量探头的角度和零点，保证探伤结果的准确性。

在轴端探测轴颈根部缺陷时，探头移动范围受到约束，一般采用小角度纵波探头来探伤。测试角度时，测试人员找到tzs-r试块棱角最高回波后需要一只手稳住探头，另一只手测量探头到试块前端的距离，由于耦合液的存在导致探头容易移动，极不方便，同时单手测量数据不准确，误差偏大。测量的数据还需要记录和计算，导致测试一个探头时间较长，工作效率低。

车轮检测时，为了使探头与车轮踏面紧密贴合，斜探头接触面一般带有一定曲率的曲面。运装机检[2000]335号文规定：在lg-r试块上探测r100圆弧面，前后移动探头并保持探头与试块侧面平行，直至r100圆弧面反射波达到最高，则此时r100弧面圆心所对应的探头位置即为探头的入射点。根据探头角度的大小，探测lg-r试块上深20rm或30rm的中横通孔，前后移动探头并保持探头与试块侧面平行，直至横通孔反射波最高此时探头入射点所对应的试块上的刻度值即为探头的折射角度。

由于测试人员的操作手法不同，标注的入射点不准导致测试的角度值不准确，一致性差。而且操作不方便，测试时间较长，劳动强度大，测试效率低，人为影响因素比较大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种轮轴检测专用超声波探头角度自动测试系统及测试方法，测试结果精确度高，减少人为因素对测试数据的影响。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种轮轴检测专用超声波探头角度自动测试系统，其特征在于：包含fpga模块、超声发射模块、超声接收模块、信号调理模块、ad采样模块、闸门位置控制模块、闸门宽度控制模块，mcu模块和人机接口模块；

超声发射模块与探头连接用于超声波的发射；

超声接收模块与探头连接用于接收超声回波；

信号调理模块与超声接收模块连接用于将接收的超声回波进行放大；

ad采样模块与信号调理模块连接用于将模拟信号转换为数字信号；

fpga模块与超声发射模块和ad采样模块连接用于数据采样、最值查找、数据缓冲、数据压缩和数据存储控制；

闸门位置控制模块和闸门宽度控制模块分别于fpga模块连接用于与fpga模块内部的最值查找模块一起工作确定最高回波在采样点序列中的索引，由此来确定传输时间；

mcu模块与fpga模块连接用于控制整个系统；

人机接口模块与mcu模块连接用于进行人机对话，查看波形，设置参数，按键操作。

进一步地，所述人机接口模块包含键盘和显示器。

一种轮轴检测专用超声波探头角度自动测试系统的测试方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：用户通过人机接口模块设置系统参数，完成电路初始化；

步骤二：进行小角度探头角度测试；

探头置于tz-r试块b面，当闸门内a面下棱角回波最高时，按确认键系统自动计算并记录当前时间数值；

探头置于tz-r试块b面，当闸门内a面上棱角回波最高时，按确认键系统自动计算探头零点；

步骤三：进行斜探头角度测试；

探头置于lg-r试块上探测r100圆弧面，前后移动探头并保持探头与试块侧面平行，直至r100圆弧面反射波达到最高，按确认键系统自动计算探头零点；将探头置于车轮踏面，闸门内人工孔回波最高时，按确认键，系统自动计算角度值并显示结果。

进一步地，所述步骤一具体为系统上电后，用户通过人机接口模块设置系统参数，并由通信接口传到mcu控制模块中，mcu控制模块将参数传输给fpga模块完成电路的初始化。

进一步地，所述系统参数包括闸门宽度、闸门位置、试块中声速c、采样声程和采样点压缩比。

进一步地，所述步骤二中，

当小角度入射角在9°-12°时，系统程序自动计算角度值并显示结果；

当小角度入射角在6°-8°时，探头置于tz-r试块c面，闸门内a面上棱角回波最高时按确认键，系统程序自动计算角度值并显示结果。

进一步地，所述回波最高确认的具体过程为

开始采样后，计数器开始工作并从零开始计数，每采样一个点计数器值加1；

从闸门位置时间开始处，每一次经过ad转换后的当前值都会送入到比较器的a[7:0]端与b[7:0]端的数据进行大小比较；b[7:0]端数据由最值寄存器的输出端提供，最值寄存器中保留闸门宽度范围内采集的最大值；

系统中最值寄存器的加载过程受信号signal1的控制；信号signal1为比较器大于输出信号，表示当前输入的ad数字信号量大于最值寄存器内的值，该信号将使最值暂存器把当前的新值载入最值寄存器中，更新最值寄存器中数值；

最值索引寄存器加载过程受信号signal2控制，表示当前输入的ad数字信号量大于最值寄存器内的值，该信号将计数器当前值载入最值索引寄存器中，更新最值索引寄存器的值；

经过闸门宽度时间后，计数器和比较器停止工作；系统获取最值索引寄存器中的值maxindex，即为最大幅值的位置，ad采样模块的采样频率为100mhz/8bit，每间隔10ns采样一个点，超声波从发射到达缺陷的传输时间为：10×maxindex/1000μs，保存到存储器中供计算使用；

回波信号采集完后，fpga模块将经ad采样模块采样后的数据进行压缩并存储到fifo缓冲区中，最后由mcu模块读出并送至显示器显示。当屏幕出现最高回波时，mcu模块获取人机接口模块中用户通过键盘给出的确认命令，调用程序自动计算角度值。

进一步地，所述步骤二小角度探头角度测试具体过程为

探头置于tz-r试块b面，a面下棱角回波最高时，从发射到a面下棱角传播时间的为t1；

探头置于tz-r试块b面，a面上棱角回波最高时，从发射到a面上棱角传播时间为t2；

得到超声波在探头晶片中传输的时间t＝2×t1-t2；

当小角度入射角在9°-12°时，得到公式

当小角度入射角在6°-8°时，探头置于tz-r试块c面，a面上棱角回波最高时，从发射到a面上棱角传播时间为t3，得到公式

其中：θ为探头折射角，c为超声波在试块传播声速。

进一步地，所述步骤三斜探头角度测试具体过程为

探头置于lg-r试块上探测r100圆弧面，前后移动探头并保持探头与试块侧面平行，直至r100圆弧面反射波达到最高，从发射到圆弧面时间为t4；

超声波在探头晶片中传输的时间t＝t4-100/c×1000；

探头置于车轮踏面，超声波遇到人工孔会产生回波，此时从发射到人工孔传输时间为t5；

设车轮半径为r，人工孔径为r，探头折射角为θ，超声波在工件中声速为c，建立如下数学模型，由探头入射点a，车轮中心点o和人工孔中心点b构成的三角形oab中，由余弦定理得到ao²+ab²-2×ab×ao×cosθ＝bo²，

求得θ＝arccos((ao²+ab²-bo²)/(2×ab×ao))

其中，θ为探头折射角，c为超声波在试块传播声速，ao＝r，ab＝c×(t5-t)/1000+r，bo＝r-(h+r)。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明操作简单、测试时间短、测试结果精确度高，减少人为因素对测试数据的影响；节约了测试时间，大大提高了工作效率；测试人员只需严格按照测试步骤，系统程序便自动计算结果。

附图说明

图1是本发明的轮轴检测专用超声波探头角度自动测试系统的示意图。

图2是本发明的实施例tz-r试块b面测试时a面下棱角回波最高时的示意图。

图3是本发明的实施例tz-r试块b面测试时a面上棱角回波最高时的示意图。

图4是本发明的实施例tz-r试块c面测试时a面上棱角回波最高时的示意图。

图5是本发明的实施例的斜探头角度测试示意图。

图6是本发明的实施例的回波最高确认信号流程图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的一种轮轴检测专用超声波探头角度自动测试系统，包含fpga模块、超声发射模块、超声接收模块、信号调理模块、ad采样模块、闸门位置控制模块、闸门宽度控制模块，mcu模块和人机接口模块。

超声发射模块与探头连接用于超声波的发射；

超声接收模块与探头连接用于接收超声回波；

信号调理模块与超声接收模块连接用于将接收的超声回波进行放大；

ad采样模块与信号调理模块连接用于将模拟信号转换为数字信号；

fpga模块与超声发射模块和ad采样模块连接用于数据采样、最值查找、数据缓冲、数据压缩和数据存储控制；

闸门位置控制模块和闸门宽度控制模块分别于fpga模块连接用于与fpga模块内部的最值查找模块一起工作确定最高回波在采样点序列中的索引，由此来确定传输时间；

mcu模块与fpga模块连接用于控制整个系统；

人机接口模块与mcu模块连接用于进行人机对话，查看波形，设置参数，按键操作。人机接口模块包含键盘和显示器。

系统上电初始化后，mcu模块控制fpga模块以一定的频率向超声发射模块发送激励信号，超声发射模块驱动换能器，超声波换能器将接收到的电信号转换为机械能，发出超声波信号。超声波信号经耦合剂进入工件内部经人工缺陷后，超声波探头将接收到的回波信号转换为电能产生电压信号，经过超声接收模块、信号调理模块放大调理后，fpga模块控制ad采样模块进行采样将模拟信号转换为数字信号。

一种轮轴检测专用超声波探头角度自动测试系统的测试方法，包含以下步骤：

步骤一：用户通过人机接口模块设置系统参数，并由通信接口传到mcu控制模块中，mcu控制模块将参数传输给fpga模块完成电路的初始化。系统参数包括闸门宽度、闸门位置、试块中声速c、采样声程和采样点压缩比。

步骤二：进行小角度探头角度测试；

探头置于tz-r试块b面，当闸门内a面下棱角回波最高时，按确认键系统自动计算并记录当前时间数值；

探头置于tz-r试块b面，当闸门内a面上棱角回波最高时，按确认键系统自动计算探头零点；

当小角度入射角在9°-12°时，系统程序自动计算角度值并显示结果；

当小角度入射角在6°-8°时，探头置于tz-r试块c面，闸门内a面上棱角回波最高时按确认键，系统程序自动计算角度值并显示结果。

系统小角度探头角度测试程序过程为：

探头置于tz-r试块b面，a面下棱角回波最高时，从发射到a面下棱角传播时间的为t1；

探头置于tz-r试块b面，a面上棱角回波最高时，从发射到a面上棱角传播时间为t2；

得到超声波在探头晶片中传输的时间t＝2×t1-t2；

当小角度入射角在9°-12°时，得到公式

当小角度入射角在6°-8°时，探头置于tz-r试块c面，a面上棱角回波最高时，从发射到a面上棱角传播时间为t3，得到公式

其中：θ为探头折射角，c为超声波在试块传播声速。

步骤三：进行斜探头角度测试；

探头置于lg-r试块上探测r100圆弧面，前后移动探头并保持探头与试块侧面平行，直至r100圆弧面反射波达到最高，按确认键系统自动计算探头零点；将探头置于车轮踏面，闸门内人工孔回波最高时，按确认键，系统根据事先编好并存放在存储器中的程序自动计算角度值并显示结果。

系统斜探头角度测试程序过程为：

探头置于lg-r试块上探测r100圆弧面，前后移动探头并保持探头与试块侧面平行，直至r100圆弧面反射波达到最高，从发射到圆弧面时间为t4；

超声波在探头晶片中传输的时间t＝t4-100/c×1000；

探头置于车轮踏面，超声波遇到人工孔会产生回波，此时从发射到人工孔传输时间为t5；

设车轮半径为r，人工孔径为r，探头折射角为θ，超声波在工件中声速为c，建立如下数学模型，由探头入射点a，车轮中心点o和人工孔中心点b构成的三角形oab中，由余弦定理得到ao²+ab²-2×ab×ao×cosθ＝bo²，

求得θ＝arccos((ao²+ab²-bo²)/(2×ab×ao))

其中，θ为探头折射角，c为超声波在试块传播声速，ao＝r，ab＝c×(t5-t)/1000+r，bo＝r-(h+r)。

以上过程中，回波最高确认的具体过程为

如图6所示，开始采样后，计数器开始工作并从零开始计数，每采样一个点计数器值加1；

从闸门位置时间开始处，每一次经过ad转换后的当前值都会送入到比较器的a[7:0]端与b[7:0]端的数据进行大小比较；b[7:0]端数据由最值寄存器的输出端提供，最值寄存器中保留闸门宽度范围内采集的最大值；

系统中最值寄存器的加载过程受信号signal1的控制；信号signal1为比较器大于输出信号，表示当前输入的ad数字信号量大于最值寄存器内的值，该信号将使最值暂存器把当前的新值载入最值寄存器中，更新最值寄存器中数值；

最值索引寄存器加载过程受信号signal2控制，表示当前输入的ad数字信号量大于最值寄存器内的值，该信号将计数器当前值载入最值索引寄存器中，更新最值索引寄存器的值；

经过闸门宽度时间后，计数器和比较器停止工作；系统获取最值索引寄存器中的值maxindex，即为最大幅值的位置，ad采样模块的采样频率为100mhz/8bit，每间隔10ns采样一个点，超声波从发射到达缺陷的传输时间为：10×maxindex/1000μs，保存到存储器中供计算使用；

回波信号采集完后，fpga模块将经ad采样模块采样后的数据进行压缩并存储到fifo缓冲区中，最后由mcu模块读出并送至显示器显示。当屏幕出现最高回波时，mcu模块获取人机接口模块中用户通过键盘给出的确认命令，调用程序自动计算角度值。

本发明操作简单、测试时间短、测试结果精确度高，减少人为因素对测试数据的影响；节约了测试时间，大大提高了工作效率；测试人员只需严格按照测试步骤，系统程序便自动计算结果。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。