CN103675099B - 基于磁致伸缩扭转导波的轨底缺陷监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁致伸缩扭转导波的轨底缺陷监测系统和方法。包括检测铁轨轨底缺陷回波信号的扭转导波传感器；包括分配激励信号和传输回波信号的多通道传感器连接模块；包括接收频率选择信号而产生该频率激励信号的导波激励模块；包括将回波信号放大、调理、滤波、A/D转换后传至核心控制模块的导波接收模块；包括向多通道连接模块发出控制脉冲和向导波激励模块发出频率选择信号，分析处理经导波接收模块数字化后的回波信号的核心控制模块；包括将工作参数传输至核心控制模块和显示铁轨缺陷信息的人机交互模块。本发明可对大范围铁路网的轨底缺陷实现实时在线监测，可定位铁路网的缺陷位置和详细显示每个缺陷的大小和类型。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁底缺陷检测系统和方法，尤其涉及一种基于磁致伸缩扭转导波的轨底缺陷监测系统和方法。
背景技术
随着我国国民经济的发展和铁路运力的不断提高，货运列车的载重量和车速也不断增加，对铁轨的缺陷监测提出了更高的要求。铁轨底部裂纹是重载铁路线轨道的常见损伤，我国常用的检测手段是采用手推式轨道超声探伤小车，这种方式很难对轨底缺陷做出精确判断，一些轨底距离道砟很近的铁路线根本无法适用，也不可能做到对铁路线网的实时在线监测。
导波是一种频率较低的可沿任意截面固体传播的弹性波。导波具有多模态的特点，在同一频率下可能存在多种模态的导波同时传播，在使用导波检测中最重要的一点就是激发特定模态的导波。激发导波的方式有多种，常见的有磁致伸缩式和压电式。压电式换能器需要与被测介质紧密接触，检测前需要处理铁轨表面、粘贴换能器等，准备时间较长且影响正常生产，在繁忙的铁路线上使用这种检测方法很不现实。磁致伸缩式是一种磁-声换能器，检测时只需与被测物靠近即可，使用方便。导波还具有传播距离远的特点，与使用超声波检测的逐点扫查方式不同，可以大范围、长距离检测，便于组成监测网络。
在实际的铁路线中，使用大量的扣件将铁轨固定在轨枕上，检测到的回波数据包含了扣件位置处的反射回波，在波形上与缺陷位置的回波无异，这给缺陷信息的提取与识别带来了很大的困难，更是在线监测系统必须解决的关键问题。
发明内容
本发明针对我国现有铁轨底部缺陷检测技术的不足，提出了一种基于磁致伸缩扭转导波的轨底缺陷监测系统和方法，可以对大范围的铁路线网轨道底部缺陷进行实时在线监测。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一、一种基于磁致伸缩扭转导波的轨底缺陷监测系统，包括：
包括用于检测布置点附近铁轨轨底缺陷的回波信号的扭转导波传感器；
包括用于将激励信号分配至各个扭转导波传感器和将扭转导波传感器的回波信号传输至导波接收模块的多通道传感器连接模块；
包括用于接收频率选择信号进而产生激励信号，传送到多通道传感器连接模块的导波激励模块；
包括用于将扭转导波传感器中的铁轨轨底缺陷回波信号依次经放大、调理、滤波、A/D转换步骤数字化后传输至核心控制模块的导波接收模块；
包括用于分析、处理数字化后的回波信号并传送到人机交互模块和向导波激励模块发出频率选择信号，向多通道传感器连接模块发送同步控制脉冲的核心控制模块；
包括用于设置工作参数，并将工作参数传输至核心控制模块和用于显示铁轨缺陷信息的人机交互模块。
所述的人机交互模块为触摸屏。
所述的布置点附近铁轨轨底缺陷的回波信号为布置点0～30米范围内大于等于铁轨横截面积3%的回波信号。
所述的同步控制脉冲用于控制各个扭转导波传感器协同工作。
二、一种基于磁致伸缩扭转导波的轨底缺陷监测方法，包括以下步骤：
1）首先人机交互模块接受工作参数设置，并将工作参数传输至核心控制模块；
2）核心控制模块根据工作参数中的铁轨型号得到扭转导波的激励频率，将扭转导波的激励频率转化为频率选择信号后发送给导波激励模块，导波激励模块依据频率选择信号产生相应频率的激励信号；核心控制模块将各个扭转导波传感器协同工作的同步控制脉冲发送给多通道传感器连接模块，多通道传感器连接模块依据同步控制脉冲将导波激励模块产生的激励信号分配至各个扭转导波传感器上；
3）扭转导波传感器对布置点附近铁轨轨底进行检测，检测得到的回波信号通过多通道传感器连接模块传输给导波接收模块，在导波接收模块中依次经过放大、调理、滤波、A/D转换步骤数字化后传输至核心控制模块；
4）在核心控制模块中中将上述步骤3）得到的数字化的回波信号和步骤2）发送的激励信号进行归一化处理；
5）将归一化处理后的回波信号和激励信号作互相关运算并得到相位差；
6）若回波信号和激励信号的相位差小于等于180度，则认为该回波信号是铁轨扣件处的反射回波信号，不属于铁轨轨底缺陷信息；
若回波信号和激励信号的相位差大于180度，则认为该回波信号属于铁轨轨底缺陷信息，进一步将该回波信号与存储在核心控制模块中的缺陷特征库匹配，得到缺陷的大小和类型。
本发明的有益效果是：
在实际的铁路线导波检测中，接收到的缺陷回波包含了大量扣件处的回波信号，本发明通过相位差的方法将缺陷与扣件的回波区分，快速准确地提取了缺陷信息。利用本发明可对方便地组成传感器监测网络，可对大范围铁路线网的轨底缺陷实现实时在线监测，系统可以定位铁路线网中的铁轨缺陷位置和详细显示每个缺陷的大小和类型，并在人机交互模块中的触摸屏上友好地表征。能及时准确地发现早期缺陷，防止缺陷进一步生长，保证了铁路运输的安全。
附图说明
图1是本发明系统的连接示意图。
图2是本发明方法的逻辑框图。
图3是本发明实施例的检测数据图。
图中：1、扭转导波传感器，2、多通道传感器连接模块，3、导波激励模块，4、核心控制模块，5、人机交互模块，6、导波接收模块，7、传感器布置点，8、缺陷，9、扣件，10、铁轨端面，11、扣件回波，12、缺陷信号，13、激励信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明系统包括用于检测布置点附近铁轨轨底缺陷的回波信号的扭转导波传感器1；
包括用于将激励信号分配至各个扭转导波传感器1和将扭转导波传感器1的回波信号传输至导波接收模块6的多通道传感器连接模块2；
包括用于接收频率选择信号进而产生激励信号，传送到多通道传感器连接模块2的导波激励模块3；
包括用于将扭转导波传感器1中的铁轨轨底缺陷回波信号依次经放大、调理、滤波、A/D转换步骤数字化后传输至核心控制模块4的导波接收模块6；
包括用于分析、处理数字化后的回波信号并将结果传送到人机交互模块5和向导波激励模块3发出频率选择信号，向多通道传感器连接模块2发送同步控制脉冲的核心控制模块4；
包括用于设置工作参数，并将工作参数传输至核心控制模块4和用于显示铁轨缺陷信息的人机交互模块5。
所述的人机交互模块5为触摸屏。
所述的布置点附近铁轨轨底缺陷的回波信号为布置点0～30米范围内大于等于铁轨横截面积3%的回波信号。
所述的同步控制脉冲用于控制各个扭转导波传感器1协同工作。
所述的人机交互模块5中设置的工作参数包括：系统同步脉冲数、铁路线网中铁轨位置拓扑结构、铁轨型号。
本发明包括扭转导波传感器1、多通道传感器连接模块2、导波激励模块3、导波接收模块6、核心控制模块4和人机交互模块5，多个扭转导波传感器1分别与多通道传感器连接模块2相连，多通道传感器连接模块2连接导波激励模块3和导波接收模块6，导波激励模块3、导波接收模块6和多通道传感器连接模块2连接核心控制模块4，核心控制模块4与人机交互模块5相连。
所述的布置点附近铁轨轨底缺陷的回波信号为布置点0～30米范围内大于等于铁轨横截面积3%的回波信号。
所述的多通道传感器连接模块2为一种可程控的信号分配电路。
所述的导波激励模块3为一种可程控的正弦信号发生电路。
所述的导波接收模块6为一种包括信号采集与前置放大电路、模拟滤波电路、A/D转换电路在内的组合电路。
所述的核心控制模块4为一种高性能的嵌入式操作系统。
所述的激励信号即为激励脉冲信号。
除扭转导波传感器安装于铁轨上，其他模块均置于铁路线网附近的监测站中，扭转导波传感器与监测站通过信号电缆连接。扭转导波传感器的作用是利用磁致伸缩效应产生扭转导波，并利用逆磁致伸缩效应将反射回波转换为电压信号。
导波激励模块的作用是根据核心控制模块发出的频率选择信号产生正弦激励信号，并放大为可以用于驱动导波传感器的电流信号。导波接收模块的作用是将传感器返回的微弱电压信号放大、调理、滤波、A/D转换为数字信号。
核心控制模块是本系统的核心，它的主要作用是：1、依据工作参数中的铁轨型号在系统中预存的频散曲线库中查找到扭转导波的激励频率参数，并依据该频率参数产生频率选择信号；2、产生同步时钟控制脉冲，并用此控制脉冲协同监测网络中各传感器的工作状态；3、控制多通道传感器连接模块的通道选通；4、对导波接收模块传输的数字信号进行分析、计算，将包含缺陷位置、类型和大小的检测信息传输到人机交互模块。
人机交互模块的作用是：1、响应操作人员的输入，将输入的工作参数传给核心控制模块；2、显示缺陷信息，包括监测网络中的缺陷位置信息和每个监测点的详细缺陷描述信息。
如图2所示，本发明方法包括以下步骤：
1）首先人机交互模块5接受工作参数设置，并将工作参数传输至核心控制模块4；
2）核心控制模块4根据工作参数中的铁轨型号得到扭转导波的激励频率，将扭转导波的激励频率转化为频率选择信号后发送给导波激励模块3，导波激励模块3依据频率选择信号产生相应频率的激励信号；核心控制模块4将各个扭转导波传感器1协同工作的同步控制脉冲发送给多通道传感器连接模块2，多通道传感器连接模块2依据同步控制脉冲将导波激励模块3产生的激励信号分配至各个扭转导波传感器1上；
3）扭转导波传感器1对布置点附近铁轨轨底进行检测，检测得到的回波信号通过多通道传感器连接模块2传输给导波接收模块6，在导波接收模块6中依次经过放大、调理、滤波、A/D转换步骤数字化后传输至核心控制模块4；
4）在核心控制模块中4中将上述步骤3得到的数字化的回波信号和步骤2发送的激励信号进行归一化处理；
5）将归一化处理后的回波信号和激励信号作互相关运算并得到相位差；
6）若回波信号和激励信号的相位差小于等于180度，则认为该回波信号是铁轨扣件处的反射回波信号，不属于铁轨轨底缺陷信息；
若回波信号和激励信号的相位差大于180度，则认为该回波信号属于铁轨轨底缺陷信息，进一步将该回波信号与存储在核心控制模块4中的缺陷特征库匹配，得到缺陷的大小和类型。
所述的人机交互模块5中设置的工作参数包括：系统同步脉冲数、铁路线网中铁轨位置拓扑结构、铁轨型号。
本发明可以先根据铁轨轨底几何尺寸，选择预先存储的依据不同铁轨几何尺寸计算的扭转模态导波的频散曲线，并确定激励频率进行导波激励。
本发明的缺陷信息提取采用的是相位检测方法，具体实现方法：核心控制模块对导波接收模块输入的数字化的回波信号与导波激励信号做归一化处理，并将两个信号做互相关运算，得到回波信号与激励信号的相位差，根据相位差即可区分回波的波包是扣件处的回波还是缺陷处的回波。通过相位特征和回波幅值与预先存储在系统中的缺陷特征库比对，就可以确定缺陷的大小和类型。
多通道传感器连接模块2可以在物理上同时连接多个导波传感器1构成传感器监测网络，与之相连的核心控制模块4决定它在任意时刻与哪个扭转导波传感器1在电气上联通，使该扭转导波传感器1处于激励或接收工作状态。
结合附图，本发明在铁路线网中的轨道上每隔30米布置一个扭转导波传感器，传感器产生的扭转模态导波沿整个轨底传播。根据我国现有的铁轨型号，将预先计算好的频散曲线存储于核心控制模块，开始监测时根据铁轨型号查找到扭转模态导波的激励频率和扭转导波的传播速度。激励信号是一种经过加窗运算的5周期正弦信号。核心控制模块决定系统中各个传感器的工作时序，在一个时钟周期，只有一个传感器处于激发导波或接收导波的工作状态。核心控制模块根据激励信号和接收回波信号的间隔时间以及扭转导波的传播速度，采用相位检测方法区分扣件回波和缺陷回波，并精确地计算出缺陷的位置。依据缺陷回波的相位和幅值与系统预存的缺陷特征库比对判断出缺陷的大小和类型。
本发明的实施例：
如图3所示，将本发明所述的32个扭转导波传感器1布置于铁路线网的铁轨轨底，每个传感器间隔30米，将各个传感器的连接电缆分别连接至多通道传感器连接模块2的1~32通道。在人机交互模块5的触摸屏上输入工作参数，包括系统同步脉冲数、铁轨型号和铁路线网中铁轨位置拓扑结构，并输入所连接的通道号，使线网中铁轨的拓扑位置与实际的传感器布置点一一对应。人机交互模块5将工作参数中的铁轨型号传输给核心控制模块4，核心控制模块4根据铁轨型号在系统中选择预存的铁轨频散曲线，并查找到相应的扭转导波激励频率，依据该频率产生相应的频率选择信号，将该信号传输给导波激励模块，导波激励模块依据此频率选择信号规定的频率产生导波激励信号。核心控制模块4向多通道传感器连接模块2发出同步脉冲信号，多通道传感器连接模块2依据同步脉冲依次选通1~32通道，使导波激励信号发送至与相应通道相连的扭转导波传感器1，在传感器中产生扭转导波。对于铁路线网中任意的传感器布置点7，传感器产生的扭转导波沿着铁轨轨底传播，遇到缺陷8、扣件9和铁轨端面10后产生反射回波，并经多通道传感器连接模块2选通后传输给导波接收模块6，在导波接收模块6中经过放大、滤波、A/D转换后将数字信号传输至核心控制模块4。核心控制模块4将该信号与激励信号13作归一化处理和互相关运算，并计算出相位差，如果相位差小于等于180度，则该回波信号为铁轨扣件处的扣件回波11（与激励信号同相位）；如果相位差大于180度，则该回波信号为缺陷信号12（与激励信号反相位），进一步与系统预存的缺陷特征库和端面回波信号10比对，判断出与该通道相连的传感器布置点7处的扭转导波传感器1检测范围内的缺陷8的大小和类型。进一步计算出该回波的发射和接收时间差，再乘以该频率扭转导波的波速，就得到缺陷到传感器布置点的距离，即定位了缺陷的位置。在人机交互模块的触摸屏上的拓扑图中显示出来。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于磁致伸缩扭转导波的轨底缺陷监测系统，其特征在于：包括用于检测布置点附近铁轨轨底缺陷的回波信号的扭转导波传感器(1)；
包括用于将激励信号分配至各个扭转导波传感器(1)和将扭转导波传感器(1)的回波信号传输至导波接收模块(6)的多通道传感器连接模块(2)；
包括用于接收频率选择信号进而产生激励信号，传送到多通道传感器连接模块(2)的导波激励模块(3)；
包括用于将扭转导波传感器(1)中的铁轨轨底缺陷回波信号依次经放大、调理、滤波、A/D转换步骤数字化后传输至核心控制模块(4)的导波接收模块(6)；
包括用于分析、处理数字化后的回波信号并传送到人机交互模块(5)和向导波激励模块(3)发出频率选择信号，向多通道传感器连接模块(2)发送同步控制脉冲的核心控制模块(4)；
包括用于设置工作参数，并将工作参数传输至核心控制模块(4)和用于显示铁轨缺陷信息的人机交互模块(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩扭转导波的轨底缺陷监测系统，其特征在于：所述的人机交互模块(5)为触摸屏。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩扭转导波的轨底缺陷监测系统，其特征在于：所述的布置点附近铁轨轨底缺陷的回波信号为布置点0～30米范围内大于等于铁轨横截面积3％的回波信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩扭转导波的轨底缺陷监测系统，其特征在于：所述的同步控制脉冲用于控制各个扭转导波传感器(1)协同工作。
5.用于权利要求1所述系统的一种基于磁致伸缩扭转导波的轨底缺陷监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)首先人机交互模块(5)接受工作参数设置，并将工作参数传输至核心控制模块(4)；
2)核心控制模块(4)根据工作参数中的铁轨型号得到扭转导波的激励频率，将扭转导波的激励频率转化为频率选择信号后发送给导波激励模块(3)，导波激励模块(3)依据频率选择信号产生相应频率的激励信号；核心控制模块(4)将各个扭转导波传感器(1)协同工作的同步控制脉冲发送给多通道传感器连接模块(2)，多通道传感器连接模块(2)依据同步控制脉冲将导波激励模块(3)产生的激励信号分配至各个扭转导波传感器(1)上；
3)扭转导波传感器(1)对布置点附近铁轨轨底进行检测，检测得到的回波信号通过多通道传感器连接模块(2)传输给导波接收模块(6)，在导波接收模块(6)中依次经过放大、调理、滤波、A/D转换步骤数字化后传输至核心控制模块(4)；
4)在核心控制模块(4)中将上述步骤3)得到的数字化的回波信号和步骤2)发送的激励信号进行归一化处理；
5)将归一化处理后的回波信号和激励信号作互相关运算并得到相位差；
6)若回波信号和激励信号的相位差小于等于180度，则认为该回波信号是铁轨扣件处的反射回波信号，不属于铁轨轨底缺陷信息；
若回波信号和激励信号的相位差大于180度，则认为该回波信号属于铁轨轨底缺陷信息，进一步将该回波信号与存储在核心控制模块(4)中的缺陷特征库匹配，得到缺陷的大小和类型。
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Denomination of invention: Rail bottom defect monitoring system and method based on magnetostrictive torsional guided waves Granted publication date: 20160504 Pledgee: Hangzhou branch of Bank of Nanjing Co.,Ltd. Pledgor: HANGZHOU ZHEDA JINGYI ELECTROMECHANICAL TECHNOLOGY Corp.,Ltd. Registration number: Y2024980012043 |