CN106994984B - 激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统及方法，涉及探伤技术领域。该激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统包括控制装置以及多个激光声磁探伤器，多个激光声磁探伤器与控制装置电性连接，多个激光声磁探伤器按照预设间距排布，激光声磁探伤器包括激光超声激励装置、超声衍射横波接收装置以及调节机构，激光超声激励装置以及超声衍射横波接收装置与控制装置电性连接，激光超声激励装置用于发射聚焦后的脉冲激光束至待测物表面，超声衍射横波接收装置用于接收从待测物表面产生的超声衍射横波信号，控制装置根据超声衍射横波信号的幅值判断是否存在缺陷信号，并对存在的缺陷信号对应的位置进行定位，获取到缺陷位置。能实现快速探伤。

Description

激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统及方法

技术领域

本发明涉及探伤技术领域，具体而言，涉及一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统及方法。

背景技术

铁路安全是铁路运输中永恒的主题，是保障经济社会发展的必要条件。如今随着铁路运行速度和载重量的不断提高，在钢轨踏面上易形成大量的表面缺陷，表面缺陷会逐渐向钢轨内部扩展，严重时会造成钢轨的断裂，危害行车安全，所以加强对容易产生缺陷的钢轨踏面的无损探伤至关重要。

目前，国内外对钢轨踏面缺陷进行探伤主要采用传统的压电超声方法。该方法属于接触式探伤，对钢轨踏面上表面和近表面的缺陷检测灵敏度低，而且探伤过程中受到需要使用耦合剂、对钢轨踏面表面状态要求高等局限性的限制，不能实现钢轨踏面缺陷的快速探伤，其最高检测时速仅为80km/h，所以难以满足现代铁路发展的需要。

现有的探伤技术大多是传统的超声探伤方法，其具有探伤速度慢、精度低、不能全面覆盖等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统及方法，通过设置控制装置以及多个激光声磁探伤器，多个激光声磁探伤器按照预设间距排布，激光声磁探伤器包括激光超声激励装置、超声衍射横波接收装置以及调节机构，控制装置根据超声衍射横波接收装置接收的信号的幅值判断是否存在缺陷信号，并获取缺陷位置，可以较快的且较为准确的实现对待探伤区域的探伤，以改善现有技术中探伤速度慢以及低精度的缺陷问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统，所述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统包括控制装置以及多个激光声磁探伤器，所述多个激光声磁探伤器与控制装置电性连接，所述多个激光声磁探伤器按照预设间距排布，所述激光声磁探伤器包括激光超声激励装置、超声衍射横波接收装置以及调节机构，所述激光超声激励装置以及超声衍射横波接收装置与控制装置电性连接，所述调节机构用于调节所述激光超声激励装置的聚焦效果，以及用于调节超声衍射横波接收装置的位置，所述激光超声激励装置用于发射聚焦后的脉冲激光束至待测物表面，所述超声衍射横波接收装置用于接收从待测物表面产生的超声衍射横波信号，所述控制装置根据所述超声衍射横波信号的幅值判断是否存在缺陷信号，并对存在的所述缺陷信号对应的位置进行定位，获取到缺陷位置。

优选的，上述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统中，所述激光超声激励装置包括脉冲激光器以及线型聚焦单元，所述线型聚焦单元设置于所述脉冲激光器的激光出射通道，所述线型聚焦单元由柱面透镜以及可调焦距的光学镜架组成，所述脉冲激光器用于发射脉冲激光束，所述线型聚焦单元用于对所述脉冲激光束进行聚焦。

优选的，上述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统中，所述调节机构包括第一调节机构以及第二调节机构，所述第一调节机构包括带刻度线的光具座，所述光具座的刻度线的排列方向为与脉冲激光器的激光出射通道平行的方向，所述柱面透镜通过所述光学镜架设置于所述光具座，所述柱面透镜可在所述光具座的刻度线排列方向移动，且脉冲激光器发射的脉冲激光束通过所述柱面透镜，所述第二调节机构包括水平定位螺栓、固定座、丝杠以及手轮，所述超声衍射横波接收装置通过水平定位螺栓设置于固定座的可移动件，所述手轮与所述丝杆可活动连接，所述可移动件以及固定件均垂直于所述固定座，所述手轮通过丝杆与所述可移动件连接，所述可移动件可相对于所述固定件在所述固定座的刻度线排列方向上移动，所述水平定位螺栓用于调节所述超声衍射横波接收装置相对于所述固定座的距离，所述手轮用于调节所述超声衍射横波接收装置与所述固定件的距离，以调节所述超声衍射横波接收装置使用时的水平方向和竖直方向的位置。

优选的，上述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统中，所述超声衍射横波接收装置包括横波电磁超声传感器、高速数据采集模块以及光电探测器，所述高速数据采集模块与所述电磁超声传感器以及光电探测器电性连接，所述横波电磁超声传感器用于检测从待测物表面产生的超声衍射横波信号，所述光电探测器用于检测所述激光超声激励装置发射的脉冲激光信号，所述高速数据采集模块用于采集横波电磁超声传感器以及光电探测器检测的信号，所述光电探测器检测到脉冲激光信号后产生触发所述高速数据采集模块进行数据的采集的信号。

优选的，上述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统中，所述横波电磁超声传感器包括探伤线圈、多级放大器、滤波检波器以及模数转换器，所述探伤线圈、多级放大器、滤波检波器以及模数转换器依次顺次电性连接，所述探伤线圈用于探测超声衍射横波信号，所述多级放大器用于对超声衍射横波信号进行放大，所述滤波检波器用于对放大后的超声衍射横波信号进行滤波检波。

优选的，上述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统中，所述激光声磁探伤器还包括壳体，所述激光声磁超声激励装置设置于所述壳体内的一侧，所述超声衍射横波接收装置设置于所述壳体内与所述激光声磁超声激励装置相对的另一侧，所述调节机构包括第一调节机构以及第二调节机构，所述第一调节机构设置所述于壳体内所述激光声磁超声激励装置所在一侧的表面，所述第二调节机构设置于所述壳体内所述超声衍射横波接收装置所在一侧的表面，所述超声衍射横波接收装置的光电探测器设置于所述激光超声激励装置的激光出射的方向，所述高速数据采集模块设置于壳体外。

优选的，上述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统中，所述控制装置包括探伤器控制模块、数据分析模块以及显示模块，所述探伤器控制模块、数据分析模块以及显示模块依次电性连接，所述探伤器控制模块用于控制所述多个激光声磁探伤器同步启动，所述数据分析模块用于对每个激光声磁探伤器传送的数据信号进行运算处理并根据缺陷幅度报警阈值以及接收信号的位置判断缺陷信号及其位置，所述显示模块用于接收数据分析模块的信息并对探伤结果进行显示。

优选的，上述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统中，所述预设间距D＝V/f，其中，V为探伤速度，f为所述激光声磁探伤器中脉冲激光器的重复频率，l为横波电磁超声传感器的有效探伤长度，D为所述预设间距，所述多个激光声磁探伤器的数量n≥D/l。

一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤方法，应用于上述的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统，所述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤方法包括：利用所述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统对实物进行预探伤，获取到预探伤结果；根据所述预探伤结果调整各项参数，使所述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统满足探伤要求；将调整好的所述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统固定于探伤车，对待检测实物进行探伤，获取到探伤数据。

优选的，上述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤方法中，所述对实物进行探伤包括：所述控制装置控制所述激光超声激励装置发射聚焦后的脉冲激光束至实物表面；所述超声衍射横波接收装置接收超声衍射横波信号并传输至所述控制装置；所述控制装置判断所述超声衍射横波信号是否为缺陷信号，并通过探伤初始位置L₁、接收到缺陷信号的时间t₁、探伤速度V、接收到缺陷信号的激光声磁探伤器编号n’、预设间距D₁对钢轨上缺陷位置L进行定位，定位公式为：L＝L₁+V*t₁+D₁*(n'-1)。

本发明实现的有益效果：本发明实施例提供了一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统及方法，该激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统包括控制装置以及多个激光声磁探伤器，多个激光声磁探伤器与控制器电性连接。多个激光声磁探伤器按照预设间距排布。激光声磁探伤器包括激光超声激励装置、超声衍射横波接收装置以及调节机构，激光超声激励装置用于发射聚焦后的脉冲激光束至待测物表面，超声衍射横波接收装置用于接收从待测物表面产生的超声衍射横波信号，控制装置根据超声衍射横波信号的幅值判断是否存在缺陷信号，并获取到缺陷位置。该激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统可以较快的且较为准确的实现对待探伤区域的探伤，以改善现有技术中探伤速度慢以及低精度的缺陷问题。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明第一实施例提供的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统的结构示意图；

图2示出了本发明第一实施例提供的激光探伤器的结构示意图；

图3示出了本发明第一实施例提供的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤方法的原理图；

图4示出了本发明第一实施例提供的另一种原理图；

图5示出了本发明第一实施例提供的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统的探伤过程示意图；

图6示出了本发明第一实施例提供的虚线框内容的放大图；

图7示出了本发明第一实施例提供的不存在缺陷时的探伤波形图；

图8示出了本发明第一实施例提供的存在缺陷时的探伤波形图；

图9示出了本发明第二实施例提供的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤方法的流程图。

图标：100-激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统；110-控制装置；120-激光声磁探伤器；130-激光超声激励装置；131-脉冲激光器；132-线型聚焦单元；133-激光线源；140-超声衍射横波接收装置；141-横波电磁超声传感器；142-高速数据采集模块；143-光电探测器；150-调节机构；151-第一调节机构；152-光具座；153-第二调节机构；154-水平定位螺栓；155-固定座；156-丝杆；157-手轮；160-超声表面波；161-缺陷；162-反射波；163-透射波；164-衍射横波；165-激光束。

具体实施方式

现有的钢轨探伤技术存在探伤速度慢以及精度等缺陷问题。

鉴于上述情况，发明人经过长期的研究和大量的实践，提供了一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统及方法以改善现有问题。

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

本发明第一实施例提供了一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统100，请参见图1，该激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统100包括控制装置110以及多个激光声磁探伤器120。多个激光声磁探伤器120与控制装置110电性连接，多个激光声磁探伤器120按照预设间距排布。请参见图2，激光声磁探伤器120包括激光超声激励装置130、超声衍射横波接收装置140以及调节机构150。激光超声激励装置130以及超声衍射横波接收装置140分别与控制装置110电性连接。

在本发明第一实施例中，多个激光声磁探伤器120可以按照预设间距排布成一列。

在本发明第一实施例中，如图2所示，激光超声激励装置130包括脉冲激光器131以及线型聚焦单元132。其中，线型聚焦单元132设置于脉冲激光器131的激光出射通道，线型聚焦单元132由柱面透镜以及可调焦距的光学镜架组成。

进一步的，如图2所示，调节机构150包括第一调节机构151以及第二调节机构153。其中，第一调节机构151包括带刻度线的光具座152，其光具组的刻度线的排列方向为与脉冲激光器131的激光出射通道平行的方向。线型聚焦单元132设置于光具座152，具体的，即柱面透镜通过光学镜架设置于光具座152，柱面透镜可以在光具座152的刻度线排列方向上移动，即柱面透镜可以在如图2所示的竖直方向上上下移动，并且如图2所示，脉冲激光器131发射的脉冲激光束可以通过柱面透镜。第二调节机构153包括水平定位螺栓154、固定座155、丝杆156以及手轮157。超声衍射横波接收装置140通过水平定位螺栓154设置于固定座155的可移动件，手轮157与丝杆157可活动连接，且手轮157设置于固定件表面。可移动件以及固定件均垂直设置于固定座155。固定件为固定设置于固定座155的部件。手轮157通过丝杆156与可移动件连接，可移动件可相对于固定件在固定座155的刻度线排列方向上移动。

作为一种实施方式，第一调节机构151与第二调节机构153可以相对设置，脉冲激光器131可以设置于第一调节机构151的一端，线型聚焦单元132设置于第一调节机构151，脉冲激光器131的激光出射口朝向线型聚焦单元132，并且脉冲激光器131出射的脉冲激光束通过线型聚焦单元132的柱面透镜，脉冲激光器131出射的脉冲激光束与线型聚焦单元132共轴。横波电磁超声传感器141通过水平定位螺栓154设置于第一调节机构151的固定座155，横波电磁传感器的底面应保持使用时水平。水平定位螺栓154设置于固定座155的可移动件，并且可移动件可在固定座155的刻度线排列方向上移动，可移动件垂直于固定座155刻度线排列方向。可移动件通过丝杆156与手轮157连接，手轮157设置于固定座155的固定件，固定件垂直于固定座155刻度线排列方向。当转动手轮157，使丝杆156发生转动，转动的丝杆156根据手轮157的转动方向在固定座155刻度线排列方向向上或向下移动，从而使横波电磁超声传感器141随着丝杆157的向上或向下移动可相对于固定件在固定座155刻度线排列方向上移动。光电探测器143设置于脉冲激光器131激光出射的方向，且光电探测器143能接收到激光信号。高速数据采集模块142与光电探测器143以及横波电磁超声传感器141电性连接，高速数据采集模块142还与控制装置110电性连接。

在本发明第一实施例中，如图2所示，超声衍射横波接收装置140包括横波电磁超声传感器141、高速数据采集模块142以及光电探测器143。其中，高速数据采集模块142与电磁超声传感器以及光电探测器143电性连接。

进一步的，横波电磁超声传感器141包括探伤线圈、多级放大器、滤波检波器以及模数转换器。探伤线圈、多级放大器、滤波检波器以及模数转换器依次顺次电性连接。

在本发明第一实施例中，如图2所示，激光声磁探伤器120还包括壳体。激光声磁超声激励装置设置于壳体内的一侧，超声衍射横波接收装置140设置于壳体内与激光声磁超声激励装置相对的另一侧。调节机构150的第一调节机构151设置于激光声磁超声激励装置所在一侧的表面。调节机构150的第二调节机构153设置于壳体内超声衍射横波接收装置140所在一侧的表面。超声衍射横波接收装置140的光电探测器143设置于激光超声激励装置130的激光出射的方向，高速数据采集模块142设置于壳体外。

在本发明第一实施例中，控制装置110包括探伤器控制模块、数据分析模块、以及显示模块。探伤器控制模块、数据分析模块以及显示模块依次电性连接。

在本发明第一实施例中，单个激光声磁探伤器120的探伤速度为V＝f*l，多个激光声磁探伤器120之间的预设间距为D＝V/f，其中，f为激光声磁探伤器120中脉冲激光器131的重复频率，l为横波超声传感器的有效探伤长度，D为预设间距。多个激光声磁探伤器120的数量n≥D/l。

在本发明实施例中，激光超声激励装置130用于发射聚焦后的脉冲激光束至待测物表面；超声衍射横波接收装置140用于接收从待测物表面产生的超声衍射横波信号；调节机构150用于调节激光超声激励装置130的激励效果，以及用于调节超声衍射横波接收装置140的位置；控制装置110用于控制激光超声激励装置130以及超声衍射横波接收装置140，且根据超声衍射横波信号的幅值判断是否存在缺陷信号，并对缺陷信号对应的位置进行定位，获取到缺陷位置。

激光超声激励装置130的脉冲激光器131用于发射脉冲激光束，脉冲激光器131的重复频率为1-100Hz，发射的脉冲激光能量在1-480mJ；线型聚焦单元132用于对脉冲激光束进行聚焦。脉冲激光器131发射的脉冲激光束经过线型聚焦单元132可以聚焦成线源横向照射到待测物表面，用于激励超声表面波。线型聚焦单元132包括有柱面透镜，柱面透镜使聚焦后的线源长和宽分别为5mm和0.5mm。激励超声表面波带宽在0.5-4MHz之间，主声束可以以一定的半扩散角沿待测物表面纵向传播，当传播一定距离后，其主声束即可横向全覆盖整个待测物表面。

在本发明实施例中，调节机构150包括有第一调机机构以及第二调节机构153。其中，设置于第一调节机构151的光具座152的柱面透镜可以在光具座152的刻度线排列方向移动，从而可以改变线型聚焦单元132距离脉冲激光器131的距离，进行脉冲激光器131与柱面透镜的共轴调节，实现激光超声激励装置130的聚焦效果的调节。水平定位螺栓154用于调节超声衍射横波接收装置140相对于固定座155的距离，手轮157用于调节超声衍射横波接收装置140与固定件的距离，以调节超声衍射横波接收装置140使用时的水平方向和竖直方向的位置，保证超声衍射横波接收装置140与待检测物表面保持一定的间距。

超声衍射横波接收装置140包括有横波电磁超声传感器141、高速数据采集模块142以及光电探测器143。其中，横波电磁超声传感器141用于检测从待测物表面产生的超声衍射横波信号；光电探测器143用于检测激光超声激励装置130发射的脉冲激光信号；高速数据采集模块142用于采集横波电磁超声传感器141以及光电探测器143检测的信号，光电探测器143检测到脉冲激光信号后产生触发高速数据采集模块142进行数据的采集的信号。

横波电磁超声传感器141由探伤线圈、多级放大器、滤波检波器以及模数转换器组成。横波电磁超声传感器141可以接收一定距离下的超声衍射横波。其中，探伤先去用于探测超声衍射横波信号；多级放大器用于对超声衍射横波信号进行放大；滤波检波器用于对放大后的超声衍射横波信号进行滤波检波。探伤线圈采用对于超声衍射横波灵敏度高的PCB蝶形线圈，其有效探伤范围为边长100mm的正方形区域。

当然，横波电磁超声传感器141还可以包括传感器外壳，横波电磁超声传感器141的其他组件设置于传感器外壳内。横波电磁超声传感器141外壳用于屏蔽探伤过程中的电磁干扰，以及对横波电磁超声传感器141进行防护。

在本发明实施例中，光电探测器143由高灵敏度的光敏电阻以及调制器组成，光敏电阻用于检测光信号并转换为电信号，调制器用于对光敏电阻产生的电信号进行调制。高灵敏度光敏电阻可探测到待测物表面散射的微弱光信号，调制器与激光超声激励装置130光信号特征相匹配，可为高速数据采集模块142提供响应快、增益高、噪声小的触发信号。

在本发明实施例中，高速数据采集模块142可以基于Altera StratixII FPGA和Atme ARM9架构实现。其最大采样速率可以达到100MSPS，可以实现高速运动状态下信号的采集。

在本发明实施例中，控制装置110由探伤器控制模块、数据分析模块以及显示模块组成。其中，探伤器控制模块用于控制多个激光声磁探伤器120同步启动；数据分析模块用于对每个激光声磁探伤器120传送的数据信号进行运算处理，并根据缺陷幅度报警阈值以及接受信号的位置判断缺陷信号及其位置；显示模块用于接收数据分析模块的信息并对探伤结果进行显示。探伤器控制模块可以基于FPGA实现，可以控制每个激光声磁探伤器120的脉冲激光发射时间。数据分析模块可以是包括存储单元以及运算单元的处理器，其存储单元用于接收和存储所有激光声磁探伤器120传送的探伤数据信号，运算单元通过每个激光声磁探伤器120传送的探伤数据信号进行高速运算处理并根据信号位置以及缺陷幅度报警阈值进行有无缺陷的判断。显示模块可以是LED显示屏，用于实时显示探伤结果，当然其具体种类在本发明实施例中并不作为限定。

如图3为激光声磁探伤器120探伤方法基本原理图。由脉冲激光器131发出的一束经过线聚焦的激光束165照射到钢轨踏面上时，钢轨踏面会吸收部分能量并发生瞬时热作用产生应变和应力场，使钢轨踏面的粒子产生振动，从而在钢轨中产生各种类型的超声波，其中沿钢轨踏面传播的是超声表面波160；当沿踏面传播表面波遇到缺陷161时，除了产生反射波162和透射波163外，还会产生向四周传播的衍射横波164，此时横波电磁超声传感器141在缺陷上方时即能接收到该衍射横波164。如图4所示，照射到钢轨踏面的激光线源133激励出主声束具有一定指向性的表面波以半扩散角θ沿钢轨踏面纵向传播，当激光线源133的长度为5mm、宽度为0.5mm时，实验可得表面波在P60钢轨踏面上传播的距离达到85mm时即能沿横向扩散到整个踏面区域，即在探伤中，当横波电磁超声传感器141和激光线源133的间距大于85mm时即可对钢轨踏面进行全覆盖探伤，同时考虑到超声表面波的衰减特性，横波电磁超声传感器141和激光线源133的间距也不宜太大，一般选择90mm～100mm之间的间距。

该激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统100中，单个激光声磁探伤器120的探伤速度由激光超声激励装置130中脉冲激光器131的重复频率f以及超声衍射横波接收装置140中横波电磁超声传感器141的有效探伤长度l相乘得到，即。当f为100Hz，l为100mm时，计算可得到单个激光声磁探伤器120的探伤速度为36km/h。为达到探伤速度100km/h-200km/h，需要将多个激光声磁探伤器120按照预设间距排布。其中，预设间距D和激光声磁探伤器120数量n可以按照：D＝V/f以及n≥D/l计算。

作为一种优选的实施方式，当n的数值确定时，可以对预设间距D进行优化处理，D优化处理后表示为D₁，D₁可按照：D-(nl-D)≤D₁≤D计算。

在本发明实施例中，激光声磁探伤器120的数量可以取：3≤n≤6。

进一步的，为便于激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统100的组装和调节，优化后的预设间距的数值可以取整数。

从而可以激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统100的激光声磁探伤器120的数量以及预设间距组装激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统100。在组装激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统100的激光超声激励装置130时，根据线型聚焦单元132中柱面透镜的焦距，在带有刻度的光具座152上调整线型聚焦单元132到钢轨踏面的距离为该焦距，使线型聚焦单元132的焦点正好落在钢轨踏面上；然后以激光器发射的激光束为参考，再次调节线型聚焦单元132的位置，在保证线型聚焦单元132到钢轨踏面的距离为该焦距的同时使线型聚焦单元132与脉冲激光束共轴，以便激光束经线型聚焦单元132聚焦后的激光线源133全部照射到待测物表面上。

在组装激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统100的超声衍射横波接收装置140时，调节超声衍射横波接收装置140中水平定位螺栓154，使横波电磁超声传感器141底面与钢轨踏面平行，再通过旋转手轮157使丝杆156运动，在带有刻度的固定座155上调整横波电磁超声传感器141底面与钢轨踏面的间距，通过调节超声衍射横波接收装置140，以保证横波电磁超声传感器141底面与钢轨踏面保持3～5mm的间距，实现非接触探伤。

以实现探伤速度150km/h为例，按照D＝V/f以及n≥D/l计算，可以得到D＝416.67mm、n≥4.16，因为激光声磁探伤器120数量只能为整数，所以激光声磁探伤器120数量n选择满足探伤要求并大于等于4.16的最小整数5。

作为上述满足探伤速度V为150km/h时的一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统及方法的优化方案，当n＝5时，为了便于钢轨踏面激光声磁高速探伤装置的组装和调节，按优化公式对预设间距进行优化处理，通过优化公式计算可得D₁的范围为：395.84mm≤D₁≤416.67mm，即预设间距D₁在上述范围内即可满足探伤速度V为150km/h的要求，本实施例中D₁的数值选择为整数400mm。

如图5所示，a、b、c、d、e为5个激光声磁探伤器120，阵列间距均为D₁。在时间t(t为以150km/h探伤时的任一时刻)，激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统以150km/h的速度对图5中所示的待探伤区进行探伤，一个脉冲激光器131发射周期T内(T＝1/f＝0.01s)，前进了D＝416.67mm，到达t+T时刻处，此时激光声磁探伤器a对D长度内的l长度的区域进行有效探伤。

阵列以150km/h的速度继续探伤，在t+2T时刻时，激光声磁探伤器b对D长度内的l长度的区域进行有效探伤，激光声磁探伤器b所探区域有一部分和t+T时刻激光声磁探伤器a所探区域重合，重合区域的长度l₁为D减去D₁，即l₁＝D-D₁＝16.67mm，此时激光声磁探伤器a在对后一个D长度内的l长度的区域进行有效探伤。

阵列以150km/h的速度继续探伤，在t+3T时刻时，激光声磁探伤器c对D长度内的l长度的区域进行有效探伤，激光声磁探伤器c所探区域有一部分和t+T时刻激光声磁探伤器b所探区域重合，重合区域的长度l₁为D减去D₁，即l₁＝D-D₁＝16.67mm，此时激光声磁探伤器b在对后一个D长度内的l长度的区域进行有效探伤。

同样的在t+4T、t+5T时刻，激光声磁探伤器d、e分别对D长度内的l长度的区域进行有效探伤，它们之间也有l₁长度的重合区域。

如图5和图6所示，在5T时间的探伤过程中，5个激光声磁探伤器120有重合探伤区域，所以去除重合探伤区域，5个激光声磁探伤器120分别进行了l、(l-l₁)、(l-l₁)、(l-l₁)、(l-2l₁)长度的有效探伤，把它们相加在一起即l+(l-l₁)+(l-l₁)+(l-l₁)+(l-2l₁)，计算可得总探伤长度为416.67mm，正是D的数值，说明5个激光声磁探伤器120在5T的探伤时间内对钢轨踏面进行了全覆盖探伤。当在t+6T时刻时，5个激光声磁探伤器120已对2D长度的钢轨踏面进行了全覆盖探伤。

在本发明实施例中，在进行探伤时有重合探伤区域，重复探伤覆盖率R可以按照公式：R＝(l₁/l)*100％＝16.7％计算。因此，当把D设置为D₁时，使用上。述阵列进行钢轨踏面缺陷探伤时不仅能进行钢轨踏面全覆盖探伤，而且还会有16.7％的重复探伤覆盖率，进一步降低了缺陷漏检率。

如图7所示为钢轨踏面无缺陷时某一激光声磁探伤器120探伤波形图，图8为钢轨踏面有缺陷时某一激光声磁探伤器120探伤波形图，激光线源133与横波电磁超声传感器141中心距离为S₁，如图7所示，图中A为触发信号(相当于传统压电超声中的探伤始波)，当钢轨踏面无缺陷时，在S₁的位置处激光声磁探伤器120只能接收到由于钢轨踏面电噪声信号N，该信号幅值比较小，不影响探伤效果；如图8所示，当钢轨踏面有缺陷时，在S₁的位置处激光声磁探伤器120可以接收到缺陷信号F，该信号幅值明显大于电噪声信号N，如果F的幅值超过设定好的缺陷幅度报警阈值时，则判断为缺陷信号。当存在缺陷时，控制装置110可以通过探伤初始位置L₁、接收到缺陷信号的时间t₁、探伤速度V、接收到缺陷信号的激光声磁探伤器120编号n’、预设间距D₁对钢轨上缺陷位置L进行定位，定位公式为：L＝L₁+V*t₁+D₁*(n'-1)。

本发明第一实施例提供了一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统100，该激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统100包括有控制装置110以及多个激光声磁探伤器120，多个激光声磁探伤器120与控制装置110电性连接，多个激光声磁探伤器120按照预设间距排布。探伤过程中，将激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统100安装于探伤车，控制装置110控制每个激光声磁探伤器120对待测物进行探伤，控制装置110再对探伤数据行处理分析，得到每个探伤器的探伤区域的探伤结果，再将多个探伤器的探伤区域的探伤结果结合到一起，从而可以实现待测物的全覆盖、快速以及高精度的探伤效果。

第二实施例

本发明第二实施例提供了一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤方法，该激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤方法应用于本发明第一实施例提供的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统。如图9所示，该激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤方法包括：

步骤S10：利用所述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统对实物进行预探伤，获取到预探伤结果。

具体的，步骤S10包括：

所述控制装置控制所述激光超声激励装置发射聚焦后的脉冲激光束至实物表面；所述超声衍射横波接收装置接收超声衍射横波信号并传输至所述控制装置；所述控制装置判断所述超声衍射横波信号是否为缺陷信号，并通过探伤初始位置L₁、接收到缺陷信号的时间t₁、探伤速度V、接收到缺陷信号的激光声磁探伤器编号n’、阵列间距D₁对钢轨上缺陷位置L进行定位，定位公式为：L＝L₁+V*t₁+D₁*(n'-1)。

在激光超声激励装置发射聚焦后的脉冲激光束至实物表面之前，还包括有：根据探伤速度，按照D＝V/f以及n≥D/l计算激光声磁探伤器的数量以及预设间距；根据激光声磁探伤器的数量以及预设间距对激光超声激励装置进行组装。

在组装激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统的激光超声激励装置时，根据线型聚焦单元中柱面透镜的焦距f₁，在带有刻度的光具座上调整线型聚焦单元到钢轨踏面的距离为f₁，使线型聚焦单元的焦点正好落在钢轨踏面上；然后以激光器发射的激光束为参考，再次调节线型聚焦单元的位置，在保证线型聚焦单元到钢轨踏面的距离为f₁的同时使线型聚焦单元与激光束共轴，以便激光束经线型聚焦单元聚焦后的激光线源全部照射到待测物表面上。

在组装激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统的超声衍射横波接收装置时，调节超声衍射横波接收装置中水平定位螺栓，使横波电磁超声传感器底面与钢轨踏面平行，再通过旋转手轮使丝杆运动，在带有刻度的固定座上调整横波电磁超声传感器底面与钢轨踏面的间距，通过调节超声衍射横波接收装置，以保证横波电磁超声传感器底面与钢轨踏面保持3～5mm的间距，实现非接触探伤。

激光超声激励装置发射聚焦后的脉冲激光束至实物表面后，脉冲激光在实物表面激励出超声表面波。当实物表面有缺陷时，会发生波形转换产生超声衍射横波信号，并被超声衍射横波接收装置接收后传输至控制装置进行处理分析。控制装置根据设定的幅值阈值确定是否存在缺陷信号，并根据探伤初始位置L₁、接收到缺陷信号的时间t₁、探伤速度V、接收到缺陷信号的激光声磁探伤器编号n’、阵列间距D₁对钢轨上缺陷位置L进行定位，定位公式为：L＝L₁+V*t₁+D₁*(n'-1)。

步骤S20：根据所述预探伤结果调整各项参数，使所述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统满足探伤要求。

根据预探伤结果，以及实物已知的缺陷，可以分析出预探伤结果的准确性。根据准确性的评估，再对激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统的各项参数进行调节，例如，对每个激光声磁探伤器的激光超声激励装置以及超声衍射横波接收装置进行调节，对预设间距进行调节等。

步骤S30：将调整好的所述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统固定于探伤车，对待检测实物进行探伤，获取到探伤数据。

通常在对钢轨踏面进行探伤，需要使用大型钢轨探伤车。因此需要将激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统固定于探伤车，随着探伤车行驶，对实际待测物进行探伤扫查，扫查过程中控制装置实时显示并存储探伤数据。

当然，激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统对实际待测钢轨探伤完毕后，可以根据探伤结果对已探测钢轨进行复查、修复等后续处理。

综上所述，本发明实施例提供了一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统及方法，该激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统包括控制装置以及多个激光声磁探伤器，多个激光声磁探伤器与控制器电性连接。多个激光声磁探伤器按照预设间距排布。激光声磁探伤器包括激光超声激励装置、超声衍射横波接收装置以及调节机构，激光超声激励装置用于发射聚焦后的脉冲激光束至待测物表面，超声衍射横波接收装置用于接收从待测物表面产生的超声衍射横波信号，控制装置根据超声衍射横波信号的幅值判断是否存在缺陷信号，并获取到缺陷位置。对每个激光声磁探伤器的探伤区域的探伤结果进行结合，可以得到待测物整个区域的探伤结果。该激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统以激光声磁探伤技术为核心，突破了传统压电超声探伤需要耦合剂的限制，完全实现了钢轨踏面非接触快速探伤，探伤速度可达100km/h～200km/h。本发明激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统及方法是由多个探伤阵列按照一定间距组成的阵列装置，安装调试方便、运行可靠、探伤效率高、缺陷定位准确、实用性强，可有效的检测出钢轨踏面的缺陷，实现了钢轨踏面缺陷快速、高精度、全覆盖探伤，符合钢轨探伤技术快速发展的需求，使用前景广阔。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统，其特征在于，所述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统包括控制装置以及多个激光声磁探伤器，所述多个激光声磁探伤器与控制装置电性连接，所述多个激光声磁探伤器按照预设间距排布，所述激光声磁探伤器包括激光超声激励装置、超声衍射横波接收装置以及调节机构，所述激光超声激励装置以及超声衍射横波接收装置与控制装置电性连接，所述调节机构用于调节所述激光超声激励装置的聚焦效果，以及用于调节超声衍射横波接收装置的位置，所述激光超声激励装置用于发射聚焦后的脉冲激光束至待测物表面，所述超声衍射横波接收装置用于接收从待测物表面产生的超声衍射横波信号，所述控制装置根据所述超声衍射横波信号的幅值判断是否存在缺陷信号，并对存在的所述缺陷信号对应的位置进行定位，获取到缺陷位置。

2.根据权利要求1所述的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统，其特征在于，所述激光超声激励装置包括脉冲激光器以及线型聚焦单元，所述线型聚焦单元设置于所述脉冲激光器的激光出射通道，所述线型聚焦单元由柱面透镜以及可调焦距的光学镜架组成，所述脉冲激光器用于发射脉冲激光束，所述线型聚焦单元用于对所述脉冲激光束进行聚焦。

3.根据权利要求2所述的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统，其特征在于，所述调节机构包括第一调节机构以及第二调节机构，所述第一调节机构包括带刻度线的光具座，所述光具座的刻度线的排列方向为与脉冲激光器的激光出射通道平行的方向，所述柱面透镜通过所述光学镜架设置于所述光具座，所述柱面透镜可在所述光具座的刻度线排列方向移动，且脉冲激光器发射的脉冲激光束通过所述柱面透镜，所述第二调节机构包括水平定位螺栓、固定座、丝杆以及手轮，所述超声衍射横波接收装置通过水平定位螺栓设置于固定座的可移动件，所述手轮与所述丝杆可活动连接，所述可移动件以及固定件均垂直于所述固定座，所述手轮通过丝杆与所述可移动件连接，所述可移动件可相对于所述固定件在所述固定座的刻度线排列方向上移动，所述水平定位螺栓用于调节所述超声衍射横波接收装置相对于所述固定座的距离，所述手轮用于调节所述超声衍射横波接收装置与所述固定件的距离，以调节所述超声衍射横波接收装置使用时的水平方向和竖直方向的位置。

4.根据权利要求1所述的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统，其特征在于，所述超声衍射横波接收装置包括横波电磁超声传感器、高速数据采集模块以及光电探测器，所述高速数据采集模块与所述电磁超声传感器以及光电探测器电性连接，所述横波电磁超声传感器用于检测从待测物表面产生的超声衍射横波信号，所述光电探测器用于检测所述激光超声激励装置发射的脉冲激光信号，所述高速数据采集模块用于采集横波电磁超声传感器以及光电探测器检测的信号，所述光电探测器检测到脉冲激光信号后产生触发所述高速数据采集模块进行数据的采集的信号。

5.根据权利要求4所述的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统，其特征在于，所述横波电磁超声传感器包括探伤线圈、多级放大器、滤波检波器以及模数转换器，所述探伤线圈、多级放大器、滤波检波器以及模数转换器依次顺次电性连接，所述探伤线圈用于探测超声衍射横波信号，所述多级放大器用于对超声衍射横波信号进行放大，所述滤波检波器用于对放大后的超声衍射横波信号进行滤波检波。

6.根据权利要求4所述的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统，其特征在于，所述激光声磁探伤器还包括壳体，所述激光声磁超声激励装置设置于所述壳体内的一侧，所述超声衍射横波接收装置设置于所述壳体内与所述激光声磁超声激励装置相对的另一侧，所述调节机构包括第一调节机构以及第二调节机构，所述第一调节机构设置于所述壳体内所述激光声磁超声激励装置所在一侧的表面，所述第二调节机构设置于所述壳体内所述超声衍射横波接收装置所在一侧的表面，所述超声衍射横波接收装置的光电探测器设置于所述激光超声激励装置的激光出射的方向，所述高速数据采集模块设置于壳体外。

7.根据权利要求1所述的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统，其特征在于，所述控制装置包括探伤器控制模块、数据分析模块以及显示模块，所述探伤器控制模块、数据分析模块以及显示模块依次电性连接，所述探伤器控制模块用于控制所述多个激光声磁探伤器同步启动，所述数据分析模块用于对每个激光声磁探伤器传送的数据信号进行运算处理并根据缺陷幅度报警阈值以及接收信号的位置判断缺陷信号及其位置，所述显示模块用于接收数据分析模块的信息并对探伤结果进行显示。

8.根据权利要求1所述的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统，其特征在于，所述预设间距D＝V/f，其中，V为探伤速度，f为所述激光声磁探伤器中脉冲激光器的重复频率，l为横波电磁超声传感器的有效探伤长度，D为所述预设间距，所述多个激光声磁探伤器的数量n≥D/l。

9.一种激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤方法，应用于权利要求1-8任一项所述的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统，其特征在于，所述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤方法包括：

利用所述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统对实物进行预探伤，获取到预探伤结果；

根据所述预探伤结果调整各项参数，使所述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统满足探伤要求；

将调整好的所述激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤系统固定于探伤车，对待检测实物进行探伤，获取到探伤数据。

10.根据权利要求9所述的激光声磁钢轨表面缺陷快速探伤方法，其特征在于，所述对实物进行探伤包括：

所述控制装置控制所述激光超声激励装置发射聚焦后的脉冲激光束至实物表面；

所述超声衍射横波接收装置接收超声衍射横波信号并传输至所述控制装置；

所述控制装置判断所述超声衍射横波信号是否为缺陷信号，并通过探伤初始位置L₁、接收到缺陷信号的时间t₁、探伤速度V、接收到缺陷信号的激光声磁探伤器编号n’、预设间距D₁对钢轨上缺陷位置L进行定位，定位公式为：L＝L₁+V*t₁+D₁*(n'-1)。