CN110568078B - 一种适用于岔区的钢轨断裂检测方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于岔区的钢轨断裂检测方法、装置及系统，所述检测方法包括，在检测装置中构建振动信号初始模型；对所述初始模型进行推导得到振动信号展开模型；基于所述展开模型，采用最小二乘法对检测装置接收到的振动信号进行拟合，分别获取任意时间T内初始状态下与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与各阶谐波相位信号；求取幅值差Δα以及相位差Δβ；判断所述幅值差Δα、相位差Δβ是否超过门限值，对钢轨进行检查和预警。该检测方法能够实时在线监测轨道钢轨的健康状况，能够准确且快速定位故障并予以报警，避免了道岔区域复杂电气回路及轨道电路信号干扰。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通领域，特别涉及一种适用于岔区的钢轨断裂检测方法、装置及系统。
背景技术
当前钢轨的主要检测方式分为周期性探伤检测和实时断轨监测。周期性钢轨探伤检测包括人工巡轨检测、大型钢轨探伤车、漏磁信号、涡流探伤、激光超声、图像处理等；实时断轨监测技术包括轨道电路实时断轨检测技术、牵引回流实时断轨检测技术、光纤实时断轨检测技术和超声波实时断轨监测技术等。周期性探测方式难以保证实时性，且受探测手段的限制，在一些特殊区域例如道岔尖轨等位置无法有效的检查，实时监测方法能满足实时动态轨道工况监测要求，但不能有效监测早期钢轨裂纹。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种适用于岔区的钢轨断裂检测方法、装置及系统，能够准确且快速定位故障并予以报警，避免了道岔区域复杂电气回路及轨道电路信号干扰。
一种适用于岔区的钢轨断裂检测方法，包括，
步骤一：在检测装置中构建振动信号初始模型；
步骤二：对所述初始模型进行推导得到振动信号展开模型；
步骤三：基于所述展开模型，采用最小二乘法对检测装置接收到的振动信号进行拟合，分别获取初始状态下与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与各阶谐波相位信号；
步骤四：求取任意时间T内初始状态下被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号的幅值差以及初始状态下被测钢轨中的各阶谐波相位信号与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波相位信号的相位差；
步骤五：判断所述幅值差、相位差是否超过门限值，对钢轨进行检查和预警。
进一步，还包括所述检测装置对接收到振动信号进行预处理，具体包括，
所述检测装置采用时域平均方法将接收到的振动信号按时间平均分成n段，并将n段振动信号求和取平均值，其中，每一段振动信号的时间长度为T，且n为整数，n＞0。
进一步，所述振动信号为不同权重基频及各阶谐波的叠加，则所述振动信号初始模型满足：
其中，N为检测装置接收到的振动信号所包含的基频的谐波个数；fn为n阶谐波的频率；αn为各阶谐波幅值，βn为各阶谐波相位，αn(t)为各阶谐波的幅值信号，βn(t)为各阶谐波的相位信号，n为整数，n＞0。
进一步，所述αn(t)、βn(t)中还包括钢轨缺陷引入的干扰信号，所述αn(t)、βn(t)满足：
αn(t)＝An+Cnsin(2πδt)+Dncos(2πδt) (2)
βn(t)＝En+Fnsin(2πδt)+Gncos(2πδt) (3)
其中，An、Cn、Dn、En、Fn、Gn均为第一常量，δ为干扰信号引入的频点偏移。
进一步，所述步骤二具体包括，
首先，将所述公式(2)、(3)代入所述振动信号初始模型；
然后，基于和差化积公式，推导出所述振动信号的展开模型为：
其中，N为检测装置接收到的振动信号所包含的基频的谐波个数，fn为n阶谐波的频率，δ为干扰信号引入的频点偏移，an、bn、cn、dn、en、gn均为第二常量，且满足：
an＝AncosEn (5)
bn＝AnsinEn (6)
进一步，
基于步骤三，求取初始状态下被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与相位信号时具体包括：
首先，基于所述展开模型，所述检测装置首次被安装在被测钢轨上时，对所述被测钢轨中的振动信号进行拟合，获得初始状态下第二常量an、bn、cn、dn、en、gn的值；
其次，将所述初始状态下第二常量an、bn、cn、dn、en、gn的值结合公式(5)-(10)，得出所述初始状态下第一常量An、Cn、Dn、En、Fn、Gn的值；
然后，将所述初始状态下第一常量An、Cn、Dn、En、Fn、Gn的值代入公式(2)、(3)，求得初始状态下被测钢轨中的各阶谐波的幅值信号与相位信号
基于步骤三，求取任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与相位信号时具体包括：
首先，基于所述展开模型，对任意时间t内的振动信号进行拟合，获得任意时间t内第二常量an、bn、cn、dn、en、gn的值；
其次，将任意时间t内第二常量an、bn、cn、dn、en、gn的值结合公式(5)-(10)，得出所述任意时间t内第一常量An、Cn、Dn、En、Fn、Gn的值；
然后，将所述任意时间t内第一常量An、Cn、Dn、En、Fn、Gn的值代入公式(2)、(3)，求得任意时间t内被测钢轨中各阶谐波的幅值信号与相位信号αn(t)、βn(t)。
进一步，所述步骤四中还包括构建所述幅值差与相位差的计算模型：
其中，Δα为幅值差，Δβ为相位差，T为任意时间，
为初始状态下被测钢轨中的各阶谐波的幅值信号，
为初始状态下被测钢轨中的各阶谐波的相位信号，αn(t)为任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波的幅值信号，βn(t)为任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波的相位信号。
一种适用于岔区的钢轨断裂检测装置，包括，
建模模块，用于在检测装置中构建振动信号初始模型；
推导模块，用于对所述初始模型进行推导得到振动信号展开模型；
拟合模块，用于基于所述展开模型，采用最小二乘法对检测装置接收到的振动信号进行拟合，分别获取初始状态下与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与各阶谐波相位信号；
计算模块，用于求取任意时间T内初始状态下被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号的幅值差以及初始状态下被测钢轨中的各阶谐波相位信号与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波相位信号的相位差；
响应模块，用于判断所述幅值差、相位差是否超过门限值，对钢轨进行检查和预警。
进一步，还包括，
预处理模块，用于对接收到的振动信号进行预处理，具体包括，
采用时域平均方法将接收的振动信号按时间平均分成n段，并将n段振动信号求和取平均值，其中，每一段振动信号的时间长度为T，且n为整数，n＞0。
一种适用于岔区的钢轨断裂检测系统，包括换能装置、分布式检测装置、平台主机以及上位机，其中，
所述换能装置通过卡具安装在被测钢轨岔区的尖轨和心轨尖端；
所述平台主机包括处理模块、电源模块、载波通信板、背板、隔离变压器以及接口板；
所述分布式检测装置包括发送装置、上述所述的检测装置、载波通信模块、电源模块，其中，
所述检测装置用于采用上述所述的检测方法对钢轨进行检查和预警。
本发明的检测方法调制解调的思路建立数学模型来解决结构探伤的问题，大幅降低了接收器的运算负担，从而可以在运算能力有限的嵌入式设备上实现分布式钢轨状态实时解算，大幅降低了系统复杂性和设备成本。
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示出了本发明实施例中的一种适用于岔区的钢轨断裂检测方法的流程示意图；
图2示出了本发明实施例中的一种适用于岔区的钢轨断裂检测系统结构示意图；
图3示出了本发明实施例中的一种检测装置结构示意图；
图4示出了本发明实施例中的一种平台主机结构示意图。
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。
健康状态下的钢轨中存在各种孔洞，如基本轨上轨道电路的接线孔，岔区尖轨、心轨上安装转辙机表示杆、外锁闭装置的开孔，此外钢轨在生产加工中也会存在瑕疵，从而钢轨上所有的瑕疵和人造的孔洞，都会在机械振动经过时，产生聚集在振动信号基频和各阶谐波频率周围的能量较低的振动成分。进一步，将机械振动作为载波，而钢轨的缺陷信息被调制到了载波上，当所述检测装置首次被安装在被测钢轨上时，通过算法处理识别并记录下当前(初始状态下)钢轨的健康状态信息。如图1所示，本发明实施例中介绍了一种适用于岔区的钢轨断裂检测方法，所述检测方法具体包括以下步骤：
步骤一：在检测装置中构建振动信号初始模型；其中，所述振动信号可被分解成不同权重的基频及各阶谐波的叠加，所述振动信号的初始模型为：
即振动信号初始模型r(t)为关于时间t的函数；其中，N为检测装置接收到的振动信号所包含的基频的谐波个数；fn为n阶谐波的频率，当振动信号中的基频为F时，则所述fn＝nF；αn为各阶谐波幅值，βn为各阶谐波相位，αn(t)为各阶谐波的幅值信号，βn(t)为各阶谐波的相位信号，且αn(t)、βn(t)中包括钢轨缺陷引入的干扰信号，n为整数，n＞0，且n∈N。
进一步，所述各阶谐波的幅值信号与相位信号αn(t)、βn(t)满足：
αn(t)＝An+Cnsin(2πδt)+Dncos(2πδt) (2)
βn(t)＝En+Fnsin(2πδt)+Gncos(2πδt) (3)
其中，An、Cn、Dn、En、Fn、Gn均为第一常量，fn为n阶谐波的频率，δ为干扰信号引入的频点偏移；进一步，所述n、fn以及δ的值在检测装置每次处理接收到的振动信号的过程中均为已知量。αn(t)、βn(t)分别为关于时间t的各谐波幅值信号函数和相位信号函数，αn为各阶谐波幅值、βn为各阶谐波相位，即，例如：当n＝1时，α1、β1分别为1阶谐波的幅值与相位，同理，α1(t)、β1(t)分别为1阶谐波的幅值信号函数与相位信号函数。n取其他值时不再进行赘述。
步骤二：对所述初始模型进行推导得到振动信号展开模型具体包括；
基于公式(2)、(3)以及和差化积公式，将所述公式(1)拆分为包括常数部分和正余弦部分的振动信号展开模型，即所述振动信号展开模型满足：
其中，N为检测装置接收到的振动信号所包含的基频的谐波个数；fn为n阶谐波的频率，δ为干扰信号引入的频点偏移，所述N、n、fn以及δ的值在每次计算的过程中均为已知量；an、bn、cn、dn、en、gn均为第二常量，且第二常量与第一常量之间满足：
an＝AncosEn (5)
bn＝AnsinEn (6)
进一步具体的，在对所述公式(1)拆分的过程中，所述公式(2)、(3)中的常量以及公式(3)中的正余弦部分存在以下近似关系：
sin(fn sin(2πδt)+gn cos(2πδt))≈fn sin(2πδt)+gn cos(2πδt)
cos(fn sin(2πδt)+gn cos(2πδt))≈1
cnfn≈dngn≈cngn≈dnfn≈0
上述近似关系，是对所述初始模型进行推导变形的基础条件，即为利用现有的和差化积公式进行推导提供了基础，从而能够更加有效的拟合出检测装置获取的振动信号，进而实时检测钢轨健康情况。进一步，能够准确且快速定位故障并予以报警，避免了道岔区域复杂电气回路及轨道电路信号干扰。
步骤三：基于所述展开模型，采用最小二乘法对检测装置接收到的振动信号进行拟合，分别获取钢轨在初始状态与任意时间t内的各阶谐波幅值信号与各阶谐波相位信号；
具体的，初始状态下被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与各阶谐波相位信号分别为
任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与各阶谐波相位信号分别为αn(t)、βn(t)，在求解的过程中，则采用最小二乘法对接收到的所述振动信号进行拟合，首先，求取所述振动信号在初始状态下以及任意时间t内对应的第二常量an、bn、cn、dn、en、gn的值，基于初始状态下与任意时间t内对应的第二常量an、bn、cn、dn、en、gn的值分别代入所述公式(5)-(10)，获取所述振动信号在初始状态下以及任意时间t内对应的第一常量An、Cn、Dn、En、Fn、Gn的值；
基于初始状态下与任意时间t内对应的第一常量An、Cn、Dn、En、Fn、Gn的值分别代入所述公式(2)、(3)，则获取所述
αn(t)、βn(t)信号的函数表达式。
进一步，在所述初始状态下与任意时间t内，所述振动信号的已知量N、n、fn以及δ的值不同，且所述初始状态下的
是所述检测装置在被首次安装在被测钢轨上时求解获得。
步骤四：求取任意时间T内初始状态下被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号的幅值差以及初始状态下被测钢轨中的各阶谐波相位信号与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波相位信号的相位差；
具体的，所述幅值差、相位差分别为Δα、Δβ，且所述Δα、Δβ满足：
其中，T为任意时间，
为初始状态下被测钢轨中的各阶谐波幅值信号，
为初始状态下被测钢轨中的各阶谐波相位信号，αn(t)为任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号，βn(t)为任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波相位信号。
步骤五：判断所述幅值差Δα、相位差Δβ是否超过门限值，对钢轨进行检查和预警。
具体的，若钢轨产生裂纹或钢轨中裂纹生长发展时，会在振动信号中调制进新的健康信息。当所述检测装置识别出高于门限值的裂纹或裂纹生长时，会输出不同级别的预警；当钢轨完全断裂时，作为载波的基频振动信号被切断，系统输出断轨告警。
进一步，所述检测装置还对接收到的振动信号进行预处理，具体包括，
所述检测装置采用时域平均(SSA)方法将接收到的振动信号按时间平均分成n段，并将n段振动信号求和取平均值，其中，每一段振动信号的时间长度为T，即T与求取幅值差及相位差时的任意时间T一致，且n为整数，n＞0。进一步，将n段信号求和取平均值，等效于将所述振动信号进行了梳状滤波，保留下的信号在频域上分布在1/T及其各阶谐波附近。其中，n越大，保留的信号在频域上越集中。通过合理的选择n和T，可以有效的得到较高信噪比的调制振动信号。所述检测方法以调制解调的思路建立数学模型来解决结构探伤的问题，大幅降低了检测装置的运算负担，从而可以在运算能力有限的嵌入式设备上实现分布式钢轨状态实时解算，大幅降低了系统复杂性和设备成本。
进一步，所述检测装置接收到的振动信号均为同步信号，从而保证所述检测装置对接收到的振动信号进行时域平均时保持相同的起始相位，从而有效的提高了系统的抗干扰性和准确性。
本发明实施例中还介绍了一种适用于岔区的钢轨断裂检测装置，所述检测装置包括数据连接的预处理模块、建模模块、推导模块、拟合模块、计算模块以及响应模块，其中，所述预处理模块用于采用时域平均方法将接收的振动信号按时间平均分成n段，并将n段振动信号求和取平均值，其中，每一段振动信号的时间长度为T，且n为整数，n＞0；所述建模模块用于在检测装置中构建振动信号初始模型；所述推导模块用于对所述初始模型进行推导得到振动信号展开模型；所述拟合模块用于基于所述展开模型，采用最小二乘法对检测装置接收的振动信号进行拟合，分别获取初始状态下与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与各阶谐波相位信号；所述计算模块用于求取任意时间T内初始状态下被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号的幅值差以及初始状态下被测钢轨中的各阶谐波相位信号与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波相位信号的相位差；所述响应模块用于判断所述幅值差、相位差是否超过门限值，对钢轨进行检查和预警。
具体的，所述振动信号为不同权重基频及各阶谐波的叠加，其中，所述振动信号初始模型满足：
其中，N为检测装置接收到的振动信号所包含的基频的谐波个数；fn为n阶谐波的频率；αn为各阶谐波幅值，βn为各阶谐波相位，αn(t)为各阶谐波的幅值信号，βn(t)为各阶谐波的相位信号，且αn(t)、βn(t)中包括钢轨缺陷引入的干扰信号，n为整数，n＞0；
所述αn(t)、βn(t)满足：
αn(t)＝An+Cnsin(2πδt)+Dncos(2πδt) (2)
βn(t)＝En+Fnsin(2πδt)+Gncos(2πδt) (3)
其中，An、Cn、Dn、En、Fn、Gn均为第一常量，δ为干扰信号引入的频点偏移；
基于公式(2)、(3)以及和差化积公式，所述推到模块将所述振动信号初始模型推导形成所述振动信号的展开模型：
其中，N为检测装置接收到的振动信号所包含的基频的谐波个数，fn为n阶谐波的频率，δ为干扰信号引入的频点偏移，an、bn、cn、dn、en、gn均为第二常量，且满足：
an＝AncosEn (5)
bn＝AnsinEn (6)
进一步，所述计算模块还用于构建所述幅值差与相位差的计算模型：
其中，Δα为幅值差，Δβ为相位差，T为任意时间，
为初始状态下被测钢轨中的各阶谐波的幅值信号，
为初始状态下被测钢轨中的各阶谐波的相位信号，αn(t)为任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波的幅值信号，βn(t)为任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波的相位信号。
本发明实施例中还介绍了一种适用于岔区的钢轨断裂检测系统，包括换能装置、分布式检测装置、平台主机以及上位机，其中，所述换能装置通过卡具安装在被测钢轨岔区的尖轨和心轨尖端；所述平台主机包括处理模块、电源模块、载波通信板、背板、隔离变压器以及接口板；所述分布式检测装置包括发送装置、上述所述的检测装置、载波通信模块、电源模块，其中，所述检测装置用于采用上述所述的检测方法对钢轨进行检查和预警。
如图2-4所示，所述换能装置为换能器1，所述发送装置、检测装置设置在分布式监测模块2中，且所述发送装置、检测装置分别为发送器5与接收器6，具体的，如图2-3所示，平台主机3与上位机4均设置在室内，换能器1及分布式监测模块2设置在室外。被测钢轨的两端均设置有换能器1，一个或多个分布式检测装置2设置在被测钢轨岔区的一旁，且所述发送器5与接收器6分别连接有换能器1，所述发送器5用于将特定频率和特征的电信号发送给钢轨一端的换能器1，所述钢轨一端的换能器1用于将电信号转换成机械振动传递到钢轨中，钢轨另一端的换能器1用于将接收到的机械振动转换为振动信号，并发送给所述接收器6，所述接收器6按照上述所述的检测方法对钢轨进行检查和预警。进一步，所述振动信号为电信号。
每个钢轨的岔区安装1套分布式监测模块2。图2中，每套分布式监测模块2至少可以接3对换能器1，即至少可以监测2根尖轨、1根长心轨。
所述接收器6通过CAN通信总线与载波通信模块7连接，则所述接收器6还用于将获得的检查和预警信息通过载波通信模块7发送至载波总线，最终发送至所述平台主机3中的载波通信板11上。图3中，电源模块8主要实现为分布式监测模块2内其他设备提供稳定可靠的直流电源，其输入为所述载波通信板11所需的220V交流电源，输出为24V直流电源和12V直流电源，进而给发送器5、接收器6和载波通信模块7进行供电。
如图2、4所示，所述载波通信板11实现该总线上的全部分布式监测模块2的组网、接收分布式监测模块2的全部数据并转换为CAN数据格式，且所述载波通信板11通过背板12连接处理模块9，所述处理模块9内部采用ARM+DSP+Linux系统架构，所述处理模块9通过背板12与载波通信板11进行CAN通信；接口板14与处理器模块9的1路以太网、2路CAN总线以及1路USB通信接口相连接，易于外部设备信息交换，系统扩展性强。电源模块10主要实现为平台主机3内其他设备提供稳定可靠的直流电源，其输入为电源屏所需的220V交流电源，输出为12V直流电源和5V直流电源，从而给处理模块9和载波通信板11进行供电。隔离变压器13隔离电源屏提供的220V交流电源，沿电缆为室外分布式监测模块2提供电源。本发明的检测系统集成度更高，通信层级短，实时性、有效性更好。
所述上位机4通过CAN总线和/或以太网与所述处理模块连接。
图2中，所述平台主机3设置4个载波通信板11，则载波通信板11与所述一个多个所述分布式监测模块2之间均设置有防雷模块。
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 (8)
1.一种适用于岔区的钢轨断裂检测方法，其特征在于，包括，
步骤一：在检测装置中构建振动信号初始模型；
所述振动信号初始模型满足：
其中，N为检测装置接收到的振动信号所包含的基频的谐波个数；fn为n阶谐波的频率；αn为各阶谐波幅值，βn为各阶谐波相位，αn(t)为各阶谐波的幅值信号，βn(t)为各阶谐波的相位信号，n为整数，n＞0；
所述αn(t)、βn(t)中还包括钢轨缺陷引入的干扰信号，所述αn(t)、βn(t)满足：
αn(t)＝An+Cnsin(2πδt)+Dncos(2πδt) (2)
βn(t)＝En+Fnsin(2πδt)+Gncos(2πδt) (3)
其中，An、Cn、Dn、En、Fn、Gn均为第一常量，δ为干扰信号引入的频点偏移；
步骤二：对所述初始模型进行推导得到振动信号展开模型；
所述步骤二具体包括，
首先，将所述公式(2)、(3)代入所述振动信号初始模型；
然后，基于和差化积公式，推导出所述振动信号的展开模型为：
其中，N为检测装置接收到的振动信号所包含的基频的谐波个数，fn为n阶谐波的频率，δ为干扰信号引入的频点偏移，an、bn、cn、dn、en、gn均为第二常量，且满足：
an＝AncosEn (5)
bn＝AnsinEn (6)
步骤三：基于所述展开模型，采用最小二乘法对检测装置接收到的振动信号进行拟合，分别获取初始状态下与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与各阶谐波相位信号；
步骤四：求取任意时间T内初始状态下被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号的幅值差以及初始状态下被测钢轨中的各阶谐波相位信号与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波相位信号的相位差；
步骤五：判断所述幅值差、相位差是否超过门限值，对钢轨进行检查和预警。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，还包括所述检测装置对接收到振动信号进行预处理，具体包括，
所述检测装置采用时域平均方法将接收到的振动信号按时间平均分成n段，并将n段振动信号求和取平均值，其中，每一段振动信号的时间长度为T，且n为整数，n＞0。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述振动信号为不同权重基频及各阶谐波的叠加。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，
基于步骤三，求取初始状态下被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与相位信号时具体包括：
首先，基于所述展开模型，所述检测装置首次被安装在被测钢轨上时，对所述被测钢轨中的振动信号进行拟合，获得初始状态下第二常量an、bn、cn、dn、en、gn的值；
其次，将所述初始状态下第二常量an、bn、cn、dn、en、gn的值结合公式(5)-(10)，得出所述初始状态下第一常量An、Cn、Dn、En、Fn、Gn的值；
然后，将所述初始状态下第一常量An、Cn、Dn、En、Fn、Gn的值代入公式(2)、(3)，求得初始状态下被测钢轨中的各阶谐波的幅值信号与相位信号
基于步骤三，求取任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与相位信号时具体包括：
首先，基于所述展开模型，对任意时间t内的振动信号进行拟合，获得任意时间t内第二常量an、bn、cn、dn、en、gn的值；
其次，将任意时间t内第二常量an、bn、cn、dn、en、gn的值结合公式(5)-(10)，得出所述任意时间t内第一常量An、Cn、Dn、En、Fn、Gn的值；
然后，将所述任意时间t内第一常量An、Cn、Dn、En、Fn、Gn的值代入公式(2)、(3)，求得任意时间t内被测钢轨中各阶谐波的幅值信号与相位信号αn(t)、βn(t)。
5.根据权利要求1-4任一所述的检测方法，其特征在于，所述步骤四中还包括构建所述幅值差与相位差的计算模型：
其中，Δα为幅值差，Δβ为相位差，T为任意时间，
为初始状态下被测钢轨中的各阶谐波的幅值信号，
为初始状态下被测钢轨中的各阶谐波的相位信号，αn(t)为任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波的幅值信号，βn(t)为任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波的相位信号。
6.一种适用于岔区的钢轨断裂检测装置，其特征在于，包括，
建模模块，用于在检测装置中构建振动信号初始模型；
所述振动信号初始模型满足：
其中，N为检测装置接收到的振动信号所包含的基频的谐波个数；fn为n阶谐波的频率；αn为各阶谐波幅值，βn为各阶谐波相位，αn(t)为各阶谐波的幅值信号，βn(t)为各阶谐波的相位信号，n为整数，n＞0；
所述αn(t)、βn(t)中还包括钢轨缺陷引入的干扰信号，所述αn(t)、βn(t)满足：
αn(t)＝An+Cnsin(2πδt)+Dncos(2πδt) (2)
βn(t)＝En+Fnsin(2πδt)+Gncos(2πδt) (3)
其中，An、Cn、Dn、En、Fn、Gn均为第一常量，δ为干扰信号引入的频点偏移；
推导模块，用于对所述初始模型进行推导得到振动信号展开模型；包括，
首先，将所述公式(2)、(3)代入所述振动信号初始模型；
然后，基于和差化积公式，推导出所述振动信号的展开模型为：
其中，N为检测装置接收到的振动信号所包含的基频的谐波个数，fn为n阶谐波的频率，δ为干扰信号引入的频点偏移，an、bn、cn、dn、en、gn均为第二常量，且满足：
an＝AncosEn (5)
bn＝AnsinEn (6)
拟合模块，用于基于所述展开模型，采用最小二乘法对检测装置接收到的振动信号进行拟合，分别获取初始状态下与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与各阶谐波相位信号；
计算模块，用于求取任意时间T内初始状态下被测钢轨中的各阶谐波幅值信号与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波幅值信号的幅值差以及初始状态下被测钢轨中的各阶谐波相位信号与任意时间t内被测钢轨中的各阶谐波相位信号的相位差；
响应模块，用于判断所述幅值差、相位差是否超过门限值，对钢轨进行检查和预警。
7.根据权利要求6所述的检测装置，其特征在于，还包括，
预处理模块，用于对接收到的振动信号进行预处理，具体包括，
采用时域平均方法将接收的振动信号按时间平均分成n段，并将n段振动信号求和取平均值，其中，每一段振动信号的时间长度为T，且n为整数，n＞0。
8.一种适用于岔区的钢轨断裂检测系统，包括换能装置、分布式检测装置、平台主机以及上位机，其中，
所述换能装置通过卡具安装在被测钢轨岔区的尖轨和心轨尖端；
所述平台主机包括处理模块、电源模块、载波通信板、背板、隔离变压器以及接口板；其特征在于，
所述分布式检测装置包括发送装置、权利要求6-7任一所述的检测装置、载波通信模块、电源模块，其中，
所述检测装置用于采用权利要求1-5任一所述的检测方法对钢轨进行检查和预警。
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|---|---|---|---|---|
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| CN114330429A (zh) * | 2021-12-21 | 2022-04-12 | 中国国家铁路集团有限公司 | 一种钢轨擦伤识别方法、装置、系统、设备及存储介质 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19912785A1 (de) * | 1999-03-12 | 2000-10-05 | Siemens Ag | Einrichtung zum Erkennen eines Schienendefektes an einer Weiche |
| CN101813666A (zh) * | 2010-04-16 | 2010-08-25 | 成都成运科技有限责任公司 | 无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法 |
| CN102416970A (zh) * | 2011-10-12 | 2012-04-18 | 北京安通伟业铁路工务技术有限公司 | 一种钢轨断裂在线监测系统及其敲击检测方法 |
| CN103335617A (zh) * | 2013-06-19 | 2013-10-02 | 清华大学 | 一种基于振动信号的铁路钢轨几何形变检测方法 |
| CN103675447A (zh) * | 2013-12-17 | 2014-03-26 | 国家电网公司 | 一种电气化铁路的高精度实时谐波分析方法 |
| CN105067703A (zh) * | 2015-07-31 | 2015-11-18 | 华东理工大学 | 一种板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法 |
| CN106501372A (zh) * | 2016-10-27 | 2017-03-15 | 广州地铁集团有限公司 | 基于小波包分析道岔裂纹的监测定位方法 |
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19912785A1 (de) * | 1999-03-12 | 2000-10-05 | Siemens Ag | Einrichtung zum Erkennen eines Schienendefektes an einer Weiche |
| CN101813666A (zh) * | 2010-04-16 | 2010-08-25 | 成都成运科技有限责任公司 | 无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法 |
| CN102416970A (zh) * | 2011-10-12 | 2012-04-18 | 北京安通伟业铁路工务技术有限公司 | 一种钢轨断裂在线监测系统及其敲击检测方法 |
| CN103335617A (zh) * | 2013-06-19 | 2013-10-02 | 清华大学 | 一种基于振动信号的铁路钢轨几何形变检测方法 |
| CN103675447A (zh) * | 2013-12-17 | 2014-03-26 | 国家电网公司 | 一种电气化铁路的高精度实时谐波分析方法 |
| CN105067703A (zh) * | 2015-07-31 | 2015-11-18 | 华东理工大学 | 一种板状金属构件/材料剩余寿命的无损检测和评价方法 |
| CN106501372A (zh) * | 2016-10-27 | 2017-03-15 | 广州地铁集团有限公司 | 基于小波包分析道岔裂纹的监测定位方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A harmonic phase testing method for leakage detection in deep subsurface storage formations;Alexander Y.Sun,et al;《Water Resources Research》;20150616;第4263-4281页 * |
| 不锈钢薄板缺陷超声检测系统设计与缺陷识别研究;李茂;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅱ辑)》;20181015;第52-66页 * |
| 齿轮振动信号分解及其在故障诊断中的应用;余红英 等;《振动、测试与诊断》;20050630;第109-113页 * |
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