CN113264082A - 一种高速轨道缺陷检测装置及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高速轨道缺陷检测装置及其检测方法，装置具有信号激励模块、检测探头、信号处理模块以及上位机；其中，信号激励模块被配置为产生正弦激励信号；检测探头被配置为根据正弦激励信号在高速轨道产生涡流场，感应涡流场的变化并输出检测信号；信号处理模块被配置为处理检测信号并输出处理结果；上位机被配置为展示处理结果，本发明所提供的检测装置解决了传统ACFM检测技术在高速轨道踏面形成均匀涡流区域小，不能横向布置传感器阵列的缺点，通过采用独特的导磁体结构以及传感器组件的布置，使检测范围尽可能的覆盖到更多的缺陷，因此检查效率高，满足在役轨道自动化在线检测的需求。

Description

一种高速轨道缺陷检测装置及其检测方法
技术领域
本发明属于高速运行轨道在线检测技术领域，特别是涉及一种高速轨道缺陷检测装置及其检测方法。
背景技术
在役轨道检测，是列车安全运行的重要保障手段之一。由于列车的高速运行，以及机车车轮和机车轨道之间的滚动接触，机车轨道很容易产生应力疲劳裂纹。应力疲劳裂纹一般为横向、簇状（又称鱼鳞纹），检测难度较大，若未能及时发现并处理，极有可能导致列车出现运行事故，甚至造成断轨。特别是高铁运行的轨道，是绝对不允许裂纹的存在，因此对机车轨道进行定期检测势在必行。
作为非接触检测技术，ACFM检测可以实现高速化、自动化在线检测。现有的ACFM检测技术中一般采用传统的“U”形导磁体来激发磁场，但其极靴下方的涡流场会对进入高速轨道踏面的磁场形成阻尼，导致高速轨道踏面表面形成的均匀涡流区域很小，不适合传感器阵列在轨道踏面上的横向布置，因此传统“U”形导磁体的ACFM探头对应力疲劳裂纹的检查效率很低且存在漏检的可能性，无法满足在役轨道自动化在线检测的需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种高速轨道缺陷检测装置及其检测方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为
一种高速轨道缺陷检测装置，包括：
信号激励模块，被配置为产生正弦激励信号；
检测探头，被配置为根据正弦激励信号在高速轨道产生涡流场，感应涡流场的变化并输出检测信号；
信号处理模块，被配置为处理检测信号并输出处理结果；
上位机，被配置为展示处理结果；
所述检测探头的输入端与所述信号激励模块的输出端连接，所述检测探头的输出端与所述信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端与所述上位机的输入端连接。
进一步的，所述检测探头包括：
导磁体，具有垂直于所述高速轨道延伸方向设置的横梁、横梁两端端部处关于高速轨道对称设置的竖梁以及位于竖梁远离所述横梁一端端部的极靴，所述横梁与所述高速轨道平行且所述横梁沿所述高速轨道延伸方向移动，所述竖梁沿垂直于所述高速轨道的方向设置，所述极靴位于竖梁靠近所述高速轨道的一侧且所述极靴的顶部与高速轨道的踏面平行，所述高速轨道位于两个所述竖梁之间；
激励线圈，卷绕在所述横梁上，与所述信号激励模块连接并接有外部电源，被配置为通电时与所述导磁体配合在所述高速轨道上形成涡流场；
传感器组件，设于所述高速轨道的踏面上，具有沿所述高速轨道延伸方向前后差分设置的两组巨磁阻传感器阵列，每组所述巨磁阻传感器阵列具有多个沿垂直于所述高速轨道延伸方向设置的巨磁阻传感器。
进一步的，所述高速轨道顶部的厚度为T S ，所述极靴的厚度T与高速轨道顶部的厚度大小关系为0.25T S ≤T≤0.5 T S 。
进一步的，所述巨磁阻传感器为三轴TMR传感器。
进一步的，所述巨磁阻传感器阵列沿垂直于所述高速轨道延伸方向的长度L S 与所述高速轨道踏面宽度L的大小关系为0.8L＜L S ＜L。
进一步的，两组所述巨磁阻传感器阵列沿所述高速轨道延伸方向的长度为W d ，导磁体的宽度为W，其中，W≥3W d 。
进一步的，所述检测探头还包括位于两个极靴之间的外壳，所述传感器组件嵌入安装在所述外壳的底部。
进一步的，所述外壳的材料为软性耐磨非金属材料。
更进一步的，所述信号处理模块具有依次连接的滤波电路、差分放大电路以及IQ解调电路。
一种高速轨道缺陷检测方法，包括以下步骤：
产生正弦激励信号；
根据正弦信号在高速轨道上产生涡流场；
根据涡流场的变化输出检测信号；
处理检测信号并输出处理结果；
展示处理结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、相比较传统的ACFM检测所用的“U”形导磁体，本发明所设计的“C”形导磁体结构所激发的均匀涡流场能有效的远离极靴的影响，这样可使高速轨道踏面的均匀涡流场的区域更大，便于布置获取缺陷信息的传感器阵列，从而使检测范围覆盖到更多的缺陷，实现检测高速轨道踏面应力疲劳裂纹的目的。
2、通过设置与扫查方向平行的差分巨磁阻传感器阵列，这样可消除背景磁场且有效抑制提离变化对检测结果的影响，从而增加检测探头的灵敏度；同时巨磁阻传感器采用三轴TMR传感器，这样可以获取多维的磁场信息来对裂纹大小及走向进行综合评估。
3、本发明所采用的检测探头当巨磁阻传感器阵列扫查到横向裂纹时，均匀涡流将流经缺陷区域，由于空气和高速轨道电阻率的差异，涡流将从缺陷的两端和底部绕过，引起表面电磁场的扰动，置于高速轨道踏面的巨磁阻传感器阵列可以接受采集缺陷上方电磁场畸变信息。
附图说明
图1是本发明实施例中高速轨道缺陷检测装置示意图。
图2是本发明实施例中检测探头及其磁路涡流场示意图。
图3是本发明实施例中检测探头俯视图。
图4是本发明实施例中受扰动的磁场分量Bx相对缺陷位置的分布图。
图5是本发明实施例中受扰动的磁场分量Bz相对缺陷位置的分布图。
图6是典型位置检测探头检测到的Bx和Bz的差分信号对比图。
图中：1、信号激励模块；2、检测探头；21、导磁体；211、横梁；212、竖梁；213、极靴；22、激励线圈；23、传感器组件；231、巨磁阻传感器；3、信号处理模块；4、上位机；5、高速轨道。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。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。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“靠近”、“垂直”、“中间”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。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。
请参阅图1，所示为本发明的实施例中高速轨道5缺陷检测装置示意图。本实施例提供的高速轨道5缺陷检测装置具有信号激励模块1、检测探头2、信号处理模块3以及上位机4；其中，信号激励模块1被配置为产生正弦激励信号；检测探头2被配置为根据正弦激励信号在高速轨道5产生涡流场，感应涡流场的变化并输出检测信号；信号处理模块3被配置为处理检测信号并输出处理结果；上位机4被配置为展示处理结果；
所述检测探头2的输入端与所述信号激励模块1的输出端连接，这样可通过信号激励模块1对探头施加正弦激励信号，且正弦激励信号的幅值和频率可在一定范围内可调；所述检测探头2的输出端与所述信号处理模块3的输入端连接，所述信号处理模块3的输出端与所述上位机4的输入端连接，这样可通过信号处理模块3对检测探头2获取的检测信号进行处理并通过上位机4显示出来。
请参阅图2和图3，所示为本发明的实施例中检测探头2示意图。所述检测探头2包括导磁体21、激励线圈22以及传感器组件23。其中，导磁体21具有垂直于所述高速轨道5延伸方向设置的横梁211、横梁211两端端部处关于高速轨道5对称设置的竖梁212以及位于竖梁212远离所述横梁211一端端部的极靴213，所述横梁211与所述高速轨道5平行且所述横梁211沿所述高速轨道5延伸方向移动，所述竖梁212沿垂直于所述高速轨道5的方向设置，所述极靴213位于竖梁212靠近所述高速轨道5的一侧且所述极靴213的顶部与高速轨道5的踏面平行，所述高速轨道5位于两个所述竖梁212之间；
激励线圈22卷绕在所述横梁211上，与所述信号激励模块1连接并接有外部电源，被配置为通电时与所述导磁体21配合在所述高速轨道5上形成涡流场；
传感器组件23设于所述高速轨道5的踏面上，具有沿所述高速轨道5延伸方向前后差分设置的两组巨磁阻传感器阵列，每组所述巨磁阻传感器阵列具有多个沿垂直于所述高速轨道5延伸方向设置的巨磁阻传感器231。
具体的，导磁体21的外形设置“C”形，半扣在高速轨道5顶部，且极靴213顶部与高速轨道5踏面保持平行且保持一定提离距离。而激励线圈22卷绕在导磁体21的横梁211上，这样可使激励线圈22激发的磁场沿着导磁体21的磁路直接贯穿高速轨道5踏面，这减小了极靴213对均匀涡流场的影响，在高速轨道5踏面形成均匀涡流流动区域，且涡流场在高速轨道内的流向与高速轨道5的延伸方向平行。同时为了增大激励电磁场的强度，导磁体21可以采用铁氧体或硅钢制成。传感器组件23包括2×5对巨磁阻传感器231，同一排的巨磁阻传感器231用于全面扫查轨道上的缺陷，同一列的巨磁阻传感器231的输出信号经过差分后可以消除背景磁场和提离对检测结果的影响，无损且精确地检测被检高速轨道5踏面的应力疲劳裂纹。上述巨磁阻传感器阵列位于高速轨道5踏面横向上且固设于导磁体21正下方的外壳底部，与扫描方向保持垂直，这样可以覆盖高速轨道5踏面上的横向裂纹。
本实施例中，所述高速轨道5顶部的厚度为T S ，所述极靴213的厚度T与高速轨道5顶部的厚度大小关系为0.25T S ≤T≤0.5T S 。
本实施例中，所述巨磁阻传感器231为三轴TMR传感器，可以同时测量三维磁场分量。
本实施例中，所述巨磁阻传感器阵列沿垂直于所述高速轨道5延伸方向的长度L S 与所述高速轨道5踏面宽度L的大小关系为0.8L＜L S ＜L。
本实施例中，两组所述巨磁阻传感器231阵列沿所述高速轨道5延伸方向的长度为W d ，导磁体21的宽度为W，其中，W≥3W d 。
本实施例中，所述检测探头2还包括位于两个极靴213之间的外壳，所述传感器组件23嵌入安装在所述外壳的底部。
本实施例中，所述外壳的材料为软性耐磨非金属材料，在对高速轨道5进行缺陷检测时可对检测探头2保护。
本实施例中，所述信号处理模块3具有依次连接的滤波电路、差分放大电路以及IQ解调电路。
具体的，本实施例提供的一种高速轨道5缺陷检测方法具体包括以下步骤：
将导磁体21半扣于高速轨道5顶部，信号激励模块1对激励线圈22施加正弦激励信号，高速轨道5踏面出现较大区域的均匀涡流场。当传感器组件23扫查到横向裂纹时，均匀涡流将流经缺陷区域，由于空气和高速轨道5电阻率的差异，涡流将从缺陷的两端和底部绕过，引起表面电磁场的扰动，具体受扰动的磁场分量请参阅图4和图5，置于高速轨道5踏面的传感器组件23可以接收采集缺陷上方电磁场畸变信息。
将传感器组件23获取到的检测信号发送给信号处理模块3进行滤波、差分放大以及IQ解调，再将对检测信号中Bx与Bz信号的处理结果发送到上位机4显示即可获得裂纹大小及走向的相关信息。
请参阅图6，所示为典型位置传感器检测到的Bx和Bz的差分信号对比图，当传感器位于缺陷的左端时，此时检测到的Bx信号经过处理后得到的波形呈现正负峰，Bz信号呈现负正峰；当传感器位于缺陷的中间时，此时检测到的Bx信号经过处理后得到的波形呈现负正峰，Bz无信号；当巨磁阻传感器231位于缺陷的右边时，此时检测到的Bx和Bz信号经过处理后得到的波形都呈现正负峰；据此根据这三个典型位置的Bx和Bz信号的不同特征即可辨别缺陷与巨磁阻传感器231的相对位置，进而可以判断裂纹的走向。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高速轨道缺陷检测装置，其特征在于，包括：
信号激励模块，被配置为产生正弦激励信号；
检测探头，被配置为根据正弦激励信号在高速轨道产生涡流场，感应涡流场的变化并输出检测信号；
信号处理模块，被配置为处理检测信号并输出处理结果；
上位机，被配置为展示处理结果；
所述检测探头的输入端与所述信号激励模块的输出端连接，所述检测探头的输出端与所述信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端与所述上位机的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的高速轨道缺陷检测装置，其特征在于，所述检测探头包括：
导磁体，具有垂直于所述高速轨道延伸方向设置的横梁、横梁两端端部处关于高速轨道对称设置的竖梁以及位于竖梁远离所述横梁一端端部的极靴，所述横梁与所述高速轨道平行且所述横梁沿所述高速轨道延伸方向移动，所述竖梁沿垂直于所述高速轨道的方向设置，所述极靴位于竖梁靠近所述高速轨道的一侧且所述极靴的顶部与高速轨道的踏面平行，所述高速轨道位于两个所述竖梁之间；
激励线圈，卷绕在所述横梁上，与所述信号激励模块连接并接有外部电源，被配置为通电时与所述导磁体配合在所述高速轨道上形成涡流场；
传感器组件，设于所述高速轨道的踏面上，具有沿所述高速轨道延伸方向前后差分设置的两组巨磁阻传感器阵列，每组所述巨磁阻传感器阵列具有多个沿垂直于所述高速轨道延伸方向设置的巨磁阻传感器。
3. 根据权利要求2所述的高速轨道缺陷检测装置，其特征在于：所述高速轨道顶部的厚度为T S ，所述极靴的厚度T与高速轨道顶部的厚度大小关系为0.25T S ≤T≤0.5 T S 。
4.根据权利要求2所述的高速轨道缺陷检测装置，其特征在于：所述巨磁阻传感器为三轴TMR传感器。
5.根据权利要求2所述的高速轨道缺陷检测装置，其特征在于：所述巨磁阻传感器阵列沿垂直于所述高速轨道延伸方向的长度L与所述高速轨道踏面宽度L S 的大小关系为0.8L S ＜L＜L S 。
6.根据权利要求2所述的高速轨道缺陷检测装置，其特征在于：两组所述巨磁阻传感器阵列沿所述高速轨道延伸方向的长度为W d ，导磁体的宽度为W，其中，W≥3W d 。
7.根据权利要求2所述的高速轨道缺陷检测装置，其特征在于：所述检测探头还包括位于两个极靴之间的外壳，所述传感器组件嵌入安装在所述外壳的底部。
8.根据权利要求7所述的高速轨道缺陷检测装置，其特征在于：所述外壳的材料为软性耐磨非金属材料。
9.根据权利要求1所述的高速轨道缺陷检测装置，其特征在于：所述信号处理模块具有依次连接的滤波电路、差分放大电路以及IQ解调电路。
10.一种高速轨道缺陷检测方法，其特征在于包括以下步骤：
产生正弦激励信号；
根据正弦信号在高速轨道上产生涡流场；
根据涡流场的变化输出检测信号；
处理检测信号并输出处理结果；
展示处理结果。
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