CN110274958A - 基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置 - Google Patents

基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN110274958A
CN110274958A CN201910658966.7A CN201910658966A CN110274958A CN 110274958 A CN110274958 A CN 110274958A CN 201910658966 A CN201910658966 A CN 201910658966A CN 110274958 A CN110274958 A CN 110274958A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
signal transmitting
probe
group
receiving element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910658966.7A
Other languages
English (en)
Inventor
常俊杰
陈志恒
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanchang Hangkong University
Original Assignee
Nanchang Hangkong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanchang Hangkong University filed Critical Nanchang Hangkong University
Priority to CN201910658966.7A priority Critical patent/CN110274958A/zh
Publication of CN110274958A publication Critical patent/CN110274958A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023—Solids

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置，信号发射接收元件的输出端依次通过A/D转换电路和内置放大器连接所述数据处理单元输入端，数据处理单元与存储单元连接，信号发射接收元件发出发射信号至信号发射探头组，信号发射接收元件通过外置放大器接收信号接收探头组的回波信号；信号发射探头组和信号接收探头组呈水平排列于钢轨的上方。本发明可以进行轨道板与砂浆层间脱层、渗水、砂浆层缺块轨以及道板内部深度裂纹的全面扫查，具有缺陷扫查类型多，且检测线性范围广和检测效率高，实现了检测结果直观显示，根据回波信号的相位变化情况，判断轨道板与砂浆层间粘接情况。

Description

基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置
技术领域
本发明涉及超声波无损检测技术领域，特别涉及一种基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置。
背景技术
随着我国高铁建设的规划，高铁网络会建设的更加密集，轨道在长期运行和复杂的外界环境的作用下必然会出现老化损坏。在列车的高速度和高密度运行下，对无砟轨道的破坏更加的严重。轨道板是现代无砟轨道铁路的重要组成部分，无砟轨道板砂浆层的损伤在行车荷载、温度应力等作用下，会使得轨道板和砂浆层之间产生脱空和离缝。砂浆层的损伤会对列车行驶造成影响, 对行车安全造成危害。研究表明，脱空长度相较脱空高度而言对轨道板危害更大。因此, 对轨道板与砂浆层脱空、离缝进行有效检测, 及早发现问题,及早处理, 对高铁运营具有重要意义。
目前，国内外无砟轨道板的检查及维护作业主要有接触式超声波法、冲击回波法。传统接触式超声检测法是通过激励探头发射超声波，当超声波在传播过程中遇到缺陷或边界时，由于声阻抗差异，在这些界面发生反射，通过放置在混凝土表面的传感器接收超声波的反射回波信号，这种方法的缺点是要求与混凝土表面紧密接触。冲击回波法是利用锤子敲击或用下落的钢球冲击钢筋混凝土表面，使之发声，声波被安装在附近的声传感器接收，样品中的缺陷或异常会使声音的频率改变。冲击回波法对混凝土中的裂缝、分层和空洞的检测与定位是很有效的，但是检测分辨率和灵敏度较低，同时冲击回波法激励源通过人工敲击产生，检测速度慢，与高速铁路检测速度快的需求相矛盾。
发明内容
为了解决背景技术所存在的问题，本发明提出一种基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置，实现对轨道板与砂浆层的粘接情况进行大范围地快速检测，提高检测效率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案。基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置，包括信号发射接收元件、数据处理单元、存储单元和显示装置，所述信号发射接收元件的输出端依次通过A/D转换电路和内置放大器连接所述数据处理单元输入端，所述数据处理单元与所述存储单元连接，所述存储单元的输出端与所述显示装置的输入端连接；所述信号发射接收元件发出发射信号至信号发射探头组，所述信号发射接收元件通过外置放大器接收信号接收探头组的回波信号；信号发射探头组和信号接收探头组呈水平排列于钢轨的上方；所述信号发射探头组和信号接收探头组构成空气耦合超声发射换能器组，且倾斜入射到空气层，该空气层的厚度大于钢轨的垂直高度。
进一步，所述信号发射探头组由至少二个信号发射探头并排排列组成。
进一步，所述信号接收探头组由至少二个信号接收探头并排排列组成。
本发明可以进行轨道板与砂浆层间脱层、渗水、砂浆层缺块轨以及道板内部深度裂纹的全面扫查，具有缺陷扫查类型多，且检测线性范围广和检测效率高，实现了检测结果直观显示，根据回波信号的相位变化情况，判断轨道板与砂浆层间粘接情况。
附图说明
图1为本发明工作原理总体结构图；
图2为本发明被检测部位的结构示意图；
图3为本发明单个空气耦合换能器声束及检测的水平缺陷长度示意图；
图4为本发明激励信号的选择窗口截图；
图5为本发明检测结果显示窗口截图；
图6为本发明0.12MHz空气耦合换能器检测的轨道板与砂浆层间病害的界面回波相位差。
图中：1.信号发射探头组，101.信号发射探头；2.信号接收探头组，201.信号接收探头；3.外置放大器，4.内置放大器，5.A/D转换单元，6.数据处理单元，7.存储单元，8.信号发射接收元件，9.显示装置，10.轨道板，11.砂浆层，12.缺陷部位，13.混凝土底座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。参见图1至图6，基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置，包括信号发射接收元件8、数据处理单元6、存储单元7和显示装置9，信号发射接收元件8的输出端依次通过A/D转换电路5和内置放大器4连接所述数据处理单元6输入端；数据处理单元6与所述存储单元7连接，存储单元7的输出端与所述显示装置9的输入端连接；信号发射接收元件8发出发射信号至信号发射探头组1，信号发射接收元件8通过外置放大器3接收信号接收探头组2的回波信号；信号发射探头组1和信号接收探头组2呈水平排列于钢轨10的上方；信号发射探头组1和信号接收探头组2构成空气耦合超声发射换能器组，且倾斜入射到空气层，该空气层的厚度大于钢轨10的垂直高度。信号发射探头组1由四个信号发射探头101并排排列组成。信号接收探头组2由四个信号接收探头201并排排列组成。
实施例：下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置。
如图1所示，本发明所揭示的一种基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置，包括信号发射接收元件8和显示装置9，以及与其连接的外置放大器3和空气耦合换能器组，其中：
空气耦合换能器组包括信号发射探头组1和信号接收探头组2，该换能器组是成对排列在同一水平面上，信号发射换能器组在受到信号发生元件激励的信号后产生声束集中的平面波超声波，对被检测缺陷部位进行大范围检测，并接收回波信号，同时空气层厚度要大于钢轨10的垂直高度。
信号发射接收元件8和显示装置9以及与其连接的外置放大器3，而信号发射接收装置中内含AD转换单元4，内置放大器5，数据处理单元6和存储单元7，其中：空气耦合超声接收换能器组接收缺陷回波信号，外置放大器3对多个超声接收换能器接收的信号进行放大处理，然后将这些放大后的信号传入到AD转换单元中，将模拟信号转换为数字信号，然后经过数据处理单元中的算法，即根据存储单元7中对应回波信号的波包峰值，测定轨道板与砂浆层界面反射回波时间，再联合空气层的厚度计算得到实际材料声速；所述存储单元7保存计算结果及数据并连接到显示模块中。
本发明中检测装置检测的结构如图2所示，其结构包括上层的轨道板10，中间部位是砂浆层11，底层是混凝土底座13，其中缺陷部位12。从轨道板上方发射超声波进入轨道板内部，在其内部及轨道板与砂浆层界面处发生反射折射现象，若存在缺陷，则缺陷反射超声波。
如图3所示，本发明实施例单个空气耦合换能器声束及检测的水平缺陷长度，其中：信号发射探头组1由至少二个信号发射探头101并排排列组成，信号发射探头101以合适的入射角度置在空气中；根据半扩散角公式计算出换能器的半扩散角度θ，结合换能器入射角α可知声束的右边界与界面法向夹角α1=θ+α及L1=h/tan(90-α1)，然后依据斯奈尔定律求出探头扩散边界对应的折射角β1与β2，根据几何关系依次求出S1=T*tanβ1和S2=T*tanβ2；最终计算出单个探头声束所能覆盖轨道板的宽度L=L1+S2-S1，上述角度及长度名称如图3所示；在上述的基础上，扩展到多组换能器，实现多对发射接收换能器同时进行检测，使得多组探头声束能同时覆盖轨道板的宽度。
如图3所示，由信号发射探头101发射出的信号经缺陷反射后被信号接收探头201接收，且信号接收探头组2同信号发射探头组1的摆放设置类似。其中，信号接收探头组2与信号发射探头组1中的探头数目相同，探头倾斜角度与发射探头组1大小相同，方向相反。
在本发明的一个实施例中，进行多组轨道板-砂浆层粘接检测，由信号发射接收元件8发射出经初始调制的激励信号，并通过显示装置9进行波形显示。其中，幅值-时间坐标轴显示初始状态下的激励信号，此时中心频率为100kHz,周期数为10，激励电压为120mv，波峰峰值为1；且含有两个窗函数的可选项。如图4所示。
在进行多组轨道板-砂浆层粘接检测，接收到的回波信号在外置放大器3等元件的工作下，将检测结果在显示装置9中显示；其中幅值-时间坐标轴是接收信号时域显示图，其峰值小于1；同时包含FFT、增益选项，前者将幅值-时间图变换成频域信号。如图5所示。
本发明的检测装置，其界面回波相位差如图6所示，其中横坐标表示频率（MHz），纵坐标表示相位差。通过对接收信号的数据处理，计算出各个接收信号的相位差；图中显示的是在某高铁维修基地的工务段采用0.12MHz空气耦合换能器检测的轨道板与砂浆层间病害的结果，其相位差为190 °。
本发明的信号发射探头组1将超声波信号送入轨道板10中，并对被检测部位进行大范围扫描；信号接收探头组2接收的多组回波信号分别送入外置放大器3中进行信号放大，再将此放大后的信号送入A/D转换单元进行模数转换；内置放大器4将模数转换后的回波信号再一次进行放大；数据处理单元6通过分析多组经过双重放大后的回波信号，得到轨道板的声速，并将此检测结果传入显示装置9。显示装置9用于显示多组波形，同时直观显示经过处理计算得到的声速。
本发明的信号发射探头组1与信号接收探头组2形成多对收发装置，其倾斜角度等几何参数都相同，从而形成大范围同时检测。外置放大器3独立成为一个模块，且其最大增益可达60dB。信号经过外置放大器3增益及A/D转换单元5后，由内置放大器4进一步放大，防止双重放大器之间的干扰，且该放大单元的最大增益80dB。显示装置9获取存储单元7内部的结果数据，在根据激励信号选择显示窗口，将检测结果直观地显示。
本发明的检测原理具体如下：无砟轨道板的空气耦合超声检测，轨道板10与砂浆层11之间出现的缺陷部位12会使得界面存在缺陷时回波与正常时的界面回波的相位发生反转，利用相位相反差的比较可以对轨道板10与砂浆层11的粘接质量进行检测；轨道板10与砂浆层11间粘接质量的检测：根据斯奈尔定律，改变入射角度，选取小于第一临界角度，传播方式以纵波和横波的混合波形式传递，接收界面回波信号，根据回波信号的相位变化情况，可以判断轨道板10与砂浆层11间粘接情况。

Claims (3)

1.基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置，包括信号发射接收元件、数据处理单元、存储单元和显示装置，其特征在于，所述信号发射接收元件的输出端依次通过A/D转换电路和内置放大器连接所述数据处理单元输入端，所述数据处理单元与所述存储单元连接，所述存储单元的输出端与所述显示装置的输入端连接；所述信号发射接收元件发出发射信号至信号发射探头组，所述信号发射接收元件通过外置放大器接收信号接收探头组的回波信号；信号发射探头组和信号接收探头组呈水平排列于钢轨的上方；所述信号发射探头组和信号接收探头组构成空气耦合超声发射换能器组，且倾斜入射到空气层，该空气层的厚度大于钢轨的垂直高度。
2.根据权利要求1所述的基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置，其特征在于，所述信号发射探头组由至少二个信号发射探头并排排列组成。
3.根据权利要求1所述的基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置，其特征在于，所述信号接收探头组由至少二个信号接收探头并排排列组成。
CN201910658966.7A 2019-07-22 2019-07-22 基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置 Pending CN110274958A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910658966.7A CN110274958A (zh) 2019-07-22 2019-07-22 基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910658966.7A CN110274958A (zh) 2019-07-22 2019-07-22 基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110274958A true CN110274958A (zh) 2019-09-24

Family

ID=67965193

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910658966.7A Pending CN110274958A (zh) 2019-07-22 2019-07-22 基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110274958A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110554088A (zh) * 2019-09-29 2019-12-10 中国科学院声学研究所 一种对于缺陷的空气耦合超声检测方法
CN111538015A (zh) * 2020-04-27 2020-08-14 江苏大学 基于线聚焦超声的香肠中金属异物在线检测装置
CN112164133A (zh) * 2020-09-25 2021-01-01 西南交通大学 一种基于逆向建模的路面结构层间界面提取及分析方法
CN115856078A (zh) * 2022-11-28 2023-03-28 西南交通大学 一种自反馈调节的无砟轨道砂浆隐蔽伤损智能检测系统

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2169307A1 (en) * 1994-12-12 1997-08-13 David W. Schindel Non-contact characterization and inspection of materials using wideband air coupled ultrasound
WO1999044029A1 (en) * 1998-02-24 1999-09-02 Massachusetts Institute Of Technology Flaw detection system using acoustic doppler effect
JP2001221630A (ja) * 2000-02-14 2001-08-17 Kawasaki Steel Corp 帯状材性状の非接触センシング方法及び装置
CN104849351A (zh) * 2015-04-24 2015-08-19 同济大学 一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测方法及系统
CN107688050A (zh) * 2017-08-15 2018-02-13 日探科技（苏州）有限公司 一种空气耦合超声相控阵检测装置
CN208297422U (zh) * 2018-05-31 2018-12-28 北京理工大学 输气管道内表层缺陷空气耦合超声检测阵列探头装置
CN109164174A (zh) * 2018-10-08 2019-01-08 上海工程技术大学 一种动态无损检测crtsⅱ型板式无砟轨道离缝的方法及装置
CN109580778A (zh) * 2018-12-07 2019-04-05 南昌航空大学 一种检测混凝土钢板粘结质量的装置与方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2169307A1 (en) * 1994-12-12 1997-08-13 David W. Schindel Non-contact characterization and inspection of materials using wideband air coupled ultrasound
WO1999044029A1 (en) * 1998-02-24 1999-09-02 Massachusetts Institute Of Technology Flaw detection system using acoustic doppler effect
JP2001221630A (ja) * 2000-02-14 2001-08-17 Kawasaki Steel Corp 帯状材性状の非接触センシング方法及び装置
CN104849351A (zh) * 2015-04-24 2015-08-19 同济大学 一种基于非接触空气耦合的表面声阻抗检测方法及系统
CN107688050A (zh) * 2017-08-15 2018-02-13 日探科技（苏州）有限公司 一种空气耦合超声相控阵检测装置
CN208297422U (zh) * 2018-05-31 2018-12-28 北京理工大学 输气管道内表层缺陷空气耦合超声检测阵列探头装置
CN109164174A (zh) * 2018-10-08 2019-01-08 上海工程技术大学 一种动态无损检测crtsⅱ型板式无砟轨道离缝的方法及装置
CN109580778A (zh) * 2018-12-07 2019-04-05 南昌航空大学 一种检测混凝土钢板粘结质量的装置与方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
安宝祥: "《汽车制造无损检测应用技术》", 30 September 1998, 北京理工大学出版社 *
李鹤林: "《中国焊管50年》", 31 August 2008, 陕西科学技术出版社 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110554088A (zh) * 2019-09-29 2019-12-10 中国科学院声学研究所 一种对于缺陷的空气耦合超声检测方法
CN111538015A (zh) * 2020-04-27 2020-08-14 江苏大学 基于线聚焦超声的香肠中金属异物在线检测装置
CN112164133A (zh) * 2020-09-25 2021-01-01 西南交通大学 一种基于逆向建模的路面结构层间界面提取及分析方法
CN112164133B (zh) * 2020-09-25 2023-05-05 西南交通大学 一种基于逆向建模的路面结构层间界面提取及分析方法
CN115856078A (zh) * 2022-11-28 2023-03-28 西南交通大学 一种自反馈调节的无砟轨道砂浆隐蔽伤损智能检测系统
CN115856078B (zh) * 2022-11-28 2023-11-07 西南交通大学 一种自反馈调节的无砟轨道砂浆隐蔽伤损智能检测系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110274958A (zh) 基于空气耦合超声的无砟轨道板检测装置
CA1267214A (en) Ultrasonic detection method of the internal defects of a railroad track rail located in the sides of the head of said rail and device to carry it out
CN107436326B (zh) 高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测装置及方法
CN104048786B (zh) 一种超声波无损测量金属板材内部残余应力场的方法
JP4938050B2 (ja) 超音波診断評価装置
CN103901108A (zh) 一种复合材料界面脱粘的相控阵超声波检测方法
CN105158342B (zh) 一种超声水浸无损评价残余应力的方法
CN102043015B (zh) 长距离探测钢轨轨底缺陷的超声导波装置及方法
CN103901109A (zh) 一种复合绝缘子内部缺陷的相控阵超声检测装置及方法
CN105004793A (zh) 一种用于复合材料泡沫结构的超声检测方法
CN203981638U (zh) 一种复合绝缘子内部缺陷的相控阵超声检测装置
Michaels et al. Application of acoustic wavefield imaging to non‐contact ultrasonic inspection of bonded components
US11408861B2 (en) Transducer and transducer arrangement for ultrasonic probe systems, ultrasonic probe system and inspection method
CN111323485A (zh) 一种用于轨道板内部缺陷检测的成像方法及装置
JP2007114075A (ja) 超音波探傷装置の超音波探触子
CN110988143A (zh) 一种隧道混凝土管片缺陷检测方法及设备
JP3635453B2 (ja) 超音波横波斜角探傷方法及び装置
CN106501285A (zh) 无损检测预应力管道的压浆密实度的设备及检测方法
CN111307945B (zh) 一种基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像方法及装置
Stepinski et al. Rock bolt inspection by means of RBT instrument
CN106959339A (zh) 一种非接触式脱空检测装置和脱空检测方法
JP4241529B2 (ja) 超音波検査方法及び超音波検査装置
JPH11118770A (ja) 超音波探傷方法及び装置
CN113960173B (zh) 非线性超声的单侧共线混频扫查检测系统及方法
CN112816560B (zh) 多频超声探头带宽选择方法及超声检测装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190924

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication