CN104691575B - 一种铁轨故障在线诊断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁轨故障在线诊断系统及方法，该系统包括：高频交流激励源，用于产生一正弦交流的激励信号送至夹紧机构；夹紧机构，夹紧于铁路的钢轨或道岔尖轨或可动心轨，用于将该激励信号送到铁路的钢轨或道岔尖轨或可动心轨上；电流传感器，用于检测来自钢轨或道岔尖轨或可动心轨上的高频正弦电流信号，并送入滤波及模数转换模块；滤波及模数转换模块，将该高频正弦电流信号滤波后进行模数转换，并将模数转换后的信号送至嵌入式工控机；嵌入式工控机，对接收的信号采用快速傅里叶变换判别故障，本发明实现了对铁路的关键设备钢轨、道岔尖轨、可动心轨裂纹的在线检测。

Description

一种铁轨故障在线诊断系统及方法

技术领域

本发明涉及一种铁轨故障在线诊断系统及方法，特别是涉及一种对铁路的关键设备钢轨、道岔尖轨、可动心轨的断裂进行故障诊断及预报的铁轨故障在线诊断系统及方法。

背景技术

铁轨由于长期使用，表面很容易出现裂缝。一旦发现不及时，极可能在列车行进中造成轨道断裂引发事故。铁轨暴露在复杂的环境里，表面总是附有铁锈、污渍甚至石块等杂物，而且若裂缝很小，单靠目测不易检测出裂隙，工作难度大，检测效率低。如何能准确方便地检测出轨道裂缝是影响列车行驶的一个重要因素。因此，如何实时监控铁轨的真实情况，为维修部门提供可靠的数据，是摆在科技工作者面前的一个重要任务。现在，利用计算机和数字信号处理技术研制自动检测系统为轨道检查提供了更有效，更经济的途径。可以看出，进行铁轨缺陷自动检测系统的研究具有重大的实用意义。

目前，据国外相关网站报道，国外的铁轨缺陷检测系统的研究己经有了比较成熟的产品，大多是利用磁感应、超声波技术进行检测。美国的SPERRYRAILSERVICE公司从20世纪20年代末开始研制基于磁感应和超声波技术的铁轨缺陷检测车。另一GuidedUltrasonicSLtd公司则运用超声波进行铁轨缺陷检测。然而，传统磁感应技术具有不可靠的缺点，超声波技术铁轨缺陷检测技术在截面积小于50mm范围超声无法探及轨道电路检测有盲区问题。

将图像处理和分析技术应用于轨道缺陷检测，国际上开始于70年代末，尤其是在美国、日本、澳大利亚等发达国家。目前比较有影响的是美国ENSCO公司研制的VIS轨道视频检查系统。VIS系统采集内容包括：检查车途经线路的全彩色前视图(场景图像)、轨道部件和道床路基的高分辨率黑白图像。VIS系统有两个目标，一是检查轨道有无影响行车安全的异常情况，二是探索在轨道检查领域应用图像分析技术。目前为止，VIS系统也并不成熟，仅仅实现了一个功能，即自动检测PANDPAL扣件是否正常，这种基于机器视觉的轨道检测系统无法诊断出轨道内部的细微裂变。

我国目前采用监测轨道完整性的是轨道电路，但轨道电路只能监测是“断”还是“不断”两种状态，对于已断但还连接着的轨道无法检测其是否完好。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种铁轨故障在线诊断系统及方法，通过采用信号注入、快速傅里叶变换进行故障识别，实现了对铁路的关键设备钢轨、道岔尖轨、可动心轨裂纹的在线检测，其能穿透被测材料表面的油漆等防腐层进行探测，极大的减少轨道维护人员的工作量,确保了列车的安全运行。

为达上述及其它目的，本发明提出一种铁轨故障在线诊断系统，至少包括：

高频交流激励源，用于产生一正弦交流的激励信号送至夹紧机构；

夹紧机构，夹紧于铁路的钢轨或道岔尖轨或可动心轨，用于将该激励信号送到铁路的钢轨或道岔尖轨或可动心轨上；

电流传感器，用于检测来自钢轨或道岔尖轨或可动心轨上的高频正弦电流信号，并送入滤波及模数转换模块；

滤波及模数转换模块，将该高频正弦电流信号滤波后进行模数转换，并将模数转换后的信号送至嵌入式工控机；

嵌入式工控机，对接收的信号采用快速傅里叶变换判别故障。

进一步地，该高频交流激励源为可变频的高频交流激励源，其利用DDS信号发生器产生一正弦交流信号，并利用一高压、大电流的运算放大器放大后送至该夹紧机构。

进一步地，该高频交流激励源利用DDS信号发生器产生10-100KHz的正弦交流5V信号，并利用一高压、大电流的运算放大器放大后送至该夹紧机构。

进一步地，该夹紧机构采用三面的铜片组成，外表面绝缘，以使电流信号更均匀的分布在该钢轨或道岔尖轨或可动心轨上。

进一步地，该滤波及模数转换模块至少包括一滤波器及AD转换器，该滤波器将该高频正弦电流信号滤波后送入该AD转换器进行模数转换。

进一步地，该滤波器为一高通滤波器。

进一步地，该系统还包括无线通信模块，该无线通信模块用于把该嵌入式工控机判断出的故障信息传送至工控主机。

为达到上述目的，本发明还提供一种铁轨故障在线诊断方法，包括如下步骤：

步骤一，产生一正弦交流的激励信号，并通过夹紧于钢轨或道岔尖轨或可动心轨的夹紧机构送至钢轨或道岔尖轨或可动心轨；

步骤二，利用电流传感器检测来自钢轨或道岔尖轨或可动心轨上的高频正弦电流信号；

步骤三，将该高频正弦电流信号滤波后进行模数转换，并将模数转换后的信号送至嵌入式工控机；

步骤四，对接收的信号采用快速傅里叶变换判别出故障。

进一步地，于步骤一中，利用一DDS信号发生器产生一正弦交流信号，并利用一高压、大电流的运算放大器放大后送至该夹紧机构。

进一步地，于步骤四后，还包括通过无线模块将故障信息传送给工控主机的步骤。

与现有技术相比，本发明一种铁轨故障在线诊断系统及其方法，通过采用信号注入、快速傅里叶变换进行故障识别，实现了铁路的关键设备钢轨、道岔尖轨、可动心轨裂纹的在线检测，其能穿透被测材料表面的油漆等防腐层进行探测，极大的减少轨道维护人员的工作量，确保了列车的安全运行。

附图说明

图1为本发明一种铁轨故障在线诊断系统之较佳实施例的系统结构图；

图2(a)为轨道故障前电流频谱；

图2(b)轨道故障后电流频谱；

图3为本发明一种铁轨故障在线诊断方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种铁轨故障在线诊断系统之较佳实施例的系统结构图。如图1所示，本发明一种铁轨故障在线诊断系统，包括：高频交流激励源101、夹紧机构102、电流传感器103、滤波及模数转换模块104、嵌入式工控机105、无线通信模块106。

其中，高频交流激励源101用于产生一正弦交流的激励信号送至夹紧机构102，在本发明较佳实施例中，高频交流激励源101为可变频的高频交流激励源，其采用AD公司生产的直接频率合成器AD9850模块的DDS(Direct Digital Synthesis，直接数字频率合成)信号发生器产生10-100KHz的正弦交流5V信号并经过高压、大电流的运算放大器放大以后送到夹紧机构102；夹紧机构102，夹紧于铁路的钢轨或道岔尖轨或可动心轨(以钢轨为例)，用于将激励信号送到铁路的钢轨或道岔尖轨或可动心轨上，在本发明较佳实施例中，夹紧机构102是由三面的铜片组成，外表面绝缘，用于把激励信号送到钢轨上，其采用三个面可以使电流信号更均匀的分布在钢轨上；电流传感器103用于检测来自钢轨或道岔尖轨或可动心轨上的高频正弦电流信号，并送入滤波及模数转换器104，在本发明较佳实施例中，电流传感器103为霍尔电流传感器；滤波及模数转换模块104，将该高频正弦电流信号滤波后进行模数转换，并将模数转换后的信号送至嵌入式工控机105，该滤波及模数转换模块104至少包括一滤波器及AD转换器，滤波器将该高频正弦电流信号滤波后送入该AD转换器进行模数转换，在本发明较佳实施例中，滤波器是一个高通滤波器，用于滤除低频轨道牵引电流的干扰；嵌入式工控机105对接收的信号采用快速傅里叶变换判别故障，当发生断裂或者裂纹后，激励信号在故障点必然产生能量损失，利用快速傅里叶变换就能监测出信号的功率谱密度。无线通信模块106用于把嵌入式工控机105判断出的故障信息传送给值班室的工控主机，在本发明较佳实施实施例中，无线通信模块106可为无线传感器网络。

图2(a)为轨道故障前电流频谱,图2(b)轨道故障后电流频谱。实验室的条件较为理想，现场受轨道电路影响，电磁环境影响等因素，本发明采用快速傅里叶变换对故障特征频率进行提取，并通过无线传感器网络传送到信号室。

图3为本发明一种铁轨故障在线诊断方法的步骤流程图。如图3所示，本发明一种铁轨故障在线诊断方法，包括如下步骤：

步骤301，产生一正弦交流的激励信号，并通过夹紧于钢轨或道岔尖轨或可动心轨的夹紧机构送至钢轨或道岔尖轨或可动心轨。在本发明较佳实施例中，采用AD公司生产的直接频率合成器AD9850模块的DDS信号发生器产生一10-100KHz的正弦交流5V信号并经过高压、大电流的运算放大器放大以后通过夹紧于钢轨或道岔尖轨或可动心轨的夹紧机构送至钢轨或道岔尖轨或可动心轨。在本发明较佳实施例中，夹紧机构是由三面的铜片组成，外表面绝缘，用于把激励信号送到钢轨上，其采用三个面可以使电流信号更均匀的分布在钢轨上；

步骤302，利用电流传感器检测来自钢轨或道岔尖轨或可动心轨上的高频正弦电流信号，在本发明较佳实施例中，利用霍尔电流传感器检测来自钢轨或道岔尖轨或可动心轨上的高频正弦电流信号；

步骤303，将该高频正弦电流信号滤波后进行模数转换，并将模数转换后的信号送至嵌入式工控机；

步骤304，对接收的信号采用快速傅里叶变换判别故障。本发明中，采用快速傅里叶变换对故障特征频率进行提取。

较佳的，于步骤304之后，还包括通过无线通信模块将故障信息传送给工控主机的步骤，以便工作人员及时发现故障信息。

综上所述，本发明一种铁轨故障在线诊断系统及其方法，通过采用信号注入、快速傅里叶变换进行故障识别，实现了铁路的关键设备钢轨、道岔尖轨、可动心轨裂纹的在线检测，其能穿透被测材料表面的油漆等防腐层进行探测，极大的减少轨道维护人员的工作量，确保了列车的安全运行。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (6)

1.一种铁轨故障在线诊断系统，至少包括：

高频交流激励源，用于产生一正弦交流的激励信号送至夹紧机构，该高频交流激励源利用DDS信号发生器产生10-100KHz的5V的正弦交流的激励信号，并利用一高压、大电流的运算放大器放大后送至该夹紧机构；

夹紧机构，夹紧于铁路的钢轨或道岔尖轨或可动心轨，用于将该正弦交流的激励信号送到铁路的钢轨或道岔尖轨或可动心轨上，该夹紧机构采用三面的铜片组成，外表面绝缘，以使正弦交流的激励信号更均匀的分布在该钢轨或道岔尖轨或可动心轨上；

电流传感器，用于检测来自钢轨或道岔尖轨或可动心轨上的正弦交流的激励信号，并送入滤波及模数转换模块，所述电流传感器为霍尔电流传感器；

滤波及模数转换模块，将该从钢轨或道岔尖轨或可动心轨上传来的正弦交流的激励信号滤波后进行模数转换，并将模数转换后的信号送至嵌入式工控机；

嵌入式工控机，对接收的信号采用快速傅里叶变换监测出信号的功率谱密度从而判别故障。

2.如权利要求1所述的一种铁轨故障在线诊断系统，其特征在于：该滤波及模数转换模块至少包括一滤波器及AD转换器，该滤波器将该正弦交流的激励信号滤波后送入该AD转换器进行模数转换。

3.如权利要求2所述的一种铁轨故障在线诊断系统，其特征在于：该滤波器为一高通滤波器。

4.如权利要求1所述的一种铁轨故障在线诊断系统，其特征在于：该系统还包括无线通信模块，该无线通信模块用于把该嵌入式工控机判断出的故障信息传送至工控主机。

5.一种铁轨故障在线诊断方法，包括如下步骤：

步骤一，产生一正弦交流的激励信号，并通过夹紧于钢轨或道岔尖轨或可动心轨的夹紧机构送至钢轨或道岔尖轨或可动心轨，于步骤一中，利用一DDS信号发生器产生一正弦交流的激励信号，并利用一高压、大电流的运算放大器放大后送至该夹紧机构；

步骤二，利用电流传感器检测来自钢轨或道岔尖轨或可动心轨上的正弦交流的激励信号；

步骤三，将从钢轨或道岔尖轨或可动心轨上传来的该正弦交流的激励信号滤波后进行模数转换，并将模数转换后的信号送至嵌入式工控机；

步骤四，对接收的信号采用快速傅里叶变换监测出信号的功率谱密度判别出故障。

6.如权利要求5所述的一种铁轨故障在线诊断方法，其特征在于：于步骤四后，还包括通过无线模块将故障信息传送给工控主机的步骤。