CN104020221A - 一种基于超声导波的实时断轨检测定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声导波的实时断轨检测定位系统，所述基于超声导波的实时断轨检测定位系统是由太阳能供电或有线电源系统、超声波探头、发射定位节点、接收定位节点、端头节点以及上位机终端组成的。本发明该系统能够实时检测长距离钢轨是否损伤或断裂，并能够检测到断轨的精确位置和损伤的大小，解决现有技术无法实时长距离断轨检测并定位的问题，同时采用基于钢轨传输介质的超声导波信号实现各节点报警数据的传输，解决现有通信技术信号差、费用高昂的问题。

Description

一种基于超声导波的实时断轨检测定位系统

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种基于超声导波的实时断轨检测定位系统。

背景技术

自从轨道交通诞生以来，断轨就一直是影响轨道交通安全的首要问题。随着经济发展，铁路客运高速化、货运重载化的趋势越来越明显。而在铁路运输系统中，钢轨起着支撑列车和引导列车轮前进的作用。当轮对通过钢轨接缝、列车加速或制动以及通过岔道时，钢轨会受到来自各个方向的摩擦、挤压和冲击作用力，由于钢轨材质以及构造结构的原因，钢轨在受到这些作用力时极易发生损伤。钢轨线路的养护、自然灾害和气候条件等外界因素的影响也容易发生断裂，钢轨轨温发生变化，由于热胀冷缩，钢轨内部会长生很大的温度应力，此时该应力如果作用在各种缺陷部位，很容易发生钢轨的断裂。如果出现钢轨断裂将有可能造成列车出轨、倾覆等重大行车安全事故，会造成人员伤亡和巨额财产损失。因而有效地断轨检测方法研究和检测设备的研制非常重要。

国内外在断轨检测方面取得了一定的成果，先后出现了电路检测原理、机械波检测原理和其他检测原理等断轨检测方法，检测设备也分为了轨旁式、便携式和车载式等。

所谓电路检测方法主要通过轨道电路来实现的。轨道电路的主要目的是检测轨道区段是否被列车占用，同时具有断轨检测的辅助功能。它的关键设备是中央发送两端接收式无绝缘轨道电路，通过定性分析，说明安装在轨道上的电流传感器自身及其组合信号有效表征了是否发生了断轨。这种检测方法容易受到轨道周边电气设备的干扰，导致测量失效，在雨水充沛或者道床泄露阻抗较小的地方会经常发生短路现象，产生误报。机械波原理检测方法属于无损检测范畴，它既能判断钢轨断裂，又能检测出钢轨内部的金属损伤。随着超声波技术的发展，出现了超声波探伤设备，主要有高速钢轨探伤车、手推式超声波钢轨探伤仪和大型探伤车。但这些检测设备均属于离线式探伤，因此无法对断轨现象进行实时在线监测。其他断轨检测方法还有如钢轨埋植应力传感器，即在钢轨上每隔十几米的间隔上安装测定钢轨纵向应力的传感器，每隔传感器通过无线传输或有线传输把钢轨应力变化和环境温度发送给主控制站，通过实时监测钢轨应力的变化判断钢轨是否断裂，但这种检测方法对压紧的断轨敏感度小，探测范围小，不适合复杂的轨道结构，此方法在对传感器的安装测量点进行压力校准，所以需要截断钢轨来获得零压力点，因而在实际应用是不可取的。另外还有光纤检测法，即将标准的单模光导纤维采用强力胶紧密黏贴于轨头底部的轨腰侧面，在光导纤维的一端接入特定波长的光源，在它的另一端安装接收器将光信号转化为电信号，通过计算机进行实时监控，接收端如果接收不到光信号则启动断轨报警，但光纤非常的脆弱，容易折断，后续维护费用较高。综上，国内目前还没有一种特别适用于实时长距离断轨检测定位方案。另外，如何实现安装在轨旁的检测装置与远程上位机终端是检测系统必须面临的问题，现有通信方式中GPRS无线通信方式存在信号盲区且通信费用高昂的问题，有线通信方式则存在施工难度大、成本高的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种基于超声导波的实时断轨检测定位系统，该系统能够实时检测长距离钢轨是否损伤或断裂，并能够检测到断轨的精确位置和损伤的大小，解决现有技术无法实时长距离断轨检测并定位的问题，同时采用基于钢轨传输介质的超声导波信号实现各节点报警数据的传输，解决现有通信技术信号差、费用高昂的问题。其具体技术方案为：

一种基于超声导波的实时断轨检测定位系统，采用由发射定位节点和接收定位节点交互排列、检测区域一端设置端头节点的检测方法，在钢轨上，通过发射定位节点向固定在钢轨轨腰上的超声波探头发射激励信号，激励信号通过超声波探头内的压电陶瓷转换为功率较高的超声导波信号，超声导波信号经过钢轨长距离的传输，在接收节点的接收定位节点处由超声波探头接收到，探头将振动信号转换为电信号，接收板电路再对该信号进行滤波放大、信号特征分析等处理，来确定接收模块和发射模块之间的钢轨完整情况。然后再根据接收模块和发射模块间钢轨完整情况，如果某段钢轨断裂，则启动该钢轨两端的损伤定位模块，得到损伤或断轨的具体位置和损伤的大小。之后损伤定位模块将断轨信息采用超声导波通信方式基于钢轨介质传送到端头节点，端头节点以有线或无线方式将数据传送到上位机终端。

所述超声导波实时断轨检测系统是由太阳能供电或有线电源系统、超声波探头、发射定位节点、接收定位节点、端头节点以及上位机终端组成的。

所述超声波探头安装在钢轨轨腰上。

所述发射定位节点包括电源模块、发射模块、损伤定位模块、超声导波通信模块组成；所述电源模块为发射模块、损伤定位模块和超声导波通信模块提供工作所需电源；所述发射模块负责发射超声波探头所需的激励信号；所述损伤定位模块负责在轨道发生断裂的状态下发射超声导波信号，并接收从断裂处反射回来的超声导波信号，对其特征参数进行判别，利用回波法确定轨道断裂的精确位置；所述超声导波通信模块负责以超声导波的通信方式传送要发送到上位机终端或其它节点的信息。

所述接收定位节点包括电源模块、接收模块、损伤定位模块、超声导波通信模块组成；所述电源模块为接收模块、损伤定位模块和超声导波通信模块提供工作所需电源；所述接收模块负责接收超声波探头的信号；所述损伤定位模块负责在轨道发生断裂的状态下发射超声导波信号，并接收从断裂处反射回来的超声导波信号，对其特征参数进行判别，利用回波法确定轨道断裂的精确位置；所述超声导波通信模块负责以超声导波的通信方式传送要发送到上位机终端或其它节点的信息。

所述端头节点包括电源模块、接收或发射模块、损伤定位模块、有线或GPRS无线通信模块组成；所述电源模块为接收或发射模块、损伤定位模块和GPRS无线或有线通信模块提供工作所需电源；所述接收或发射模块负责接收超声波探头的信号或发射超声波探头所需的激励信号；所述损伤定位模块负责在轨道发生断裂的状态下发射超声导波信号，并接收从断裂处反射回来的超声导波信号，对其特征参数进行判别，利用回波法确定轨道断裂的精确位置；所述有线或GPRS无线通信模块负责以有线或GPRS无线通信方式传送要发送到上位机终端的信息。

所述上位机终端包括有线或GPRS无线通信模块和计算机组成，计算机中安装有实时断轨检测定位系统功能模块；所述实时断轨检测定位系统功能模块具有检测区段和报警信息的查询，系统参数设置等功能。

所述发射定位节点和接收定位节点通过信号发射及接收情况，根据相关的算法来判断所述发射定位节点和接收定位节点间钢轨是否有损伤，若有损伤，则启动所述发射定位节点和接收定位节点中的所述损伤定位装置，并根据相应的脉冲回波算法计算损伤位置离损伤定位装置的距离。所述脉冲回波算法为：

两端损伤定位模块均采用同端激励、同端接收的方式，设发射定位节点和接收定位节点的距离为L，若检测到某段钢轨发生损伤或断轨时，则由该断轨两端的损伤定位装置向中间发射断轨定位信号，假设距接收模块x处有裂纹，则有下式成立：

x＝1/2*T1*C        (1)

x＝L-1/2*T2*C    (2)

若T1＜T2时，用(1)式计算，若T1＞T2时，用(2)使计算，

其中：x为接收模块与裂纹处间距离；

T1为发射模块中损伤定位装置从发射到接收回波信号的时间间隔；

T2为接收模块中损伤定位装置从发射到接收回波信号的时间间隔；

C为钢轨中声波波速。

当确定了损伤或断轨的具体位置，再根据反射回来的超声回波信号幅值大小，以及超声回波信号与所发射的超声导波信号的相对幅值以及绝对幅值，来确定损伤的大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明可以实时检测某段钢轨的损伤或裂纹的情况，并能够用脉冲回波算法对损伤或裂纹位置进行精确定位，将钢轨是否断裂和断裂位置实时发送给上位机终端，铁路工作人员可在第一时间赶到断轨发生处，进行抢修。同时，本发明采用超声导波通信实现各节点到端头节点间的通信，只有端头节点与上位机终端间需要以有线或GPRS无线通信的方式，解决了现有通信技术中存在信号盲区和费用高昂的问题。

附图说明

图1是本发明超声导波实时断轨检测定位系统架构图；

图2是本发明超声导波实时断轨检测定位系统发射定位节点结构图；

图3是本发明超声导波实时断轨检测定位系统接收定位节点结构图；

图4是本发明超声导波实时断轨检测定位系统端头节点结构图；

图5是本发明实施例钢轨损伤处定位方法。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参照图1，一种基于超声导波的实时断轨检测定位系统，采用由发射定位节点和接收定位节点交互排列、检测区域一端设置端头节点的检测方法，在钢轨上，通过发射定位节点向固定在钢轨轨腰上的超声波探头发射激励信号，激励信号通过超声波探头内的压电陶瓷转换为功率较高的超声导波信号，超声导波信号经过钢轨长距离的传输，在接收节点的接收定位节点处由超声波探头接收到，探头将振动信号转换为电信号，接收板电路再对该信号进行滤波放大、信号特征分析等处理，来确定接收模块和发射模块之间的钢轨完整情况。然后再根据接收模块和发射模块间钢轨完整情况，如果某段钢轨断裂，则启动该钢轨两端的损伤定位模块，得到损伤或断轨的具体位置和损伤的大小。之后损伤定位模块将断轨信息采用超声导波通信方式基于钢轨介质传送到端头节点，端头节点以有线或无线方式将数据传送到上位机终端。

所述超声导波实时断轨检测系统是由太阳能供电或有线电源系统、超声波探头、发射定位节点、接收定位节点、端头节点以及上位机终端组成的。

所述超声波探头安装在钢轨轨腰上。

如图2所示，所述发射定位节点包括电源模块、发射模块、损伤定位模块、超声导波通信模块组成；所述电源模块为发射模块、损伤定位模块和超声导波通信模块提供工作所需电源；所述发射模块负责发射超声波探头所需的激励信号；所述损伤定位模块负责在轨道发生断裂的状态下发射超声导波信号，并接收从断裂处反射回来的超声导波信号，对其特征参数进行判别，利用回波法确定轨道断裂的精确位置；所述超声导波通信模块负责以超声导波的通信方式传送要发送到上位机终端或其它节点的信息。

如图3所示，所述接收定位节点包括电源模块、接收模块、损伤定位模块、超声导波通信模块组成；所述电源模块为接收模块、损伤定位模块和超声导波通信模块提供工作所需电源；所述接收模块负责接收超声波探头的信号；所述损伤定位模块负责在轨道发生断裂的状态下发射超声导波信号，并接收从断裂处反射回来的超声导波信号，对其特征参数进行判别，利用回波法确定轨道断裂的精确位置；所述超声导波通信模块负责以超声导波的通信方式传送要发送到上位机终端或其它节点的信息。

如图4所示，所述端头节点包括电源模块、接收或发射模块、损伤定位模块、有线或GPRS无线通信模块组成；所述电源模块为接收或发射模块、损伤定位模块和GPRS无线或有线通信模块提供工作所需电源；所述接收或发射模块负责接收超声波探头的信号或发射超声波探头所需的激励信号；所述损伤定位模块负责在轨道发生断裂的状态下发射超声导波信号，并接收从断裂处反射回来的超声导波信号，对其特征参数进行判别，利用回波法确定轨道断裂的精确位置；所述有线或GPRS无线通信模块负责以有线或GPRS无线通信方式传送要发送到上位机终端的信息。

所述上位机终端包括有线或GPRS无线通信模块和计算机组成，计算机中安装有实时断轨检测定位系统功能模块；所述实时断轨检测定位系统功能模块具有检测区段和报警信息的查询，系统参数设置等功能。

所述发射定位节点和接收定位节点通过信号发射及接收情况，根据相关的算法来判断所述发射定位节点和接收定位节点间钢轨是否有损伤，若有损伤，则启动所述发射定位节点和接收定位节点中的所述损伤定位装置，并根据相应的脉冲回波算法计算损伤位置离损伤定位装置的距离。所述脉冲回波算法为：

两端损伤定位模块均采用同端激励、同端接收的方式，设发射定位节点和接收定位节点的距离为L，若检测到某段钢轨发生损伤或断轨时，则由该断轨两端的损伤定位装置向中间发射断轨定位信号，假设距接收模块x处有裂纹，则有下式成立：

x＝1/2*T1*C        (1)

x＝L-1/2*T2*C    (2)

若T1＜T2时，用(1)式计算，若T1＞T2时，用(2)使计算，

其中：x为接收模块与裂纹处间距离；

T1为发射模块中损伤定位装置从发射到接收回波信号的时间间隔；

T2为接收模块中损伤定位装置从发射到接收回波信号的时间间隔；

C为钢轨中声波波速。

当确定了损伤或断轨的具体位置，再根据反射回来的超声回波信号幅值大小，以及超声回波信号与所发射的超声导波信号的相对幅值以及绝对幅值，来确定损伤的大小。

本发明实施例，如图5所示，设在信号的发射模块和接收模块的损伤定位装置分别用超声波传感器与钢轨相连，两端损伤定位装置均采用同端激励、同端接收的方式，设发射模块和接收模块的距离为L，若检测到某段钢轨发生损伤或断轨时，则由该断轨两端的损伤定位装置向中间发射超声波信号，假设距接收模块x处有裂纹，则有下式成立：

x＝1/2*T1*C        (1)

x＝L-1/2*T2*C    (2)

若T1＜T2时，用(1)式计算，若T1＞T2时，用(2)使计算，

其中：x为接收模块与裂纹处间距离

T1为发射模块中损伤定位装置从发射到接收回波信号的时间间隔。

T2为接收模块中损伤定位装置从发射到接收回波信号的时间间隔。

C为钢轨中声波波速。

当确定了损伤或断轨的具体位置，再根据反射回来的超声回波信号幅值大小，以及超声回波信号与所发射的超声导波信号的相对幅值以及绝对幅值，来确定损伤的大小。

Claims (8)

1.一种基于超声导波的实时断轨检测定位系统，其特征在于，采用由发射定位节点和接收定位节点交互排列、检测区域一端设置端头节点的检测方法，在钢轨上，通过发射定位节点向固定在钢轨轨腰上的超声波探头发射激励信号，激励信号通过超声波探头内的压电陶瓷转换为功率较高的超声导波信号，超声导波信号经过钢轨长距离的传输，在接收节点的接收定位节点处由超声波探头接收到，探头将振动信号转换为电信号，接收板电路再对该信号进行滤波放大、信号特征分析等处理，来确定接收模块和发射模块之间的钢轨完整情况；然后再根据接收模块和发射模块间钢轨完整情况，如果某段钢轨断裂，则启动该钢轨两端的损伤定位模块，得到损伤或断轨的具体位置和损伤的大小，之后损伤定位模块将断轨信息采用超声导波通信方式基于钢轨介质传送到端头节点，端头节点以有线或无线方式将数据传送到上位机终端；

所述基于超声导波的实时断轨检测定位系统是由太阳能供电或有线电源系统、超声波探头、发射定位节点、接收定位节点、端头节点以及上位机终端组成的。

2.根据权利要求1所述的基于超声导波的实时断轨检测定位系统，其特征在于，所述超声波探头安装在钢轨轨腰上。

3.根据权利要求1所述的基于超声导波的实时断轨检测定位系统，其特征在于，所述发射定位节点包括电源模块、发射模块、损伤定位模块、超声导波通信模块组成；所述电源模块为发射模块、损伤定位模块和超声导波通信模块提供工作所需电源；所述发射模块负责发射超声波探头所需的激励信号；所述损伤定位模块负责在轨道发生断裂的状态下发射超声导波信号，并接收从断裂处反射回来的超声导波信号，对其特征参数进行判别，利用回波法确定轨道断裂的精确位置；所述超声导波通信模块负责以超声导波的通信方式传送要发送到上位机终端或其它节点的信息。

4.根据权利要求1所述的基于超声导波的实时断轨检测定位系统，其特征在于，所述接收定位节点包括电源模块、接收模块、损伤定位模块、超声导波通信模块组成；所述电源模块为接收模块、损伤定位模块和超声导波通信模块提供工作所需电源；所述接收模块负责接收超声波探头的信号；所述损伤定位模块负责在轨道发生断裂的状态下发射超声导波信号，并接收从断裂处反射回来的超声导波信号，对其特征参数进行判别，利用回波法确定轨道断裂的精确位置；所述超声导波通信模块负责以超声导波的通信方式传送要发送到上位机终端或其它节点的信息。

5.根据权利要求1所述的基于超声导波的实时断轨检测定位系统，其特征在于，所述端头节点包括电源模块、接收或发射模块、损伤定位模块、有线或GPRS无线通信模块组成；所述电源模块为接收或发射模块、损伤定位模块和GPRS无线或有线通信模块提供工作所需电源；所述接收或发射模块负责接收超声波探头的信号或发射超声波探头所需的激励信号；所述损伤定位模块负责在轨道发生断裂的状态下发射超声导波信号，并接收从断裂处反射回来的超声导波信号，对其特征参数进行判别，利用回波法确定轨道断裂的精确位置；所述有线或GPRS无线通信模块负责以有线或GPRS无线通信方式传送要发送到上位机终端的信息。

6.根据权利要求1所述的基于超声导波的实时断轨检测定位系统，其特征在于，所述上位机终端包括有线或GPRS无线通信模块和计算机组成，计算机中安装有实时断轨检测定位系统功能模块；所述实时断轨检测定位系统功能模块具有检测区段和报警信息的查询，系统参数设置的功能。

7.根据权利要求1所述的基于超声导波的实时断轨检测定位系统，其特征在于，所述发射定位节点和接收定位节点通过信号发射及接收情况，根据相关的算法来判断所述发射定位节点和接收定位节点间钢轨是否有损伤，若有损伤，则启动所述发射定位节点和接收定位节点中的所述损伤定位装置，并根据相应的脉冲回波算法计算损伤位置离损伤定位装置的距离。

8.根据权利要求7所述的基于超声导波的实时断轨检测定位系统，其特征在于，所述脉冲回波算法为：

两端损伤定位模块均采用同端激励、同端接收的方式，设发射定位节点和接收定位节点的距离为L，若检测到某段钢轨发生损伤或断轨时，则由该断轨两端的损伤定位装置向中间发射断轨定位信号，假设距接收模块x处有裂纹，则有下式成立：

x＝1/2*T1*C        (1)

x＝L-1/2*T2*C    (2)

若T1＜T2时，用(1)式计算，若T1＞T2时，用(2)使计算，

其中：x为接收模块与裂纹处间距离；

T1为发射模块中损伤定位装置从发射到接收回波信号的时间间隔；

T2为接收模块中损伤定位装置从发射到接收回波信号的时间间隔；

C为钢轨中声波波速；

当确定了损伤或断轨的具体位置，再根据反射回来的超声回波信号幅值大小，以及超声回波信号与所发射的超声导波信号的相对幅值以及绝对幅值，来确定损伤的大小。