CN101398410A - 一种电磁超声技术钢轨缺陷检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁超声无损检测领域，提供一种电磁超声技术钢轨缺陷检测方法及其装置。目的在于解决现有钢轨检测方法存在的各种问题，满足高速电气化铁路发展的需要。装置由探头、电路系统、存储单元和显示单元组成。检测装置使用电磁超声体波，通过多个超声探头协同工作，能够实现对钢轨轨头、轨腰、轨底的有效检测。该检测方法无需使用声耦合剂，结构简单，环境适应能力强，可以实现高速的钢轨检测。

Description

一种电磁超声技术钢轨缺陷检测方法及其装置

(一)技术领域

本发明涉及超声检测技术，具体说就是一种电磁超声技术钢轨缺陷检测方法及其装置。

(二)背景技术

在钢轨检测方法上，国内外主要以压电超声检测为主。为了保证压电超声的换能效率，这些探伤仪必须携带大量声耦合剂，因而不可避免地引发诸多问题：如装置复杂度和重量增加、检测速度和距离受限、环境适应能力降低以及检测成本升高等。更为重要的是，压电超声传感器到钢轨之间的距离较远，声波在耦合剂中需传播较长的时间，使得接收产生滞后，当探伤速度增加时，回波将落后一段距离而不能被超声探头准确接收。为了尽量减少该距离，设计时一般尽量减小探轮直径，但也导致探伤速度增加时探轮表面线速度增加，令轮内耦合液自身出现扰动，出现无数杂反射波，令探伤无法进行。由此可见，耦合剂的存在限制了检测速度，使超声检测方式很难达到更高的检测速度。另外，耦合剂的使用使得检测装置机械结构变得复杂，需配备盛装耦合剂的容器，装置重量增加，检测距离也受到容器容积大小的限制。

电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，简称EMAT)是一种非接触型超声发射、接收装置。该技术因无需声耦合剂等诸多优势而将超声无损检测扩展到了高温、高速、在线等诸多领域，可以适应更高速度的超声检测，而且结构简单。电磁超声换能器能够方便发出各种类型的超声波，设计灵活。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能快速、有效检测出钢轨缺陷的电磁超声技术钢轨缺陷检测方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：所述的一种电磁超声技术钢轨缺陷检测装置，它是由探头8、电路系统9、存储单元5和显示单元6组成的。探头8连接电路系统9，电路系统9分别连接存储单元5和显示单元6。

本发明一种电磁超声技术钢轨缺陷检测装置，还有以下技术特征：

所述的电路系统9包括收发转换开关7、功率放大电路1、信号调理电路2、数据采集电路3和微处理器4。收发转换开关7分别连接功率放大电路1和信号调理电路2，功率放大电路1连接微处理器4，信号调理电路2连接数据采集电路3，数据采集电路3连接微处理器4，微处理器4分别连接存储单元5和显示单元6。

本发明一种电磁超声技术钢轨缺陷检测方法，工作过程如下：

步骤一：将检测装置的探头8安置在钢轨踏面上；

步骤二：检测系统初始化；

步骤三：微处理器4发出控制信号给功率放大电路1，信号为脉冲串的形式，频率1MHz，持续时间8μs；

步骤四：功率放大电路1经收发转换开关7驱动探头8发出超声波，驱动电流100A；

步骤五：超声波在钢轨中传播，遇到缺陷会发生反射，通过探头8可以接收到反射回波；

步骤六：探头8接收的反射回波信号经收发转换开关7由信号调理电路2进行放大滤波，然后由数据采集电路3采集并存储在微处理器4的内存单元中；

步骤七：微处理器4对采集的数据进行快速数字信号处理，提取缺陷特征并对缺陷大小进行量化；

步骤八：微处理器4将处理结果在显示单元6上实时显示；

步骤九：微处理器4将处理前后的数据存储在存储单元5中；

步骤十：返回运行步骤三。

本发明通过电磁超声体波检测钢轨内部缺陷，检测无需使用声耦合剂，检测速度快、效率高、环境适应能力强。本发明所述的一种电磁超声技术钢轨缺陷检测装置，可以实现对在线和在役钢轨缺陷的检测。

本发明具有以下优点：

(1)使用电磁超声技术实现钢轨缺陷检测，检测无需使用声耦合剂，无需配备复杂的机械结构和盛装耦合剂的容器，检测装置结构简单化；

(2)本发明使用电磁超声技术，检测速度快、效率高。目前的压电超声钢轨缺陷检测使用探轮结构，可以有效提高检测速度，但是在高速在线检测上由于耦合剂扰动造成的影响不可避免，检测速度受到限制。而电磁超声无需声耦合剂，检测速度不受此限制。

(3)本发明使用了三种探头相互配合，可以实现钢轨缺陷的全面检测。超声垂直入射体波检测钢轨轨腰和轨底缺陷，使用超声斜入射体波向钢轨长度方向斜入射可以检测钢轨螺孔损伤，使用超声斜入射体波向钢轨长度方向斜入射可以检测轨头缺陷。

(4)本发明由于无需声耦合剂，可以适应很宽的温度范围，环境适应能力强。

(四)附图说明

图1本发明总体结构框图；

图2本发明钢轨超声检测结构图；

图3本发明钢轨探头布置方式图；

图4本发明各超声探头检测覆盖区域；

图5本发明检测无缺陷时探头波形示意图；

图6本发明检测有缺陷时探头波形示意图；

图7本发明斜入射体波激发原理。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1，结合图1，本发明一种电磁超声技术钢轨缺陷检测装置，它是由探头(8)、电路系统(9)、存储单元(5)和显示单元(6)组成的。探头(8)连接电路系统(9)，电路系统(9)分别连接存储单元(5)和显示单元(6)。所述的电路系统(9)包括收发转换开关(7)、功率放大电路(1)、信号调理电路(2)、数据采集电路(3)和微处理器(4)。所述的收发转换开关(7)分别连接功率放大电路(1)和信号调理电路(2)，功率放大电路(1)连接微处理器(4)，信号调理电路2连接数据采集电路(3)，数据采集电路(3)连接微处理器(4)，微处理器(4)分别连接存储单元(5)和显示单元(6)。

微处理器(4)控制功率放大电路(1)驱动探头(8)发射超声体波。信号以超声波的形式在钢轨中传播，遇到缺陷会发生反射，反射信号经信号调理电路(2)放大滤波，由数据采集电路(3)将该信号在微处理器(4)内部进行快速数字信号处理，提取出缺陷特征，并对缺陷大小进行量化。最后，通过显示单元(6)实时显示检测状况，并将采集的信号数据和处理后的数据在存储单元(5)中进行存储。

实施例2，结合图2、图3、图4、图5、图6，本发明所述的探头在钢轨踏面的布置方式采用特制线圈，可方便地产生向钢轨内部传播的超声体波，适当调整发射脉冲的频率，可以使超声波以一定角度射入钢轨内部。在图2、3中，A、B、C为由发射线圈、磁铁以及钢轨本身组成的超声换能器，换能器放置在钢轨踏面，使用不同的发射角度可以较为全面地检测钢轨不同位置的缺陷。

探头A垂直于钢轨踏面发射超声体波，可以检测轨腰以及轨底缺陷；探头B向钢轨长度方向斜入射，可以探测螺孔的损伤；两个探头C向钢轨长度方向斜入射，可以检测轨头的损伤。

各探头检测的覆盖区域如图4所示。

探头A、B、C均使用脉冲反射法原理。在检测时，探头向钢轨内部发射超声体波，超声波向钢轨内部传播。当在传播路径上没有缺陷时，将不会接收到缺陷反射回波，如图5所示以探头B为例的示意图；当在传播路径上有缺陷时会发生发射，探头接收到反射信号后可通过测量缺陷回波的时间和强度来计算出缺陷的位置和大小，如图6所示以探头B为例的示意图。

实施例3，结合图5，本发明的电磁超声斜入射体波激发原理是：电磁超声斜入射体波探头由磁铁和电磁超声曲折线圈组成，工作频率1MHz。探头的声束入射角度由声波的波长和曲折线圈的匝间距决定，合理调节发射频率和曲折线圈的匝间距，可以使得超声波沿一个合适的方向入射。设斜入射体波的入射角为θ，则有

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\λ}}{2l}$

式中λ——声波的波长；

    l——曲折线圈的匝间距。

实施例4，本发明一种电磁超声技术钢轨缺陷检测方法及其装置，所述的电磁超声探头表面有一层0.5mm厚的耐磨层，并且保证探头到钢轨表面有1mm的提离距离，用以保护电磁超声线圈不会因磨损而损坏。

对于在役钢轨的检测，需要对缺陷位置进行标定。由于每根钢轨长度已知(一般为25m)，可以通过钢轨焊缝以及配备里程轮来对装置在钢轨上的行进路程进行标定，从而保证对钢轨缺陷的精确定位。

Claims (3)

1.一种电磁超声技术钢轨缺陷检测装置，它是由探头(8)、电路系统(9)、存储单元(5)和显示单元(6)组成的；其特征在于：探头(8)连接电路系统(9)，电路系统(9)分别连接存储单元(5)和显示单元(6)。

2.根据权利要求1所述的一种电磁超声技术钢轨缺陷检测装置，所述的电路系统(9)包括收发转换开关(7)、功率放大电路(1)、信号调理电路(2)、数据采集电路(3)和微处理器(4)；其特征在于：收发转换开关(7)分别连接功率放大电路(1)和信号调理电路(2)，功率放大电路(1)连接微处理器(4)，信号调理电路(2)连接数据采集电路(3)，数据采集电路(3)连接微处理器(4)，微处理器(4)分别连接存储单元(5)和显示单元(6)。

3.一种电磁超声技术钢轨缺陷检测方法，工作步骤如下：

步骤一：将检测装置的探头(8)安置在钢轨踏面上；

步骤二：检测系统初始化；

步骤三：微处理器(4)发出控制信号给功率放大电路(1)，信号为脉冲串的形式，频率1MHz，持续时间8μs；

步骤四：功率放大电路(1)经收发转换开关(7)驱动探头(8)发出超声波，驱动电流100A；

步骤五：超声波在钢轨中传播，遇到缺陷会发生反射，通过探头(8)可以接收到反射回波；

步骤六：探头(8)接收的反射回波信号经收发转换开关(7)由信号调理电路(2)进行放大滤波，然后由数据采集电路(3)采集并存储在微处理器(4)的内存单元中；

步骤七：微处理器(4)对采集的数据进行快速数字信号处理，提取缺陷特征并对缺陷大小进行量化；

步骤八：微处理器(4)将处理结果在显示单元(6)上实时显示；

步骤九：微处理器(4)将处理前后的数据存储在存储单元(5)中；

步骤十：返回运行步骤三。

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