CN105571751A - 基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测方法和装置，包括：A)系统主控处理模块发射波形信号至超声导波发射模块，超声导波发射模块根据波形信号激励发射单探头，使得发射单探头发射导波信号，导波信号沿钢轨传播；B)接收阵列探头接收沿钢轨传播的导波信号并且将导波信号发送至信号采集模块；C)信号采集模块采集导波信号，并且对导波信号的数据依次进行2D-FFT算法处理、波速计算处理、纵向应力计算处理，从而计算出钢轨中的纵向应力值，并且将纵向应力值发送至系统主控处理模块。实现导波模态的筛选，更精准测量导波速度和应力。该装置的主控模块与功能模块分离，增强了装置的系统性，方便多测点应力的测量和系统功能的扩展。

Description

基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测装置和方法

技术领域

本发明涉及铁路检测技术领域，具体地，涉及无缝钢轨纵向应力检测，更具体地，涉及一种基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测装置和方法。

背景技术

随着高速铁路的飞速发展，无缝线路在全世界范围内得到了广泛推广和应用。无缝线路在一定程度上消除了钢轨接缝，减少了列车振动，降低了噪声，使列车运行平稳、线路设备和机车车辆的使用年限延长。

但随着轨缝的消失，由于钢轨接头阻力和道床纵向阻力的作用，被焊接在一起的数十根甚至更多钢轨在轨温变化时不能自由伸缩，于是钢轨中将产生纵向应力。长钢轨的温度相对于锁定轨温变化1℃，钢轨固定区内纵向应力约变化2.5MPa，若轨温变化50℃，则钢轨内纵向应力变化为125MPa。可见无缝线路长钢轨所承受的钢轨纵向应力要比普通钢轨大得多，当钢轨纵向应力超过钢轨的承受限度时，就会在扣件阻力小或路基条件差的区域释放能量，当纵向压应力过大时，会发生胀轨、跑道；纵向拉应力过大时，会发生断轨。历史上由于胀轨、断轨导致的事故时有发生。从1968年至2003年，我国铁路无缝线路因胀轨跑道造成列车脱线的重大事故共计发生22起，造成了巨大生命财产损失。

超声波检测技术是各种无损检测技术中应用最广泛的一种，因其检测对象范围广、深度大、缺陷定位准确、灵敏度高、成本低、使用方便、速度快，对人体及环境无害，而被应用于各个行业中。超声导波是超声波在杆、管、板等结构的波导介质传播时，不断与介质的上下边界发生折射、反射及纵波－横波之间的波形转换作用而产生的波，与超声体波相比，超声导波可以在波导介质中传播很长的距离，并可以覆盖整个被检测物体的横截面，检测效率更高。因此超声导波特别适用于长距离非接触检测领域，如管道检测、钢轨检测等。

基于超声导波的纵向应力检测技术是利用声弹性原理，即当弹性体的纵向应力状态改变时，传播于弹性体中的超声波速度随之发生微小变化。在现有的导波纵向应力检测中，主要使用单探头检测，利用时域内的信号得到纵向应力，即在钢轨的一端安装发射探头，经过一定的距离后在钢轨的另一端安装两个有一定距离的接收探头，通过计算两个接收探头接收信号的时间差，得到导波传播的时间，根据公式v＝s/t得到导波传播速度，从而得到相应的纵向应力值。因此，在固定距离内得到准确的传播时间对纵向应力的检测很重要。

研究发现，导波的传播特性会严重影响传播时间的确定，其中频散特性和多模态特性的影响作用尤为明显。频散现象使信号的时域宽度增加、信号幅值减小，信号波形发生了较大畸变；多模态是指在同一频率下，波导介质中激发出多个导波模态，即波形是由多个不同的振动形态叠加而成，且模态间的传播速度不同；两种现象的叠加，使得导波的形状与幅值均发生变化，包络的峰值时刻不能准确得到，因此单探头检测得到的传播时间不准确，从而影响速度与纵向应力的计算；并且，铁路沿线多处恶劣环境，波形的时域信号易受影响，尤其是在导波传播一定距离而衰减的情况下，准确率更会降低。

因此，现有技术中存在这样的需求，即，能够实时在线监测无缝线路的钢轨状态，随时准确掌握钢轨的实际纵向应力，对确保无缝线路的安全运营显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，研发了本发明，本发明能够至少解决现有技术中的至少一个缺陷。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测方法，所述方法包括以下步骤：

A)系统主控处理模块发射波形信号至超声导波发射模块，所述超声导波发射模块根据所述波形信号激励发射单探头，使得所述发射单探头发射导波信号，所述导波信号沿钢轨传播；

B)接收阵列探头接收沿所述钢轨传播的所述导波信号并且将所述导波信号发送至信号采集模块；

C)所述信号采集模块采集所述导波信号，并且对所述导波信号的数据依次进行2D-FFT算法处理、波速计算处理、纵向应力计算处理，从而计算出所述钢轨中的纵向应力值，并且将所述纵向应力值发送至所述系统主控处理模块。

进一步地，所述导波信号的数据表示为离散的空间-时间域导波信号矩阵u(z,t)，所述2D-FFT的算法处理包括：针对u(z,t)进行对时间的FFT，得到空间-频率信号矩阵U(z,f)；再针对U(z,f)进行对空间的FFT，得到波数-频率信号H(k,f)，其中，2D-FFT的计算公式：

$H(k,f)=\underset{z=n_Z}{\overset{N_Z}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=n_t}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}u(z,t)e^{-i(\mathrm{kz}+\mathrm{ft})}$

其中，k表示波数；f表示频率；N_z和N_t表示数据信息的取值上限；n_z和n_t表示数据信息的取值下限；z表示空间数据；t表示时间数据；e表示自然数；i表示虚数符号。

进一步地，波速计算处理包括：设定所述超声导波发射模块发射的激励信号作为固定频率f₀，找出所述波数-频率信号H(k,f)中对应f₀的列H(k,f＝f₀)，从中提取出局部波峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，根据波数与导波相速度的关系c_p＝f/k，得到各个导波模态的相速度。

进一步地，纵向应力计算处理包括：根据导波相速度与纵向应力的标定关系，从中选取灵敏度最佳的模态，根据所述最佳模态的相速度得到钢轨纵向应力。

进一步地，所述相速度与纵向应力的标定关系建立如下：

步骤1：在钢轨拉压实验台上，使用所述导波发射模块激励单探头发射导波信号，所述导波信号在钢轨上传播，使用所述线性阵列探头采集钢轨纵向应力为0Mpa时自由状态下的空间-时间域导波信号矩阵u(z,t)，经过2D-FFT处理，得到波数-频率信号H(k,f)，提取对应频率f₀的局部波峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，n个波峰对应波数k₁，k₂，k₃…k_n，根据波数与导波相速度的关系c_p＝f/k，得到每种模态各自的相速度c_p1，c_p2，c_p3…c_pn，其中，p表示phase相位的缩写。

步骤2：在所述钢轨拉压实验台上，改变所述钢轨所受的纵向拉压力，并用标准拉压力传感器测量所述纵向拉压力的大小，在每种受力状况下，重复步骤1中的工作，得到每种模态在不同纵向应力时的相速度，每种模态根据所述拉压力数据和所述相速度数据得到一条拟合直线，所述拟合直线的斜率为该模态下检测纵向应力的灵敏度，完成每种模态的相速度与纵向应力的标定工作；

步骤3：控制所述钢轨的温度,使其在一定温度范围内变化，温度每变化一次，重复步骤1与步骤2，从而得到每种模态在所述温度范围内每种温度值下的相速度与纵向拉应力的标定关系。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测装置，该装置包括发射单探头、接收阵列探头、导波发射模块、系统主控处理模块、导波信号采集模块，其中，所述发射单探头和所述接收阵列探头安装在待测钢轨的轨腰处且沿线布置，所述发射单探头配置成根据所述超声导波发射模块发射的激励信号而发射沿所述钢轨传播的导波信号，所述接收阵列探头配置成接收所述导波信号并且将所述导波信号发送至信号采集模块；所述信号采集模块配置成采集所述导波信号，并且对所述导波信号的数据进行2D-FFT算法处理、波速计算处理、纵向应力计算处理，从而计算出所述钢轨中的纵向应力值，并且将所述纵向应力值发送至所述系统主控处理模块。

进一步地，所述线性阵列探头包括按照规律线性排列的多个压电片，所述压电片配置成接收时间域上的波形信号，所述波形信号因为所述压电片位置不同而具有相位上的差别，从而形成带有空间与时间信息的空间-时间域导波信号矩阵u(z,t)。

进一步地，所述2D-FFT的算法处理包括：针对u(z,t)进行对时间的FFT，得到空间-频率信号矩阵U(z,f)；再针对U(z,f)进行对空间的FFT，得到波数-频率信号H(k,f)，其中，2D-FFT的计算公式：

$H(k,f)=\underset{z=n_Z}{\overset{N_Z}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=n_t}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}u(z,t)e^{-i(\mathrm{kz}+\mathrm{ft})}$

其中，k表示波数；f表示频率；N_z和N_t表示数据信息的取值上限；n_z和n_t表示数据信息的取值下限；z表示空间数据；t表示时间数据；e表示自然数；i表示虚数符号。

进一步地，波速计算处理包括：设定所述超声导波发射模块发射的激励信号作为固定频率f₀，找出所述波数-频率信号H(k,f)中对应f₀的列H(k,f＝f₀)，从中提取出局部波峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，根据波数与导波相速度的关系c_p＝f/k，得到各个导波模态的相速度。

进一步地，纵向应力计算处理包括：根据导波相速度与纵向应力的标定关系，从中选取灵敏度最佳的模态，根据所述最佳模态的相速度得到钢轨纵向应力。

进一步地，所述相速度与纵向应力的标定关系建立如下：

步骤1：在钢轨拉压实验台上，使用所述导波发射模块激励单探头发射导波信号，所述导波信号在钢轨上传播，使用所述线性阵列探头采集钢轨纵向应力为0Mpa时自由状态下的空间-时间域导波信号矩阵u(z,t)，经过2D-FFT处理，得到波数-频率信号H(k,f)，提取对应频率f₀的局部波峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，n个波峰对应波数k₁，k₂，k₃…k_n，根据波数与导波相速度的关系c_p＝f/k，得到每种模态各自的相速度c_p1，c_p2，c_p3…c_pn，其中，p表示phase相位的缩写。

步骤2：在所述钢轨拉压实验台上，改变所述钢轨所受的纵向拉压力，并用标准拉压力传感器测量所述纵向拉压力的大小，在每种受力状况下，重复步骤1中的工作，得到每种模态在不同纵向应力时的相速度，每种模态根据所述拉压力数据和所述相速度数据得到一条拟合直线，所述拟合直线的斜率为该模态下检测纵向应力的灵敏度，完成每种模态的波速与纵向应力的标定工作；

步骤3：控制所述钢轨的温度,使其在一定温度范围内变化，温度每变化一次，重复步骤1与步骤2，从而得到每种模态在所述温度范围内每种温度值下的相速度与纵向拉应力的标定关系。

根据本发明，利用超声导波的技术优势，使用单探头激发导波信号，经钢轨传播后，通过阵列探头接收导波信号，对信号利用频域方法进行处理得到相应参数，进一步得到导波速度与纵向应力值。该系统能准确实时监测钢轨纵向应力，对保障高速铁路的安全运行具有重要的实用价值。

附图说明

为了使得本领域技术人员清楚理解本发明并且能够实施本发明，提供构成说明书一部分的附图，但是不能理解为附图中示出的所有特征均是实现本申请的技术效果所必须的。本申请的包含范围不受附图限制，本申请的包含范围由所附权利要求所限定。

图1示出了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测方法的流程图；

图2A示出了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测装置的总体示意图；

图2B示出了了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测装置的超声导波探头布置图

图3示出了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测装置的结构图；

图4示出了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测方法和检测装置中的超声导波发射模块原理框图；

图5示出了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测方法和检测装置中的系统主控模块功能框图；

图6示出了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测方法和检测装置中的导波信号接收模块原理框图；

图7示出了频率-波数等高线图；

图8示出了仿真激励200Hz的超声导波在钢轨中传播后得到的数据矩阵。

具体实施方式

下面参照附图详细介绍本发明的示例性实施例。提供这些示例性实施例的目的是，使得本领域普通技术人员能够清楚地理解本发明，并且根据这里的描述，能够实现本发明。附图和具体实施例不旨在对本发明进行限定，本发明的范围由所附权利要求所限定。

参照图1，图1示出了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测方法的流程图。如图1所示，根据本发明的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：A)系统主控处理模块发射波形信号至超声导波发射模块，所述超声导波发射模块根据所述波形信号激励发射单探头，使得所述发射单探头发射导波信号，所述导波信号沿钢轨传播；B)接收阵列探头接收沿所述钢轨传播的所述导波信号并且将所述导波信号发送至信号采集模块；C)所述信号采集模块采集所述导波信号，并且对所述导波信号的数据依次进行2D-FFT算法处理、波速计算处理、纵向应力计算处理，从而计算出所述钢轨中的纵向应力值，并且将所述纵向应力值发送至所述系统主控处理模块。

作为示例，整个检测方法主要包括：数据采集、2D-FFT算法处理、波速计算、应力计算。首先，在钢轨轨腰处安装导波单探头，经过一定距离安装线性阵列探头，再将单探头与阵列探头分别连接发射模块与信号采集模块，整个系统上电后，自主发射波形激励单探头，接收模块以触发模式接收阵列探头数据，至此完成数据采集。

优选地，所述导波信号的数据表示为离散的空间-时间域导波信号矩阵u(z,t)，所述2D-FFT的算法处理包括：针对u(z,t)进行对时间的FFT，得到空间-频率信号矩阵U(z,f)；再针对U(z,f)进行对空间的FFT，得到波数-频率信号H(k,f)，其中，2D-FFT的计算公式：

$H(k,f)=\underset{z=n_Z}{\overset{N_Z}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=n_t}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}u(z,t)e^{-i(\mathrm{kz}+\mathrm{ft})}$

其中，k表示波数；f表示频率；N_z和N_t表示数据信息的取值上限；n_z和n_t表示数据信息的取值下限；z表示空间数据；t表示时间数据；e表示自然数；i表示虚数符号。

作为示例，采集后的数据在信号采集模块进行数据的算法处理：u(z,t)是离散的空间-时间域导波信号矩阵，对时间进行FFT，得到空间-频率信号U(z,f)；再对空间进行FFT，就可以得到波数-频率信号H(k,f)，完成2D-FFT的算法处理。

优选地，设定所述超声导波发射模块发射的激励信号作为固定频率f₀，找出所述波数-频率信号H(k,f)中对应f₀的列H(k,f＝f₀)，从中提取出局部波峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，根据波数与导波速度的关系c_p＝f/k，得到各个导波模态的相速度。

优选地，纵向应力计算处理包括：根据导波速度与纵向应力的标定关系，从中选取灵敏度最佳的模态，根据所述最佳模态的相速度得到钢轨纵向应力。

具体地，激励信号为固定频率f₀，找出波数-频率信号中对应f₀的行(或列)数据，从中提取出局部波峰，每个波峰对应的值即为波数k₁，k₂，k₃…k_n，根据波数与相速度的关系c_p＝f/k，得到各自的相速度，根据相速度与应力的标定关系，从中选取灵敏度最佳的模态，根据该模态的相速度得到温度应力。

优选地，所述相速度与纵向应力的标定关系建立如下：

步骤1：在钢轨拉压实验台上，使用所述导波发射模块激励单探头发射导波信号，所述导波信号在钢轨上传播，使用所述线性阵列探头采集钢轨纵向应力为0Mpa时自由状态下的空间-时间域导波信号矩阵u(z,t)，经过2D-FFT处理，得到波数-频率信号H(k,f)，提取对应频率f₀的局部波峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，n个波峰对应波数k₁，k₂，k₃…k_n，根据波数与导波相速度的关系c_p＝f/k，得到每种模态各自的相速度c_p1，c_p2，c_p3…c_pn，其中，p表示phase相位的缩写。

步骤2：在所述钢轨拉压实验台上，改变所述钢轨所受的纵向拉压力，并用标准拉压力传感器测量所述纵向拉压力的大小，在每种受力状况下，重复步骤1中的工作，得到每种模态在不同纵向应力时的相速度，每种模态根据所述拉压力数据和所述相速度数据得到一条拟合直线，所述拟合直线的斜率为该模态下检测纵向应力的灵敏度，完成每种模态的相速度与纵向应力的标定工作；

步骤3：控制所述钢轨的温度,使其在一定温度范围内变化，温度每变化一次，重复步骤1与步骤2，从而得到每种模态在所述温度范围内每种温度值下的相速度与纵向拉应力的标定关系。

作为示例，对应上述数据处理过程，下面将利用仿真数据进行演示：

(1)仿真激励200Hz的超声导波，在钢轨中传播后，每间隔0.5m设置一个接收点，每个接收点采样率为4KHz，共32个接收点，采样时长为0.15s，得到601*33的数据矩阵，参见图8。

(2)经过2Dfft处理后，得到同样矩阵大小的矩阵，此时为频率—波数矩阵，用等高线图表示频率与波数的关系更为直观。图7即为频率-波数的等高线图，从图中可知，200Hz导波对应两个模态。从200Hz对应的数据中提取局部波峰，即为波数值0.5/m，0.25/m，根据公式得到模态1的相速度c_p1＝400m/s，模态2的相速度c_p2＝800m/s。对比导波在钢轨传播中的频散曲线，200Hz对应的模态相速度分别为403.7m/s，847m/s，两者差距在合理的误差范围之内，认为测量值准确。选择模态1的相速度作参量，根据模态1的相速度与应力的标定关系，即可以得到应力值，参见图7，图7示出了频率-波数等高线图。

通过超声导波发射单探头/接收阵列探头，导波发射模块，导波接收与数据处理模块，该检测装置可以实现线性阵列对钢轨纵向应力的准确检测以及对外通信。

另一方面，本发明还提供了基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测装置。参照图2B，具体地，图2A示出了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵应力检测装置的总体示意图；图2B示出了了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测装置的超声导波探头布置图；图3示出了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵应力检测装置的结构图；图4示出了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测方法和检测装置中的超声导波发射模块原理框图；图5示出了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测方法和检测装置中的系统主控模块功能框图；图6示出了本发明的实施例的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测方法和检测装置中的导波信号接收模块原理框图。

如图所示，根据本发明的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测装置包括发射单探头、接收阵列探头、导波发射模块、系统主控处理模块、导波信号采集模块，其中，所述发射单探头和所述接收阵列探头安装在待测钢轨的轨腰处且沿线布置，所述发射单探头配置成根据所述超声导波发射模块发射的激励信号而发射沿所述钢轨传播的导波信号，所述接收阵列探头配置成接收所述导波信号并且将所述导波信号发送至信号采集模块；所述信号采集模块配置成采集所述导波信号，并且对所述导波信号的数据进行2D-FFT算法处理、波速计算处理、纵向应力计算处理，从而计算出所述钢轨中的纵向应力值，并且将所述纵向应力值发送至所述系统主控处理模块。

优选地，所述线性阵列探头包括按照规律线性排列的多个压电片，所述压电片配置成接收时间域上的波形信号，所述波形信号因为所述压电片位置不同而具有相位上的差别，从而形成带有空间与时间信息的空间-时间域导波信号矩阵u(z,t)。

作为示例，如图2B所示，阵列探头中线性排列1-32个阵元，同一个阵列探头中可以根据阵元1或阵元32接收信号的时间顺序，判断当前信号来自前方还是后方的发射探头，选择某一信号源的接收信号进行信号处理。

另外，超声导波发射模块主要用来任意波形发送和功率驱动，发射模块接收来自主控的波形信号，根据背板的触发脉冲，按照波形数据发送大功率超声激励信号，发射模块的原理如图4所示。其中，主控模块通过背板发送波形数据与触发信号，驱动发射模块。波形数据经过DAC后进行波形调节，在±48v1A功率的驱动下，将波形信号调制为高压信号，激励超声导波探头产生导波信号。

在导波接收与数据处理模块中，关于硬件部分，参见图5，本模块需要实现32路通道同步实现数据采集，故设计如下：32路信号通过接口进入采集模块，每路信号分别进行变压放大差分后，进行AD转换，ADS5522芯片是差分时钟控制，可以提高同步的精度；AD芯片为并行输出，对应FPGA的I/O口需求大，故1-16路信号进入FPGA(1),17-32路信号进入FPGA(2)，数据经SDRAM缓存，并进行算法处理得到波数及相速度，进一步得到应力值，通过FPGA(3)与背板总线通信，将数据外传。

此模块可实现以下性能：

32路信号采集，最高速率6Msps

采样精度12bits

单路采样深度1MBs

使用背板触发脉冲触发接收存储

12v供电

常态节能或轮转存储

优选地，在根据本发明的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测装置中，所述2D-FFT的算法处理包括：针对u(z,t)进行对时间的FFT，得到空间-频率信号矩阵U(z,f)；再针对U(z,f)进行对空间的FFT，得到波数-频率信号H(k,f)，其中，2D-FFT的计算公式：

$H(k,f)=\underset{z=n_Z}{\overset{N_Z}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=n_t}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}u(z,t)e^{-i(\mathrm{kz}+\mathrm{ft})}$

其中，k表示波数；f表示频率；N_z和N_t表示数据信息的取值上限；n_z和n_t表示数据信息的取值下限；z表示空间数据；t表示时间数据；e表示自然数；i表示虚数符号。

优选地，在根据本发明的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测装置中，波速计算处理可以包括：设定所述超声导波发射模块发射的激励信号作为固定频率f₀，找出所述波数-频率信号H(k,f)中对应f₀的列H(k,f＝f₀)，从中提取出局部波峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，根据波数与导波相速度的关系c_p＝f/k，得到各个导波模态的相速度。

优选地，在根据本发明的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测装置中，纵向应力计算处理可以包括：根据导波速度与纵向应力的标定关系，从中选取灵敏度最佳的模态，根据所述最佳模态的相速度得到钢轨纵向应力。

优选地，在根据本发明的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测装置中，所述相速度与纵向应力的标定关系可以建立如下：

步骤1：在钢轨拉压实验台上，使用所述导波发射模块激励单探头发射导波信号，所述导波信号在钢轨上传播，使用所述线性阵列探头采集钢轨纵向应力为0Mpa时自由状态下的空间-时间域导波信号矩阵u(z,t)，经过2D-FFT处理，得到波数-频率信号H(k,f)，提取对应频率f₀的局部波峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，n个波峰对应波数k₁，k₂，k₃…k_n，根据波数与导波相速度的关系c_p＝f/k，得到每种模态各自的相速度c_p1，c_p2，c_p3…c_pn，其中，p表示phase相位的缩写。

步骤2：在所述钢轨拉压实验台上，改变所述钢轨所受的纵向拉压力，并用标准拉压力传感器测量所述纵向拉压力的大小，在每种受力状况下，重复步骤1中的工作，得到每种模态在不同纵向应力时的相速度，每种模态根据所述拉压力数据和所述相速度数据得到一条拟合直线，所述拟合直线的斜率为该模态下检测纵向应力的灵敏度，完成每种模态的相速度与纵向应力的标定工作；

步骤3：控制所述钢轨的温度,使其在一定温度范围内变化，温度每变化一次，重复步骤1与步骤2，从而得到每种模态在所述温度范围内每种温度值下的相速度与纵向拉应力的标定关系。

通过上述的实施例，本申请实现了优于现有技术的有益技术效果，例如，通过线性阵列和2D-FFT算法的联合应用，使得导波模态在工程应用中得以区分，突破了模态分离局限在仿真模拟中的现状；实现了导波模态的筛选，可以自主选择灵敏度最佳的模态进行应力测量；该方法将时域信息转换为频域信息，避免了导波传播时间的测量，使速度测量和应力计算更精准；该装置的主控模块与功能模块分离，增强了装置的系统性，方便多测点应力的测量和系统功能的扩展。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A)系统主控处理模块发射波形信号至超声导波发射模块，所述超声导波发射模块根据所述波形信号激励发射单探头，使得所述发射单探头发射导波信号，所述导波信号沿钢轨传播；

B)接收阵列探头接收沿所述钢轨传播的所述导波信号并且将所述导波信号发送至信号采集模块；

C)所述信号采集模块采集所述导波信号，并且对所述导波信号的数据依次进行2D-FFT算法处理、波速计算处理、纵向应力计算处理，从而计算出所述钢轨中的纵向应力值，并且将所述纵向应力值发送至所述系统主控处理模块。

2.根据权利要求1所述的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测方法，其特征在于，所述导波信号的数据表示为离散的空间-时间域导波信号矩阵u(z,t)，所述2D-FFT的算法处理包括：针对u(z,t)进行对时间的FFT，得到空间-频率信号矩阵U(z,f)；再针对U(z,f)进行对空间的FFT，得到波数-频率信号H(k,f)，其中，2D-FFT的计算公式：

$H(k,f)=\underset{z=n_Z}{\overset{N_Z}{\Σ}}\underset{t=n_t}{\overset{N_t}{\Σ}}u(z,t)e^{-i(kz+ft)}$

其中，k表示波数；f表示频率；N_z和N_t表示数据信息的取值上限；n_z和n_t表示数据信息的取值下限；z表示空间数据；t表示时间数据；e表示自然数；i表示虚数符号。

3.根据权利要求2所述的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测方法，其特征在于，波速计算处理包括：设定所述超声导波发射模块发射的激励信号作为固定频率f₀，找出所述波数-频率信号H(k,f)中对应f₀的列H(k,f＝f₀)，从中提取出局部波峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，根据波数与导波相速度的关系c_p＝f/k，得到各个导波模态的相速度。

4.根据权利要求1所述的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测方法，其特征在于，纵向应力计算处理包括：根据导波相速度与纵向应力的标定关系，从中选取灵敏度最佳的模态，根据所述最佳模态的相速度得到钢轨纵向应力。

5.根据权利要求4所述的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测方法，其特征在于，所述相速度与纵向应力的标定关系建立如下：

步骤1：在钢轨拉压实验台上，使用所述导波发射模块激励单探头发射导波信号，所述导波信号在钢轨上传播，使用所述线性阵列探头采集钢轨纵向应力为0Mpa时自由状态下的空间-时间域导波信号矩阵u(z,t)，经过2D-FFT处理，得到波数-频率信号H(k,f)，提取对应频率f₀的局部波峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，n个波峰对应波数k₁，k₂，k₃…k_n，根据波数与导波相速度的关系c_p＝f/k，得到每种模态各自的相速度c_p1，c_p2，c_p3…c_pn，其中，p表示phase相位的缩写。

步骤2：在所述钢轨拉压实验台上，改变所述钢轨所受的纵向拉压力，并用标准拉压力传感器测量所述纵向拉压力的大小，在每种受力状况下，重复步骤1中的工作，得到每种模态在不同纵向应力时的相速度，每种模态根据所述拉压力数据和所述相速度数据得到一条拟合直线，所述拟合直线的斜率为该模态下检测纵向应力的灵敏度，完成每种模态的相速度与纵向应力的标定工作；

步骤3：控制所述钢轨的温度,使其在一定温度范围内变化，温度每变化一次，重复步骤1与步骤2，从而得到每种模态在所述温度范围内每种温度值下的相速度与纵向拉应力的标定关系。

6.一种基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测装置，其特征在于，包括发射单探头、接收阵列探头、导波发射模块、系统主控处理模块、导波信号采集模块，其中，所述发射单探头和所述接收阵列探头安装在待测钢轨的轨腰处且沿线布置，所述发射单探头配置成根据所述超声导波发射模块发射的激励信号而发射沿所述钢轨传播的导波信号，所述接收阵列探头配置成接收所述导波信号并且将所述导波信号发送至信号采集模块；所述信号采集模块配置成采集所述导波信号，并且对所述导波信号的数据进行2D-FFT算法处理、波速计算处理、纵向应力计算处理，从而计算出所述钢轨中的纵向应力值，并且将所述纵向应力值发送至所述系统主控处理模块。

7.根据权利要求6所述的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测装置，其特征在于，所述线性阵列探头包括按照规律线性排列的多个压电片，所述压电片配置成接收时间域上的波形信号，所述波形信号因为所述压电片位置不同而具有相位上的差别，从而形成带有空间与时间信息的空间-时间域导波信号矩阵u(z,t)。

8.根据权利要求7所述的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测装置，其特征在于，所述2D-FFT的算法处理包括：针对u(z,t)进行对时间的FFT，得到空间-频率信号矩阵U(z,f)；再针对U(z,f)进行对空间的FFT，得到波数-频率信号H(k,f)，其中，2D-FFT的计算公式：

$H(k,f)=\underset{z=n_Z}{\overset{N_Z}{\Σ}}\underset{t=n_t}{\overset{N_t}{\Σ}}u(z,t)e^{-i(kz+ft)}$

其中，k表示波数；f表示频率；N_z和N_t表示数据信息的取值上限；n_z和n_t表示数据信息的取值下限；z表示空间数据；t表示时间数据；e表示自然数；i表示虚数符号。

9.根据权利要求7所述的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测装置，其特征在于，波速计算处理包括：设定所述超声导波发射模块发射的激励信号作为固定频率f₀，找出所述波数-频率信号H(k,f)中对应f₀的列H(k,f＝f₀)，从中提取出局部波峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，根据波数与导波相速度的关系c_p＝f/k，得到各个导波模态的相速度。

10.根据权利要求7所述的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测装置，其特征在于，纵向应力计算处理包括：根据导波相速度与纵向应力的标定关系，从中选取灵敏度最佳的模态，根据所述最佳模态的相速度得到钢轨纵向应力。

11.根据权利要求10所述的基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测装置，其特征在于，所述相速度与纵向应力的标定关系建立如下：

步骤1：在钢轨拉压实验台上，使用所述导波发射模块激励单探头发射导波信号，所述导波信号在钢轨上传播，使用所述线性阵列探头采集钢轨纵向应力为0Mpa时自由状态下的空间-时间域导波信号矩阵u(z,t)，经过2D-FFT处理，得到波数-频率信号H(k,f)，提取对应频率f₀的局部波峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，n个波峰对应波数k₁，k₂，k₃…k_n，根据波数与导波相速度的关系c_p＝f/k，得到每种模态各自的相速度c_p1，c_p2，c_p3…c_pn，其中，p表示phase相位的缩写。

步骤2：在所述钢轨拉压实验台上，改变所述钢轨所受的纵向拉压力，并用标准拉压力传感器测量所述纵向拉压力的大小，在每种受力状况下，重复步骤1中的工作，得到每种模态在不同纵向应力时的相速度，每种模态根据所述拉压力数据和所述相速度数据得到一条拟合直线，所述拟合直线的斜率为该模态下检测纵向应力的灵敏度，完成每种模态的相速度与纵向应力的标定工作；

步骤3：控制所述钢轨的温度,使其在一定温度范围内变化，温度每变化一次，重复步骤1与步骤2，从而得到每种模态在所述温度范围内每种温度值下的相速度与纵向拉应力的标定关系。