CN105548344A - 一种基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置 - Google Patents

一种基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，其构成包括弓形结构的导磁铁，设置在导磁铁两端的永久磁铁，设置在永久磁铁下端面和设置在导磁铁中部的磁敏传感器，以及信号调理电路、采集卡和计算机；磁极方向相反设置在导磁铁两端的永久磁铁与待检测钢轨、导磁铁形成闭合磁化回路；磁敏传感器、信号调理电路、采集卡和计算机依次连接，检测装置运行时，磁敏传感器拾取钢轨电磁场变化信号，且将电磁场变化信号转化为电信号，电信号经信号调理电路放大、滤波后，由采集卡进行A/D转换，提供给计算机进行分析处理，得到钢轨的缺陷信息。本发明能够现对钢轨横/纵向、内/外部缺陷进行高速无损检测，且装置结构简单、制造成本低。

Description

一种基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置
技术领域
本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，可同时实现对钢轨横/纵向、内/外部缺陷的高速无损检测。
背景技术
随着国内高铁网络建设的迅速推进，以及“高铁走出国门”战略的逐渐落实，高速铁路发展迅猛。目前，我国投入使用的高速列车运行速度为200～350km/h，中国南车于2014年初制造的CIT500型高速列车试验速度达到了605km/h。运行安全是高速铁路运营的基础条件，稍有不慎往往会造成灾难性的安全事故，其中，钢轨状态直接关系到运输安全。目前，钢轨无损检测技术主要有超声波、机器视觉、交变涡流、交变电磁场检测、漏磁检测等技术。
美国Sperry公司研制了最高检测速度80km/h的钢轨压电超声探伤车，通常检测速度为45km/h。但由于压电超声检测(UT,1929年俄国Sokolov)存在激励与检测频率匹配问题而限制了检测速度的进一步提高。另外，该类探伤方法还有电磁超声与激光超声，均只能运行在32km/h的速度左右。
法国国营铁路公司(SNFC)通过高速摄像机来对钢轨波纹缺陷进行检测，速度可达320km/h。北京交通大学对钢轨表面缺陷视觉检测系统进行了研究，搭建的钢轨探伤试验平台在100km/h速度下可检测表面宽度1mm的裂纹。但是，光学图像法只能检测钢轨的表面状态，不能检测内部损伤。
德国联邦材料研究测试研究所采用涡流技术进行钢轨检测，Eurailscout公司进一步开发了UDT02型钢轨探伤车，最高检测速度可达80km/h。然而，涡流检测由于存在趋附效应而对内伤检测失效。
2000年，在Bombardier公司的支持下，TSC公司开发出了铁路轨道交变电磁场(ACFM)检测系统，通过增加采样频率至50kHZ时，手动系统可实现2.7km/h的检测时速。与涡流检测技术相同，ACFM同样具有趋附效应而不能检测内伤。
1927年，ElmerSperry博士应美国铁路联盟的要求，研制了世界上第一辆基于漏磁检测原理的轨道探伤车。由于漏磁检测穿透力强，且不存在趋附效应的影响，极其适应于钢轨内/外部缺陷的高速检测。然而，由于磁化回路只能沿钢轨轴向分布，根据漏磁检测垂直磁化理论，漏磁检测技术只能检测钢轨的横向缺陷，即垂直于钢轨轴向的缺陷，而对纵向缺陷失效。
综上所述，现有的钢轨无损检测技术与方法，或检测速度慢，或无法检测内部缺陷，或无法同时实现横/纵向缺陷的全面检测。为此，有必要发明一种可以实现钢轨横/纵向、内/外部缺陷高速检测的无损检测装置，可在列车运行时实现对钢轨的同步检测，对保证铁路运行安全和提高运输效率具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，以解决现有技术的钢轨无损检测装置存在的或检测速度慢，或无法检测内部缺陷，或无法同时实现对横/纵向缺陷全面检测的问题。
针对本发明所要解决的技术问题，本发明提出的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，其构成主要包括：弓形结构导磁铁，设置在弓形结构导磁铁两端的永久磁铁，设置在永久磁铁下端面和设置在弓形结构导磁铁中部的磁敏传感器，以及信号调理电路、采集卡和计算机；设置在弓形结构导磁铁两端的永久磁铁，其中一个永久磁铁的N极端向上S极端向下，另一个永久磁铁的N极端向下S极端向上，两个永久磁铁与待检测钢轨和弓形结构导磁铁形成闭合磁化回路；磁敏传感器、信号调理电路、采集卡和计算机依次连接；检测装置运行时，磁敏传感器拾取钢轨电磁场变化信号，且将电磁场变化信号转化为电信号，电信号经信号调理电路放大、滤波后，由采集卡进行A/D转换，提供给计算机进行分析处理，得到钢轨的缺陷信息。
在本发明的上述技术方案中，设置在永久磁铁下端面和设置在弓形结构导磁铁中部的磁敏传感器与待检测钢轨表面之间的距离一般不应大于2.0mm，最好在0.5～1.0mm的范围内。
在本发明的上述技术方案中，所述弓形结构导磁铁、永久磁铁和磁敏传感器的宽度应不小于钢轨的宽度；最好与钢轨的宽度相等。
在本发明的上述技术方案中，所述弓形结构导磁铁最好采用高导磁材料制成，如硅钢片，A3钢，铁氧体材料等。
本发明提供的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，是基于发明人以下的认识与灵感完成的：在以弓形结构导磁铁、永久磁铁和钢轨形成的沿钢轨轴向的磁化回路中，当钢轨中存在横向缺陷时，沿钢轨轴向分布的磁力线受到阻隔而会泄露出钢轨表面，可利用磁敏传感器拾取电磁场变化信号，实现对钢轨横向缺陷的检测。以及永久磁铁在与弓形结构导磁铁和钢轨形成沿钢轨轴向磁化回路的同时，在钢轨内会产生垂直于钢轨表面的磁场分量，相对运动的钢轨切割磁场垂直分量会形成沿钢轨横向分布的感应电流，当钢轨中存在纵向缺陷时，缺陷阻隔沿钢轨横向分布的感应电流流动，在钢轨表面形成可探测的扰动电磁场，通过在永磁铁下部靠近钢轨表面的位置布置磁敏传感器，可实现钢轨纵向缺陷的检测。
本发明提供的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，其具有以下十分突出的有益技术效果和优点：
1.可实现钢轨纵/横向缺陷的全面检测。一方面，永久磁铁、弓形结构导磁铁以及钢轨形成轴向磁化回路，从而可利用漏磁检测技术来检测钢轨的横向缺陷；另一方面，永久磁铁在钢轨内形成垂直于钢轨的磁场分量，以高速运动钢轨切割磁力线而在钢轨内部产生的感应电流作为激励，实现对钢轨纵向缺陷的检测，因此，本发明可实现钢轨纵/横向缺陷的全面检测。
2.可实现钢轨内/外部缺陷的全面检测。由于漏磁检测技术与感应电流均不受趋附效应的影响，与外部缺陷一样，处于钢轨内部的缺陷同样会产生漏磁信号以及感应电流扰动信号，因此，本发明可实现钢轨内/外部缺陷的全面检测。
3.极其适用于钢轨的高速无损检测。由于漏磁检测不受检测速度的影响，并且，与钢轨切割磁力线速度成正比的感应电流强度在更高的探伤速度下会产生更高的探伤灵敏度，因此，本发明可实现钢轨的高速无损检测。
本发明提供的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，利用一套永久磁铁和弓形结构导磁铁，在不同的位置布置磁敏传感器，可同时实现对钢轨横向缺陷的漏磁检测，以及对钢轨纵向缺陷的感应电流检测，即可实现对钢轨横/纵向、内/外缺陷的高速检测，并且装置结构简单、制造成本低。本发明的完成对保证钢轨的安全运行和提高列车的运营效率具有重要意义。
附图说明
图1为一个实施例的弓形结构导磁铁和永久磁铁的布置结构示意图；
图2为另一个实施例的弓形结构导磁铁和永久磁铁的布置结构示意图；
图3为基于漏磁的钢轨横向缺陷检测示意图；
图4为基于感应电流的钢轨纵向缺陷检测示意图；
图5为基于漏磁和感应电流的钢轨纵/横向缺陷检测示意图。
上述附图中的各图示标号表示对象分别为：1-钢轨；2-车轮；3-弓形结构导磁铁；4、5-永久磁铁；6、7、8-磁敏传感器；9-横向缺陷；10-漏磁场；11、12-感应电流；13、14-纵向缺陷；15-信号调理电路；16-采集卡；17-计算机。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的具体实施方式，并通过具体实施方式对本发明的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置作进一步的说明。需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于实施例所描述的形式。
在下面所述具体实施方式中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用方向用语是为了便于说明本发明，并非用来限制本发明。
实施例1
本实施例的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，为专门的钢轨检测车的一个组成部分，如图1所示。钢轨无损检测装置的构成包括弓形结构导磁铁3，设置在弓形结构导磁铁两端的永久磁铁4、5，设置在永久磁铁下端面和设置在弓形结构导磁铁中部的磁敏传感器6、7、8，以及信号调理电路15、采集卡16和计算机17。设置在弓形结构导磁铁两端的永久磁铁，其中永久磁铁5的N极端向上S极端向下，永久磁铁4的N极端向下S极端向上，两个永久磁铁与待检测钢轨和弓形结构导磁铁形成闭合磁化回路，构成检测装置的主体，通过车轮2置于钢轨上方。弓形结构导磁铁、永久磁铁和磁敏传感器的宽度与钢轨的宽度相等，磁敏传感器6、7、8距钢轨表面的距离在0.5～1.0mm之间，检测装置的主体部分，在钢轨检测车驱动装置的驱动下，在钢轨1上表面作直线运动，钢轨表面被检测主体部分之一的磁敏传感器6、7和8全覆盖检测。作为检测装置信号处理的另一部，信号调理电路15、采集卡16和计算机17依次连接，信号调理电路15分别与所述磁敏传感器6、7、8连接。检测装置运行时，磁敏传感器拾取钢轨电磁场变化信号，且将电磁场变化信号转化为电信号，电信号经信号调理电路放大、滤波后，由采集卡进行A/D转换，提供给计算机进行分析处理，得到钢轨的缺陷信息。
采用本发明的检测装置检测钢轨，钢轨中的横向缺陷9被检出的原理如图3所示。永久磁铁4、弓形结构导磁铁3、永久磁铁5、以及钢轨1形成磁化闭合回路，从而在钢轨内部形成沿钢轨轴向的磁场分量Bz。在弓形结构导磁铁3中间部位靠近钢轨表面处布置磁敏传感器7。当钢轨1中存在横向缺陷9时，沿钢轨轴向分布的磁力线受到缺陷的阻隔作用，泄露出钢轨表面形成漏磁场10，被磁敏传感器7拾取，从而可实现钢轨横向缺陷的检测。
采用本发明的检测装置检测钢轨，钢轨中的纵向缺陷13被检出的原理如图4所示。根据永久磁铁4的布置方向，在其下方形成垂直于钢轨表面并向下的磁场分量Br1，当检测装置以速度v向前运动时，切割磁力线的钢轨在内部会形成横向分布的感应电流11。当钢轨中存在纵向缺陷13时，由于缺陷13会阻隔感应电流11的流动，从而会在钢轨表面形成可探测的扰动电磁场，并被磁敏传感器6拾取。与此对应，根据永久磁铁5的布置方向，在其下方形成垂直于钢轨表面并向上的磁场分量Br2，当检测装置以速度v向前运动时，切割磁力线的钢轨在内部会形成横向分布的感应电流12。当钢轨中存在纵向缺陷14时，由于缺陷14会阻隔感应电流12的流动，会在钢轨表面形成可探测的扰动电磁场，并被磁敏传感器8拾取。从而，基于感应电流的检测方法，可实现对钢轨纵向缺陷的检测。
采用本发明的检测装置对钢轨缺陷进行检测原理示意如图5所示。基于漏磁原理，磁敏传感器7用于检测横向缺陷9。基于感应电流原理，磁敏传感器6与磁敏传感器8分别用于检测纵向缺陷13与纵向缺陷14。磁敏传感器7、磁敏传感器8、磁敏传感器9将缺陷处的电磁场信号转化为电信号，然后经过信号调理电路15进行放大、滤波，之后进入采集卡16进行A/D转换，将模拟信号转化为数字信号，最后进入计算机17进行信号处理并显示。
实施例2
本实施例的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，其构成与检测原理与实施例1相同，所不同的地方是，由弓形结构导磁铁3，设置在弓形结构导磁铁两端的永久磁铁4、5，设置在永久磁铁下端面和设置在弓形结构导磁铁中部的磁敏传感器6、7、8构成的检测装置主体，是直接设置在火车车厢(或其他在钢轨行驶车辆箱体)的下方，使其与下方的钢轨形成闭合磁化回路，如图2所示。作为检测装置信号处理的另一部，依次连接的信号调理电路15、采集卡16和计算机17设置在火车车厢内，信号调理电路15分别与所述磁敏传感器6、7、8连接。检测装置运行时，磁敏传感器拾取钢轨电磁场变化信号，且将电磁场变化信号转化为电信号，电信号经信号调理电路放大、滤波后，由采集卡进行A/D转换，提供给计算机进行分析处理，得到钢轨的缺陷信息。

Claims (8)

1.一种基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，其特征在于包括：弓形结构导磁铁(3)，设置在弓形结构导磁铁两端的永久磁铁(4、5)，设置在永久磁铁下端面和设置在弓形结构导磁铁中部的磁敏传感器(6、7、8)，以及信号调理电路(15)、采集卡(16)和计算机(17)；设置在弓形结构导磁铁两端的永久磁铁，其中一个永久磁铁的N极端向上S极端向下，另一个永久磁铁的N极端向下S极端向上，两个永久磁铁与待检测钢轨(1)和弓形结构导磁铁形成闭合磁化回路；磁敏传感器、信号调理电路、采集卡和计算机依次连接，检测装置运行时，磁敏传感器拾取钢轨电磁场变化信号，且将电磁场变化信号转化为电信号，电信号经信号调理电路放大、滤波后，由采集卡进行A/D转换，提供给计算机进行分析处理，得到钢轨的缺陷信息。
2.根据权利要求1所述的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，其特征在于：设置在永久磁铁下端面和设置在弓形结构导磁铁中部的磁敏传感器与待检测钢轨表面之间的距离不大于2.0mm。
3.根据权利要求1所述的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，其特征在于：设置在永久磁铁下端面和设置在弓形结构导磁铁中部的磁敏传感器与待检测钢轨表面之间的距离为0.5～1.0mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，其特征在于：弓形结构导磁铁、永久磁铁和磁敏传感器的宽度不小于钢轨的宽度。
5.根据权利要求4所述的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，其特征在于：弓形结构导磁铁、永久磁铁和磁敏传感器的宽度与钢轨的宽度相等。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，其特征在于：所述弓形结构导磁铁是由高导磁材料制成的弓形结构导磁铁。
7.根据权利要求4所述的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，其特征在于：所述弓形结构导磁铁是由高导磁材料制成的弓形结构导磁铁。
8.根据权利要求5所述的基于漏磁和感应电流的钢轨无损检测装置，其特征在于：所述弓形结构导磁铁是由高导磁材料制成的弓形结构导磁铁。
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