CN106525971A - 便携式自动超声波无损探伤定位仪及其检测轨道的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式自动超声波无损探伤定位仪，包括依次连接的显示器和蓝牙通信和小车平台；利用自动化程度高的小车平台机制和蓝牙通信方式实现了检测装置与检测结果的有效分离，避免了传统探伤装置复杂的物理连线和笨重的结构设计。一种检测轨道的方法，采用两种算法相结合的方式，从而确保检测区间内轨道的损伤情况及时检测出来，大大提高轨道损伤检出效率、检测准确性和检测可靠性，平衡了检测速度、检测精度和自动化程度三者之间的矛盾。

Description

便携式自动超声波无损探伤定位仪及其检测轨道的方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种便携式自动超声波无损探伤定位仪，还涉及利用便携式自动超声波无损探伤定位仪进行轨道检测的方法。

背景技术

据中国铁道部数据显示，截至2015年底，中国高速铁路运营里程达到1.9万公里，居世界第一位，铁路运输在我国的交通运输系统中占据着非常重要的地位。但是当气温较低时，由于轨道本身材质和构造时的原因，在轨道中存在各种缺陷的部位，很容易发生轨道断裂。若轨道存在损伤没有及时检测出来，将对列车的行车安全构成重大的安全隐患。

目前用于日常巡检中的轨道探伤设备主要有手推式探伤小车和大型轨道探伤车。手推式探伤小车需要人工检测，存在耗费人力大、自动化程度和检测效率低的缺点，大型轨道探伤车存在体积大、紧急情况下无法及时撤离轨道的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种便携式自动超声波无损探伤定位仪，解决了现有轨道探伤设备体积大的问题。

本发明的目的在于提供了一种检测轨道的方法。

本发明所采用的技术方案是，便携式自动超声波无损探伤定位仪，包括依次连接的显示器和蓝牙通信和小车平台；

小车平台上设置有依次连接的超声波换能器、信号调理模块、AD采集模块、存储FIFO、数据采集控制器和超声波激励单元，超声波换能器与超声波激励单元连接，数据采集控制器上依次连接有数据处理控制器和报警装置；

显示器上设置有手持设备。

本发明的特点还在于，小车平台与太阳能电池板连接。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种检测轨道的方法，采用便携式自动超声波无损探伤定位仪，包括以下步骤：

步骤1、在无损伤的轨道上，采集得到点信号的幅值最大值A_max；

步骤2、在待检测的轨道上，采集得到检测点信号的幅值最大值A'_max；

步骤3、将步骤2中得到幅值最大值A'_max与无损伤时的幅值最大值A_max进行比较：当A'_max<A_max时，有缺陷，当A'_max≥A_max时，将该信号进入步骤4中进行计算；

步骤4、将接收到的超声波回波信号x'₁(n)与无损时回波底波信号x₀(m)按照公式(1)进行计算x'₁(n)和x₀(m)的线型互相关：

公式(1)中，为x'₁(n)和x₀(m)的线型互相关，x'₁(n)是超声波回波信号，其信号长度为n，x₀(m)是无损时回波的底波信号，其信号长度为m，且满足：m<n，k是线型互相关后的下标，

然后将得到序列做归一化处理，按照公式(2)、(3)和(4)具体如下：

由于具有上限，如公式(2)所示，故做公式(3)的变换，即可完成归一化计算，得到公式(4)中的取值范围，其中为x'₁(n)和x₀(m)的线型互相关，k是线型互相关后的下标，是线型互相关归一化后的结果，n是超声波回波信号的长度，

归一化处理后，得到系数，其值在[-1,1]之间，设定阈值P为0.64，若在底波信号对应的互相关系数前出现大于P，则该点处有缺陷，数据采集控制器将结果发送给显示器显示，并控制报警装置开启，反之，没缺陷，报警装置不开启，

完成上述步骤后，便携式自动超声波无损探伤定位仪在数据处理控制器的控制下，沿着轨道移动，重复上述过程，直到完成所有检测任务。

本发明的特点还在于，

步骤1具体为：将小车平台放置在无损伤的轨道上，小车平台在数据处理控制器的控制下沿着轨道运动，在运动过程中，数据处理控制器给数据采集控制器发出数据采集信号，经AD采集模块采集后，将超声波回波信号记为x₀(n)，将x₀(n)经过数据处理控制器完成均值滤波后的信号记为x'₀(n)，x₀(n)的均值为Ex，将x'₀(n)快速排序后得到其最大值A_max，通过绘制x'₀(n)的波形，根据公式(5)计算轨道底部反射的回波时间T，在x'₀(n)中提取底波包络信号，并记为x₀(m)，其中m<n；

T＝((2×I)×10^-3)/V (5)

公式(5)中，V为超声波在轨道中的传播速度，单位m/s，I为轨道的高度，单位mm。

步骤1中，在x'₀(n)中提取底波包络信号具体为：通过绘制x'₀(n)波形，在轨道底部反射的回波中提取带有底部信息的包络，有300-400点数据构成底波包络信号。

步骤2具体为：将小车平台放置在待检测区间内的轨道上，小车平台在数据处理控制器的控制下沿着轨道运动，在运动过程中，数据处理控制器给数据采集控制器发出该点的数据采集信号，经AD采集模块采集后，将超声波回波信号记为x₁(n)，分别根据公式(6)和公式(7)设定阈值上限值H和下限值L，

H＝Ex+500 (6)

L＝Ex-500 (7)

公式(6)和公式(7)中，Ex为x₀(n)的均值，

当x₁(n)>H或x₁(n)<L时，将x₁(n)经过数据处理控制器完成均值滤波后的信号记为x'₁(n)，将处理后的信号x'₁(n)快速排序得到其幅值最大值A'_max。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用自动化程度高的小车平台机制和蓝牙通信方式实现了检测装置与检测结果的有效分离，避免了传统探伤装置复杂的物理连线和笨重的结构设计；解决了现有技术存在的探伤劳动强度大、难度大的问题；同时采用太阳能供电，达到了节能的目的以及更适用于野外作业的要求；

2、本发明采用两种算法相结合的方式，从而确保检测区间内轨道的损伤情况及时检测出来，大大提高轨道损伤检出效率、检测准确性和检测可靠性，平衡了检测速度、检测精度和自动化程度三者之间的矛盾；

3、本发明采用负窄脉冲方式激励超声波换能器，使得回波信号相较于传统方式更加便于提取、采集。

附图说明

图1是本发明便携式自动超声波无损探伤定位仪的结构示意图。

图中：1.小车平台，2.显示器，3.蓝牙通信，4.太阳能电池板，5.超声波激励单元，6.超声波换能器，7.信号调理模块，8.AD采集模块，9.存储FIFO，10.数据采集控制器，11.数据处理控制器，12.报警装置，13.手持设备。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种便携式自动超声波无损探伤定位仪，如图1所示，包括依次连接的显示器2、蓝牙通信3和小车平台1；

小车平台1上设置有依次连接的超声波换能器6、信号调理模块7、AD采集模块8、存储FIFO9、数据采集控制器10和超声波激励单元5，超声波换能器6与超声波激励单元5连接，数据采集控制器10上依次连接有数据处理控制器11和报警装置12；

显示器2上设置有手持设备13；

小车平台1与太阳能电池板4连接；

手持设备13给数据处理控制器11发送启动信号，数据处理控制器11控制数据采集控制器10发出激励脉冲信号给超声波激励单元5，超声波激励单元5接收到信号后产生高压负脉冲激励超声波换能器6，信号调理模块7接收超声波换能器6产生的信号并进行放大滤波后送到AD采集模块8中，进行回波信号采集，采集到的数据由数据采集控制器10存储到存储FIFO9中，最后数据采集控制器10将数据FIFO9中的数据通过SPI通信传递给数据处理控制器11中并按照本发明一种检测轨道的方法计算，然后将判断结果通过蓝牙通信3发送给显示部分2中的手持设备13，并决定是否启动报警装置12；

小车平台1整体均是由太阳能电池板4提供电能，小车平台1是由数据处理控制器11控制其运动状态；

手持设备13是一部具有蓝牙通信功能的手机，接收小车平台1发送的信息并予以显示，手持设备13还提供必要的调试按钮，用于小车平台1的基本调试操作。

本发明还提供了一种检测轨道的方法，采用一种便携式自动超声波无损探伤定位仪，包括以下步骤：

步骤1、在无损伤的轨道上，采集得到点信号的幅值最大值A_max；

步骤1具体为：将小车平台1放置在无损伤的轨道上，小车平台1在数据处理控制器11的控制下沿着轨道运动，在运动过程中，数据处理控制器11给数据采集控制器10发出数据采集信号，经AD采集模块8采集后，将超声波回波信号记为x₀(n)，将x₀(n)经过数据处理控制器11完成均值滤波后的信号记为x'₀(n)，x₀(n)的均值为Ex，将x'₀(n)快速排序后得到其最大值A_max，通过绘制x'₀(n)的波形，根据公式(5)计算轨道底部反射的回波时间T，在x'₀(n)中提取底波包络信号，并记为x₀(m)，其中m<n；

T＝((2×I)×10^-3)/V (5)

公式(5)中，V为超声波在轨道中的传播速度，单位m/s，I为轨道的高度，单位mm。

步骤1中，在x'₀(n)中提取底波包络信号具体为：通过绘制x'₀(n)波形，在轨道底部反射的回波中提取带有底部信息的包络，有300-400点数据构成底波包络信号。

步骤2、在待检测的轨道上，采集得到检测点信号的幅值最大值A'_max；

步骤2具体为：将小车平台1放置在待检测区间内的轨道上，小车平台1在数据处理控制器11的控制下沿着轨道运动，在运动过程中，数据处理控制器11给数据采集控制器10发出该点的数据采集信号，经AD采集模块8采集后，将超声波回波信号记为x₁(n)，分别根据公式(6)和公式(7)设定阈值上限值H和下限值L，

H＝Ex+500 (6)

L＝Ex-500 (7)

公式(6)和公式(7)中，Ex为x₀(n)的均值，

当x₁(n)>H或x₁(n)<L时，将x₁(n)经过数据处理控制器11完成均值滤波后的信号记为x'₁(n)，将处理后的信号x'₁(n)快速排序得到其幅值最大值A'_max。

步骤3、将步骤2中得到幅值最大值A'_max与无损伤时的幅值最大值A_max进行比较：当A'_max<A_max时，有缺陷，当A'_max≥A_max时，将该信号进入步骤4中进行计算；

步骤4、将接收到的超声波回波信号x'₁(n)与无损时回波底波信号x₀(m)按照公式(1)进行计算x'₁(n)和x₀(m)的线型互相关：

公式(1)中，为x'₁(n)和x₀(m)的线型互相关，x'₁(n)是超声波回波信号，其信号长度为n，x₀(m)是无损时回波的底波信号，其信号长度为m，且满足：m<n，k是线型互相关后的下标，

然后将得到序列做归一化处理，按照公式(2)、(3)和(4)具体如下：

由于具有上限，如公式(2)所示，故做公式(3)的变换，即可完成归一化计算，得到公式(4)中的取值范围，其中为x'₁(n)和x₀(m)的线型互相关，k是线型互相关后的下标，是线型互相关归一化后的结果，n是超声波回波信号的长度，

归一化处理后，得到系数，其值在[-1,1]之间，设定阈值P为0.64，若在底波信号对应的互相关系数前出现大于P，则该点处有缺陷，数据采集控制器10将结果发送给显示器2显示，并控制报警装置12开启，反之，没缺陷，报警装置(12)不开启，

完成上述步骤后，便携式自动超声波无损探伤定位仪在数据处理控制器(11)的控制下，沿着轨道移动，重复上述过程，直到完成所有检测任务。

Claims (6)

1.便携式自动超声波无损探伤定位仪，其特征在于：包括依次连接的显示器(2)、蓝牙通信(3)和小车平台(1)；

小车平台(1)上设置有依次连接的超声波换能器(6)、信号调理模块(7)、AD采集模块(8)、存储FIFO(9)、数据采集控制器(10)和超声波激励单元(5)，超声波换能器(6)与超声波激励单元(5)连接，数据采集控制器(10)上依次连接有数据处理控制器(11)和报警装置(12)；

显示器(2)上设置有手持设备(13)。

2.如权利要求1所述的便携式自动超声波无损探伤定位仪，其特征在于：所述小车平台(1)与太阳能电池板(4)连接。

3.一种检测轨道的方法，采用权利要求1或2所述的便携式自动超声波无损探伤定位仪，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在无损伤的轨道上，采集得到点信号的幅值最大值A_max；

步骤2、在待检测的轨道上，采集得到检测点信号的幅值最大值A'_max；

步骤3、将步骤2中得到幅值最大值A'_max与无损伤时的幅值最大值A_max进行比较：当A'_max<A_max时，有缺陷，当A'_max≥A_max时，将该信号进入步骤4中进行计算；

步骤4、将接收到的超声波回波信号x'₁(n)与无损时回波底波信号x₀(m)按照公式(1)进行计算x'₁(n)和x₀(m)的线型互相关：

$r_{{x_1}^{\&prime;}{x}_0}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{x}_1^{\&prime;}\left(i\right)x_0(i-k),0\&le;k<n---\left(1\right)$

公式(1)中，为x'₁(n)和x₀(m)的线型互相关，x'₁(n)是超声波回波信号，其信号长度为n，x₀(m)是无损时回波的底波信号，其信号长度为m，且满足：m<n，k是线型互相关后的下标，

然后将得到序列做归一化处理，按照公式(2)、(3)和(4)具体如下：

$r_{{x_1}^{\&prime;}{x}_0}\left(k\right)\&le;r_{{x_1}^{\&prime;}{x_1}^{\&prime;}}\left(0\right)r_{x_0{x}_0}\left(0\right),0\&le;k<n---\left(2\right)$

${\mathrm{\&rho;}}_{{x_1}^{\&prime;}{x}_0}\left(k\right)=\frac{r_{{x_1}^{\&prime;}{x}_0}\left(k\right)}{\sqrt{r_{{x_1}^{\&prime;}{x_1}^{\&prime;}}\left(0\right)r_{x_0{x}_0}\left(0\right)}},0\&le;k<n---\left(3\right)$

$-1\&le;{\mathrm{\&rho;}}_{{x_1}^{\&prime;}{x}_0}\left(k\right)\&le;1,0\&le;k<n---\left(4\right)$

由于具有上限，如公式(2)所示，故做公式(3)的变换，即可完成归一化计算，得到公式(4)中的取值范围，其中为x'₁(n)和x₀(m)的线型互相关，k是线型互相关后的下标，是线型互相关归一化后的结果，n是超声波回波信号的长度，

归一化处理后，得到系数，其值在[-1,1]之间，设定阈值P为0.64，若在底波信号对应的互相关系数前出现大于P，则该点处有缺陷，数据采集控制器(10)将结果发送给显示器(2)显示，并控制报警装置(12)开启，反之，没缺陷，报警装置(12)不开启，

完成上述步骤后，便携式自动超声波无损探伤定位仪在数据处理控制器(11)的控制下，沿着轨道移动，重复上述过程，直到完成所有检测任务。

4.如权利要求3所述的一种检测轨道的方法，其特征在于：所述步骤1具体为：将小车平台(1)放置在无损伤的轨道上，小车平台(1)在数据处理控制器(11)的控制下沿着轨道运动，在运动过程中，数据处理控制器(11)给数据采集控制器(10)发出数据采集信号，经AD采集模块(8)采集后，将超声波回波信号记为x₀(n)，将x₀(n)经过数据处理控制器(11)完成均值滤波后的信号记为x'₀(n)，x₀(n)的均值为Ex，将x'₀(n)快速排序后得到其最大值A_max，通过绘制x'₀(n)的波形，根据公式(5)计算轨道底部反射的回波时间T，在x'₀(n)中提取底波包络信号，并记为x₀(m)，其中m<n；

T＝((2×I)×10^-3)/V (5)

公式(5)中，V为超声波在轨道中的传播速度，单位m/s，I为轨道的高度，单位mm。

5.如权利要求3所述的一种检测轨道的方法，其特征在于：所述步骤1中，在x'₀(n)中提取底波包络信号具体为：通过绘制x'₀(n)波形，在轨道底部反射的回波中提取带有底部信息的包络，有300-400点数据构成底波包络信号。

6.如权利要求4或5所述的一种检测轨道的方法，其特征在于：所述步骤2具体为：将小车平台(1)放置在待检测区间内的轨道上，小车平台(1)在数据处理控制器(11)的控制下沿着轨道运动，在运动过程中，数据处理控制器(11)给数据采集控制器(10)发出该点的数据采集信号，经AD采集模块(8)采集后，将超声波回波信号记为x₁(n)，分别根据公式(6)和公式(7)设定阈值上限值H和下限值L，

H＝Ex+500 (6)

L＝Ex-500 (7)

公式(6)和公式(7)中，Ex为x₀(n)的均值，

当x₁(n)>H或x₁(n)<L时，将x₁(n)经过数据处理控制器(11)完成均值滤波后的信号记为x'₁(n)，将处理后的信号x'₁(n)快速排序得到其幅值最大值A'_max。