CN109187768B - 一种高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备及方法，校准设备包括：校准板、水准管、高度可调支座及超声检测系统。其中，水准管布设于校准板上侧面，高度可调支座布设于校准板底部。校准板包括沿检测方向布置的调试区、横向精度校准区、纵向精度校准区与深度方向精度校准区；通过现场所架设的超声检测系统对已知三维信息的上述三个校准区进行检测，将检测结果与校准板内部裂隙的已知三维信息进行比较分析，得出检测系统相应的检测精度与参数，进而通过反馈调节检测设备的预设参数，达到工程要求的检测精度，完成校准，方法更为方便、快速，对于不同种类及型号的超声检测系统均适用，并可以满足不同的轨道板测量标准。

Description

一种高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备及方法

技术领域

本发明属于高铁轨道板超声检测系统室外精度校准领域，具体涉及一种高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备及方法。

背景技术

高铁轨道板结构完整性对列车安全运营至关重要。近年来，我国高铁建设迅速发展。在高速列车往复作用下，随着轨道板服役年限的增长，高速铁路水泥混凝土轨道板将出现一定程度的内部裂隙，内部裂隙等病害将极大地影响材料强度，加剧轨道结构振动，降低舒适性及行车安全性。同时给高速铁路水泥混凝土轨道板的养护带来较大困难。因此，如何快速有效的检测轨道板内部可能存在的裂隙等病害，对于提高高速铁路的运营安全性，有积极的影响作用。

目前，高铁轨道板多采用基于PDA平台或数字摄影测量的检测技术，该技术仅能对轨道板表面三维信息及病害进行检测，无法有效的检测轨道板内部可能存在的裂隙等病害。为快速、准确地评定水泥混凝土材料的内部缺陷，可采用超声检测技术，利用其穿透能力强，操作方便等优点，可以无损、快速、准确地评定水泥混凝土材料的内部缺陷，在桥梁、房屋等结构工程中应用广泛，可以用到铁路上。但受不同种类及型号的超声检测系统差异性、超声检测环境复杂性、以及检测设备内部器件老化等原因的影响，超声检测系统的检测精度下降，致使无法准确检测轨道板内部裂隙等病害。

因此，对高铁轨道板结构内部病害检测的准确性和可靠性不容忽视。故可利用超声检测技术，通过对已知三维信息的校准区进行检测，获得其测量精度参数，进而通过反馈调节检测设备的预设参数，完成对超声检测系统的校准，从而提高超声检测系统后续应用的有效性与准确性。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备及方法，通过已知三维信息的三个校准区，应用现场架设的超声检测系统对其进行检测，将检测系统的检测结果与已知三维信息进行比较分析，得出检测系统相应的检测精度与参数，从而达到对超声检测系统的检测精度进行校准的目的。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备，包括校准板、水准管、高度可调支座及超声检测系统。校准板包括沿检测方向布置的调试区、横向精度校准区、纵向精度校准区、深度方向精度校准区，水准管均匀布置于校准板上表面外沿、高度可调支座均匀布置于校准板底部，超声检测系统为现场需要进行校准的超声检测仪器，包括扫描模块、信号传输线、编码器、超声相控阵模块及图像处理模块。

进一步地，所述校准板应用3D打印制造，其材料主要成分为快硬硫铝酸盐水泥和矿物掺合料组成的复合胶凝材料。

进一步地，所述校准板长度方向两侧面中轴线均匀布置四个水准管；校准板宽度方向两侧面中轴线均匀布置有两个水准管；校准板的底部均匀布设有六个高度可调且底部可活动的支座。

进一步地，所述校准板沿检测方向布置的调试区、横向精度校准区、纵向精度校准区、深度方向精度校准区，其各区交界线均标记于校准板上表面。

进一步地，所述校准板调试区内部包含沿校准板中轴线对称分布的长100mm，宽500mm，深50mm的内部水平断层，其内部水平断层平面高程为基准高程0mm；所述校准板横向精度校准区含四块长100mm，宽500mm，厚100mm的子区，四块子区内设有纵向锯齿状断层，锯齿状断层上齿尖高程为0mm，锯齿状断层的下齿尖高程为-10mm，且四块子区内断层相邻齿间距离沿长度方向依次为：0.5mm，0.1mm，0.05mm，0.01mm；所述校准板纵向精度校准区含四块长100mm，宽500mm，厚100mm的子区，四块子区内设有横向锯齿状断层，锯齿状断层上齿尖高程为0mm，锯齿状断层的下齿尖高程为-10mm，且四块子区内断层相邻齿间距离沿长度方向依次为：0.5mm，0.1mm，0.05mm，0.01mm；所述校准板深度方向精度校准区长100mm，宽500mm，厚100mm，该区内含五级阶梯状断层，内部纵向阶梯状断层表面高程沿长度方向依次为-0.1mm，0mm，0.1mm，0.15mm，0.156mm。

进一步地，所述校准板各方向精度调试区内部裂隙构造不限于上述尺寸。

进一步地，本发明中评判精度的标准为对于横向精度、纵向精度及深度方向精度校准区进行若干次检测，检测获得横向、纵向及深度检测值与校准区内部断层真实值误差小于±5% 时，说明检测可靠度大于95%。

一种采用权利要求1中所述高铁轨道板病害超声检测系统校准设备的校准方法，包含以下步骤：

步骤1：设置超声相控阵模块初始检测参数；

步骤2：将校准设备架设在待检测区域上方，调整校准设备架设方向使其与检测方向平行，通过调节校准设备支座使校准设备处于水平状态；

步骤3：初始化超声检测系统，移动扫描模块至校准板调试区，设置超声检测系统的检测参数，设置调试区高程为零；

步骤4：移动扫描模块至校准板横向精度校准区，采集横向精度校准区内部锯齿状断层相邻上齿尖或下齿间的横向间距；

步骤5：移动扫描模块至校准板纵向精度校准区，采集纵向精度校准区内部锯齿状断层相邻上齿尖或下齿间的横向间距；

步骤6：移动扫描模块至校准板深度方向精度校准区，采集深度方向精度校准区各级台阶的高程；

步骤7：将采集数据与已知校准板内部病害构造信息对比分析，获取超声检测系统检测精度；

步骤8：检测到平均检测值与真实值误差小于±5%，说明超声检测系统精度达标，符合工程检测要求；

步骤9：若不符合工程检测要求，则通过反馈调节检测设备的预设参数，重复上述步骤，直至达到所要求的精度，完成校准。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的一种高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备及方法，能够对现场超声检测系统进行更为方便、快速、精准的室外校准，克服了超声检测系统存在的对水泥混凝土结构内部裂隙精准检测的难以校准缺陷，对于不同种类及型号的超声检测系统均适用，并可以满足不同的轨道板测量标准，对超声检测系统应用于高铁轨道板现场检测的推动有着巨大的意义，本发明通过已知三维信息的三个校准区，应用现场所架设的超声检测系统对其进行检测，将超声检测系统的检测结果与已知三维信息进行比较比较分析，获得检测系统相应的检测精度与参数，进而通过反馈调节检测设备的预设参数，达到工程要求的检测精度，完成校准。

附图说明

图1为本发明专利中超声检测系统现场检测校准流程图；

图2为本发明专利中超声检测系统对高铁轨道板内部病害的检测模式；

图3-1为本发明专利中校准设备构造俯视图；

图3-2为本发明专利中校准设备构造主视图；

图4为本发明专利中校准板校准分区示意图；

图5为本发明专利中校准板调试区示意图；

图6-1为本发明专利中校准板横向精度校准区第一子区示意图；

图6-2为本发明专利中校准板横向精度校准区第二子区示意图；

图6-3为本发明专利中校准板横向精度校准区第三子区示意图；

图6-4为本发明专利中校准板横向精度校准区第四子区示意图；

图7-1为本发明专利中校准板纵向精度校准区第一子区示意图；

图7-2为本发明专利中校准板纵向精度校准区第二子区示意图；

图7-3为本发明专利中校准板纵向精度校准区第三子区示意图；

图7-4为本发明专利中校准板纵向精度校准区第四子区示意图；

图8为本发明专利中校准板深度方向精度校准区示意图。

附图标记列表：

1. 高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备，2a. 第一水准管，2b.第二水准管，2c.第三水准管，2d.第四水准管2d，3a.第一支座，3b.第二支座，3c.第三支座，3d.第四支座，3e.第五支座，3f.第六支座，4.内部断层调试区，5.一个横向精度校准区，6.一个纵向精度校准区，7.一个深度方向精度校准区，8.超声检测系统包括扫描模块，9.信号传输线，10.编码器，11.超声相控阵模块，12.图像处理模块，a.校准板的长度，b.校准板的宽度，h.校准板的厚度，c.沿校准板长度方向侧面布置水准管中心距较近宽边的距离，d.相邻支座中心沿检测方向的距离，w.相邻支座中心沿校准板宽度方向的距离， QUOTE

.调试区沿检测方向的长度， QUOTE

. 校准板横向精度校准区各子区沿检测方向的长度， QUOTE

. 校准板纵向精度校准区各子区沿检测方向的长度， QUOTE

. 校准板深度方向精度校准区沿检测方向的长度， QUOTE

. 校准板横向精度校准区第一子区内部纵向锯齿状断层相邻上锯齿或相邻下锯齿的距离， QUOTE

. 校准板横向精度校准区第二子区内部纵向锯齿状断层相邻上锯齿或相邻下锯齿的距离， QUOTE

. 校准板横向精度校准区第三子区内部纵向锯齿状断层相邻上锯齿或相邻下锯齿的距离， QUOTE

. 校准板横向精度校准区第四子区内部纵向锯齿状断层相邻上锯齿或相邻下锯齿的距离， QUOTE

. 校准板纵向精度校准区第一子区内部横向锯齿状断层相邻上锯齿或相邻下锯齿的距离， QUOTE

. 校准板纵向精度校准区第二子区内部横向锯齿状断层相邻上锯齿或相邻下锯齿的距离， QUOTE

. 校准板纵向精度校准区第三子区内部横向锯齿状断层相邻上锯齿或相邻下锯齿的距离， QUOTE

. 校准板纵向精度校准区第四子区内部横向锯齿状断层相邻上锯齿或相邻下锯齿的距离， QUOTE

.校准板深度方向精度校准区内部各级阶梯状断层沿检测方向的长度， QUOTE

.校准板深度方向精度校准区第一级阶梯与第二级阶梯状断层的高差， QUOTE

.校准板深度方向精度校准区第二级阶梯与第三级阶梯状断层的高差， QUOTE

.校准板深度方向精度校准区第三级阶梯与第四级阶梯状断层的高差， QUOTE

.校准板深度方向精度校准区第四级阶梯与第五级阶梯状断层的高差。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图3至图7所示，本发明的超声检测校准设备是通过超声检测系统对校准板1中已知三维信息的横向、纵向、深度方向精度校准区进行检测，将超声检测系统的检测结果与已知三维信息进行比较分析，得出检测系统相应的检测精度与参数，进而通过反馈调节检测设备的预设参数，达到工程要求的检测精度，从而达到校准目的。

本发明所述的高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备1的主体材料为快硬硫铝酸盐水泥和矿物掺合料组成的复合胶凝材料，通过先进的3D打印技术，误差为正负0.01m。该超声检测系统校准设备由三部分组成：水准部分为在校准板长度方向两侧面中轴线上均匀布置的第一水准管2a、第二水准管2b，第三水准管2c、第四水准管2d及校准板宽度方向两侧面中轴线上均匀布置的第五水准管2e，第六水准管2f，如图3-1所示；支座部分为校准板的底部均匀布设的六个高度可调且底部可活动的第一支座3a、第二支座3b、第三支座3c、第四支座3d、第五支座3e、第六支座3f；校准部分为一个内部断层调试区4、一个横向精度校准区5、一个纵向精度校准区6与一个深度方向精度校准区7；超声检测系统包括扫描模块8、信号传输线9、编码器10、超声相控阵模块11及图像处理模块12。

在该校准板表面对校准板内部断层调试区4、横向精度校准区5、纵向精度校准区6与深度方向精度校准区7的交界面划线进行标记。

内部断层调试区4长100mm，宽500mm，厚100mm（如图5），该调试区4为内设有长100mm，宽500mm，深50mm的内部水平断层段，调试区4为后续进行横向、纵向、深度方向精度校准的基准面，该内部水平断层平面高程为零。系统调零的过程包括对超声检测系统各检测参数设置调整，为后续检测校准创造了良好的检测状态。

横向精度校准区5为四块长100mm，宽500mm，厚100mm的内部纵向锯齿状断层段子区（如图6-1至图6-4），锯齿状断层下齿尖高程为-10mm，且四块子区内断层相邻齿间距离沿长度方向依次为：0.5mm，0.1mm，0.05mm，0.01mm。该区域能够校准超声检测系统横向检测精度，确保了超声检测系统进行的现场轨道板内部病害检测在横向上检测的准确性。

纵向精度校准区6为四块长100mm，宽500mm，厚100mm的内部横向锯齿状断层段子区（如图7-1至图7-4），锯齿状断层下齿尖高程为-10mm，且四块子区内横向断层相邻齿间距离沿长度方向依次为：0.5mm，0.1mm，0.05mm，0.01mm。该区域能够校准超声检测系统纵向检测精度，确保了超声检测系统进行的现场轨道板内部病害检测在纵向上检测的准确性。

深度方向精度校准区7为五块长100mm，宽500mm，厚100mm的内部纵向阶梯状断层段（如图8），内部纵向阶梯状断层表面高程沿长度方向依次为-0. 1mm， 0mm，0. 1mm，0.15mm，0. 156mm。该区域能够校准超声检测系统深度方向的检测精度，确保了超声检测系统进行的现场轨道板内部病害检测在深度方向上检测的准确性。

实施例：

该实施例为应用超声检测系统检测本发明校准板的深度方向精度校准区7，得到不同深度方向检测精度增益补偿值的过程。

本发明中所述的基于超声检测的高铁轨道板检测系统包括：ISCONIC2009相控阵超声检测仪器，超声检测控制与处理设备，超声检测系统校准平台。

其中，ISCONIC2009相控阵超声检测仪器中，相控阵探头参数为：一维16晶片的小径专用探头，相邻晶片其中轴间距为0.5mm、晶片宽度为0.4mm、相邻晶片间的空隙长度为0.1mm、系统激发声速为2337m/s，所有16块晶片同时被激发，频率为7.5MHz或10MHz。

超声检测系统校准板的架设过程：

将校准板安放在地面，检查校准板表面的水准管中气泡是否居中。若不居中，则调整校准板底部可活动支座的高度及底面，使得校准板表面所布设6个水准管中的气泡均居中，则认定该校准板已调平。

超声检测仪器的校准过程：

一、初步检测

步骤1：选择制作增益补偿值的基准深度，该深度设为50mm；

步骤2：将探头调至校准板面的调试区域上方，应用声束扫描深50mm的校准板调试区内部裂隙，找到该内部裂隙反射的最大波高，使得波高能够达到满屏高度的80%，设此为基准波高，并且此时的增益值为基准灵敏度，记录为第一点；

二、调节深度增益补偿

步骤1：设置理论超声检测的内部水平裂隙深度范围为50mm - 49.844mm；

步骤2：保持该基准灵敏度，通过检测系统传动部分将探头移动至校准板深度方向校准区，在距离纵向精度校准区与深度方向精度校准区的表面交界线内100mm范围内任意选取一点进行检测，记录为第二点。其后沿校准板长度方向依次移动100mm，200mm进行检测，分别记录为第三点和第四点。依次调试深度范围（即50mm - 49.844mm）中第二点，第三点，第四点所对应的最大回波，将其调整到满屏高度的80%，得到不同深度方向检测精度对应的增益值。

三、将检测所得到的深度数据进行分析，若达不到标准，则进行相应增益值调节，从而达到现场工业检测要求。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (4)

1.一种高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备，其特征在于，所述校准设备包括校准板、水准管、高度可调支座及超声检测系统，校准板分为沿检测方向布置的调试区、横向精度校准区、纵向精度校准区、深度方向精度校准区，水准管均匀布置于校准板上表面外沿，高度可调支座均匀布置于校准板底部，超声检测系统包括通过信号传输线连接的扫描模块、编码器、超声相控阵模块及图像处理模块，

所述校准板调试区内部包含沿校准板中轴线对称分布的长100mm，宽500mm，深50mm的内部水平断层，设定内部水平断层平面高程为基准高程0mm；所述校准板横向精度校准区包括四块长100mm，宽500mm，厚100mm的子区，四块子区内设有纵向锯齿状断层，锯齿状断层上齿尖高程为0mm，锯齿状断层的下齿尖高程为-10mm，且四块子区内断层相邻齿间距离沿长度方向依次为：0.5mm，0.1mm，0.05mm，0.01mm；所述校准板纵向精度校准区包括四块长100mm，宽500mm，厚100mm的子区，四块子区内设有横向锯齿状断层，锯齿状断层上齿尖高程为0mm，锯齿状断层的下齿尖高程为-10mm，且四块子区内断层相邻齿间距离沿长度方向依次为：0.5mm，0.1mm，0.05mm，0.01mm；所述校准板深度方向精度校准区长100mm，宽500mm，厚100mm，该区为一含五级阶梯状断层，内部纵向阶梯状断层表面高程沿长度方向依次为-0.1mm，0mm，0.1mm，0.15mm，0.156mm；

其校准方法是：

架设校准设备，应用超声检测系统对待检测区域进行检测，获得相应的检测参数与精度，进而通过反馈调节检测设备的预设参数，达到工程要求的检测精度，完成对超声检测仪器的校准；

所述高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备的校准方法，包括以下详细步骤：

步骤1：设置超声相控阵模块初始检测参数；

步骤2：将校准设备架设在待检测区域上方，调整校准设备架设方向使其与检测方向平行，通过调节校准设备支座使校准设备处于水平状态；

步骤3：初始化超声检测系统，移动扫描模块至校准板调试区，设置超声检测系统的检测参数，设置调试区高程为零；

步骤4：移动扫描模块至校准板横向精度校准区，采集横向精度校准区内部锯齿状断层相邻上齿尖或下齿尖的横向间距；

步骤5：移动扫描模块至校准板纵向精度校准区，采集纵向精度校准区内部锯齿状断层相邻上齿尖或下齿尖的横向间距；

步骤6：移动扫描模块至校准板深度方向精度校准区，采集深度方向精度校准区各级台阶的高程；

步骤7：将采集数据与已知校准板内部病害构造信息对比分析，获取超声检测系统检测精度；

步骤8：检测到平均检测值与真实值误差小于±5%，说明超声检测系统精度达标，符合工程检测要求；

步骤9：若不符合工程检测要求，则通过反馈调节检测设备的预设参数，重复上述步骤，直至达到所要求的精度，完成校准。

2.根据权利要求1所述的一种高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备，其特征在于，所述校准板其材料主要成分为快硬硫铝酸盐水泥和矿物掺合料组成的复合胶凝材料，通过3D打印形成，并于校准板上表面标识出校准板调试区、横向精度校准区、纵向精度校准区、深度方向精度校准区各区分界线。

3.根据权利要求1所述的一种高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备，其特征在于，所述校准板长度方向两侧面中轴线上均匀布置四个水准管；校准板宽度方向两侧面中轴线上均匀布置两个水准管；校准板底部均匀布设六个高度可调且底部可活动的支座。

4.根据权利要求1所述的一种高铁轨道板内部裂隙超声检测系统校准设备，其特征在于，评判检测精度的标准：

对于横向精度、纵向精度及深度方向精度校准区进行若干次检测，检测获得横向、纵向及深度检测值与校准区内部断层真实值误差小于±5% 时，说明检测可靠度大于95%。

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