CN103698407A - 用于铁轨底部缺陷检测的磁致伸缩扭转导波传感器 - Google Patents

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本发明公开了一种用于铁轨底部缺陷检测的磁致伸缩扭转导波传感器。本发明是一种开合式的结构，左、右侧夹板分别铰接在底部托板两侧，底部托板装在铁轨轨底下表面，左、右侧夹板分别安装在铁轨轨腰两侧，左、右侧夹板贴合在铁轨轨腰和轨底上表面；第一支撑壳体和第二支撑壳体之间装有四个梳状阵列；每个梳状阵列包括磁致伸缩材料层、激励线圈层和永磁体层，激励线圈层包裹在磁致伸缩材料层外围后覆盖有永磁体层，第二支撑壳体作为弹性波传递层，左侧夹板和底部托板中的激励线圈层之间通过软质排线连接，右侧夹板和底部托板中的激励线圈层之间通过软质排线连接。本发明是针对铁轨的特殊截面设计的导波传感器，可以激发出模态单一的扭转导波。

Description

用于铁轨底部缺陷检测的磁致伸缩扭转导波传感器
技术领域
本发明涉及一种导波传感器，尤其涉及一种用于铁轨底部缺陷检测的磁致伸缩扭转导波传感器。
背景技术
随着铁路线运力的增加和列车速度的提高，有效的铁轨缺陷检测方法变得愈加重要，重载列车线路的缺陷主要集中在铁轨的底部，并且以横向裂纹为主。在重载的工况下缺陷的生长速度很快，如果不能在早期发现，将产生严重的后果。我国目前的轨道检测以超声探伤小车和人工巡查为主，由于超声检测的原理决定了必须对铁轨逐点扫查，对于一些轨道离道砟很近的线路，这种方法很难适用。利用导波传播距离远和对微小缺陷敏感的特点可以实现对铁轨底部缺陷的快速检测。由于铁路线运输的特殊工况，对传感器也提出了一些要求：传感器的各部件要尽快能集中、方便安装与拆卸、轻便且安装牢固。
我国目前在铁轨导波无损检测领域的研究人员还很少。专利号为201110021864.8的发明专利提出了一种铁轨底部的缺陷检测方法，使用的是四个压电式传感器阵列，产生弯曲模态的导波检测。压电式传感器需要粘贴在被测物表面，检测前期的安装时间较长且需要列车停运配合，在24小时繁忙的铁路线上很难使用这种方法布置大量的传感器；弯曲模态导波的换能效率不高，不能有效地实现铁轨的长距离检测。专利号为201110403882.2的发明专利提出了一种使用纵波的检测装置，检测时装置需要安放在铁轨的轨头部位。经过实验研究，这种方式对铁轨底部的缺陷检测效果较差，而实际使用的中铁轨缺陷主要集中在底部；这种安装在轨头的传感器无法在列车正常运行的工况中使用，只能作为日常的巡检辅助设备，更无法构成大规模的监测网络。上述技术使用磁致伸缩导波检测时，尚未有一种集成度较高、安装和使用方便、专门针对铁轨底部缺陷检测的传感器。
发明内容
本发明的目的是克服背景技术领域的不足，提供一种用于铁轨底部缺陷检测的磁致伸缩扭转导波传感器，专门针对铁轨底部缺陷检测、安装便捷牢固、高度集成。
本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明包括底部托板、结构相同的左侧夹板和右侧夹板，左侧夹板、右侧夹板分别铰接在底部托板的两侧，底部托板安装在铁轨轨底的下表面，左侧夹板、右侧夹板分别安装在铁轨轨腰的两侧，左侧夹板、右侧夹板贴合在铁轨轨腰和轨底的上表面；左侧夹板、右侧夹板和底部托板均包括第一支撑壳体和第二支撑壳体，第一支撑壳体和第二支撑壳体之间装有沿铁轨方向间隔均布的四个梳状阵列；每个梳状阵列包括磁致伸缩材料层、激励线圈层和永磁体层，激励线圈层包裹在磁致伸缩材料层外围后覆盖有永磁体层，第二支撑壳体作为弹性波传递层位于梳状阵列和铁轨轨腰之间，左侧夹板中的四个激励线圈层和底部托板中各自对应的激励线圈层之间通过软质排线连接，右侧夹板中的四个激励线圈层和底部托板中各自对应的激励线圈层之间通过软质排线连接。
所述的永磁体层由沿铁轨轨腰和轨底的曲线间隔均布的瓦状永磁体排列而成。
所述的底部托板上设有电缆连接口，底部托板中的四个激励线圈层中的导线引出连接到电缆连接口上。
所述的左侧夹板、右侧夹板分别弹性地铰接在底部托板的两侧。
所述的两个相邻的梳状阵列之间的间距为传感器所激励的导波波长的1/4。
所述的第二支撑壳体的外形轮廓与轨腰和轨底上的表面曲线相同，第二支撑壳体材料为氧化铝。
所述的磁致伸缩材料层的材料为FeCo合金、FeGa合金、Terfenol-D材料或Ni。
本发明的有益效果是：
本发明基于磁致伸缩效应，通过对扭转导波的产生和在铁轨中聚焦、传播机理的实验研究，形成了一种专门针对铁轨底部缺陷检测的导波声场激发和控制的理论与方法。若本发明能有效地实施，可以方便地在铁轨轨底激发出单一模态的扭转导波，用于铁轨底面缺陷的检测；若在一定范围内的铁路网都安装本发明所述传感器，可构成监测网络，实时在线监测铁轨轨底的缺陷，预防事故的发生，创造更大的经济效益。
附图说明
图1是本发明的安装示意图。
图2是本发明的左侧夹板的详细分解图。
图3是本发明的底部托板的详细分解图。
图4是本发明的磁场布置示意图。
图5是本发明的梳状阵列示意图。
图中：1、铁轨，2、左侧夹板，3、电缆连接口，4、底部托板，5、软质排线，6、右侧夹板，7、第一支撑壳体，8、永磁体层，9、磁致伸缩材料层，10、激励线圈层，11、第二支撑壳体，12、磁致伸缩材料层中的磁场方向，13、瓦状永磁体，14、永磁体极性，15、电流方向，16、梳状阵列，17、梳状阵列间隔。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括底部托板4、结构相同的左侧夹板2和右侧夹板6，左侧夹板2、右侧夹板6分别铰接在底部托板4的两侧，底部托板4安装在铁轨1轨底的下表面，左侧夹板2、右侧夹板6分别安装在铁轨1轨腰的两侧，左侧夹板2、右侧夹板6贴合在铁轨1轨腰和轨底的上表面；如图2所示，左侧夹板2、右侧夹板6和底部托板4均包括第一支撑壳体7和第二支撑壳体11，第一支撑壳体7和第二支撑壳体11之间装有沿铁轨1方向间隔均布的四个梳状阵列16；每个梳状阵列包括磁致伸缩材料层9、激励线圈层10和永磁体层8，激励线圈层10包裹在磁致伸缩材料层9外围后覆盖有永磁体层8，激励线圈层10包裹在磁致伸缩材料层9外围后位于内侧，永磁体层8位于外侧，第二支撑壳体11作为弹性波传递层位于梳状阵列16和铁轨1轨腰之间，左侧夹板2中的四个激励线圈层10和底部托板4中各自对应的激励线圈层10之间通过软质排线连接，右侧夹板6中的四个激励线圈层10和底部托板4中各自对应的激励线圈层10之间通过软质排线5连接。
所述的永磁体层10由沿铁轨1轨腰和轨底的曲线间隔均布的瓦状永磁体13排列而成。瓦状永磁体的永磁体极性14相互交错反向排列。
所述的底部托板4上设有电缆连接口3，底部托板4中的四个激励线圈层中的导线引出连接到电缆连接口3上。
所述的左侧夹板2、右侧夹板6分别弹性地铰接在底部托板4的两侧。
所述的两个相邻的梳状阵列16之间的间距（即梳状阵列间隔17）为传感器所激励的导波波长的1/4。
所述的第二支撑壳体11的外形轮廓与轨腰和轨底上的表面曲线相同，第二支撑壳体11材料为氧化铝。
所述的磁致伸缩材料层9的材料为FeCo合金、FeGa合金、Terfenol-D材料或Ni。
如图1所示，本发明是一种开合式的结构，打开时可以从铁轨下方安装传感器，将左、右侧夹板向中间推挤就可以使传感器紧密地与铁轨底部贴合并固定。
如图3所示，底部托板4中的梳状阵列16的结构与排布与左侧夹板2和右侧夹板6相同，在电缆接口3连接信号电缆，四个梳状阵列16中的激励线圈层10中分别通以经过汉宁窗调制的5周期正弦电流信号，这四路正弦信号的相位依次相差90°；磁致伸缩材料层中的磁场方向12和电流方向15如图4所示，梳状阵列中的激励线圈电流在包围于其中的磁致伸缩材料层中产生激励磁场，方向沿铁轨延伸方向，即垂直于纸面向里；磁致伸缩材料层外侧包围的永磁体层由瓦状永磁体排列而成，N极和S极如图中方向依次放置，激励线圈层10中的激励线圈通电后在磁致伸缩材料层中激发产生沿铁轨延伸方向的交变激励磁场，永磁体层产生与激励磁场垂直的偏置磁场并穿过磁致伸缩材料层，两个方向的磁场合成为扭转磁场，磁致伸缩材料层在扭转磁场的作用下基于磁致伸缩效应产生扭转导波并沿着铁轨轨底传播；如图5所示，第一支撑壳体7中的四个梳状阵列16的梳状阵列间隔17为所激励的导波波长的1/4。
本发明的实施工作过程如下：
将本发明所述的磁致伸缩扭转导波传感器的左侧夹板2和右侧夹板6向两侧打开，使底部托板4的上表面与铁轨轨底下表面的待安装位置贴合，放开左侧夹板2和右侧夹板6，由于铰链处的弹簧作用，可以使传感器抱紧铁轨轨底。在电缆接口3连接信号电缆，四个梳状阵列16中的激励线圈层10中分别通以经过汉宁窗调制的5周期正弦电流信号，这四路正弦信号的相位依次相差90度，四个梳状阵列16在第一个支撑壳体7中的位置间隔为1/4波长，以这种方式激励的四列导波由于导波的相干作用，在铁轨轨底中聚焦产生了模态单一的扭转导波并沿着铁轨轨底向前传播。导波在轨底的传播过程中，遇到缺陷会产生反射，反射回波沿着相反方向传播，并被传感器接收。回波使传感器中的磁致伸缩材料层发生形变，由于逆磁致伸缩效应的存在，机械形变会导致磁场的变化，变化的磁场产生电场，反应在传感器上就是激励线圈层中电压的变化。精确计算激励信号的发射时间和缺陷回波的接收时间，它们的时间差乘以该频率扭转模态导波的波速就可以确定缺陷在铁轨中的精确位置，回波信号的电压大小反应了缺陷的大小。
上述的实施只是用来解释本发明，本发明的具体实施包括但不限于上述提到的，在本发明的权利要求范围内对本发明的任何修改都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于铁轨底部缺陷检测的磁致伸缩扭转导波传感器，其特征在于：包括底部托板（4）、结构相同的左侧夹板（2）和右侧夹板（6），左侧夹板（2）、右侧夹板（6）分别铰接在底部托板（4）的两侧，底部托板（4）安装在铁轨（1）轨底的下表面，左侧夹板（2）、右侧夹板（6）分别安装在铁轨（1）轨腰的两侧，左侧夹板（2）、右侧夹板（6）贴合在铁轨（1）轨腰和轨底的上表面；左侧夹板（2）、右侧夹板（6）和底部托板（4）均包括第一支撑壳体（7）和第二支撑壳体（11），第一支撑壳体（7）和第二支撑壳体（11）之间装有沿铁轨（1）方向间隔均布的四个梳状阵列（16）；每个梳状阵列包括磁致伸缩材料层（9）、激励线圈层（10）和永磁体层（8），激励线圈层（10）包裹在磁致伸缩材料层（9）外围后覆盖有永磁体层（8），第二支撑壳体（11）作为弹性波传递层位于梳状阵列（16）和铁轨（1）轨腰之间，左侧夹板（2）中的四个激励线圈层（10）和底部托板（4）中各自对应的激励线圈层（10）之间通过软质排线连接，右侧夹板（6）中的四个激励线圈层（10）和底部托板（4）中各自对应的激励线圈层（10）之间通过软质排线（5）连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于铁轨底部缺陷检测的磁致伸缩扭转导波传感器，其特征在于：所述的永磁体层（10）由沿铁轨（1）轨腰和轨底的曲线间隔均布的瓦状永磁体（13）排列而成。
3.根据权利要求1所述的一种用于铁轨底部缺陷检测的磁致伸缩扭转导波传感器，其特征在于：所述的底部托板（4）上设有电缆连接口（3），底部托板（4）中的四个激励线圈层中的导线引出连接到电缆连接口（3）上。
4.根据权利要求1所述的一种用于铁轨底部缺陷检测的磁致伸缩扭转导波传感器，其特征在于：所述的左侧夹板（2）、右侧夹板（6）分别弹性地铰接在底部托板（4）的两侧。
5.根据权利要求1所述的一种用于铁轨底部缺陷检测的磁致伸缩扭转导波传感器，其特征在于：所述的两个相邻的梳状阵列（16）之间的间距为传感器所激励的导波波长的1/4。
6.根据权利要求1所述的一种用于铁轨底部缺陷检测的磁致伸缩扭转导波传感器，其特征在于：所述的第二支撑壳体（11）的外形轮廓与轨腰和轨底上的表面曲线相同，第二支撑壳体（11）材料为氧化铝。
7.根据权利要求1所述的一种用于铁轨底部缺陷检测的磁致伸缩扭转导波传感器，其特征在于：所述的磁致伸缩材料层（9）的材料为FeCo合金、FeGa合金、Terfenol-D材料或Ni。
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