CN111581814B - 基于差分涡流的高速轨道缺陷检测系统的参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于差分涡流的高速轨道缺陷检测系统的参数设计方法，该方法具体步骤如下：首先设计差分涡流检测线圈的直径D参数，以匹配簇状裂纹检测的分辨力要求；然后设计在线检测的涡流激励频率f参数，以匹配高速检测速度v，最大缺陷检测深度d _max 要求。本发明方法考虑到了涡流检测线圈直径D和涡流激励频率f对不同缺陷深度d分辨的影响，使得设计出的差分涡流检测系统更贴合高速运行下的检测需求，为后续对高速轨道缺陷深度危害等级的评价提供指导。

Description

基于差分涡流的高速轨道缺陷检测系统的参数设计方法

技术领域

本发明涉及基于差分涡流的高速轨道缺陷检测系统的参数设计方法，属于高速运行轨道在线检测技术领域。

背景技术

高速运行轨道在线检测是一种为了防止高速铁路钢轨故障，对服役状态下的钢轨采用无损检测方法进行缺陷伤损在线检测和健康监护的技术。目前国内外常用的高速运行轨道在线检测技术主要包括超声检测、涡流检测、漏磁检测和视觉检测等。涡流检测是一种基于电磁感应原理的无损检测方法，具有快速性和低成本的优点，在高速运行轨道在线检测中主要用于钢轨表面和近表面缺陷检测。作为非接触检测技术，涡流检测可以实现高速化、自动化在线检测。

差分式结构的涡流检测系统可以在一定程度上抑制提离距离等因素带来的影响。受趋肤效应影响，涡流检测更适用于轨道表面细小缺陷的检测，而其对缺陷深度的分辨率与涡流检测线圈的直径和激励频率相关。不同深度的裂纹缺陷对轨道安全的危害程度不同，为了实现不同缺陷危害等级的区分，有必要对差分涡流检测系统的线圈参数和激励频率进行设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供基于差分涡流的高速轨道缺陷检测系统的参数设计方法，通过对检测线圈直径D和激励频率f进行设计，从而优化差分涡流检测对不同缺陷深度d的分辨率，对一定速度下的差分涡流检测参数的选取提供指导。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于差分涡流的高速轨道缺陷检测系统的参数设计方法，包括如下步骤：

步骤1，对于高速轨道所有需要区分深度的缺陷，依据所要求的区分间距最小值D_s设计差分涡流检测线圈的直径D，即差分涡流检测线圈的直径D满足如下条件：

D≤D_s

步骤2，对于高速轨道所有需要区分深度的缺陷，依据所要求的最大缺陷深度d_max，在步骤1的基础上，设计差分涡流检测的激励频率f，以匹配检测速度v和最大缺陷深度d_max要求，即差分涡流检测的激励频率f满足如下条件：

其中，σ为待检测试件的电导率，μ为待检测试件的磁导率；

步骤3，根据步骤1和步骤2设计的直径D和激励频率f，设计差分涡流检测线圈，利用差分涡流检测线圈检测高速轨道所有需要区分深度的缺陷，得到缺陷的深度即高速轨道受损程度。

作为本发明的一种优选方案，所述差分涡流检测线圈的直径D大于所有需要区分深度的缺陷的宽度。

作为本发明的一种优选方案，所述差分涡流检测线圈的直径D等于间距最小值D_s。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提出的差分涡流检测系统的线圈直径和激励频率设计方法考虑到了检测线圈参数和激励频率对不同缺陷深度分辨的影响，使得设计出的差分涡流检测方案更贴合实际检测需求，为后续对缺陷深度危害等级的评价提供指导。

附图说明

图1是本发明差分涡流检测示意图。

图2是交流电桥电路原理示意图。

图3是差分涡流检测信号正交解调原理图。

图4是趋肤效应原理示意图。

图5是不同直径检测线圈的电感变化率峰值随缺陷深度变化曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为差分涡流检测示意图，将两个绕向相反的线圈，线圈1和线圈2，串联连接制成差分涡流检测探头。在检测过程中，两线圈先后经过裂纹处，两者的阻抗差异反映出缺陷的特征，通过图2中的交流电桥电路转化为电压变化量进行测量。保证线圈1和线圈2的阻抗参数基本一致，调节未经过缺陷处的电桥输出电压为零。图2中L₁为线圈1的电感值，L₂为线圈2的电感值；R₁和R₂为两个阻值相同的精密电阻；U_i为输入的激励电压，U_o为电桥输出电压。经近似后，电桥输出电压U_o与线圈的电感变化率ΔL/L存在关系：

其中，电感值L＝L₁≈L₂，电感差值ΔL＝L₁-L₂。如图2所示，电桥输出信号U_o为低频的线圈电感变化率ΔL/L叠加在高频载波U_i上的调制信号，要得到缺陷引起的线圈电感变化率ΔL/L，则需要对电桥输出信号U_o做正交解调处理。

如图3所示，为差分涡流检测信号正交解调原理图。经过乘法运算和低通滤波，同时得到缺陷信号的同相信号I(t)和正交信号Q(t)，二者频率相同。对于宽度远小于检测线圈直径D的缺陷而言，缺陷信号I(t)和Q(t)的基频f_d可以通过检测线圈直径D和检测速度v计算得到：

激励信号U_i作为缺陷信号I(t)和Q(t)的载波，要保证缺陷信号的细节不丢失，则单个缺陷信号中至少要有10个激励周期。以缺陷信号基频f_d的三倍作为有效信号频段，为了保证高速下的缺陷信号不失真，激励频率f不能低于30f_d，由此得到：

如图4所示，为趋肤效应原理示意图。交变电流通过导电平板时，在交变电场产生的感应磁场影响下，电磁场分布在导体表面的密度最高且沿着纵向衰减。交变电流的频率越高，电磁场在导体表面分布的密度越大，沿着纵向衰减速度也越快。趋肤效应使得涡流密度在试件内分布不均匀，在靠近线圈的一侧分布最密集，随着深度增加涡流密度不断减小，且呈e指数衰减。规定涡流密度衰减到表面的1/e处深度为渗透深度，其表达式为：

其中，δ为渗透深度，f为激励频率，σ为待检测试件的电导率，μ为待检测试件的磁导率。

当涡流密度衰减为表面的1/20时，认为此深度为涡流检测可区分的缺陷深度极限值，其大小约为3δ。因此，若所需区分的缺陷深度极限值为d_max，必须保证3δ≥d_max，则激励频率f必须满足：

如图5所示，为不同直径检测线圈的电感变化率峰值随缺陷深度变化曲线图。前面得到缺陷信号I(t)和Q(t)与电感变化率ΔL/L成正比，因此电感变化率峰值(ΔL/L₀)_max变化趋势与缺陷信号峰值变化趋势相同。在某一检测线圈直径D及某一激励频率f下，电感变化率峰值(ΔL/L₀)_max整体呈上升趋势，其上升斜率随缺陷深度的增大而不断减小，存在缺陷深度的分辨极限值。在某一激励频率f下，随着检测线圈直径D增大，电感变化率峰值(ΔL/L₀)_max的上升趋势变陡峭，对可区分缺陷深度范围内的深度分辨率更高。因此，线圈直径D越大，在可区分缺陷深度范围内，差分涡流检测探头对缺陷深度的分辨率越高。

但线圈直径D过大会导致相距较近得缺陷信号发生混叠，不利于簇状分布轨道缺陷的识别。涡流主要分布在线圈正下方的直径D范围内，对于所需区分的相邻缺陷间距最小值D_s，为保证相邻缺陷信号不发生混叠，应保证：

D≤D_s

同时，差分涡流检测线圈的直径D应远大于缺陷宽度。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.基于差分涡流的高速轨道缺陷检测系统的参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对于高速轨道所有需要区分深度的缺陷，依据所要求的区分间距最小值D_s设计差分涡流检测线圈的直径D，即差分涡流检测线圈的直径D满足如下条件：

D≤D_s

步骤2，对于高速轨道所有需要区分深度的缺陷，依据所要求的最大缺陷深度d_max，在步骤1的基础上，设计差分涡流检测的激励频率f，以匹配检测速度v和最大缺陷深度d_max要求，即差分涡流检测的激励频率f满足如下条件：

其中，σ为待检测试件的电导率，μ为待检测试件的磁导率；

步骤3，根据步骤1和步骤2设计的直径D和激励频率f，设计差分涡流检测线圈，利用差分涡流检测线圈检测高速轨道所有需要区分深度的缺陷，得到缺陷的深度即高速轨道受损程度。

2.根据权利要求1所述基于差分涡流的高速轨道缺陷检测系统的参数设计方法，其特征在于，所述差分涡流检测线圈的直径D大于所有需要区分深度的缺陷的宽度。

3.根据权利要求1所述基于差分涡流的高速轨道缺陷检测系统的参数设计方法，其特征在于，所述差分涡流检测线圈的直径D等于间距最小值D_s。

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