CN103954696A - 钢轨探伤仿真试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨探伤仿真试验方法，该方法模拟钢轨探伤车在线运行环境，包括：通过仿真计算机设置钢轨伤损图，试验时根据钢轨伤损图生成对应角度及延时时间的超声波回波仿真数据，传输至信号发生/数据采集器；信号发生/数据采集器通过探轮信号端口检测钢轨探伤检测系统发出的超声波激励信号，根据仿真数据返回超声波回波模拟信号；信号发生/数据采集器同时通过机车速度信号端口向钢轨探伤检测系统输出机车速度模拟信号。钢轨探伤检测系统形成检测伤损图，可与设置伤损图对比验证。本发明克服了现有技术对钢轨探伤检测系统缺乏试验室验证手段、试验成本高和易受环境制约的技术问题，可以随时随地对检测系统工作性能进行验证。

Description

钢轨探伤仿真试验方法

技术领域

本发明涉及一种铁路工程机械的电气设备，尤其是涉及一种应用于铁路工程和维护车辆领域，采用超声波检测方式的钢轨探伤仿真试验方法。

背景技术

在铁路工程和维护车辆领域，超声波钢轨探伤车广泛应用于钢轨的探伤和维护。如附图1所示，一个超声波钢轨探伤系统通常包括：设置在钢轨探伤车上的钢轨探伤检测系统10，以及设置在钢轨探伤车下部的探轮20。当需要进行钢轨探伤操作时，钢轨探伤车控制探轮20压在钢轨30的上表面，钢轨探伤检测系统10向探轮20发出超声波激励脉冲信号，探轮20的超声波压电晶片在交变电场作用下，产生与电场同步的机械振动，这个过程称逆压电效应，发射超声波信号。超声波晶片也可在受到交变压力时，产生交变电场，称正压电效应，实现超声波回波的接收。

超声波探伤应用在钢轨探伤中的原理为：根据超声波的特性，一旦遇到两种不同介质的表面，超声波即会发生反射现象，从而形成一定的超声波回波信号。超声波从钢进入空气时将有100﹪的反射，所以对钢轨缺陷具有良好的检测效果。

探轮20采用轮式结构体，轴中心架装有多组不同检测角度的超声波晶片7，探轮20的轮胎外膜内充满耦合液。当钢轨探伤车运行时，探轮20沿钢轨30滚动，超声波晶片7的移动方向与钢轨30平行。在进行钢轨探伤作业时，由探轮20的超声波晶片发出的超声波信号通常会在探轮模块20与钢轨30之间的接触面，钢轨30内的瑕疵面，以及钢轨30的下表面发生反射，探轮20的超声波晶片接收到超声波回波信号，可以通过压电效应进一步将声波信号转换为电信号，并传送给钢轨探伤检测系统10。钢轨探伤检测系统10则通过对超声波回波信号的时间间隔、大小进行分析，从而得到钢轨30存在伤损情况。

现有钢轨探伤检测系统10通常由多达30余个独立超声波通道的超声波晶片组成，以便对钢轨30进行多角度多方位的立体探伤，并形成钢轨伤损图，为钢轨维修提供了现代化的检测手段。同时，现有钢轨探伤检测系统10的检测接口众多、检测功能繁多，迫切需要开发一套相应的仿真试验方法及其平台。目前，现有技术针对钢轨探伤检测系统10的检测，都是采用实物故障样本进行试验的方式。这种方式存在着诸多缺点，如：制造故障样本困难，样本数量有限，试验台建设工程量大，不能完全模拟机车运行环境等。

目前，针对检测系统的验证方法需要围绕三个方面进行：

一是现有技术采用单板计算机实现系统自诊断，主要验证系统板卡硬件，未对系统所有硬件(如外部接线等)进行验证，对系统检测软件更是一直缺乏有效的验证手段；

二是现有技术采用实物(如伤损钢轨)模拟系统在线运行环境的方式，其显著缺点是故障钢轨样本有限，检测通道不全，无法实现高速工况下的验证，试验台成本极高；

三是现有技术在钢轨探伤检测系统装车后再进行在线验证，极易受到客观环境的制约。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钢轨探伤仿真试验方法，克服现有技术对检测系统缺乏验证手段、试验成本高和易受环境制约的技术问题，采用信号仿真的方式模拟检测系统在伤损钢轨上在线运行时的测试信号，可以随时随地对检测系统工作性能进行验证。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种钢轨探伤仿真试验方法的技术实现方案，包括以下步骤：

S10：通过仿真计算机采用故障特征点人工设置钢轨伤损图，模拟故障的钢轨；

S20：通过所述仿真计算机设置机车速度信号，模拟机车运行，并根据机车运行位置对应的钢轨伤损图依次生成超声波回波参数数据，所述机车运行速度和超声波回波参数数据传输至信号发生/数据采集器；

S30：所述信号发生/数据采集器接收所述仿真计算机输出的机车速度信号和超声波回波参数数据，通过机车速度信号端口向所述钢轨探伤检测系统输出所述机车速度信号；所述信号发生/数据采集器根据机车速度信号计算机车运行位置，依次提取超声波回波参数数据，当检测到所述钢轨探伤检测系统发来的超声波激励信号后，按超声波回波延时值要求返回超声波回波模拟信号。

优选的，所述仿真试验方法还包括以下步骤：

S40：所述钢轨探伤检测系统根据机车速度信号和超声波回波模拟信号生成检测伤损图，根据所述仿真计算机设置的钢轨伤损图与所述钢轨探伤检测系统生成的检测伤损图进行对比验证。

优选的，所述超声波回波参数数据包括对应于所述故障特征点的超声波回波参数数据通道号、有无超声波回波及超声波回波延时值。

优选的，所述步骤S10进一步包括：

根据超声波的反射方向定义所述故障特征点，每个故障特征点能被对应角度的超声波晶片检测到，所述超声波回波参数数据通道号对应的超声波晶片的超声波发射方向与相应的故障特征点的超声波反射方向相反。

优选的，所述步骤S20中对应于所述钢轨中某一故障特征点有超声波回波的检测范围为：

$X-Y\tan \mathrm{\α}-\frac{W}{2\cos \mathrm{\α}}\≤X_1+X_2\≤X-Y\tan \mathrm{\α}+\frac{W}{2\cos \mathrm{\α}}$

其中，X、Y为所述故障特征点在钢轨中的绝对坐标，α为超声波在所述钢轨中的入射角，W为所述超声波晶片的宽度，所述钢轨探伤检测系统、探轮均安装在钢轨探伤车上，X₁为钢轨探伤车的运行位置，X₂为超声波晶片相对于钢轨探伤车的相对坐标。

优选的，所述步骤S20中超声波回波延时值T根据以下公式计算：

2s＝2y/cosα

T₁＝2s/v

T＝T1+T2

其中，x、y为故障特征点在所述钢轨中的坐标，α为超声波在所述钢轨中的入射角，s为超声波在所述钢轨中传播的单程路径长度，v为超声波在钢轨中的传输速度，T₂为超声波在探轮中的传输时间。

优选的，所述步骤S30进一步包括：

信号发生/数据采集器输出两路相差90度的方波信号模拟机车速度信号，根据两路方波信号的组合时序模拟机车运行方向。

优选的，所述步骤S30中信号发生/数据采集器通过D/A转换模拟超声波回波波形，并根据以下公式生成超声波回波参数数据:

其中，参数α是带宽因子，τ是到达时间，f是中心频率，是相位，β是幅度因子，θ是角度，t是时间。

优选的，所述仿真试验方法进一步包括探轮检测过程，该过程包括以下步骤：

将所述信号发生/数据采集器通过超声波发射/接收端口与探轮相连，通过所述仿真计算机设置超声波激励信号周期，控制所述信号发生/数据采集器向所述探轮发送超声波激励信号，并接收来自于所述探轮的超声波回波信号，所述超声波回波信号进行模数转换后传送至所述仿真计算机以图形方式显示检测波形。

优选的，所述仿真试验方法进一步包括钢轨探伤仿真试验系统自检过程，该过程包括以下步骤：

连接所述信号发生/数据采集器的超声波发射/接收端口与探轮信号端口，通过所述仿真计算机设置超声波激励信号，所述超声波激励信号通过所述信号发生/数据采集器的超声波发射/接收端口输出，当所述探轮信号端口检测到超声波激励信号后，按设定的延时时间输出超声波回波模拟信号至所述超声波发射/接收端口，由所述信号发生/数据采集器进行模数转换后传送至所述仿真计算机显示，通过比较显示的参数值与设定的超声波回波信号幅值及回波延时值参数，实现所述钢轨探伤仿真试验系统自检。

通过实施上述本发明提供的钢轨探伤仿真试验方法的技术方案，具有如下技术效果：

(1)本发明可以在仿真计算机上非常方便地设置各种故障伤损图形，模拟各种钢轨的故障及机车运行环境，以验证钢轨探伤检测系统的工作性能；

(2)本发明采用虚拟方式对故障样本进行试验，制造故障样本过程简单，检测通道的数量和故障样本设置方便且不受限制，建设成本低廉，能够实现机车运行环境的完全模拟；

(3)本发明不但能够对钢轨探伤检测系统的软硬件功能和性能进行验证，还能对探轮进行检测，以及对自身的硬件进行自检，能够提供全方位的有效的验证手段；

(4)本发明采用虚拟方式实现系统在线运行环境的模拟，能够实现高速工况下的功能验证，可以在钢轨探伤检测系统装车之前进行模拟在线验证，摆脱了客观环境的制约。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是现有技术钢轨探伤检测系统的系统结构框图；

图2是本发明方法应用的钢轨探伤仿真试验系统一种具体实施方式的钢轨探伤检测系统工作性能试验结构框图；

图3是本发明方法应用的钢轨探伤仿真试验系统一种具体实施方式的探轮试验结构框图；

图4是本发明方法应用的钢轨探伤仿真试验系统一种具体实施方式的自检试验结构框图；

图5是本发明方法应用的钢轨探伤仿真试验装置一种具体实施方式中信号发生/数据采集器的系统结构框图；

图6是本发明方法应用的钢轨探伤仿真试验系统中一种具体实施方式的故障特征点示意图；

图7是本发明方法应用的钢轨探伤仿真试验系统中第二种具体实施方式的故障特征点示意图；

图8是本发明方法应用的钢轨探伤仿真试验系统中第三种具体实施方式的故障特征点示意图；

图9是本发明方法应用的超声波压电晶片检测钢轨故障原理示意图；

图10是本发明方法应用的钢轨探伤仿真试验系统的检测过程示意图；

图11是本发明方法应用的钢轨探伤检测系统发出的超声波激励信号和钢轨探伤仿真试验系统发出的超声波回波模拟信号的波形示意图；

图12是本发明方法应用的钢轨探伤仿真试验系统发出的机车速度模拟信号的波形示意图；

图13是本发明钢轨探伤仿真试验方法一种具体实施方式的程序流程图；

图中：1-钢轨探伤仿真试验装置，2-仿真计算机，3-信号发生/数据采集器，4-第一处理单元，5-第二处理单元，6-故障特征点，7-超声波晶片，8-钢轨螺栓孔，10-钢轨探伤检测系统，20-探轮，30-钢轨。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图2至附图13所示，给出了本发明钢轨探伤仿真试验方法，以及基于本发明仿真试验方法的钢轨探伤仿真试验装置及其系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图2所示，一种用于实现本发明钢轨探伤仿真试验方法的钢轨探伤仿真试验装置的具体实施例，钢轨探伤仿真试验装置1包括：

仿真计算机2，通过USB线或以太网线与信号发生/数据采集器3相连，用于设置钢轨伤损图并存贮，模拟故障的钢轨30；进行仿真试验时，设置机车速度信号，模拟机车运行，根据机车运行位置对应的钢轨伤损图依次生成单位长度的超声波回波参数数据；机车运行速度和超声波回波参数数据通过USB线或以太网线传输至信号发生/数据采集器3。在本发明的具体实施例当中，仿真计算机2是安装有具有超声波直线传播特性图形化仿真软件的计算机。

信号发生/数据采集器3，与外部的钢轨探伤检测系统10相连；通过机车速度信号端口向钢轨探伤检测系统10输出机车速度模拟信号；通过探轮信号端口接收钢轨探伤检测系统10发送的超声波激励信号，以及根据仿真计算机2传输来的超声波回波参数数据向钢轨探伤检测系统10返回超声波回波模拟信号。

钢轨探伤检测系统10由检测到的超声波回波模拟信号经空间转换后得到检测伤损图。

如附图5所示，作为钢轨探伤仿真试验装置1的一种信号发生/数据采集器3的具体实施例，信号发生/数据采集器3包括第一处理单元4、第二处理单元5，第一处理单元4采用USB单片机的处理器实现，通过USB线与仿真计算机2相连进行通讯，将仿真数据传送到由第二处理单元5实现的双口RAM中，第二处理单元5为FPGA器件，一是通过I/O口输出两路相差90度的方波信号模拟转速传感器，对应机车运行时在钢轨上的位置，二是负责多通道信号采集和波形信号产生，检测到钢轨探伤检测系统发送的超声波激励信号后，计数延时产生超声波回波模拟信号。当然，FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)器件的功能也可以采用CPLD(Complex Programable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)、ASIC(Application-Specific Integrated Circuit，特殊应用集成电路)，以及SOPC(System-On-a-Programmable-Chip，可编程片上系统)等逻辑器件实现。FPGA器件实时性好，处理速度极高，在本发明具体实施例中能够实现对应多达30余个通道的同步超声波回波模拟信号。钢轨探伤仿真试验系统1也可通过以太网RJ-45接口与仿真计算机2相连。第二处理单元5通过钢轨探伤检测系统10背板的LCB引线相连，输出超声波回波信号。

如附图6、7和8所示，为钢轨探伤仿真试验系统10中故障特征点6的示意图，每个故障特征点6能被对应角度的超声波晶片7检测到，由这些故障特征点6拟合故障曲线。如附图6中所示为左37度、0度和右37度，如附图7中所示为左70度、右70度，如附图8中所示为钢轨30内侧70度、钢轨外侧70度共7种故障特征点6。

如附图9所示，作为钢轨探伤仿真试验装置一种典型的具体实施例，根据超声波的指向性，在靠近超声波晶片7的检测范围内超声波是直线传播。以钢轨30的表面为基准，有超声波回波信号的条件为：

$X-Y\tan \mathrm{\α}-\frac{W}{2\cos \mathrm{\α}}\≤X_1+X_2\≤X-Y\tan \mathrm{\α}+\frac{W}{2\cos \mathrm{\α}}$

其中，X、Y为故障特征点6在钢轨30中的绝对坐标，α为超声波在钢轨30中的入射角，W为超声波晶片7的宽度，钢轨探伤检测系统10、探轮20均安装在钢轨探伤车上，X₁为钢轨探伤车的运行位置，X₂为超声波晶片7相对于钢轨探伤车的相对坐标。

如附图10中所示为依次采用右37度、0度和左37度特征点表达的钢轨螺栓孔8，这些故障特征点6的垂线表示超声波的反射方向，用这些故障特征点6在仿真计算机2上绘制钢轨伤损图形。

如果超声波晶片7在X轴方向宽度(W/cosα)有几个单位宽，则该故障特征点6放大为几个单位片段。对于钢轨30中某一故障特征点6处，超声波晶片7从发送超声波至接收超声波回波信号的时间T为：

2s＝2y/cosα

T₁＝2s/v

T＝T1+T2

其中，T为对应于钢轨30中某一故障特征点6处超声波晶片7从发送超声波至接收超声波回波信号的时间，x、y为故障特征点在钢轨30中的坐标，α为超声波在钢轨30中的入射角，s为超声波在钢轨30中传播的单程路径长度，v为超声波在钢轨30中的传输速度，T₂为超声波在探轮20中的传输时间。

本发明具体实施例描述的钢轨探伤仿真试验装置1采用虚拟仪器的方式，模拟钢轨探伤检测系统10在线运行环境。钢轨探伤检测系统10由检测到的超声波回波信号经空间转换后得到钢轨伤损图。而具体实施例描述的钢轨探伤仿真试验装置1的工作过程则是其逆向过程，由仿真计算机2上设置钢轨伤损图，然后按超声波传输机理，得到钢轨伤损图形相对应的超声波回波模拟波形，提供给钢轨探伤检测系统10，钢轨探伤检测系统10形成检测伤损图，该检测损伤图可与钢轨探伤仿真试验系统1设置的钢轨伤损图进行比对验证。因此，钢轨探伤仿真试验装置1可作为钢轨探伤检测系统10的出厂试验台用。钢轨探伤仿真试验装置1由基于便携式计算机的仿真计算机2及信号发生/数据采集器3组成，携带方便，可作为钢轨探伤检测系统10的现场检修试验装备。钢轨探伤仿真试验装置1还可以作为钢轨探伤检测系统10的开发研究平台，为其研制提供便利的软硬件验证手段，特别是对地面试验无法实现的机车高速工况下的性能验证。本发明具体实施例针对现有技术中存在的缺点，采用信号仿真的方式模拟钢轨探伤检测系统10在伤损钢轨上在线运行时的测试信号，能够随时随地对钢轨探伤检测系统10的工作性能进行验证。

如附图3和附图4所示，根据应用需要，钢轨探伤仿真试验系统进一步包括探轮20试验和仿真试验装置1自检校验。

如附图3所示，一种钢轨探伤仿真试验系统应用于的探轮试验的具体实施例。探轮20通过一定的压力压在钢轨30上，信号发生/数据采集器3通过超声波发射/接收端口，向探轮20的0度晶片输出超声波激励信号，超声波信号会在探轮20与钢轨30之间的接触面，钢轨30内的瑕疵面，以及钢轨30的下表面发生反射，信号发生/数据采集器3接收来自探轮20的超声波回波信号，超声波回波信号经过模数转换后传送至仿真计算机2以图形方式显示检测波形，对探轮20的现场工作性能及接线进行验证。

如附图4所示，一种用于实现本发明钢轨探伤仿真试验方法的钢轨探伤仿真试验系统的具体实施例。连接信号发生/数据采集器3的超声波发射/接收端口与探轮信号端口，通过仿真计算机2设置超声波激励信号参数，传输至信号发生/数据采集器3，信号发生/数据采集器3通过超声波发射/接收端口输出超声波激励信号，探轮信号端口检测到后，按仿真计算机2设定的超声波回波幅值、超声波延时时间输出超声波回波模拟信号至超声波发射/接收端口，信号发生/数据采集器3模数转换后送仿真计算机3上显示，通过比较仿真计算机2回波模拟信号参数设定值与检测显示值，实现钢轨探伤仿真试验装置1的自检。

如附图10所示，为本发明方法应用的钢轨探伤仿真试验系统的检测过程示意图，图中分别表示了三个模拟的圆孔缺陷，左探轮右37度、中探轮0度、右探轮左37度超声波的传播路径。超声波的声束采用射线表示，当其遇到同角度的特征点后，会按照发射方向原路返回。

如附图11所示，一种钢轨探伤仿真试验方法的具体实施例，该方法包括以下步骤：

S10：通过仿真计算机2设置钢轨伤损图并存贮，按单位长度数字化模拟故障的钢轨30；

S20：通过仿真计算机2设置机车速度信号，模拟机车运行，并根据机车运行位置对应的钢轨伤损图依次生成单位长度的超声波回波参数数据，主要包括对应故障特征点6的超声波回波参数数据通道号、有无超声波回波及超声波回波延时值；机车运行速度及超声波回波参数数据通过USB线或以太网线传输至信号发生/数据采集器3；

S30：信号发生/数据采集器3接收仿真计算机2发出的超声波回波参数数据，保存在数据缓冲区中；通过机车速度信号端口向钢轨探伤检测系统10输出步骤S20中设置的机车速度信号；信号发生/数据采集器3根据机车速度信号计算出机车运行位置，在数据缓冲区中依次提取超声波回波参数数据，在探轮信号端口检测到钢轨探伤检测系统10发来的超声波激励信号后，按超声波回波延时值要求返回超声波回波模拟信号。

本发明具体实施例通过仿真计算机2设置的机车速度信号用于模拟真实情况下的机车速度信号，超声波回波模拟信号用于模拟真实情况下的超声波回波信号。

作为本发明一种较佳的具体实施例，仿真试验方法还包括以下步骤：

S40：钢轨探伤检测系统10根据机车速度信号和超声波回波模拟信号生成检测伤损图，根据仿真计算机2设置的钢轨伤损图与钢轨探伤检测系统10生成的检测伤损图进行对比验证。

作为本发明的另一种具体实施例，仿真试验方法还包括以下的探轮校验步骤：

S50：通过仿真计算机2设置超声波发射周期，传输控制指令至信号发生/数据采集器3，信号发生/数据采集器3通过超声波发射/接收端口向外部的探轮20输出超声波激励信号，并接收来自探轮20的超声波回波信号，进行模数转换后传输检测数据至仿真计算机2，仿真计算机2以图形方式显示检测波形。

作为本发明的第三种具体实施例，仿真试验方法还包括以下的仿真试验系统自检校验步骤：

S60：连接信号发生/数据采集器3的超声波发射/接收端口与探轮信号端口，通过仿真计算机2设置超声波激励信号参数，传输至信号发生/数据采集器3，信号发生/数据采集器3通过超声波发射/接收端口输出超声波激励信号，探轮信号端口检测到后，按仿真计算机2设定的超声波回波幅值、超声波延时时间输出超声波回波模拟信号至超声波发射/接收端口，由信号发生/数据采集器3进行模数转换后传送至仿真计算机2上显示，通过比较仿真计算机2的超声波回波模拟信号参数设定值与检测显示值，实现钢轨探伤仿真试验系统10的自检。

作为本发明一种较佳的具体实施例，步骤S10还进一步包括故障钢轨模拟过程，该过程包括以下步骤：

根据超声波的反射方向定义附图6、7、8中所示的故障特征点6，每个故障特征点6能被对应角度的超声波晶片7检测到，对应步骤S20中超声波回波参数数据的通道号，该超声波晶片7的超声波发射方向与故障特征点6表示的反射方向相反。钢轨伤损图采用附图6、7、8中所示的故障特征点6拟合设置钢轨30的缺陷故障。将故障的钢轨30按单位长度片段顺序号(即附图9中的坐标x)存贮，每个片段序包括故障特征点6和故障深度(即附图9中的坐标y)信息。故障特征点6采用D31～D0共32位表示相应位，对应位值为1表示有该故障特征点6，0表示无故障特征点6，每个片段可有多种故障特征点6。在钢轨30图形上放置故障特征点6，用点拟合画出故障缺陷线并存贮，就完成了故障钢轨30的模拟。

作为本发明一种较佳的具体实施例，步骤S20进一步包括仿真数据生成过程，该过程包括以下步骤：

通过仿真计算机2设置机车速度信号，模拟机车运行，根据机车运行位置对应的钢轨伤损图依次生成单位长度的超声波回波参数数据，主要包括对应故障特征点6的超声波回波参数数据(超声波检测)通道号、有无超声波回波及超声波回波延时值。机车速度信号及超声波回波参数数据通过USB线或以太网线传输至信号发生/数据采集器3。

由于故障特征点6对应相应的超声波晶片类型，不同探轮2可能有相同类型的超声波晶片7，因此生成对应故障特征点6的超声波通道号可能有几个，该通道号对应的超声波晶片7能否检测到对应的故障特征点6，与超声波晶片7的位置及其宽度有关。根据超声波的指向性，在靠近超声波晶片7的检测范围内超声波是直线传播。以钢轨30的表面为基准，有超声波回波信号的条件为：

$X-Y\tan \mathrm{\α}-\frac{W}{2\cos \mathrm{\α}}\≤X_1+X_2\≤X-Y\tan \mathrm{\α}+\frac{W}{2\cos \mathrm{\α}}$

其中，X、Y为故障特征点6在钢轨30中的绝对坐标，α为超声波在钢轨30中的入射角，W为超声波晶片7的宽度，钢轨探伤检测系统10、探轮20均安装在钢轨探伤车上，X₁为钢轨探伤车的运行位置，X₂为超声波晶片7相对于钢轨探伤车的相对坐标。

如附图11所示，为钢轨探伤检测系统10发出的超声波激励信号和钢轨探伤仿真试验装置1返回的超声波回波模拟信号的波形示意图。钢轨探伤检测系统10发出如附图11中上半部分所示的超声波激励脉冲信号A，而由钢轨探伤仿真试验装置1返回的超声波回波模拟信号则如附图11中下半部分所示。其中，信号B为模拟超声波信号在探轮20的耦合液介质与钢轨30上表面交界处的超声波回波模拟信号，该信号的特征是信号强度最强，而且处于超声波回波信号的最前端。信号C为超声波信号在钢轨30缺陷处的超声波回波模拟信号，其特征是处于信号B之后，在超声波激励信号发生T时间后被接收到，且缺陷处的面积越大，超声波回波信号的强度越强。信号D为模拟超声波信号在钢轨30下表面处的超声波回波模拟信号，其特征是处于信号C之后出现，同时由于传输距离较长，超声波回波模拟信号的强度较小。

如果超声波晶片7在X轴方向的宽度(W/cosα)有几个单位宽，则该故障特征点6放大为几个单位片段。对于钢轨30中某一故障特征点6处超声波晶片7从发送超声波至接收超声波回波信号的时间T：

2s＝2y/cosα

T₁＝2s/v

T＝T1+T2

其中，T为对应于钢轨30中某一故障特征点6处超声波晶片7从发送超声波至接收超声波回波信号的时间，x、y为故障特征点6在钢轨30中的坐标，α为超声波在钢轨30中的入射角，s为超声波在钢轨30中传播的单程路径长度，v为超声波在钢轨30中的传输速度，T₂为超声波在探轮20中的传输时间。

仿真计算机2生成每个检测通道的仿真数据后，传输至信号发生/数据采集器3。

作为本发明一种较佳的具体实施例，步骤S30进一步包括信号仿真过程，该过程包括以下步骤：

信号发生/数据采集器3产生电信号模拟钢轨探伤检测系统10在线运行环境。一方面产生转速传感器的机车速度信号，模拟机车运行。同时多路并行检测来自钢轨探伤检测系统10的超声波激励信号，按设置的钢轨伤损图模拟返回探轮20在故障钢轨30上的超声波回波。

如附图12所示，信号发生/数据采集器3通过I/O口输出两路相差90度的方波信号模拟转速传感器采集的机车速度信号，根据状态组合时序模拟机车运行方向，如AB信号按→10→11→01→00→周期性规律变化，按箭头方向变化表示机车前进方向，为正；反之则为负。方波的频率f:

$f=\frac{\mathrm{Kv}}{\mathrm{\πD}}$

其中，K为转速传感器每周的脉冲数，v为机车速度，D为机车车轮直径。

信号发生/数据采集器3通过D/A转换模拟超声波回波信号:

其中，参数α是带宽因子，τ是到达时间，f是中心频率，是相位，β是幅度因子，θ是角度，t是时间。到达时间τ与反射体的位置和传输路径有关，反映着声程距离，带宽因子决定着超声波回波的带宽或者超声波回波在时域上的持续时间，中心频率f主要由超声波晶片7的频率特征决定，超声波回波的幅度和相位则反映着反射体的阻抗、面积和方位。令ω＝2πf，那么A(t)函数表征回波的幅度按照指数衰减规律进行变化，超声波回波的时域表达式可简化如下：利用A(t)与调制得到需要的超声波回波信号。

作为本发明一种较佳的具体实施例，步骤S30的钢轨探伤检测系统10工作性能试验过程进一步包括以下步骤：

将所述信号发生/数据采集器3与钢轨探伤检测系统10相连，仿真计算机2向第一处理单元4以串行通讯方式传输仿真数据，仿真数据传输至第二处理单元5，并保存于数据缓冲区，第二处理单元5并行模拟多路探轮20检测，当检测到钢轨探伤检测系统10发来的超声波激励信号后，将仿真数据数模转换为超声波回波的电信号。钢轨探伤检测系统10生成检测伤损图，该图可与仿真计算机2设置的钢轨伤损图对比验证，两图应一致性好，显示机车速度一致，故障特征点6不丢失。

作为本发明一种较佳的具体实施例，步骤S50的探轮20校验过程进一步包括以下步骤：

将信号发生/数据采集器3与探轮20相连，探轮20压在钢轨30上，通过仿真计算机2设置超声波激励信号周期，仿真计算机2控制信号发生/数据采集器3向探轮20发送超声波激励信号，并接收来自于探轮20的超声波回波信号，经过模数转换后传送至仿真计算机2以图形方式显示检测波形，测试0度超声波在探轮20中的传输时间及钢轨30中的传播时间。

作为本发明一种较佳的具体实施例，步骤S60的钢轨探伤仿真试验系统10自检试验过程进一步包括以下步骤：

连接信号发生/数据采集器3的超声波发射/接收端口与探轮信号端口，通过仿真计算机2设置超声波激励信号，仿真计算机2控制信号发生/数据采集器3通过超声波发射/接收端口输出，探轮信号端口检测到超声波激励信号后，按设定延时时间输出超声波回波模拟信号至超声波发射/接收端口，超声波回波模拟信号由信号发生/数据采集器3进行模数转换后传送至仿真计算机2上显示，通过比较设定的超声波回波幅值及延时值参数与检测显示值参数，实现钢轨探伤仿真试验系统10自检。

通过实施本发明具体实施例描述的钢轨探伤仿真试验方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的方法采用人工设置钢轨伤损图的建模方法，然后用虚拟仪器生成超声波回波模拟信号的仿真方法，可以在计算终端上非常方便地设置各种故障伤损图形，模拟各种钢轨的故障及机车运行环境，以验证检测系统的工作性能；

(2)本发明具体实施例描述的方法采用虚拟方式对故障样本进行试验，制造故障样本过程简单，检测通道的数量和故障样本设置方便且不受限制，建设成本低廉，能够实现机车运行环境的完全模拟；

(3)本发明具体实施例描述的方法不但能够对钢轨探伤检测系统的软硬件功能和性能进行验证，还能对探轮进行检测，以及对自身的硬件进行自检，能够提供全方位、有效的验证手段；

(4)本发明具体实施例描述的方法采用虚拟方式实现钢轨探伤检测系统在线运行环境的模拟，能够实现高速工况下的功能验证，可以在钢轨探伤检测系统装车之前进行模拟在线验证，摆脱了客观环境的制约。

专业人员还可以进一步意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的单元及步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、各种可编程逻辑器件、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或本技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。执行软件模块的处理器可以是中央处理器(CPU)、嵌入式处理器、微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、单片机、片上系统(SOC)、可编程逻辑器件，以及本技术领域内所公知的任意其他形式的具有控制、处理功能的器件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种钢轨探伤仿真试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：通过仿真计算机(2)采用故障特征点(6)人工设置钢轨伤损图，模拟故障的钢轨(30)；

S20：通过所述仿真计算机(2)设置机车速度信号，模拟机车运行，并根据机车运行位置对应的钢轨伤损图依次生成超声波回波参数数据，所述机车运行速度和超声波回波参数数据传输至信号发生/数据采集器(3)；

S30：所述信号发生/数据采集器(3)接收所述仿真计算机(2)输出的机车速度信号和超声波回波参数数据，向钢轨探伤检测系统(10)输出所述机车速度信号；所述信号发生/数据采集器(3)根据机车速度信号计算机车运行位置，依次提取超声波回波参数数据，当检测到所述钢轨探伤检测系统(10)发来的超声波激励信号后，按超声波回波延时值要求返回超声波回波模拟信号。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨探伤仿真试验方法，其特征在于，所述仿真试验方法还包括以下步骤：

S40：所述钢轨探伤检测系统(10)根据机车速度信号和超声波回波模拟信号生成检测伤损图，根据所述仿真计算机(2)设置的钢轨伤损图与所述钢轨探伤检测系统(10)生成的检测伤损图进行对比验证。

3.根据权利要求1或2所述的一种钢轨探伤仿真试验方法，其特征在于，所述超声波回波参数数据包括对应于所述故障特征点(6)的超声波回波参数数据通道号、有无超声波回波及超声波回波延时值。

4.根据权利要求3所述的一种钢轨探伤仿真试验方法，其特征在于，所述步骤S10进一步包括：

根据超声波的反射方向定义所述故障特征点(6)，每个故障特征点(6)能被对应角度的超声波晶片(7)检测到，所述超声波回波参数数据通道号对应的超声波晶片(7)的超声波发射方向与相应的故障特征点(6)的超声波反射方向相反。

5.根据权利要求4所述的一种钢轨探伤仿真试验方法，其特征在于，所述步骤S20中对应于所述钢轨(30)中某一故障特征点(6)有超声波回波的检测范围为：

$X-Y\tan \mathrm{\α}-\frac{W}{2\cos \mathrm{\α}}\≤X_1+X_2\≤X-Y\tan \mathrm{\α}+\frac{W}{2\cos \mathrm{\α}}$

其中，X、Y为所述故障特征点(6)在钢轨(30)中的绝对坐标，α为超声波在所述钢轨(30)中的入射角，W为所述超声波晶片(7)的宽度，所述钢轨探伤检测系统(10)、探轮(20)均安装在钢轨探伤车上，X₁为钢轨探伤车的运行位置，X₂为超声波晶片(7)相对于钢轨探伤车的相对坐标。

6.根据权利要求4或5所述的一种钢轨探伤仿真试验方法，其特征在于，所述步骤S20中超声波回波延时值T根据以下公式计算：

2s＝2y/cosα

T₁＝2s/v

T＝T1+T2

其中，x、y为故障特征点(6)在所述钢轨(30)中的坐标，α为超声波在所述钢轨(30)中的入射角，s为超声波在所述钢轨(30)中传播的单程路径长度，v为超声波在钢轨(30)中的传输速度，T₂为超声波在探轮(20)中的传输时间。

7.根据权利要求6所述的一种钢轨探伤仿真试验方法，其特征在于，所述步骤S30进一步包括：

信号发生/数据采集器(3)输出两路相差90度的方波信号模拟机车速度信号，根据两路方波信号的组合时序模拟机车运行方向。

8.根据权利要求4、5、7中任一权利要求所述的一种钢轨探伤仿真试验方法，其特征在于，所述步骤S30中信号发生/数据采集器(3)通过D/A转换模拟超声波回波波形，并根据以下公式生成超声波回波参数数据:

其中，参数α是带宽因子，τ是到达时间，f是中心频率，是相位，β是幅度因子，θ是角度，t是时间。

9.根据权利要求1、2、4、5、7中任一权利要求所述的一种钢轨探伤仿真试验方法，其特征在于，所述仿真试验方法进一步包括探轮检测过程，该过程包括以下步骤：

将所述信号发生/数据采集器(3)通过超声波发射/接收端口与探轮(20)相连，通过所述仿真计算机(2)设置超声波激励信号周期，控制所述信号发生/数据采集器(3)向所述探轮(20)发送超声波激励信号，并接收来自于所述探轮(20)的超声波回波信号，所述超声波回波信号进行模数转换后传送至所述仿真计算机(2)以图形方式显示检测波形。

10.根据权利要求1、2、4、5、7中任一权利要求所述的一种钢轨探伤仿真试验方法，其特征在于，所述仿真试验方法进一步包括钢轨探伤仿真试验系统(1)自检过程，该过程包括以下步骤：

连接所述信号发生/数据采集器(3)的超声波发射/接收端口与探轮信号端口，通过所述仿真计算机(2)设置超声波激励信号，所述超声波激励信号通过所述信号发生/数据采集器(3)的超声波发射/接收端口输出，当所述探轮信号端口检测到超声波激励信号后，按设定的延时时间输出超声波回波模拟信号至所述超声波发射/接收端口，由所述信号发生/数据采集器(3)进行模数转换后传送至所述仿真计算机(2)显示，通过比较显示的参数值与设定的超声波回波信号幅值及超声波回波延时值，实现所述钢轨探伤仿真试验系统(1)自检。