CN110389171A - 一种基于振动信号的钢轨断裂识别方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于振动信号的钢轨断裂识别方法，所述识别方法包括：建立振动信号的正常钢轨信号传输模式和裂纹钢轨信号传输模式，采集检测振动信号的发送数据和接收数据，拟合出所述检测振动信号在正常钢轨上传输的信号波形和在裂纹钢轨上传输的信号波形，对比获得所述检测振动信号的变化位置、振幅和/或相位偏差值，通过本发明的钢轨断裂识别方法能够准确且快速检测出钢轨上的裂纹，并且通过裂纹标准的建立能够得出裂纹的深度和曲折程度等级。
Description
技术领域
本发明属于轨道检测领域，特别涉及一种基于振动信号的钢轨断裂识别方法及系统。
背景技术
钢轨是列车车辆运行的基础，其状态的好坏直接关系到铁路运输的安全，需要定期进行钢轨完好性检测，避免裂纹或裂缝随着列车的运行导致断轨，进而影响行车安全。现有的钢轨检测方法通常采用超声波检测，超声波检测法主要采用轮式探头对钢轨内部的缺陷进行检测，但其对表面和近表面缺陷(如轨头龟裂和压溃)的探测效果则较差或者无法检测。在靠近轨距角的水平方向上纵向延伸的剥离缺陷会对超声波产生反射作用，阻碍声束入射，致使不能探测到埋藏在剥离块下面的危险性裂纹。此外，传统超声波检测技术采用接触式超声换能器进行检测，检测效果受钢轨表面几何形状、粗糙度和清洁度等因素的影响，检测速度也受到限制。高频超声波能量衰减较大，对焊缝区域、轨腰或轨底等处埋藏较深的缺陷检出率也较低。传统超声波检测技术在钢轨断裂检测中存在多种不足，因此需要提出一种新的钢轨断裂检测方法，以提高钢轨检测的适用性和准确性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于振动信号的钢轨断裂识别方法。
一种基于振动信号的钢轨断裂识别方法，所述识别方法包括：
建立振动信号的正常钢轨信号传输模式和裂纹钢轨信号传输模式；
采集检测振动信号的发送数据和接收数据，通过所述正常钢轨信号传输模式将所述发送数据拟合出所述检测振动信号在正常钢轨上传输的信号波形，通过所述裂纹钢轨信号传输模式将所述接收数据拟合出所述检测振动信号在裂纹钢轨上传输的信号波形；
对比所述检测振动信号在正常钢轨上传输的信号波形与所述检测振动信号在裂纹钢轨上传输的信号波形，获得所述检测振动信号的变化位置、振幅和/或相位偏差值；
依据建立的裂纹检测标准比对所述检测振动信号的振幅和/或相位偏差值，获得所述检测钢轨的检测结果。
进一步地，所述正常钢轨信号传输模式的算法为：
(2)、(3)、(4)式中，t为时间，M为振动信号产生高次谐波的最高阶次，m为振动信号产生的m阶次谐波，Am为m阶次谐波的振幅，mfs为m阶次谐波的振动频率，βm为m阶次谐波的振动相位，am(t)为振动信号在所述正常钢轨信号传输模式内的调频函数，bm(t)为振动信号在所述正常钢轨信号传输模式内的调幅函数，p为高次谐波的最高阶次，k为k阶次谐波，和为对应k阶次谐波调频函数中的参数，和为对应k阶次谐波调幅函数中的参数。
进一步地，所述裂纹钢轨传输模式的算法为：
(5)、(6)、(7)式中，t为时间，M为振动信号产生高次谐波的最高阶次，m为振动信号产生的m阶次谐波，Am为m阶次谐波的振幅，与同一振动信号对应所述正常钢轨信号传输模式的m阶次谐波振幅值相同，mfs为m阶次谐波的振动频率，βm为m阶次谐波的振动相位，与同一振动信号对应所述正常钢轨信号传输模式的m阶次谐波振幅值相同，a′m(t)为振动信号在所述裂纹钢轨传输模式内的调频函数，b′m(t)为振动信号在所述裂纹钢轨传输模式内的调幅函数，p为振动信号高次谐波的最高阶次，k为k阶次谐波，和为对应k阶次谐波调频函数中的参数，和为对应k阶次谐波调幅函数中的参数。
进一步地，所述检测振动信号在正常钢轨上传输的信号波形的拟合包括：
依据所述发送数据确定所述正常钢轨信号传输模式的算法参数值；
通过算法参数确定后的所述正常钢轨信号传输模式生成所述检测振动信号在正常钢轨上传输的信号波形。
进一步地，所述检测振动信号在裂纹钢轨上传输的信号波形的拟合包括：
依据所述接收数据和所述正常钢轨信号传输模式中的第m次谐波的振幅值、振动相位值确定所述裂纹钢轨上信号传输模式的算法参数值；
通过参数确定后的所述裂纹钢轨上信号传输模式的算法生成所述检测振动信号在裂纹钢轨上传输的信号波形。
进一步地，获得所述检测振动信号的变化位置、振幅和/或相位偏差值具体为：
对比所述检测振动信号在正常钢轨上传输的信号波形和所述检测振动信号在裂纹钢轨上传输的信号波形，获取波形发生变化的变化时间；
依据所述变化时间和所述检测振动信号的传播速度，得出所述检测振动信号的变化位置；
通过所述变化时间和所述正常钢轨信号传输模式的调频函数、调幅函数，得出所述变化时间下正常传输的相位值和振幅值；
通过所述变化时间和所述裂纹钢轨信号传输模式的调频函数、调幅函数，得出所述变化时间下裂纹传输的相位值和振幅值；
对比所述正常传输相位值与所述裂纹传输相位值，得出所述检测振动信号的相位变化值；
对比所述正常传输振幅值与所述裂纹传输振幅值，得出所述检测振动信号的振幅变化值。
进一步地，所述裂纹检测标准包括裂纹深度等级和裂纹曲折程度等级。
进一步地，所述裂纹检测标准的建立包括：
采用实验振动信号对多个含有不同裂纹的实验钢轨进行检测，得到实验振动信号的发送数据和接收数据；
通过所述正常钢轨传输模式拟合出所述实验振动信号发送数据在正常钢轨上传输的信号波形，通过所述裂纹钢轨传输模式拟合出所述实验振动信号接收数据在裂纹钢轨上传输的信号波形；
对比所述实验振动信号在正常钢轨上传输的信号波形和裂纹钢轨上传输信号波形，得出所述实验振动信号的振幅和/或相位偏差值；
依据所述实验振动信号的振幅和/或相位偏差值与多个所述实验钢轨上的裂纹进行核对；
建立裂纹等级对应振幅和/或相位偏差阈值的所述裂纹检测标准；
所述裂纹检测标准中的裂纹深度等级对应不同的振幅变化阈值，所述裂纹检测标准中的裂纹曲折程度等级对应不同的相位变化阈值。
进一步地，所述检测结果包括：裂纹位置、裂纹深度等级和裂纹曲折度等级。
一种基于振动信号的钢轨断裂识别系统，包括：所述信号发送装置、信号处理装置和信号接收装置；
信号发送装置，用于向钢轨发送检测振动信号，采集发送数据；
信号接收装置，用于接收经过钢轨传输的所述检测振动信号，采集接收数据；
信号处理装置，用于处理所述发送数据和所述接收数据，得出所述振动信号的振幅/相位偏差值，依据所述检测振动信号的振幅和/或相位偏差值输出钢轨裂纹检测结果。
进一步地，所述信号处理装置包括：信号拟合模块、波形对比模块、标准对比模块和结果输出模块；
信号拟合模块，用于将所述发送数据通过正常钢轨信号传输模式拟合出所述检测振动信号在正常钢轨传输上的信号波形，将所述接收数据通过裂纹钢轨信号传输模式拟合得到所述检测振动信号在裂纹钢轨上传输的信号波形；
波形对比模块，用于对比所述检测振动信号在正常钢轨传输上的信号波形和所述检测振动信号在在裂纹钢轨上传输的信号波形，得出判断结果；
标准对比模块，用于接收所述判断结果，并将所述判断结果与内部存储的裂纹检测标准进行比对，得出所述检测振动信号的检测结果；
结果输出模块，用于输出所述检测结果。
进一步地，所述判断结果包括：若所述检测振动信号在正常钢轨传输上的信号波形和所述检测振动信号在裂纹钢轨传输上的信号波形的波形形状一致，则所述判断结果为无裂纹；
若波形形状不一致，则所述判断结果为计算得出的所述检测振动信号的变化位置、振幅和/或相位偏差值。
进一步地，所述检测振动信号的变化位置、振幅和/或相位偏差值计算包括:
获取所述波形形状发生变化的变化时间；
依据所述变化时间和所述检测振动信号的传播速度，得出所述振动信号的变化位置；
依据所述变化时间和所述正常钢轨信号传输模式内的调频函数和调幅函数，获得所述变化时间下正常钢轨信号传输波形的相位值和振幅值；
依据所述变化时间和所述裂纹钢轨信号传输模式内的调频函数和调幅函数，获得所述变化时间下裂纹钢轨信号传输波形的相位值和振幅值；
通过所述正常钢轨信号传输波形的相位值和所述裂纹钢轨信号传输波形的相位值，得到所述检测振动信号的相位偏差值；
通过所述正常钢轨信号传输波形的振幅值和所述裂纹钢轨信号传输波形的振幅值，得到所述检测振动信号的振幅偏差值。
进一步地，所述检测结果的获得包括：
依据所述振动信号的变化位置，得出所述检测钢轨的裂纹位置；
判断所述检测振动信号的振幅偏差值位于所述裂纹检测标准内对应振幅阈值规定范围内，得出所述检测钢轨的裂纹深度等级；
判断所述振动信号的相位偏差值位于所述裂纹检测标准的内对应相位阈值规定范围内，得出所述检测钢轨的裂纹曲折程度等级。
本发明的钢轨断裂识别方法能够准确且快速检测出钢轨上的裂纹，并且通过裂纹标准的建立能够得出裂纹的深度和曲折程度等级，运作时无需工作人员值守，即可实时在线检测钢轨的断裂状况，提高列车运行安全保障。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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示出了根据本发明实施例的识别方法流程图；
图2示出了根据本发明实施例的正常钢轨传输模式拟合的振动信号波形与实际正常钢轨上振动信号波形对比图；
图3示出了根据本发明实施例的裂纹钢轨传输模式拟合的振动信号波形与正常钢轨传输模式拟合出的振动信号波形对比图；
图4示出了根据本发明实施例建立裂纹检测标准的流程图；
图5示出了根据本发明实施例的识别系统安装示意图；
图6示出了根据本发明实施例的信号处理装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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清楚、完整地说明，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。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。
一种基于振动信号的钢轨断裂识别方法，本发明实施例的钢轨断裂识别方法如图1所示，包括如下步骤：
步骤一、建立振动信号的正常钢轨传输模式和裂纹钢轨的传输模式。
由既有经验和理论分析可知，振动信号会以信号波的形式在钢轨上传输，当钢轨上出现裂纹时，振动信号的幅度和频率会发生变化。即可通过钢轨裂纹对振动信号产生调幅和调频的作用，来反向推出钢轨上是否出现裂纹或出现裂纹的状态。
(1)建立振动信号的正常钢轨信号传输模式：
以特定的基函数为传输模型基础，在时域上对多个基函数进行耦合得出正常钢轨的传输模型，再通过从正常钢轨上采集的信号传输数据计算出传输模型内的模型参数。从而构建出振动信号在正常钢轨上的传输模式。
特定的基函数为:
x(m)＝Am cos(2πmfst+βm) (1)
在(1)式中，m为振动信号产生的m阶次谐波，Am为m阶次谐波的振幅，mfs为m阶次谐波的振动频率，βm为m阶次谐波的振动相位，t为时间。
m的具体值可依据检测需求进行选定；fs为所用检测振动信号的固有频率，可通过所选用的振动信号发送装置自主选择；Am与βm为m次谐波的参数值，Am与βm值通过所采集的数据计算所得。
若振动信号在钢轨上产生了M次高次谐波，即产生了M个基函数，则在时域上对M个基函数进行耦合即可得到振动信号在正常钢轨上的传输模型为：
(2)式中，fm为m阶次谐波的振动频率，t为时间，am(t)为振动信号在正常钢轨上传输的调频函数，bm(t)为振动信号在正常钢轨上传输的调幅函数。am(t)和bm(t)的具体公式如下式所示：
在(3)式中，和为对应k阶次谐波调频函数中的参数，在(4)式中，和为对应k次谐波调幅函数中的参数，(3)式和(4)式中的fs与(1)式中fs定义相同且p为振动信号的第p次谐波。
正常钢轨上信号传输模式的建模流程为：对所需检测的钢轨选定适当的频率检测信号即所用基函数中的fs值确定，采集一段时间t内的接收振动信号数据x(t)，通过多组时间-振动信号数据，可计算出(2)式中的参数Am与βm值，以及和值，即可得出所用频率fs时的振动信号在正常钢轨上的传输模型。
为了验证(2)式的模型是否符合振动信号在正常钢轨上的传输，将发出的振动信号数据与通过(2)式算法拟合接收振动信号后得到的信号数据进行对比。
示例性的，选取一段长为20m的无裂纹铁轨，在铁轨的一端发送频率为40Hz的振动信号，对发送的振动信号的数据，通过发送信号数据带入(2)式中得出发出的振动信号波形。在铁轨的另一端接收经过铁轨传输的振动信号数据，将不同时间下接收到的信号数据带入(2)式中求出(2)式中参数，得到40Hz振动信号在该正常钢轨上确定的传输模型，再通过该确定的传输模型拟合出信号传输波形。所得结果如图2所示：在图2中，图2A为发出的振动信号波形，图2B通过正常钢轨传输模型对接收信号进行拟合得到所用振动信号的传输波形。
将图2A与图2B中的信号波形在幅值和相位上进行对比，对比结果可得二者振动信号波形上幅值差距和相位差距均很小，差值在误差范围内，即可说明对于振动信号在正常钢轨上的传输模式，利用(2)式的函数模型直接进行拟合是准确有效的。
即振动信号的正常钢轨信号传输模式算法为：
(2)建立振动信号的裂纹钢轨信号传输模式：
裂纹越深对振动信号调幅效果越明显，信号波形的削顶现象越严重，振动幅值上的变化比较明显；裂纹的形状越曲折对振动信号的调频效果越明显，信号波形的相位变化越明显，本发明利用此特性设计出裂纹振动信号传输模式的算法。
在拟合裂纹钢轨上振动信号的传输模式时，同样采用(2)式的函数模型对信号进行初步拟合，但裂纹引起的调幅和调频作用会由调频函数和调幅函数体现，正常钢轨和有裂纹钢轨的信号差异主要表现在调频函数和调幅函数内的参数上。对于同一条件下即检测钢轨相同、检测环境相同、检测振动信号相同时，正常钢轨信号传输模式算法中的Am和βm参数可直接用于裂纹钢轨信号传输模式的算法中，直接使用即可。
裂纹钢轨信号传输模型为：
(5)、(6)、(7)式中，t为时间，M为振动信号产生总数为M次的高次谐波，m为振动信号产生的第m次谐波，a′m(t)为振动信号在所述裂纹钢轨传输模式内的调频函数，b′m(t)为振动信号在所述裂纹钢轨传输模式内的调幅函数，p为信号波形发送变化的高次谐波，k为发生变化的第k次谐波，和为对应k次谐波调频函数中的参数，和为对应k次谐波调幅函数中的参数。
裂纹钢轨上信号传输模式的建模流程为：直接正常钢轨信号传输模式算法的参数Am和βm，然后利用采集的裂纹钢轨上振动信号数据去拟合a′m(t)中的和参数、b′m(t)中的和参数，从而得出裂纹钢轨上信号传输模式算法的确定算法式。
由于有裂纹钢轨的信号传输模式是在正常钢轨的信号传输模式上(即采用正常钢轨信号传输模式参数Am和βm)引入了裂纹所产生的调频和调幅作用，故二者差别较大的是在调频和调幅作用上，与实际裂纹造成振动信号波形变化的结果相符。
为了验证有裂纹钢轨信号传输模型是否符合振动信号在裂纹钢轨上的传输模式，将发出振动信号数据的拟合在正常钢轨传输上的传输波形与通过有裂纹钢轨信号传输模型拟合接收振动信号后得到的信号波形进行对比。
示例性的，取20m长的铁轨，且在该铁轨5m处有条6mm长的细小裂纹，12m处有条1cm长1mm宽的裂缝，在16m处有条长为4mm长的细小裂纹。在靠近5m裂纹处的一端发射40Hz的振动信号，在靠近16m裂纹处的一端接收振动信号；
在检测时，利用发送的振动信号数据求出正常钢轨信号传输模式，获得振动信号在正常钢轨上的传输波形，获取正常钢轨信号传输模式算法中的Am与βm值；
采集经过裂纹钢轨传输的振动信号数据，利用所求出正常钢轨信号传输模式算法中的Am与βm值，与接收的信号数据得出该检测条件下钢轨裂纹信号传输模型的表达式，再利用该模型表达式拟合出裂纹钢轨上振动信号的传输波形。
所得结果如图3所示：图3A为正常钢轨传输的振动信号波形图，图3B为利用裂纹钢轨传输模型拟合出的振动信号在该裂纹钢轨上的信号波形图。
对比图3A和图3B可知，图3A的正常钢轨传输的信号波形与图3B中的接收信号波形有一定的差距，从数值角度考虑，二者在振幅和相位上均有较大的差别，具体体现在图3B中的左起第二个凸形信号波的波形振幅稍大于图3A中的振幅，且波形相较于图3A中向左偏移；图3B中左起第三个凸形波左移，且振幅变大；图3B中右起第一个凸形波的振幅变大。得出图3B中的波形变化与测试铁轨上的裂纹或裂缝位置对应。
因此，采用裂纹钢轨信号传输模型能够有效拟合出振动信号在裂纹钢轨上传输的信号波形，即裂纹钢轨信号传输模式算法为：
并且通过发射信号波形与接收信号的波形进行对比，可见对于裂纹引入的调幅和调频作用对原来的振动信号产生了较大影响，使得接收装置接收到的振动信号与发送装置发送的信号有较大差别。
步骤二、生成每个检测振动信号的正常钢轨上传输信号波形和裂纹钢轨上传输信号波形。
在检测钢轨的一端发送振动信号，在检测钢轨的另一端接收振动信号，信号发送端与信号接收端之间的距离在振动信号有效传输距离内。对发送出的振动信号数据利用正常钢轨信号传输模式对经过待测钢轨传输的振动信号进行采集拟合后，形成该待测钢轨上传输的振动信号波形。
通过正常钢轨传输的信号波形与裂纹钢轨传输的信号波形进行对比，获得振动信号的振幅变化值和相位变化值，从而判断裂纹的等级。
振动信号在正常钢轨传输的信号波形拟合过程：检测过程中将发送的振动信号数据收集，求出正常钢轨信号传输模式算法中各参数及参数表达式，得出在该种检测条件下的正常钢轨信号传输算法表达式，其中调频表达式am(t)、调幅表达式bm(t)均可确定。利用所求的正常钢轨信号传输算法表达式得出振动信号在正常钢轨上的传输波形；
振动信号在正常钢轨传输的信号波形拟合过程：对同一振动信号经过裂纹钢轨传输的信号数据进行采集，通过该振动信号在正常钢轨信号传输算法中的Am、βm与接收信号数据，得出同一条件下裂纹钢轨信号传输模式算法表达式，并获得调频表达式a′m(t)、调幅表达式b′m(t)，通过所求的裂纹钢轨信号传输模式算法表达式拟合出振动信号在裂纹钢轨上的传输波形。
由于裂纹对振动信号的幅度和相位变化产生较为明显变化，可通过信号幅度或相位变化值来判断是否存在裂纹、裂纹的大小和裂纹的形状，通过对振动信号进行波形拟合得出：不同裂纹对应不同的幅度、相位变化值，从而建立裂纹检测标准。
通过设定不同振幅变化的阈值来对应裂纹的深度等级。通
步骤三、对比正常钢轨上传输的信号波形和裂纹钢轨上传输的信号波形，获得振动信号的振幅和\或相位变化差值及振动信号发生变化的位置。
将正常钢轨上传输的信号波形和裂纹钢轨上传输的信号波形进行比对，即可发现经过钢轨传输的振动信号波形是否发生变化：若无变化，即可说明该段检测钢轨上无裂纹；若有变化，则计算出振幅和相位的变化值。
振幅和相位变化值的计算过程为：在同一检测时段内，依据发送的信号数据得出该检测钢轨上正常钢轨传输算法的表达式，同时获得调频am(t)的表达式和调幅值bm(t)表达式。
将接收到的信号数据和所求得正常钢轨传输算法中的参数Am和βm值，得出该检测钢轨上的裂纹钢轨信号传输算法表达式，并获得调频a′m(t)表达式和调幅b′m(t)表达式。
获取波形发生变化的时间，将该时间带入am(t)的表达式中，获得该时间正常钢轨信号传输的相位值；将该时间带入bm(t)表达式中，获得该时间正常钢轨信号传输的振幅值；将该时间带入a′m(t)表达式中，获得该时间裂纹钢轨信号传输的相位值；将改时间带入a′m(t)表达式中，获得该时间裂纹钢轨信号传输的振幅值。将该时间正常钢轨信号传输的相位值与裂纹钢轨信号传输的相位值进行对比即可得出相位变化值，同样得出振幅变化值。
依据波形发生变化的时间和振动信号在检测钢轨上的传播速度，得出波形发生变化的位置，即可得出裂纹出现的位置。
检测过程中，为了保证振动信号在不同型号钢轨上的有效传输，得到振动信号清晰明确的传输路径，不同长度的检测距离对应选择不同频率的检测信号。具体的，检测距离越长，所采用振动信号的频率越低。
示例性的，若待检测钢轨长10m，对应选择50Hz的振动信号；若待检测钢轨长20m，对应选择40Hz的振动信号；若待检测钢轨长30m，对应选择30Hz的振动信号。
以长为20m的裂纹钢轨进行示例性说明，采用40Hz的振动信号进行检测时，将发送信号数据依照正常钢轨信号传输模式拟合出的信号波形图与接收信号数据按照裂纹钢轨信号传输模式信号波形图进行比对，发现检测波形发生变化，则继续对振幅和相位变化进行计算。波形出现变化的时间为5s，则将5s带入该检测条件下的am(t)、bm(t)、a′m(t)和b′m(t)的表达式中，得出5s时正常钢轨传输模式中的相位值为3.15、振幅值为1.83，在5s时裂纹钢轨传输模式中的相位值为2.78、振幅值为1.67，得出相位变化值为11.7％，振幅变化值为8.7％。且由于波形发送变化的时间为5s，若振动信号的传播速度为5m/s可得出波形发生变化的位置为距离信号发送端25m处，从而确定裂纹在检测钢轨上的位置。
步骤四、将获得的振幅和\或相位变化差值与裂纹检测标准核对，获得裂纹检测结果。
检测结果包括：裂纹位置、裂纹深度等级和裂纹曲折度等级，其中裂纹位置为振动信号发生变化的位置。
裂纹检测标准包括：设定不同振幅变化的阈值来对应裂纹的深度等级；设定不同相位变化的阈值来对应裂纹形状的曲折程度。
裂纹检测标准的建立过程如图4所示，对含有不同裂纹形态的裂纹钢轨进行振动信号检测，通过正常钢轨信号传输模式算法拟合出振动信号在正常钢轨上的传输波形，通过裂纹钢轨信号传输模式算法拟合出振动信号在裂纹钢轨上的传输波形，对比同一振动信号的两组波形，得出不同裂纹对应的振幅、相位变化值。
通过对含有不同深度裂纹的钢轨进行振动信号检测，收集不同深度裂纹的振幅变化程度，进而得出不同振幅变化的阈值对应不同等级的裂纹深度。示例性的，对于50kg/m的钢轨，若振幅的幅值变化小于10％，则判断裂纹深度小于1mm；若幅值变化为10％～30％，则判断裂纹深度为1mm～3mm；若幅值变化为30％～50％，则判断裂纹深度为3mm～5mm；若幅值变化超过30％，则判断裂纹深度为超过5mm。
通过对含有不同曲折度裂纹的钢轨进行振动信号检测，曲折程度不同的裂纹会造成振动信号的相位发生不同变化，对振幅的变化程度进行采集，进而得出不同相位变化的阈值对应不同等级的曲折程度。示例性的，对于50kg/m的钢轨，若相位变化的幅度小于10％，则判断裂纹为较为平滑的裂纹，基本无岔裂；若相位变化的幅度为10％～30％，则判断裂纹为曲折裂纹，且曲折较少；相位变化变化的幅度大于30％，则判断裂纹曲折裂纹，且曲折较多。
裂纹检测标准建立后，通过判断检测结果的振幅变化值满足某一裂纹等级的振幅阈值，即可判断造成该变化的裂纹深度范围为多少。通过判断相位变化值与标准规定的相位变化阈值核对，即可判断造成该变化的裂纹曲折度为何种状况。通过裂纹的深度和裂纹的曲折程度即可判断出裂纹的严重程度，是否需要修补或者更换该段钢轨。
示例性的，以上述20m裂纹钢轨的检测结果为例，检测振动信号的振幅变化值8.7％小于10％，说明造成该变化的裂纹深度小于1mm。检测振动信号的相位变化值11.7％位于10％～30％内，说明造成该变化的裂纹为曲折度较少的裂纹。
因此，该20m裂纹钢轨的检测结果为：有裂纹，裂纹位于25m处，裂纹深度小于1mm和裂纹为曲折度较少。
通过建立模型函数对振动信号的传输模式进行拟合，得出振动信号在正常钢轨和裂纹钢轨上的传输模式，通过采集不同裂纹造成振幅和相位的变化值，得出裂纹深度和曲折度引起振动信号振幅和相位变化的阈值，依据变化阈值建立裂纹检测标准，再通过检测钢轨时振动信号的振幅和相位变化值与裂纹检测标准核对，即可得出检测钢轨上的裂纹情况。本发明实施例的检测方法根据具体的钢轨情况设计了合理的衡量指标，使得不同的波形变化准确映射到对应的钢轨裂纹上，实现高可靠、高效率、实时在线的检测钢轨裂纹。
本发明还提供了一种基于振动信号的钢轨断裂识别系统，如图5所示，包括信号发送装置、信号处理装置和信号接收装置。
信号发送装置，用于向检测钢轨发送振动信号。信号发送装置安装在待检测钢轨的外侧侧壁上，且与外侧侧壁贴合设置。
信号接收装置，用于接收经过检测钢轨传输的振动信号。信号发送装置安装在待检测钢轨的外侧侧壁上，且安装高度与信号发送装置的安装高度相同，实现振动信号在钢轨上直线传输。信号发送装置与信号接收装置安装时的间隔距离小于振动信号传输的有效距离，确保能够检测出钢轨不同高度处的裂纹状况。
信号处理装置，用于对发送信号和接收信号进行拟合转化，并获取信号传输过程中的振幅、相位偏差值，依据信号偏差值输出钢轨裂纹检测结果。
信号发送装置和信号接收装置分别与信号处理装置相连接，信号发送装置发送出振动信号时，会将发送出的振动信号传输给信号处理装置，由信号处理装置拟合出振动信号在正常钢轨上的传输波形。信号接收装置接收到经过检测钢轨传输的振动信号后，将接收到的振动信号传输给信号处理装置，由信号处理装置拟合出在该检测钢轨上的传输波形。
信号处理装置包括：信号拟合模块、波形对比模块、标准对比模块和结果输出模块。
信号拟合模块，用于处理发送出的振动信号和接收到的振动信号。将发出的振动信号数据代入内部存储的正常钢轨信号传输算法模型中，确定算法模型中的Am和βm参数以及am(t)和bm(t)表达式，得出该检测钢轨上的正常钢轨信号传输算法，再利用该算法拟合出振动信号在正常钢轨上的传输波形。
将接收的振动信号和正常钢轨信号传输算法中的Am和βm参数，带入内部存储的裂纹钢轨信号传输算法模型中，确定算法模型中的a′m(t)和b′m(t)表达式，得出该检测钢轨上的裂纹钢轨信号传输算法，再利用该算法拟合出振动信号在裂纹钢轨上的传输波形。
波形对比模块，用于接收信号拟合模块拟合出振动信号在的正常钢轨传输波形和裂纹钢轨传输波形，并将两个波形进行对比，得出二者波形是否一致，若一致则直接将无裂纹的结论传输给结果输出模块；若发送振动信号的波形与接收到振动信号的波形有偏差，将出现波形变化的时间记录，随即获取信号拟合模块内检测振动信号在正常钢轨信号传输算法中的am(t)和bm(t)表达式和裂纹钢轨信号传输算法中的a′m(t)和b′m(t)表达式；
将变化时间带入am(t)、bm(t)、a′m(t)和b′m(t)中计算出该时间的正常钢轨传输信号的相位值和裂纹值、裂纹钢轨传输信号的相位值和裂纹值，得出检测振动信号的相位偏差值和振幅偏差值；
通过变化时间与振动信号的传播速度，得出振动信号出现变化的位置，即为裂纹的位置，将位置结果传输给结果输出模块。
标准对比模块，用于接收振幅偏差值和相位偏差值，将振幅偏差值与内部存储的裂纹检测标准进行比对，得出裂纹的深度等级；将相位偏差值与内部存储的裂纹检测标准进行比对，得出裂纹的曲折度等级，将得出裂纹的深度等级和曲折度等级传输结果输出模块。
结果输出模块，用于接收信号对比模块或标准对比模块的对比结果。若对比结果为发送的振动信号波形与接收振动信号波形一致，则输出结果为无裂纹，若结果为不一致，则输出裂纹位置、裂纹深度等级和曲折度等级，则直接输出该结果。
通过本发明钢轨断裂识别系统，装置简单，安装便捷，相比于传统的超声检测方法所采用设备成本更低，无需工作人员值守，安装运行后能够大大降低人工成本，能够实时检测位于信号发送装置和信号接收装置之间的钢轨段，通过在信号处理装置内设置振动信号在正常钢轨上传输模式和在裂纹钢轨上传输模式对振动信号进行拟合，并与内部存储的裂纹检测标准进行对比，得出所检测钢轨中裂纹的具体情况，检测结果准确直观。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (14)
1.一种基于振动信号的钢轨断裂识别方法，其特征在于，所述识别方法包括：
建立振动信号的正常钢轨信号传输模式和裂纹钢轨信号传输模式；
采集检测振动信号的发送数据和接收数据，通过所述正常钢轨信号传输模式将所述发送数据拟合出所述检测振动信号在正常钢轨上传输的信号波形，通过所述裂纹钢轨信号传输模式将所述接收数据拟合出所述检测振动信号在裂纹钢轨上传输的信号波形；
对比所述检测振动信号在正常钢轨上传输的信号波形与所述检测振动信号在裂纹钢轨上传输的信号波形，获得所述检测振动信号的变化位置、振幅和/或相位偏差值；
依据建立的裂纹检测标准比对所述检测振动信号的振幅和/或相位偏差值，获得所述检测钢轨的检测结果。
2.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于：所述正常钢轨信号传输模式的算法为：
(2)、(3)、(4)式中，t为时间，M为振动信号产生高次谐波的最高阶次，m为振动信号产生的m阶次谐波，Am为m阶次谐波的振幅，mfs为m阶次谐波的振动频率，βm为m阶次谐波的振动相位，am(t)为振动信号在所述正常钢轨信号传输模式内的调频函数，bm(t)为振动信号在所述正常钢轨信号传输模式内的调幅函数，p为高次谐波的最高阶次，为阶次谐波，和为对应阶次谐波调频函数中的参数，和为对应阶次谐波调幅函数中的参数。
3.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于：所述裂纹钢轨传输模式的算法为：
(5)、(6)、(7)式中，t为时间，M为振动信号产生高次谐波的最高阶次，m为振动信号产生的m阶次谐波，Am为m阶次谐波的振幅，与同一振动信号对应所述正常钢轨信号传输模式的m阶次谐波振幅值相同，mfs为m阶次谐波的振动频率，βm为m阶次谐波的振动相位，与同一振动信号对应所述正常钢轨信号传输模式的m阶次谐波振幅值相同，a′m(t)为振动信号在所述裂纹钢轨传输模式内的调频函数，b′m(t)为振动信号在所述裂纹钢轨传输模式内的调幅函数，p为振动信号高次谐波的最高阶次，为阶次谐波，和为对应阶次谐波调频函数中的参数，和为对应阶次谐波调幅函数中的参数。
4.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于：所述检测振动信号在正常钢轨上传输的信号波形的拟合包括：
依据所述发送数据确定所述正常钢轨信号传输模式的算法参数值；
通过参数确定后的所述正常钢轨信号传输模式算法生成所述检测振动信号在正常钢轨上传输的信号波形。
5.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于：所述检测振动信号在裂纹钢轨上传输的信号波形的拟合包括：
依据所述接收数据和所述正常钢轨信号传输模式中的第m次谐波的振幅值、振动相位值确定所述裂纹钢轨上信号传输模式的算法参数值；
通过算法参数确定后的所述裂纹钢轨上信号传输模式生成所述检测振动信号在裂纹钢轨上传输的信号波形。
6.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于：获得所述检测振动信号的变化位置、振幅和/或相位偏差值具体为：
对比所述检测振动信号在正常钢轨上传输的信号波形和所述检测振动信号在裂纹钢轨上传输的信号波形，获取波形发生变化的变化时间；
依据所述变化时间和所述检测振动信号的传播速度，得出所述检测振动信号的变化位置；
通过所述变化时间和所述正常钢轨信号传输模式的调频函数、调幅函数，得出所述变化时间下正常传输的相位值和振幅值；
通过所述变化时间和所述裂纹钢轨信号传输模式的调频函数、调幅函数，得出所述变化时间下裂纹传输的相位值和振幅值；
对比所述正常传输相位值与所述裂纹传输相位值，得出所述检测振动信号的相位变化值；
对比所述正常传输振幅值与所述裂纹传输振幅值，得出所述检测振动信号的振幅变化值。
7.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于：所述裂纹检测标准包括裂纹深度等级和裂纹曲折程度等级。
8.根据权利要求1或7所述的识别方法，其特征在于：所述裂纹检测标准的建立包括：
采用实验振动信号对多个含有不同裂纹的实验钢轨进行检测，得到实验振动信号的发送数据和接收数据；
通过所述正常钢轨传输模式拟合出所述实验振动信号发送数据在正常钢轨上传输的信号波形，通过所述裂纹钢轨传输模式拟合出所述实验振动信号接收数据在裂纹钢轨上传输的信号波形；
对比所述实验振动信号在正常钢轨上传输的信号波形和裂纹钢轨上传输信号波形，得出所述实验振动信号的振幅和/或相位偏差值；
依据所述实验振动信号的振幅和/或相位偏差值与多个所述实验钢轨上的裂纹进行核对；
建立裂纹等级对应振幅和/或相位偏差阈值的所述裂纹检测标准；
所述裂纹检测标准中的裂纹深度等级对应不同的振幅变化阈值，所述裂纹检测标准中的裂纹曲折程度等级对应不同的相位变化阈值。
9.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于：所述检测结果包括：裂纹位置、裂纹深度等级和裂纹曲折度等级。
10.一种基于振动信号的钢轨断裂识别系统，其特征在于：包括所述信号发送装置、信号处理装置和信号接收装置；
信号发送装置，用于向钢轨发送检测振动信号，采集发送数据；
信号接收装置，用于接收经过钢轨传输的所述检测振动信号，采集接收数据；
信号处理装置，用于处理所述发送数据和所述接收数据，得出所述振动信号的振幅/相位偏差值，依据所述检测振动信号的振幅和/或相位偏差值输出钢轨裂纹检测结果。
11.根据权利要求10所述的识别系统，其特征在于：所述信号处理装置包括：信号拟合模块、波形对比模块、标准对比模块和结果输出模块；
信号拟合模块，用于将所述发送数据通过正常钢轨信号传输模式拟合出所述检测振动信号在正常钢轨传输上的信号波形，将所述接收数据通过裂纹钢轨信号传输模式拟合得到所述检测振动信号在裂纹钢轨上传输的信号波形；
波形对比模块，用于对比所述检测振动信号在正常钢轨传输上的信号波形和所述检测振动信号在在裂纹钢轨上传输的信号波形，得出判断结果；
标准对比模块，用于接收所述判断结果，并将所述判断结果与内部存储的裂纹检测标准进行比对，得出所述检测振动信号的检测结果；
结果输出模块，用于输出所述检测结果。
12.根据权利要求10所述的识别系统，其特征在于：所述判断结果包括：若所述检测振动信号在正常钢轨传输上的信号波形和所述检测振动信号在裂纹钢轨传输上的信号波形的波形形状一致，则所述判断结果为无裂纹；
若波形形状不一致，则所述判断结果为计算得出的所述检测振动信号的变化位置、振幅和/或相位偏差值。
13.根据权利要求12所述的识别系统，其特征在于：所述检测振动信号的变化位置、振幅和/或相位偏差值计算包括:
获取所述波形形状发生变化的变化时间；
依据所述变化时间和所述检测振动信号的传播速度，得出所述振动信号的变化位置；
依据所述变化时间和所述正常钢轨信号传输模式内的调频函数和调幅函数，获得所述变化时间下正常钢轨信号传输波形的相位值和振幅值；
依据所述变化时间和所述裂纹钢轨信号传输模式内的调频函数和调幅函数，获得所述变化时间下裂纹钢轨信号传输波形的相位值和振幅值；
通过所述正常钢轨信号传输波形的相位值和所述裂纹钢轨信号传输波形的相位值，得到所述检测振动信号的相位偏差值；
通过所述正常钢轨信号传输波形的振幅值和所述裂纹钢轨信号传输波形的振幅值，得到所述检测振动信号的振幅偏差值。
14.根据权利要求11或12所述的识别系统，其特征在于：所述检测结果的获得包括：
依据所述振动信号的变化位置，得出所述检测钢轨的裂纹位置；
判断所述检测振动信号的振幅偏差值位于所述裂纹检测标准内对应振幅阈值规定范围内，得出所述检测钢轨的裂纹深度等级；
判断所述振动信号的相位偏差值位于所述裂纹检测标准的内对应相位阈值规定范围内，得出所述检测钢轨的裂纹曲折程度等级。
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