CN104614106A - 高速铁路铁轨应力检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速铁路铁轨应力检测装置，包括：MCU、第一FPGA处理电路、超声波发送探头以及至少两个超声波接收探头；MCU用于向超声波发送探头发送控制指令；超声波发送探头用于根据控制指令向高速铁路铁轨发送超声波信号；两个超声波接收探头分别用于接收不同时刻的超声波信号并将超声波信号发送至第一FPGA处理电路；第一FPGA处理电路用于接收超声波信号并计算两次超声波信号的接收时差，并根据接收时差确定高速铁路铁轨的绝对应力值，其通过FPGA中的比频比相等相关性算法分析计算接收的超声波信号的时差，并将该时差与标准应力延时样本值表进行比对，得到对应的铁轨绝对应力值和应力变化值，使得测量结果准确。

Description

高速铁路铁轨应力检测装置

技术领域

本发明涉及铁轨应力检测领域，具体而言，涉及高速铁路铁轨应力检测装置。

背景技术

高速铁路(简称高铁)，是指通过改造原有线路(直线化、轨距标准化)，使最高营运速率达到不小于每小时200公里，或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到每小时至少250公里的铁路***。高速铁路除了在列车在营运达到一定速度标准外，车辆、路轨、操作都需要配合提升。

其中，高速铁路在修建的过程中，应用了几百公里甚至上千公里的单根无缝铁轨，这在中国是史无前例的，而安装的无缝铁轨在工作中会产生较强的应力，然而随着季节交替的变化、气候温度的变化、对“高铁”的维护施工以及列车在铁轨上正常运行都会造成单根无缝铁轨应力的改变，而应力的改变会使得铁轨上存在风险，这对后续对铁轨进行安全性监测和维护施工都造成了很大的困扰。

故相关技术引入了一种高速铁路铁轨应力检测技术，包括应变片传感器和控制器，其中，在单根无缝铁轨安装的同时安装应变片传感器，此时，应变片传感器测得的单根无缝铁轨的应力为0，而在单根无缝铁轨安装之后，该铁轨即可正常运作，故该铁轨的应力也不断发生变化，此时应变片传感器实时测量不断发生变化的应力，并将测得的应力值发送至控制器，以便控制器根据该应力值进行检测。

发明人在研究中发现，现有技术中，铁轨由于断轨和涨轨等故障而需要对铁轨进行施工，用以维护铁轨的正常运作，而对铁轨进行施工会使得铁轨的应力间断性变化，此时，若还是用应变片传感器对铁轨进行应力检测，则该应变片传感器仍是以原来的应力为0为起点，故其只能测量铁轨的应力为0到当前铁轨的应力的相对应力变化，而无法检测到铁轨实际的绝对应力(即铁轨间断起点和当前铁轨应力)值，故使用应变片传感器检测的结果不精确。

发明内容

本发明的目的在于提供高速铁路铁轨应力检测装置，以提高高速铁路铁轨应力检测结果的准确性。

第一方面，本发明实施例提供了一种高速铁路铁轨应力检测装置，包括：微控制单元MCU、第一现场可编程门阵列FPGA处理电路、超声波发送探头以及至少两个超声波接收探头；

MCU用于根据接收的指令信息生成控制指令，并将控制指令发送至超声波发送探头；

超声波发送探头与MCU电连接，用于接收控制指令并根据控制指令向高速铁路铁轨发送超声波信号，以便超声波信号在高速铁路铁轨中传播；

两个超声波接收探头分别设置与超声波发送探头相隔预设距离的位置上，用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号并将超声波信号发送至第一FPGA处理电路；

第一FPGA处理电路分别与两个超声波接收探头电连接，用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号，对超声波信号进行滤波和FFT分析，计算两次超声波信号的接收时差，并根据接收时差确定高速铁路铁轨的绝对应力值。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，高速铁路铁轨应力检测装置还包括第二FPGA处理电路；

第二FPGA处理电路分别与MCU和超声波发送探头电连接，用于接收MCU发送的控制指令，并根据控制指令选择预设波形，以便将预设波形的样点发送至超声波发送探头。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，高速铁路铁轨应力检测装置还包括功放驱动电路；

功放驱动电路分别与第二FPGA处理电路和超声波发送探头电连接，用于接收预设波形的样点并对预设波形的样点进行放大和提高功率处理，并将处理后的发送能量发送至超声波发送探头。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，高速铁路铁轨应力检测装置还包括输出变压器和输入变压器；

功放驱动电路与超声波发送探头之间设置有输出变压器，用于对功放驱动电路发送的超声波信号的电压进行升压处理，以使得升压处理后的电压为超声波发送探头需要的第一预设电压；

两个超声波接收探头和第一FPGA处理电路之间分别设置有输入变压器，用于对超声波接收探头发送的超声波信号的电压进行降压处理，以使得降压后的电压为第一FPGA处理电路需要的第二预设电压。

结合第一方面的第一种可能的实施方式至第三种可能的实施方式中的任意一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，高速铁路铁轨应力检测装置还包括放大滤波电路；

放大滤波电路分别与输入变压器和第一FPGA处理电路电连接，用于接收输入变压器降压后的超声波信号并对超声波信号进行放大和滤波处理。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，高速铁路铁轨应力检测装置还包括模拟数字转换器ADC采样电路；

ADC采样电路分别与放大滤波电路和第一FPGA处理电路电连接，用于接收放大滤波电路处理过的超声波信号并将超声波信号从模拟信号转换为数字信号。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，高速铁路铁轨应力检测装置还包括保护电路；

保护电路分别与MCU、第一FPGA处理电路、超声波发送探头、超声波接收探头、第二FPGA处理电路、功放驱动电路、输入变压器、输出变压器、放大滤波电路及ADC采样电路电连接，用于在检测到上述电路中电压、电流或者功率超出预设值时，自动切断电路。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，高速铁路铁轨应力检测装置还包括存储模块和电源模块；

存储模块与第一FPGA处理电路电连接，用于将第一FPGA处理电路接收的超声波信号进行存储及将第一FPGA处理电路处理得到的高速铁路铁轨的绝对应力值进行存储；

电源模块，用于为整个检测装置提供电源。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，高速铁路铁轨应力检测装置还包括传感器采集电路；

传感器采集电路与MCU电连接，用于在检测到超声波发送探头的预设参数不符合预设条件时，对预设参数进行实时补偿。

结合第一方面的第八种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，高速铁路铁轨应力检测装置中，传感器采集电路包括：温度传感器和应力传感器。

本发明实施例提供的一种高速铁路铁轨应力检测装置，采用如下技术方案：通过MCU用于将接收的指令信息生成控制指令，并将控制指令发送至超声波发送探头；超声波发送探头接收MCU发送的控制指令并根据控制指令向高速铁路铁轨发送超声波信号，以便超声波信号在高速铁路铁轨中传播；通过设置与超声波发送探头相隔预设距离的位置上的两个超声波接收探头接收高速铁路铁轨传播的超声波信号并发送至第一FPGA处理电路；通过第一FPGA处理电路分别与两个超声波接收探头电连接，用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号，并对超声波信号进行滤波和FFT分析计算两次超声波信号的接收时差，并根据接收时差确定高速铁路铁轨的绝对应力值，与现有技术中的使用应力传感器对铁轨进行检测的方式，只能测量铁轨的应力为0到当前铁轨的应力的相对应力变化，而无法检测到铁轨实际的绝对应力值(即铁轨间断起点和当前铁轨应力)，故使用应变片传感器检测的结果不精确的方案相比，其使用第一FPGA处理电路，通过FPGA中的比频比相等相关性算法分析，计算接收的超声波信号的时差，并通过比对标准应力延时样本值表，得到对应的铁轨绝对应力值和应力变化值，使得测量结果准确。

进一步，本发明实施例提供的一种高速铁路铁轨应力检测装置，还可以通过输出变压器将功放驱动电路发送的超声波信号的电压进行升压处理，以使得升压处理后的电压为超声波发送探头需要的第一预设电压，通过输入变压器对超声波接收探头发送的超声波信号的电压进行降压处理，以使得降压后的电压为第一FPGA处理电路需要的第二预设电压，这样能够使得各个器件的电压相互匹配，能够正常实现通信。

并且，还能够通过放大滤波电路对高速铁路铁轨传播的超声波信号进行放大和滤波处理，滤除干扰波，保留有用波形并对将有用波形的信号进行放大，以便后续更好的获取有用波形中的信号；

并且，还能够通过ADC采样电路将模拟超声波信号转换为数字超声波信号，数字信号的抗干扰能力强，且稳定性好，便于后续的分析。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种高速铁路铁轨应力检测装置的结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种传感器采集电路的原理图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种传感器采集电路的原理图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种传感器采集电路的原理图；

图5示出了本发明实施例所提供的一种传感器采集电路的原理图；

图6示出了本发明实施例所提供的功放驱动电路和输出变压器的原理图；

图7示出了本发明实施例所提供的功放驱动电路和输出变压器的原理图；

图8示出了本发明实施例所提供的电源模块的原理图；

图9示出了本发明实施例所提供的第一数据接口和第二数据接口的原理图；

图10示出了本发明实施例所提供的第二FPGA处理电路的原理图；

图11示出了本发明实施例所提供的输入变压器和放大电路的原理图；

图12示出了本发明实施例所提供的输入变压器和放大电路的原理图；

图13示出了本发明实施例所提供的第一FPGA的原理图；

图14示出了本发明实施例所提供的第二FPGA的原理图；

图15示出了本发明实施例所提供的MCU的原理图；

图16示出了本发明实施例所提供的ADC采样电路的原理图。

主要元件符号说明：

11、MCU；12、第一FPGA处理电路；13、超声波发送探头；14、超声波接收探头；15、第二FPGA处理电路；16、功放驱动电路；17、输出变压器、18、输入变压器；19、放大滤波电路；20、ADC采样电路；21、保护电路；22、存储模块；23、电源模块；24、传感器采集电路；25、第一数据接口；26、第二数据接口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

高速铁路的铁轨，其安装好后会由于热胀冷缩等原因所承受的张力发生变化，而其张力的变化对铁轨的维护非常重要，故在前期及时检测张力并对张力进行及时维护能够有效避免铁轨故障。

本发明提供的一种高速铁路铁轨应力检测装置，根据超声波在铁轨中传送受张力影响的特性，采用监测超声波在铁轨中传递波形的方式延时的方式，有效实现了对高速公路铁轨应力(具体的为高速公路铁轨的张力)的测量。

下面就本发明的整体方案进行详细说明：

如图1和图13所示，本发明提供了一种高速铁路铁轨应力检测装置，包括：微控制单元MCU11、第一FPGA(Field－ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列)处理电路、超声波发送探头13以及至少两个超声波接收探头14；

MCU11用于根据接收的指令信息生成控制指令，并将控制指令发送至超声波发送探头13；

超声波发送探头13与MCU11电连接，用于接收控制指令并根据控制指令向高速铁路铁轨发送超声波信号，以便超声波信号在高速铁路铁轨中传播；

两个超声波接收探头14分别设置与超声波发送探头13相隔预设距离的位置上，用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号并将超声波信号发送至第一FPGA处理电路12；

第一FPGA处理电路12分别与两个超声波接收探头14电连接，用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号，对超声波信号进行滤波和FFT分析，计算两次超声波信号的接收时差，并根据接收时差确定高速铁路铁轨的绝对应力值。

本发明实施例提供的一种高速铁路铁轨应力检测装置，采用如下技术方案：通过MCU11用于将接收的指令信息生成控制指令，并将控制指令发送至超声波发送探头13；超声波发送探头13接收MCU11发送的控制指令并根据控制指令向高速铁路铁轨发送超声波信号，以便超声波信号在高速铁路铁轨中传播；通过设置与超声波发送探头13相隔预设距离的位置上的两个超声波接收探头14接收高速铁路铁轨传播的超声波信号并发送至第一FPGA处理电路12；通过第一FPGA处理电路12分别与两个超声波接收探头14电连接，用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号，并对超声波信号进行滤波和FFT分析计算两次超声波信号的接收时差，并根据接收时差确定高速铁路铁轨的绝对应力值，与现有技术中的使用应力传感器对铁轨进行检测的方式，只能测量铁轨的应力为0到当前铁轨的应力的相对应力变化，而无法检测到铁轨实际的绝对应力值(即铁轨间断起点和当前铁轨应力)，故使用应变片传感器检测的结果不精确的方案相比，其使用第一FPGA处理电路12，通过FPGA中的比频比相等相关性算法分析，计算接收的超声波信号的时差，并通过比对标准应力延时样本值表，得到对应的铁轨绝对应力值和应力变化值，使得测量结果准确。

具体的，图13示出了本发明实施例所提供的第一FPGA的原理图；图15示出了本发明实施例所提供的MCU的原理图；具体的，对超声波信号进行滤波和FFT分析的结果对于确定绝对应力值所起的作用是：比频比相相关性分析，即通过比较接收信号的频率特性和相位特性的相似程度，找出相同一组信号到达前后两个探头的精确时间位置。

具体的，本实施例中使用的FPGA处理电路具体为EP4C6E622型号的FPGA，该FPGA不同的接口分别使用不同的伏值的电源模块23进行供电，具体如使用5V、3.3V、2.5V和1.2V的供电模块进行供电。

并且，本实施例中的超声波接收探头14至少为两个，即超声波接收探头14可以为两个，也可以为3个、4个、5个、6个、10个甚至更多，当然，使用的超声波接收探头14越多，可以获取多个超声波接收探头14的接收时差，从而计算这些时差的平均值，这样能够更精确的确定高速铁路铁轨的绝对应力值；

而使用两个超声波接收探头14测得的高速铁路铁轨的绝对应力值相比使用多个超声波接收探头14的结果较粗糙，但是其能将成本降到最低，且操作简单方便；而无论使用的超声波接收探头14的数量为多少，其均是基于一个发射点，即均是接收同一个超声波发送探头13且在同一个发送点发送的超声波信号。

需要说明的是，使用本实施例的超声波的方式测量的高速铁路铁轨的绝对应力值较现有技术相比，均能够检测到铁轨应力值，且检测精确较高。

并且，两个超声波接收探头14距离超声波发送探头13相隔预设距离，为了后续能够相继接收到超声波信号，以便根据超声波信号的接收时差检测高速铁路铁轨的绝对应力值。其中，预设距离可以根据实验进行确定，如70m和100m。

本实施例中的超声波发送探头13的发送功率优选大于60W，超声波接收探头14的接收灵敏度小于1uV；远端和近端双自环监测设计；且可进行深度模态分析。

进一步，如图1和图14所示，高速铁路铁轨应力检测装置还包括第二FPGA处理电路15；

第二FPGA处理电路15分别与MCU11和超声波发送探头13电连接，用于接收MCU11发送的控制指令，并根据控制指令选择预设波形，以便将预设波形的样点发送至超声波发送探头13。

具体的，本实施例中根据检测的高速铁路铁轨的不同，其需要选择不同的波形向超声波发送探头13发送能量值，而第二FPGA处理电路15(也可以成为任意波形发送FPGA电路)其能够实现该功能，即选择检测所需要的某一个或多个波形或任意波形组合的组合波形，并将选择的波形的样点发送至超声波发送探头13。

其中，第二FPGA处理电路15也是使用FPGA，具体为FPGAIC8，(具体如图10和图14所示，图10示出了本发明实施例所提供的第二FPGA处理电路的原理图；图14示出了本发明实施例所提供的第二FPGA的原理图)。

进一步的，如图1所示，该高速铁路铁轨应力检测装置还包括功放驱动电路16；

功放驱动电路16分别与第二FPGA处理电路15和超声波发送探头13电连接，用于接收预设波形的样点并对预设波形的样点进行放大和提高功率处理，并将处理后的发送能量发送至超声波发送探头13。

具体的，将第二FPGA处理电路15选择后的波形的样点经过功放驱动电路16进行放大，并提高功率，经过功率驱动的信号强度才能保证超声波接收探头对超声波信号的有效接收，然后将放大后的信号发送至超声波发送探头13上。其中，图6和图7示出了本发明实施例所提供的功放驱动电路和输出变压器的原理图。其中，图6中的接口③、④和⑤与图7中的接口③、④和⑤连接。

进一步的，如图1所示，该高速铁路铁轨应力检测装置还包括输出变压器17和输入变压器18；

功放驱动电路16与超声波发送探头13之间设置有输出变压器17，用于对功放驱动电路16发送的超声波信号的电压进行升压处理，以使得升压处理后的电压为超声波发送探头13需要的第一预设电压；

两个超声波接收探头14和第一FPGA处理电路12之间分别设置有输入变压器18，用于对超声波接收探头14发送的超声波信号的电压进行降压处理，以使得降压后的电压为第一FPGA处理电路12需要的第二预设电压。

具体的，通过输出入变压器将功放驱动电路16发送的预设波形的电压进行升压处理，以使得升压处理后的电压为超声波发送探头13需要的第一预设电压；

同理，通过输入变压器18将超声波接收探头14发送的超声波信号的电压进行降压处理，以使得降压后的电压为第一FPGA处理电路12需要的第二预设电压。

需要说明的是，所述的第一预设电压和第二预设电压分别为超声波发送探头13和第一FPGA处理电路12对应的电压：本实施例中，第一FPGA处理电路12所需电压值小于超声波接收探头14所需电压值；具体的第一FPGA处理电路12所需电压值约为1.2V-5V，而超声波接收探头14所需电压值为36V～54V，优选为48V。

具体的，图6和图7示出了本发明实施例所提供的功放驱动电路和输出变压器的原理图；图11示出了本发明实施例所提供的输入变压器和放大电路的原理图；图12示出了本发明实施例所提供的输入变压器和放大电路的原理图。

本发明实施例提供的一种高速铁路铁轨应力检测装置，还可以通过输出变压器17将功放驱动电路16发送的超声波信号的电压进行升压处理，以使得升压处理后的电压为超声波发送探头13需要的第一预设电压，通过输入变压器18对超声波接收探头14发送的超声波信号的电压进行降压处理，以使得降压后的电压为第一FPGA处理电路12需要的第二预设电压，这样能够使得各个器件的电压相互匹配，能够正常实现通信。

进一步的，如图1所示，该高速铁路铁轨应力检测装置还包括放大滤波电路19；

放大滤波电路19分别与输入变压器18和第一FPGA处理电路12电连接，用于接收输入变压器18降压后的超声波信号并对超声波信号进行放大和滤波处理。

本发明实施例提供的一种高速铁路铁轨应力检测装置，还能够通过放大滤波电路19对高速铁路铁轨传播的超声波信号进行放大和滤波处理，滤除干扰波，保留有用波形并对将有用波形的信号进行放大，以便后续更好的获取有用波形中的信号；

进一步的，如图1和图16所示，该高速铁路铁轨应力检测装置还包括模拟数字转换器ADC采样电路20；

ADC采样电路20分别与放大滤波电路19和第一FPGA处理电路12电连接，用于接收放大滤波电路19处理过的超声波信号并将超声波信号从模拟信号转换为数字信号。(图16示出了本发明实施例所提供的ADC采样电路的原理图)。

本发明实施例提供的一种高速铁路铁轨应力检测装置，还能够通过ADC采样电路20将模拟超声波信号转换为数字超声波信号，数字信号的抗干扰能力强，且稳定性好，便于后续的分析。

进一步的，如图1所示，高速铁路铁轨应力检测装置还包括保护电路21；

保护电路21分别与MCU11、第一FPGA处理电路12、超声波发送探头13、超声波接收探头14、第二FPGA处理电路15、功放驱动电路16、输入变压器18、输出变压器17、放大滤波电路19及ADC采样电路20电连接，用于在检测到上述电路中电压、电流或者功率超出预设值时，自动切断电路。

进一步的，如图1所示，该高速铁路铁轨应力检测装置还包括存储模块22和电源模块23；

存储模块22与第一FPGA处理电路12电连接，用于将第一FPGA处理电路12接收的超声波信号进行存储及将第一FPGA处理电路12处理得到的高速铁路铁轨的绝对应力值进行存储；

电源模块23，用于为整个检测装置提供电源。

具体的，本实施例中存储模块22也为FPGA存储模块22，该存储模块22优选为两个；具体的为FPGA IC2和FPGA IC9。其中，图8示出了本发明实施例所提供的电源模块的原理图。

进一步的，如图1所示，该高速铁路铁轨应力检测装置还包括传感器采集电路24；

传感器采集电路24与MCU11电连接，用于在检测到超声波发送探头13的预设参数不符合预设条件时，对预设参数进行实时补偿。

本实施例中，预设参数可以为温度、应力值；通过传感器采集电路24电路上提供了一路标准的4-20mA传感器接口，目前连接了一个精密位移传感器，测量铁轨热胀冷缩时导致的横向位移，作为一个修正量的输入。具体的，如当超声波发送探头13的工作环境温度过高或者过低，而使得超声波发送探头在正常工作时，会因为噪声、温漂和铁轨特性的差异，导致使用超声测量的结果准确性有一定的离散性(理解为测量值变化率较大)，导致精度不能满意，故使用传感器采集电路24对温度进行补偿，如在环境温度过低时，自动补偿环境温度使环境温度适当提高；在环境温度过高时，自动补偿环境温度使环境温度适当降低；采用了辅助数值的修正，可以有效提高测量数值的精确度和稳定度。

而变片的相对应力变化的测量是比较精确的，可以作为一段时间内的参考基准，这段时间内绝度应力的变化结果要向参考基准收敛，温漂造成的数值变化要通过前期生产的刻度值加入修正曲线。

具体的，图2-图5示出了本发明实施例所提供的一种传感器采集电路的原理图。其中，图2中的接口①与图3中的接口①连接，图3中的接口②与图4中的接口②连接。

进一步的，该高速铁路铁轨应力检测装置中，传感器采集电路24包括：温度传感器和应力传感器。

具体的，MCU11包括第一数据接口25，以便该MCU11通过第一数据接口25与其他设备进行连接，用以与其他设备进行数据通信；并且该MCU11上还设置有状态指示灯和电源指示灯，用以指示其自身的工作状态及电源使用状态。

而传感器采集电路24上同样设置有第二数据接口26，该第二数据接口26可以为设置有温度传感器接口，应力传感器接口，以便通过该接口与温度传感器和应力传感器连接，用以实现对整个检测装置进行实时补偿。其中，图9示出了本发明实施例所提供的第一数据接口和第二数据接口的原理图。

下面结合具体电路图，如图2-图16所示，对本发明提供的高速铁路铁轨应力检测装置进行简要说明：

本实施例中以预设波形为正弦波、预设距离为70m和100m为例进行说明：

通过主控单片机IC15STM32F103控制FPGA IC8把一组汉明窗包络正弦波的样点通DAC(Digital to analog converter，数字模拟转换器)IC12(ADS5621)发送出来，经过NE5532放大器发送到高压大功率超声功放电路中，经过信号放大管Q1和信号放大管Q2对正弦波样点信号进行放大，将经过放大后的信号发送至推动管Q6和推动管Q7进行提高功率处理，最后在将提高功率处理过的信号经过大功率电流推动管Q9、大功率电流推动管Q10、大功率电流推动管Q11和大功率电流推动管Q12发送到输出端，并通过接口变比谐振变压器T1和C123谐振，把发送能量释放到超声发送探头上去。

超声波发送探头13发出的超声波信号，通过高速铁路铁轨传递，然后被距离超声波发送探头1370m和100m的处的两只超声波接收探头14接收到，经过高速铁路铁轨传播的超声波信号通过探头连接的屏蔽电缆传送到接口变压器T2和接口变压器T3，在通过接口变压器T2和T3隔离耦合，在把接收信号输入到两路信号放大器U1和U3中，经过U1和U3放大后的超声波信号进入高速采样ADCIC6和IC7AD9433，被存储模块22IC2和存储模块22IC9得到，两路采集信号被存贮在存储模块22IC2和存储模块22IC9两片高速存储SSRAM当中，通过FPGA中的比频比相等相关性算法分析，计算70m和100m两组信号的包络延迟时间，通过比对标准应力延时样本值表，即得到对应的铁轨绝对应力值和应力变化值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高速铁路铁轨应力检测装置，其特征在于，包括：微控制单元MCU、第一现场可编程门阵列FPGA处理电路、超声波发送探头以及至少两个超声波接收探头；

所述MCU用于根据接收的指令信息生成控制指令，并将所述控制指令发送至所述超声波发送探头；

所述超声波发送探头与所述MCU电连接，用于接收所述控制指令并根据所述控制指令向高速铁路铁轨发送超声波信号，以便所述超声波信号在所述高速铁路铁轨中传播；

两个所述超声波接收探头分别设置与所述超声波发送探头相隔预设距离的位置上，用于接收高速铁路铁轨传播的所述超声波信号并将所述超声波信号发送至所述第一FPGA处理电路；

所述第一FPGA处理电路分别与两个所述超声波接收探头电连接，用于接收高速铁路铁轨传播的所述超声波信号，对所述超声波信号进行滤波和FFT分析，计算两次超声波信号的接收时差，并根据所述接收时差确定所述高速铁路铁轨的绝对应力值。

2.根据权利要求1所述的高速铁路铁轨应力检测装置，其特征在于，还包括第二FPGA处理电路；

所述第二FPGA处理电路分别与所述MCU和所述超声波发送探头电连接，用于接收所述MCU发送的控制指令，并根据所述控制指令选择预设波形，以便将预设波形的样点发送至所述超声波发送探头。

3.根据权利要求2所述的高速铁路铁轨应力检测装置，其特征在于，还包括功放驱动电路；

所述功放驱动电路分别与所述第二FPGA处理电路和所述超声波发送探头电连接，用于接收所述预设波形的样点并对所述预设波形的样点进行放大和提高功率处理，并将处理后的发送能量发送至所述超声波发送探头。

4.根据权利要求3所述的高速铁路铁轨应力检测装置，其特征在于，还包括输出变压器和输入变压器；

所述功放驱动电路与所述超声波发送探头之间设置有所述输出变压器，用于对所述功放驱动电路发送的所述超声波信号的电压进行升压处理，以使得升压处理后的电压为所述超声波发送探头需要的第一预设电压；

两个所述超声波接收探头和所述第一FPGA处理电路之间分别设置有所述输入变压器，用于对所述超声波接收探头发送的所述超声波信号的电压进行降压处理，以使得降压后的电压为所述第一FPGA处理电路需要的第二预设电压。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的高速铁路铁轨应力检测装置，其特征在于，还包括放大滤波电路；

所述放大滤波电路分别与所述输入变压器和所述第一FPGA处理电路电连接，用于接收所述输入变压器降压后的所述超声波信号并对所述超声波信号进行放大和滤波处理。

6.根据权利要求5所述的高速铁路铁轨应力检测装置，其特征在于，还包括模拟数字转换器ADC采样电路；

所述ADC采样电路分别与所述放大滤波电路和所述第一FPGA处理电路电连接，用于接收所述放大滤波电路处理过的所述超声波信号并将所述超声波信号从模拟信号转换为数字信号。

7.根据权利要求6所述的高速铁路铁轨应力检测装置，其特征在于，还包括保护电路；

所述保护电路分别与所述MCU、所述第一FPGA处理电路、所述超声波发送探头、所述超声波接收探头、所述第二FPGA处理电路、所述功放驱动电路、所述输入变压器、所述输出变压器、所述放大滤波电路及所述ADC采样电路电连接，用于在检测到上述电路中电压、电流或者功率超出预设值时，自动切断电路。

8.根据权利要求1所述的高速铁路铁轨应力检测装置，其特征在于，还包括存储模块和电源模块；

所述存储模块与所述第一FPGA处理电路电连接，用于将所述第一FPGA处理电路接收的所述超声波信号进行存储及将所述第一FPGA处理电路处理得到的所述高速铁路铁轨的绝对应力值进行存储；

所述电源模块，用于为整个检测装置提供电源。

9.根据权利要求1所述的高速铁路铁轨应力检测装置，其特征在于，还包括传感器采集电路；

所述传感器采集电路与所述MCU电连接，用于在检测到所述超声波发送探头的预设参数不符合预设条件时，对所述预设参数进行实时补偿。

10.根据权利要求9所述的高速铁路铁轨应力检测装置，其特征在于，所述传感器采集电路包括：温度传感器和应力传感器。