CN106471365B - 可移动超声波轨道检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超声波轨道检测系统(30)，其包括：至少一个超声波换能器(33)，其安装在用于附接至轨道检测车辆(100)的框架(20)的轭架(21)上。超声波换能器(33)传输超声波脉冲(41)并且接收反射的超声波脉冲(42)。控制装置(51)控制超声波换能器(33)。时钟装置(52)将时钟信号提供至控制装置(51)。控制装置(51)控制超声波换能器(33)以在固定的脉冲重复周期(P)处传输超声波脉冲(41)。

Description

可移动超声波轨道检测系统及方法
技术领域
本发明总体涉及在轨道中检测裂纹尤其是裂缝的技术。
背景技术
为了安全性原因，针对裂纹或缺陷的存在，定期检查轨道是重要的。裂纹或缺陷可以是已经存在的小裂缝，或者是裂缝可扩大的位置。裂缝具有发展的趋势，并且损坏的轨道可能具有灾难性的后果，所以尽可能早地检查潜在的裂缝位置是重要的。许多裂缝是从外部不可见的，如果从外部可见，则轨道可能彻底地损坏，并且这是待被避免的情形。因此，需要能够检测轨道中裂纹的技术。
这样的技术是超声波检测。简单地说，超声波脉冲被联接至轨道中并且捕获这些脉冲的反射。来自材料表面的脉冲反射，诸如，轨道表面外侧以及裂纹的内侧。因此，裂纹情况中的反射图案不同于未破坏轨道中的反射图案。然而，尽管测量可以从技术的视角固定的执行，因为针对轨道交通，轨道应保持开放，所以从实际的视角这是不被期望的。因此，已经发展移动系统，其包括携带移动超声波换能器的轨道车辆。
然而这样的移动系统需考虑超声波换能器和超声波接收器相对于被检测的轨道移动的复杂性。该复杂性的一方面是获得轨道和换能器之间良好的信号联接更复杂。该复杂性的另一方面是脉冲检测其本身需要检测时间，基本是通过脉冲从超声波换能器至反射面并返回到超声波接收器的行进时间所引起的。这种设置限制了测量的最小重复频率。另一方面，测量的重复频率，或更好：在连续的测量之间的时间周期，确定检查的轨道位置之间的空间距离，其表示为“检测节距”。利用检测节距(即节距应为某个值或更短)的某个最大要求，检测车辆结果的某个最大操作速度(即操作速度不能高于某个值)。事实是，轨道倾向于越来越频繁地使用，其具有行进更快和/或相互距离更近的定期列车，所期望的是，检测车辆的最大操作速度尽可能高。如果检测车辆太慢，它们将会打破定期服务，或者仅能在交通减少的夜间进行检测。
移动超声波轨道检测系统可以被区分为两个基本不同的类型。两种类型需要在超声波换能器和轨道之间液态的联接物质。第一类型检测系统被表示为接触型系统：在这些系统中，换能器被放置在与轨道小距离处，两者之间具有耦合剂的薄膜。这种类型的系统缺点是对耦合剂较大的消耗。这个缺点在第二类型检测系统中被避免，其被表示为轮式系统：在这些系统中，换能器被放置在充满耦合剂并运行于轨道上的轮型容器内，该轮型容器具有柔性的壁，其能够符合轨道头部的形状。
在实际的情形中，利用大约3mm的检测节距，针对接触型系统，检测车辆的最大操作速度是大约72km/h，并且针对轮式系统，检测车辆的最大操作速度是大约37km/h。
发明内容
本发明的目的在于改善现有技术使得检测车辆的最大操作速度可被大幅提高，或者检测节距可被减小，或者两者。本发明提及的原理在轮式检测系统的各种类型中是可应用的，并且当与不带有本发明这种系统的性能比较时将导致在各个系统中的改善，其他条件不变，但是改善程度可依据实际系统。
附图说明
参照附图，本发明的这些和其他方面、特征和优点通过以下描述一个或多个优选实施例的被进一步说明，其中相同的参考标号指示相同或相似的部件，并且其中：
图1A是超声波轨道检测系统的示意性截面图；
图1B是示意性示出在超声波轨道检测系统中的数个换能器的配置；
图2是示出作为时间的函数的超声波信号的简图；
图3是示出作为时间的函数的超声波信号的简图；
图4是超声波轨道检测系统的示意性框架图；
图5是超声波轨道检测系统的示意性截面图；
图6是与图2可比较的简图；
图7是与图3可比较的简图。
具体实施方式
图1A示意性示出轨道1的截面图，其具有中央轨体或腹板2、轨道底部3和轨道头部4。轨道检测车辆100包括安装至框架20的轭架21。车辆100包括超声轨道检测系统30，其包括至少一个超声波换能器33，其安装在装满有通常为水或乙二醇或其混合物的耦合剂32的旋转容器31内。容器31被按压至轨道头部4上。容器31的壁至少在某个程度是柔性的，使得容器壁贴合轨道头部4的顶面。容器壁的接触区域以34表示。随着车辆100行进在轨道1上方，容器31在轨道上方滚动并且因此也可以“车轮”表示。对于这样的轮式系统的示例的更多详细的描述，以示例的方式参考US-5419196。
应注意，附图仅示出一个换能器33，但是在实践中系统30可包括在不同角度下用于轨道1的多个换能器。图1B是轨道1上的车轮31的示意性侧视图，其示出位于车轮31内的多个换能器133和233。可以看出不同角度下的换能器将它们的超声束41指向相同的接触区域34。这些角度被标准化；如本领域技术人员公知的，通常的角度是0°、40°、70°。并且换能器可朝向前面或朝向后面。
基本操作如下。在某个时刻，换能器33通过接触区域34将超声波脉冲41发送到轨道头部4中。超声波脉冲41从轨道1内的反射面反射。由换能器33接收反射的脉冲42。如附图中所示出的，反射面可以是轨道底部3的底，但是也可以是裂纹，诸如例如裂缝。
图2是示出作为时间的函数的超声波信号的简图。水平轴以任意单位表示时间，垂直轴以任意单位表示信号强度。在时间t0处，换能器33将超声波脉冲41发送至轨道头部4。在时间t0R处，由换能器33接收反射的脉冲42。
换能器33和接触区域34之间的距离可以是接近约135mm。在媒介32中的声速是接近约1700m/s。因此，在媒介32中脉冲41和42的行进时间是接近约160μs。此行进时间将以内部延迟Δi表示。
在轨道1中，对于纵向模式声速是接近约5900m/s并且对于横向模式是接近约3200m/s。在轨道中的行进距离(往返)取决于超声波束的角度和存在的缺陷。理论上，行进距离可以是零。没有缺陷时，例如对于40°的换能器，对于横向模式的行进距离可以是接近约450mm，在这种情况中，在轨道中脉冲41和42的行进时间是接近约140μs。该行进时间将以外部行进时间Δe表示。因此，从t0至t0R的总时间推移Δt＝Δi+Δe可在从160至300μs的反射范围43内变化。该反射范围43的宽度对应于最大期望的外部行进时间ΔeΜΑX。
对于本领域技术人员应当清楚的是通过示例的方式得到以上计算结果，并且所得到的具体系统的精确值可根据精确系统设计偏离。
当执行轨道检测时，可存在定义缺陷分辨率的要求或规定。通常所需的最大节距是3mm，其基本表示应以车辆行进进程的每3mm传输超声波脉冲。在现有技术中，车辆设置有精确测量车辆的行进距离的传感器，并且在预定距离之后将触发脉冲发送至超声波换能器，例如，进程的每1、2或3mm发送触发脉冲。然而，随后的在时间t1处的超声波传输脉冲44不应干涉反射脉冲，其可被预期与之前的超声波传输脉冲间隔300μs。这表示触发脉冲可不小于300μs的间隔。在3mm检测节距的示例中，转换为最大车速即为37km/h。
图3是与图2可比较的简图，其示出用于本发明提及的系统的作为时间的函数的超声波信号。本发明建议在反射范围43开始之前的时间t1处传输随后的超声波传输脉冲44，而不是在反射范围43终止之后传输随后的超声波传输脉冲44。进一步地，以恒定重复频率，或换句话说以恒定重复周期t1-t0＝P开启超声波换能器，而不是通过从行进距离测量所推断的触发脉冲来触发超声波换能器。
图3也在时间t2＝t0+2P处示出下一个随后的超声波传输脉冲45。附图示出本发明的关键在于与第N传输脉冲相关的反射范围总是位于第(N+1)和第(N+2)传输脉冲之间。即应用下面的公式：
Ρ≤Δi (1)
2P≥Δi+ΔeΜΑX (2)
从这些公式得到最大期望的外部行进时间ΔeΜΑX应小于内部延迟Δi，并且超声波脉冲重复周期P可以被设置在从(Δi+ΔeΜΑX)/2至Δi的范围中。在实践中，车辆在行进期间容器31的压缩可能变化。其结果是内部延迟Δi变化。为了适应这个变化，优选的将P设置在所述范围的中央。
对于如上描述的示例，利用Δi＝160μs并且ΔeΜΑX＝140μs，超声波脉冲重复周期P将是155μs。这表示3mm检测节距将在约70km/h的车速下获得。
应注意JP-58151554公开了一种用于在轨道轨的底部中检测缺陷的方法。超声波脉冲a1在某个角度下被发射到轨道中，并且将从轨道底作为底脉冲b1反射。在没有缺陷的情况中，该底脉冲b1将不达到超声波换能器。在存在缺陷的情况下，脉冲将作为反射的脉冲c1从缺陷向换能器反射。在a1的发射和c1的检测之间的持续时间以TE表示。该文件公开了下一个超声波脉冲a2在反射的脉冲c1到达换能器之前被发射。a1和a2之间的时间以T表示，并且应用式T<TE。进一步地，应用式2T>TE。然而，该文献没有说明轮式检测系统，因此，没有提及声波在检测车轮的液体媒介中的行进，并且未公开从轨道的顶面始发的反射。更具体地，该文献没有说明应在检测到从轨道的顶面始发的反射之前传输下一个超声波脉冲a2。
图4是根据本发明的超声轨道检测系统30的示意性框图。参考数字51表示控制装置，例如，适于编程的微处理器。
参考数字52表示时钟，用于将时钟信号提供至控制装置51。时钟52可以是控制装置51的外部组件，但是也可以是控制装置51的内部组件。基于时钟信号，控制装置51被设计为在预定脉冲重复周期P处提供换能器33的触发信号。
参考数字53表示用于感测车辆100的行进距离的传感器。这样的传感器可例如包括用于感测车辆100的车轮轴的旋转角度的转速计。传感器输出信号被提供至控制装置51。
参考数字54表示输出装置。输出装置可包括例如打印机、绘图机、显示监视器、存储器。编程控制装置51以产生输出信号，其包含来自换能器33接收的超声波反射信号的信息以及如从行进距离传感器53获得的位置信息(沿着轨道的距离)。来自换能器33接收的超声波反射信号的信息可包括如由换能器33接收的初始接收信号，或示出伪缺陷(artefact)的处理信号。结合从传感器53接收的距离信息，控制装置51可将超声波反射信号转换成作为位置函数的显示信号。传感器53的使用使得车辆可以以变化的速度被驱动：在低速下，显示信号将紧挨着并且在高速下它们将进一步分开，但是它们将在一直相关联到距离，其对于使用系统的人员是非常直观的。
尽管以上仅说明包含单个换能器33的描述，但是应当清楚的是相同的说明适用于包括两个或更多个换能器的系统。
图5是轨道检测车辆200的超声波轨道检测系统230的示意性截面图。对于超声波轨道检测系统230，可应用如上的相同说明。附图示出安装在具有带有臂222、223和桥224的倒U型的载体221上的换能器33。臂222、223被连接至两个对齐的等分水平轴225。车轮31围绕轴225旋转。轴225的端部被安装在具有倒U型并且附接至车辆框架20的框架安装部226。应注意，系统包括多个换能器，但是为简易起见仅示出一个。
简单地替换一整套换能器是可能的：通过从车辆框架20分离框架安装部226，整个单元的框架安装部226、轴225、载体221、换能器33、带有液体32的容器31可以被移除并且不同的单元可以被安装在适当的地方。当安装这样的单元时，重要的是单元以正确的方向被安装：换能器应相对于轨道具有正确的方向。每个换能器被设计为在具体角度下将超声波束指向容器31和轨道头部4之间的接触区域34以在轨道1内的具体位置检测具体的伪缺陷，并且载体221的未对齐将导致换能器33的未对齐，其反过来将导致损坏的测量结果。传统的是相对于轨道调整换能器：例如，调整对齐直到0°换能器示出接收强度中的最大值，其表示束垂直于轨道。然而，实际的轨道很难适用于执行这样的调整，并且因此该对齐需要在具有具体测试轨道部分的实验室设置中进行。这是非常繁琐的。
为了提供这个问题的解决方法，本发明建议将第一3D-陀螺仪传感器241附接至载体221并且将第二3D-陀螺仪传感器242附接至框架安装部226。在调整情形中，其可以是在实验室设置并且其不需要存在列车，换能器可相对于载体221准确的对齐，并且使用第一陀螺仪传感器241相对于框架安装部226对齐载体221。现在第二陀螺仪传感器242被设置为零。因此，只要第二陀螺仪传感器242示出读出的零，可确定换能器33被正确的对齐。
当该单元被安装在检测车上时，车辆的安装调节可能不被准确的对齐。这可能示出为第二陀螺仪传感器242的偏差，并且可以通过调整框架安装部226至车辆框架20的安装直到第二陀螺仪传感器242示出水平读数来补偿。
在下面，将讨论本发明的变型。
如上文提及的，系统通常包括多个换能器，并且这些换能器的一个通常是所谓的0°-换能器，其是垂直向下发送其超声波束41的换能器。在图1B中，该具体的换能器以参考数字133表示。它通常是用于产生纵波的换能器。
除由轨道内的反射面产生的反射之外，还有来自液体32和接触壁区域34之间的界面的反射以及来自接触壁区域34和轨道头部4的顶面之间的界面的反射。鉴于壁31的相对小的厚度，由这些反射导致的两个反射脉冲基本上一致或至少重叠，并且可以被认为是由界面脉冲表示的一个反射脉冲。
在正常情况下，即裂纹较少的情况，将随后地是来自轨道底部3的底面的反射，如在图1A中表示的。该反射将被表示为底脉冲。在轨道高度为159mm的示例中，底脉冲(纵向模式)通常预期是迟于界面脉冲约54μs。应注意底脉冲本身将由轨道头部4的顶面部分地反射，并且然后再次由轨道底部3的底面反射，使得所谓的“重复底脉冲”预期迟于第一底脉冲54μs。事实上，该来回的重复反射将导致一系列脉冲54μs间隔，但是每个随后的脉冲具有比对应之前脉冲小得多的幅度，使得在实际中仅第一和第二底脉冲是相关的。
图6是与图2可比较的简图，其以参考数字61示出界面脉冲，以参考数字71示出底脉冲，并且以参考数字72示出重复底脉冲。ΔVTB表示从轨道的顶至底并且沿着垂直路径的返回的行进时间。该图也示出，在现有技术中，随后的脉冲44将在已经接收一系列底面反射脉冲71、72之后被传输。
图7是与图3可比较的简图，其示出与界面脉冲61大部分一致的随后的传输脉冲44。这表示脉冲重复周期P等于Δi。控制可以被设置为等于Δi的脉冲重复周期，但是也可能是控制装置51检测界面脉冲61的到达以及作为响应触发下一个脉冲的传输。应注意所有的换能器同时被触发。
应注意所有换能器33优选地沿着圆弧围绕接触区域34布置，使得内部延迟Δi对于所有的换能器是相等的。在这种情况下控制装置51可以同时简单地触发所有的换能器。如果需要，在硬件或者软件中，例如通过移动换能器，单独的换能器33可以有效地时序校正。在任何情况下，当前脉冲重复频率通过0°-换能器133的液体通道的长度被确定。
关联具有轨道上的具体位置的传输/反射脉冲式很重要的。毕竟，如果检测到裂纹，应在裂纹的位置处进行修理或替换。为了该相关目的，在某个行进距离例如每个0.1mm后，存在用于给出脉冲信号的速度传感器。实际上，每个转速脉冲对应于定义明确的轨道位置。如对本领域技术人员清楚的是，转速脉冲可以被输入至控制装置51，使得只要控制装置51产生触发信号并处理相应的反射信号，它可以将反射信号和包含在其中的任何可能的裂纹信息关联到转速信号和包含在其中的位置信息。
在图7中，将看到的是，来自0°-换能器133的第N传输脉冲41的底反射脉冲71、72将在传输脉冲44和45的第(N+1)和第(N+2)之间被接收，即：第(N+1)传输脉冲44向界面接触区域34行进并返回所需要的时间间隔。纵向声波所需的从轨道顶面行进至轨道的底面并返回的时间间隔ΔVTB，将根据轨道的几何形状显而易见。任何来自轨道头部、腹板或轨道底部中的缺陷或物体的任何反射将在该时间间隔内被接收。
应对本领域技术人员清楚的是，本发明不限于以上讨论的示例性实施例，但是如附加权利要求书所限定的本发明的保护范围内可能存在多种变化或改变。例如，可以通过一个单个实体单元或处理器执行两个或更多功能，即使某个特征被记载在不同从属要求中，本发明也涉及共同包括这些特征的实施例。任何在权利要求中的参考标记不应被结束为限制该权利要求的范围。
在上文中，已经参考框图说明了本发明，框图示出根据本发明的装置的功能块。将被理解的是，这些功能块的一个或多个可以硬件被实施。其中，这样功能块的功能以单独的硬件组件被执行，但是，这些功能块的一个或多个以软件被实施也是可能的，使得这样的功能块的功能以计算机程序或诸如微处理器、微控制器、数字信号处理器等的可编程的装置的一个或多个程序行实施。

Claims (7)

1.一种超声波轨道检测系统(30)，其包括：
至少一个超声波换能器(33)，其安装在用于附接至轨道检测车辆(100)的框架(20)的轭架(21)上，其中所述轨道检测系统是轮式系统，其中所述换能器(33)被布置在充满耦合剂(32)并且运行于被检测的轨道(1)上的轮型容器(31)中；
其中所述超声波换能器(33)被设计为传输超声波脉冲(41)并且接收反射的超声波脉冲(42)；
控制装置(51)，其用于控制所述超声波换能器(33)；
时钟装置(52)，其用于将时钟信号提供至所述控制装置(51)；
其中所述控制装置(51)适于控制所述超声波换能器(33)以在固定的脉冲重复周期P处传输所述超声波脉冲(41)，所述固定的脉冲重复周期P服从下式：
Ρ≤Δi (1)
2P≥Δi+ΔeΜΑX (2)
其中Δi表示所述超声波脉冲(41、42)从所述换能器(33)到被检测的轨道(1)并且返回的行进时间，以及
其中ΔeΜΑX表示超声波脉冲(41、42)在所述轨道内的最大期望行进时间。
2.根据权利要求1所述的超声波轨道检测系统，其中所述脉冲重复周期P服从式P＝(3Δi+ΔeΜΑX)/4。
3.一种超声波轨道检测系统(30)，包括：
至少一个超声波0°-换能器(133)，其安装在用于附接至轨道检测车辆(100)的框架(20)的轭架(21)上，其中所述轨道检测系统是轮式系统，其中所述超声波0°-换能器(133)被布置在充满耦合剂(32)并且运行于被检测的轨道(1)上的轮型容器(31)中；
其中所述超声波0°-换能器(133)被设计为相对于被检测的轨道的接触表面的法向以0°角度传输超声波脉冲(41)并且接收反射的超声波脉冲(42)；
控制装置(51)，其用于控制所述超声波0°-换能器(133)；
其中所述控制装置(51)适于控制所述超声波0°-换能器(133)以在接收从在被检测的轨道的接触表面反射的反射脉冲(61)时立即传输下一个超声波脉冲(44)。
4.根据权利要求3所述的超声波轨道检测系统，进一步包括安装在所述轭架(21)上的多个超声波非0°-换能器(233)；
其中所述控制装置(51)适于在联合所述超声波0°-换能器(133)接收所述反射脉冲(61)时立即触发每个超声波换能器(33)以传输下一个超声波脉冲(44)，其中在相同的时间触发所有的超声波换能器(33)。
5.根据权利要求4所述的超声波轨道检测系统，其中所述超声波0°-换能器(133)和被检测的轨道的接触表面之间的距离被设置成使得每个超声波非0°-换能器(233)总是在对应于各个超声波非0°-换能器(233)的前一个超声波脉冲(41)的反射脉冲(61)之前传输超声波非0°-换能器(233)的下一个超声波脉冲(44)。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的超声波轨道检测系统，其包括：至少一个安装在载体(221)上的超声波换能器(33；133，233)，所述载体(221)被安装至适于附接至轨道检测车辆(100)的框架(20)的框架安装部(226)；
所述系统进一步包括附接至所述载体(221)的第一3D-陀螺仪传感器(241)和附接至所述框架安装部(226)的第二3D-陀螺仪传感器(242)。
7.一种轨道检测车辆(100)，其配备有根据权利要求1-6中的任一项所述的超声波轨道检测系统。
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