CN111398431A - 一种自适应高度的多闸门钢轨判伤系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应高度的多闸门钢轨判伤系统及方法，A超输入模块采样得到A超波形，设定判伤闸门的初始高度、起点、终点，设定底波监控闸门的起点、终点；闸门高度调节模块用于计算A超波形草状波和杂波的峰值，调节判伤闸门高度；多伤损识别模块用于对高于判伤闸门的伤损回波进行峰值提取，进行多伤损判别；底波能量监控模块用于计算底波短时能量，比较底波短时能量损耗与底波能量损耗阈值的关系，进行伤损的判别；伤损信息存储模块对获取的伤损信息进行保存。本发明通过设置判伤闸门、底波能量监控闸门，使用草状波和杂波的峰值作为基准实现钢轨判伤，无需人工手动调节，实现了判伤闸门高度的自动调节，提高了系统判伤的效率与精度。

Description

一种自适应高度的多闸门钢轨判伤系统及方法

技术领域

本发明涉及钢轨超声波探伤技术领域，具体涉及一种自适应高度的多闸门钢轨判伤系统及方法。

背景技术

在钢轨超声波探伤技术领域，在探伤车装配超声波探头对钢轨的轨头、轨腰、轨底等部位进行全面的伤损检测。探伤车在探伤过程中，超声探头发射并接收回波信号，探伤系统进行信号调理、模数转换、数字信号处理得到A超数据并进行判伤处理。系统接收到的一幅A超波形表示某一时刻的钢轨超声回波，而在同一探伤时刻钢轨可能出现多处伤损，因此在探伤时需要对多伤损的情况进行判别。当轨面与轨底之间出现伤损时，由于超声波与伤损会发生能量损耗的原因，底波会出现衰减现象，这也是伤损判别的重要依据。但在实际的探伤作业中，不同的检测条件会导致草状波和杂波幅值的不同，如出现磨损的钢轨段、钢轨表面鱼鳞、探伤车振动、探伤速度变化等均会引起A超波形中草状波和杂波的不稳定，若此时闸门高度不调整，则有可能将草状波或杂波误判为伤损。而在探伤速度较高的情况下采用人工手动方式进行闸门的高度调整，无法保证探伤的实时性和准确性。因此，针对钢轨超声探伤系统，研究一种自适应高度的多闸门判伤方法具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种自适应高度的多闸门钢轨判伤系统及方法，可实现多伤损判别、底波能量监控、基于草状波和杂波峰值自动调节闸门高度，在提高了钢轨探伤精度和效率的同时，克服了人工手动调节闸门高度所带来的不便，保证了探伤的实时性和准确性。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种自适应高度的多闸门钢轨判伤系统，包括A超输入模块、闸门高度调节模块、多伤损识别模块、底波能量监控模块、伤损信息存储模块；

所述A超输入模块采样得到当前钢轨探伤的一幅A超波形，设定判伤闸门的初始高度、起点、终点，设定底波监控闸门的起点、终点；

所述闸门高度调节模块用于计算A超波形草状波和杂波的峰值，比较草状波和杂波峰值与当前判伤闸门高度的关系，控制判伤闸门高度的自动调节；

所述多伤损识别模块用于对高于判伤闸门的伤损回波进行峰值提取，比较相邻峰值间采样点数与分辨最小伤损所需采样点数的关系，进行多伤损判别；

所述底波能量监控模块用于计算底波短时能量，比较底波短时能量损耗与底波能量损耗阈值的关系，进行伤损的判别；

所述伤损信息存储模块用于将多伤损识别模块和底波能量监控模块所判别的伤损信息保存至计算机。

一种自适应高度的多闸门钢轨判伤方法，包含以下步骤：

步骤1：基于探伤系统得到的A超波形，在A超波形上设置判伤闸门和底波监控闸门，设定初始的默认判伤闸门高度。

步骤2：计算草状波和杂波的峰值，比较其与当前判伤闸门高度的大小关系，进行判伤闸门的高度调节。

步骤3：基于判伤闸门对A超波形高于判伤闸门高度的伤损回波部分进行峰值提取，比较相邻峰值间采样点数间隔与分辨最小伤损所需采样点数的大小关系，判别是否为多伤损，并对数据进行保存。

步骤4：基于底波监控闸门计算底波短时能量值，与无伤损底波标准短时能量值比较，超出底波能量损耗阈值则认为出现伤损，并对数据进行保存。

进一步地，步骤1所述的判伤闸门位于始波与底波之间，底波监控闸门位于底波，A超波形信号的采样使用分辨率为8位的A/D转换器，则A超回波信号的纵轴范围为：0～255，设定默认的初始判伤闸门高度H为20。

进一步地，步骤2所述的草状波和杂波峰值P为：

P＝max{a_m,a_m+1,...,a_i,...,a_n-1,a_n}

其中，m≤i≤n，m为判伤闸门起点，n为判伤闸门终点，a_i为第i个采样点的值；

判伤闸门高度H调节方法为：

当H>P时，保持当前闸门高度不变；

当P>H时，调节H＝P+1，使得H始终大于P。

进一步地，步骤3所述的高于判伤闸门高度H所提取的峰值集合定义为：(V,l)＝{(v₁,l₁),(v₂,l₂),...,(v_j,l_j)}，其中，j为峰值个数，v_j为第j个峰值的值，v_j＞H，l_j表示峰值v_j对应第l_j个采样点，且v_j-1≤v_j＜v_j+1或v_j-1＜v_j≤v_j+1；

定义分辨最小伤损所需采样点数N为：

其中，

为系统分辨的最小伤损，h为钢轨高度，n为所需采样点数；

多伤损判别的具体方法为：

若l_j-l_j-1＞N，则标记峰值v_j-1和v_j为两个伤损；

若l_j-l_j-1≤N，则认为峰值v_j-1和v_j为同一伤损。

进一步地，步骤4所述的底波短时能量值Pow为：

其中，x、y分别为底波监控闸门起点、终点，a_k为第k个采样点的值；

基于实际无伤损回波底波的能量计算，在默认增益为16db时，定义无伤损底波标准短时能量Pow'为：Pow'＝1.3×10⁴；

底波能量损耗阈值T定义为Pow'的20％，T＝Pow'×15％＝1.95×10³；

伤损判别方法为：

若Pow'-Pow＞T，则认为底波损耗不正常，出现伤损；

若Pow'-Pow≤T，则认为底波正常，没有伤损。

与现有技术相比，本发明的有益效果：设置底波能量监控闸门，当轨面与轨底之间出现伤损时，利用底波出现能量衰减的现象作为判伤的依据之一；在判伤闸门内设置峰值提取算法，可进行多伤损的判别标定；使用草状波和杂波的峰值作为基准，自适应调节判伤闸门的高度，使得判伤闸门高度始终高于草状波和杂波峰值，防止系统将草状波和干扰误判为伤损；无需人工手动调节，实现了闸门高度的自动调节，提高了系统判伤的效率与精度。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的实施例提供的钢轨探伤及其A超回波示意图；

图3为本发明的实施例所提供的自适应高度的多闸门钢轨判伤方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种自适应高度的多闸门钢轨判伤系统，包括A超输入模块、闸门高度调节模块、多伤损识别模块、底波能量监控模块、伤损信息存储模块；

A超输入模块采样得到当前钢轨探伤的一幅A超波形，设定判伤闸门的初始高度、起点、终点，设定底波监控闸门的起点、终点；

闸门高度调节模块用于计算A超波形草状波和杂波的峰值，比较草状波和杂波峰值与当前判伤闸门高度的关系，控制判伤闸门高度的自动调节；

多伤损识别模块用于对高于判伤闸门的伤损回波进行峰值提取，比较相邻峰值间采样点数与分辨最小伤损所需采样点数的关系，进行多伤损判别；

底波能量监控模块用于计算底波短时能量，比较底波短时能量损耗与底波能量损耗阈值的关系，进行伤损的判别；

伤损信息存储模块用于将多伤损识别模块和底波能量监控模块所判别的伤损信息保存至计算机。

超声波钢轨探伤时，超声探头发射并接收回波信号，探伤系统进行信号调理、模数转换、数字信号处理得到A超数据并进行判伤处理。如图2所示，为钢轨探伤时有伤损与无伤损的A超波形，一般包括轨面始波和轨底底波以及伤损回波，同时由于钢轨材质内的晶粒反射以及检测环境干扰等影响，在A超波形的基线附近会出现一些杂乱无章、无明显规律的信号，它们就是草状波和杂波。

图3中横线定义为判伤闸门，通常设置在始波和底波之间，判伤闸门范围内且超过判伤闸门高度的最高幅值回波被判断为伤损。一幅A超波形可能出现多处伤损，因此在探伤的同时需要对多伤损的情况进行判别。当轨面与轨底之间出现伤损时，由于超声波与伤损会发生能量损耗的原因，底波会出现衰减现象，这也是伤损判别的重要依据。

在实际的钢轨探伤作业中，不同的检测条件会导致草状波和杂波幅值的不稳定，如出现磨损的钢轨段、钢轨表面鱼鳞、探伤车振动、探伤速度变化等均会引起A超波形中草状波和杂波的幅值变化，若此时判伤闸门高度不调整，则有可能将草状波或杂波误判为伤损。而在探伤速度较高的情况下采用人工手动方式进行闸门的高度调整，无法保证探伤的实时性和准确性。若始终保持闸门高于草状波和杂波的峰值高度，则可减少大多数的干扰误判情况，大大提高探伤性能。

基于上述原理，本发明提供的一种自适应高度的多闸门钢轨判伤方法，包括以下步骤：

步骤1：在A超波形设置判伤闸门和底波监控闸门，设定初始的默认判伤闸门高度。

如图3所示，在开始探伤之前，判伤闸门位于始波与底波之间，底波监控闸门位于底波，A超波形信号的采样使用分辨率为8位的A/D转换器，则A超回波信号的纵轴范围为：0～255，设定默认的初始判伤闸门高度H为20，闸门起点m，闸门终点n，波形增益固定为16db。

步骤2：计算草状波和杂波的峰值，比较其与当前闸门高度的大小关系，进行闸门的高度调节。

基于前面所叙述的原理，确定草状波和杂波峰值P为：

P＝max{a_m,a_m+1,...,a_i,...,a_n-1,a_n}

判伤闸门高度H自动调节的方法为：当H>P时，保持当前闸门高度不变；当P>H时，调节H＝P+1，使得H始终大于P。

步骤3：判伤闸门对A超波形高于闸门高度的伤损回波部分进行峰值提取，比较相邻峰值间采样点数间隔与分辨最小伤损所需采样点数的大小关系，判别是否为多伤损，并对数据进行保存。

高于闸门高度H所提取的峰值集合定义为：

(V,l)＝{(v₁,l₁),(v₂,l₂),...,(v_j,l_j)}，其中，j为峰值个数，v_j为第j个峰值的值，v_j＞H，l_j表示峰值v_j对应第l_j个采样点，且v_j-1≤v_j＜v_j+1或v_j-1＜v_j≤v_j+1。基于系统分辨的最小伤损为

标准60型号钢轨高度为176mm，所需的采样点为112个，则相邻两个采样点间的距离为

定义分辨最小伤损所需采样点数N为：

多伤损判别的具体方法为：若l_j-l_j-1＞N，则标记峰值v_j-1和v_j为两个伤损。若l_j-l_j-1≤N，则认为峰值v_j-1和v_j为同一伤损。

步骤4：底波监控闸门计算底波短时能量值，与无伤损底波标准短时能量值比较，超出底波能量损耗阈值则认为出现伤损，并对数据进行保存。

底波监控闸门计算底波短时能量值Pow的公式为：

其中，x、y分别为底波监控闸门起点、终点，a_k为第k个采样点的值。

基于实际无伤损回波底波的能量计算，本实施例在设置默认增益为16db时，定义无伤损底波标准短时能量值Pow'为：Pow'＝1.3×10⁴。本实施例经过无伤损底波和最小分辨伤损

底波能量的实验计算分析，本实施例定义底波能量损耗阈值T定义为Pow'的20％，T＝Pow'×15％＝1.95×10³。

根据底波能量损耗来进行伤损判别的具体方法为：若Pow'-Pow＞T，则认为底波损耗不正常，出现伤损；若Pow'-Pow≤T，则认为底波正常，没有伤损。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种自适应高度的多闸门钢轨判伤系统，其特征在于，包括A超输入模块、闸门高度调节模块、多伤损识别模块、底波能量监控模块、伤损信息存储模块；

所述A超输入模块采样得到当前钢轨探伤的一幅A超波形，设定判伤闸门的初始高度、起点、终点，设定底波监控闸门的起点、终点；

所述闸门高度调节模块用于计算A超波形草状波和杂波的峰值，比较草状波和杂波峰值与当前判伤闸门高度的关系，控制判伤闸门高度的自动调节；

所述多伤损识别模块用于对高于判伤闸门的伤损回波进行峰值提取，比较相邻峰值间采样点数与分辨最小伤损所需采样点数的关系，进行多伤损判别；

所述底波能量监控模块用于计算底波短时能量，比较底波短时能量损耗与底波能量损耗阈值的关系，进行伤损的判别；

所述伤损信息存储模块用于将多伤损识别模块和底波能量监控模块所判别的伤损信息保存至计算机。

2.一种自适应高度的多闸门钢轨判伤方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：基于探伤系统得到的A超波形，在A超波形上设置判伤闸门和底波监控闸门，设定初始的默认判伤闸门高度；

步骤2：计算草状波和杂波的峰值，比较其与当前判伤闸门高度的大小关系，进行判伤闸门的高度调节；

步骤3：基于判伤闸门对A超波形高于判伤闸门高度的伤损回波部分进行峰值提取，比较相邻峰值间采样点数间隔与分辨最小伤损所需采样点数的大小关系，判别是否为多伤损，并对数据进行保存；

步骤4：基于底波监控闸门计算底波短时能量值，与无伤损底波标准短时能量值比较，超出底波能量损耗阈值则认为出现伤损，并对数据进行保存。

3.根据权利要求2所述的一种自适应高度的多闸门钢轨判伤方法，其特征在于，步骤1所述的判伤闸门位于始波与底波之间，底波监控闸门位于底波，A超波形信号的采样使用分辨率为8位的A/D转换器，则A超回波信号的纵轴范围为：0～255，设定默认的初始判伤闸门高度H为20。

4.根据权利要求2所述的一种自适应高度的多闸门钢轨判伤方法，其特征在于，步骤2所述的草状波和杂波峰值P为：

P＝max{a_m,a_m+1,...,a_i,...,a_n-1,a_n}

其中，m≤i≤n，m为判伤闸门起点，n为判伤闸门终点，a_i为第i个采样点的值；

判伤闸门高度H调节方法为：

当H>P时，保持当前闸门高度不变；

当P>H时，调节H＝P+1，使得H始终大于P。

5.根据权利要求2所述的一种自适应高度的多闸门钢轨判伤方法，其特征在于，步骤3所述的高于判伤闸门高度H所提取的峰值集合定义为：(V,l)＝{(v₁,l₁),(v₂,l₂),...,(v_j,l_j)}，其中，j为峰值个数，v_j为第j个峰值的值，v_j＞H，l_j表示峰值v_j对应第l_j个采样点，且v_j-1≤v_j＜v_j+1或v_j-1＜v_j≤v_j+1；

定义分辨最小伤损所需采样点数N为：

其中，

为系统分辨的最小伤损，h为钢轨高度，n为所需采样点数；

多伤损判别的具体方法为：

若l_j-l_j-1＞N，则标记峰值v_j-1和v_j为两个伤损；

若l_j-l_j-1≤N，则认为峰值v_j-1和v_j为同一伤损。

6.权利要求2所述的一种自适应高度的多闸门钢轨判伤方法，其特征在于，步骤4所述的底波短时能量值Pow为：

其中，x、y分别为底波监控闸门起点、终点，a_k为第k个采样点的值；

基于实际无伤损回波底波的能量计算，在默认增益为16db时，定义无伤损底波标准短时能量Pow'为：Pow'＝1.3×10⁴；

底波能量损耗阈值T定义为Pow'的20％，T＝Pow'×15％＝1.95×10³；

伤损判别方法为：

若Pow'-Pow＞T，则认为底波损耗不正常，出现伤损；

若Pow'-Pow≤T，则认为底波正常，没有伤损。

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