CN113433224A - 双轨式超声波探伤仪及超声波探伤方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双轨式超声波探伤仪及一种超声波探伤方法。本发明提供一种双轨式超声波探伤仪，包括：探伤车，所述探伤车的底部设置有多对探轮，每个所述探轮包括多个直探头和多个斜探头；检测系统，与所述探轮电连接。本发明提供的双轨式超声波探伤仪，利用双轨多轮探测，双轮联合检测，提高了钢轨的检测覆盖范围，通过在每个探轮内设置多个直探头和多个斜探头，直探头和斜探头可以独立收发，也可互相配合工作。当直探头发射，斜探头接收时，可以实现0‑15°核伤或焊缝裂纹的检测，提高了双轨式超声波探伤仪的检测能力。

Description

双轨式超声波探伤仪及超声波探伤方法
技术领域
本发明涉及超声波探伤技术领域，尤其涉及一种双轨式超声波探伤仪及一种超声波探伤方法。
背景技术
钢轨是铁路运输的基础设施，承受着列车的巨大载重并将其传递到轨枕上，同时引导机车车辆车轮前进。随着我国铁路的高速发展，带来里程的不断递增、列车运行的不断提速，以及随着列车重载化的发展，列车运行安全问题凸显重要。钢轨超声波探伤仪已经在钢轨探伤和缺陷诊断中广泛应用，但，现有的双轨式超声波探伤仪在0°伤损、焊缝检测上存在检测能力不足的问题。
发明内容
本发明提供一种双轨式超声波探伤仪及一种超声波探伤方法，用以解决现有技术中双轨式超声波探伤仪在0°伤损、焊缝检测上检测能力不足的缺陷。
本发明提供一种双轨式超声波探伤仪，包括：探伤车，所述探伤车的底部设置有多对探轮，每个所述探轮包括多个直探头和多个斜探头；检测系统，与所述探轮电连接。
根据本发明提供的一种双轨式超声波探伤仪，每个所述探轮包括6个所述直探头和2个所述斜探头。
根据本发明提供的一种双轨式超声波探伤仪，每个所述探轮包括7个所述直探头和2个所述斜探头。
根据本发明提供的一种双轨式超声波探伤仪，6个所述直探头包括2个0°直探头，1个37°直探头，3个70°直探头；7个所述直探头包括3个0°直探头，1个37°直探头，3个70°直探头；2个所述斜探头为70°斜探头。
根据本发明提供的一种双轨式超声波探伤仪，所述检测系统包括：并行多通道超声子系统，与所述探轮电连接，用于将所述探轮检测到的回波信号转换为电信号；工控机，用于分析和处理所述电信号。
根据本发明提供的一种双轨式超声波探伤仪，所述检测系统还包括：自动对中子系统，用于调节所述探轮的方向。
根据本发明提供的一种双轨式超声波探伤仪，所述检测系统还包括：定位子系统，用于记录所述探轮的行走轨迹。
根据本发明提供的一种双轨式超声波探伤仪，所述并行多通道超声子系统包括：并行多通道超声脉冲发生器，与所述直探头和所述斜探头电连接，用于激励超声波；信号调理器，用于对缺陷信号进行增益与滤波；并行多通道信号采集器，用于采集经过增益与滤波处理后的缺陷信号；数据处理器，用于处理所述经过增益与滤波处理后的缺陷信号；存储器，用于存储所述经过增益与滤波处理后的缺陷信号。
根据本发明提供的一种双轨式超声波探伤仪，所述并行多通道超声子系统为并行32通道超声子系统。
本发明还提供一种超声波探伤的方法，包括：激励并产生超声波信号，所述超声波信号穿透钢轨生成回波信号，将所述回波信号转换为电信号；对缺陷信号进行增益和滤波处理；采集经过增益和滤波处理后的缺陷信号；将所述经过增益和滤波处理后的缺陷信号进行处理和存储。
本发明提供的双轨式超声波探伤仪，利用双轨多轮探测，双轮联合检测，提高了钢轨的检测覆盖范围，通过在每个探轮内设置多个直探头和多个斜探头，直探头和斜探头可以独立收发，也可互相配合工作。当直探头发射，斜探头接收时，可以实现0-15°核伤或焊缝裂纹的检测，提高了双轨式超声波探伤仪的检测能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的双轨式超声波探伤仪的结构示意图；
图2是探轮内探头的分布图；
图3是直探头和斜探头的工作原理图；
图4是本发明提供的双轨式超声波探伤仪的整体结构框图；
图5是本发明提供的双轨式超声波探伤仪的检测区域范围图之一；
图6是本发明提供的双轨式超声波探伤仪的检测区域范围图之二；
图7是本发明提供的双轨式超声波探伤仪的检测区域范围图之三；
图8是本发明提供的超声波探伤的方法的流程图；
附图标记：
10：探轮； 11：直探头； 12：斜探头；
100：探伤车； 201：并行多通道超声子系统； 202：工控机；
203：自动对中子系统； 204：定位子系统。
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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作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。
下面结合图1-图8描述本发明的双轨式超声波探伤仪及超声波探伤的方法。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，双轨式超声波探伤仪包括探伤车100、探轮10和检测系统。探伤车100的底部设置有多对探轮10，每个探轮10包括多个直探头11和多个斜探头12，检测系统与探轮10电连接。
具体来说，探伤车100的底部设置有多个探轮10，探轮10可沿钢轨滚动，在探轮10沿钢轨滚动的过程中，检测系统产生高压脉冲，施加在探头晶片上，激励超声波，在压电效应下，施加在探头上的高压脉冲进行电声转换，产生超声波信号，超声波信号穿透钢轨生成回波信号，回波信号经过声电转换，转换为电信号。由于缺陷信号的超声回波信号较弱，需要对缺陷信号进行增益和滤波，以提高缺陷信号的信号强度，便于采集。检测系统采集经过增益和滤波处理后的缺陷信号，并进行处理和存储，以便生成钢轨缺陷检测图。在此过程中，如图3所示，直探头11作为发射探头，斜探头12作为接收探头，对钢轨0-15°范围内的核伤或焊缝裂纹进行检测，以增大检测区域的覆盖面积，提高检测能力。
进一步地，在本发明的一个实施例中，探伤车100的底部共设置有4个探轮10，每两个探轮10位于探伤车100的一侧，可选地，探轮10的数量还可以为6个或更多个，以提高检测能力。
进一步地，在本发明的一个实施例中，每个探轮10内可包括多个直探头11和多个斜探头12。具体地，每个探轮10内的直探头11的数量可以为5个、6个或7个，斜探头12的数量可以为2个。
本发明提供的双轨式超声波探伤仪，利用双轨多轮探测，双轮联合检测，提高了钢轨的检测覆盖范围，通过在每个探轮内设置多个直探头和多个斜探头，直探头和斜探头可以独立收发，也可互相配合工作。当直探头发射，斜探头接收时，可以实现0-15°核伤或焊缝裂纹的检测，提高了双轨式超声波探伤仪的检测能力。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，每个探轮10包括6个直探头11和2个斜探头12。
具体地，8个探头围绕探轮10的转轴设置，其具体设置方式为：沿探轮10的圆周方向，6个直探头11的排列方式为3个、1个和2个，2个斜探头12与2个直探头11邻近设置。
可选地，在本发明的一个实施例中，每个探轮10也可包括7个直探头11和2个斜探头12。具体地，9个探头围绕探轮10的转轴设置，其具体设置方式为：沿探轮10的圆周方向，7个直探头11的排列方式为3个、1个和3个，2个斜探头12与3个直探头11邻近设置。
可选地，在本发明的一个实施例中，每个探轮10也可包括5个直探头11和2个斜探头12。具体地，7个探头围绕探轮10的转轴设置，其具体设置方式为：沿探轮10的圆周方向，5个直探头11的排列方式为3个、1个和1个，2个斜探头12与1个直探头11邻近设置。
进一步地，在以上所述的实施例中，探轮10采用中场四轮检测，中场检测可减少探轮10内的声程，提高检测灵敏度，实现检测区域完全覆盖。具体地，如图5所示，为一个方向的轨距角核伤的覆盖区域，可对轨颚裂纹进行检测。如图6所示，为中部核伤和轨侧核伤的覆盖区域。如图7所示，为另一方向的轨距角核伤的覆盖区域，可对焊缝裂纹进行检测。
本发明实施例提供的双轨式超声波探伤仪，通过采用中场四轮检测，减少了探轮内的声程，提高了检测灵敏度，实现了检测区域完全覆盖，提高了双轨式超声波探伤仪的检测能力。
进一步地，在本发明的一个实施例中，6个直探头11包括2个0°直探头，1个37°直探头，3个70°直探头，斜探头12也为70°斜探头，其可更好地对钢轨进行探伤。当直探头的数量为7个时，7个直探头11包括3个0°直探头，1个37°直探头，3个70°直探头。
如图4所示，在本发明的一个实施例中，检测系统包括：并行多通道超声子系统201和工控机202。并行多通道超声子系统201与探轮10电连接，用于将探轮10检测到的回波信号转换为电信号，工控机202用于分析和处理该电信号。
具体来说，在探轮10沿钢轨滚动的过程中，并行多通道超声子系统201产生高压脉冲，施加在探头晶片上，激励超声波，在压电效应下，施加在探头上的高压脉冲进行电声转换，产生超声波信号，超声波信号穿透钢轨生成回波信号，回波信号经过声电转换，转换为电信号。由于缺陷信号的超声回波信号较弱，需要对缺陷信号进行增益和滤波，以提高缺陷信号的信号强度，便于采集。并行多通道超声子系统201采集经过增益和滤波处理后的缺陷信号，并进行处理和存储，工控机202将该信号分析和处理以生成钢轨的探伤检测图。
进一步地，工控机202采用CPU和GPU双运算构架，其中，GPU用于大数据处理以及三维重构。具体地，工控机202界面除了常规的探伤检测图显示外，还可根据全数据采集信息，能够对设定类型的伤损具有弹出放大的提示，提示具备三维重构。如在工控机202内设定好伤损的长度、类型，当检测结果超过预设的伤损长度或满足预设的伤损类型时，检测结果自动弹出放大，并对缺陷位置进行显示。举例来说，如设定的伤损类型为B型，当检测结果为B型伤损时，检测结果自动弹出并放大。
进一步地，在本发明的一个实施例中，检测系统还包括自动对中子系统203，自动对中子系统203用于调节探轮10的方向。
具体来说，自动对中子系统203包括PLC(可编程逻辑控制器)、左对中子系统以及右对中子系统。工控机202向PLC发送控制信号，PLC控制左对中子系统和右对中子系统对探轮10的位置进行调节，以使探轮10始终沿钢轨滚动，避免探轮10偏离钢轨。
在本发明的一个实施例中，检测系统还包括定位子系统204，定位子系统204用于记录探轮10的行走轨迹。具体地，定位子系统204包括基于北斗定位系统和里程编码器相结合的行走过程精确记录位置，可对钢轨的缺陷位置进行精确地记录。
在本发明的一个实施例中，并行多通道超声子系统201包括：并行多通道超声脉冲发生器、信号调理器、并行多通道信号采集器、数据处理器和存储器。并行多通道超声脉冲发生器与直探头11和斜探头12电连接，用于激励超声波，信号调理器用于对缺陷信号进行增益与滤波，并行多通道信号采集器用于采集经过增益与滤波处理后的缺陷信号，数据处理器用于处理经过增益与滤波处理后的缺陷信号，存储器用于存储经过增益与滤波处理后的缺陷信号。
具体来说，高压电源产生正负100V的高压，用于电声转换时的必要高压，以产生超声波。并行多通道超声脉冲发生器产生高压脉冲，施加在探头晶片上，激励超声波。激励脉冲控制高压脉冲的频率，由旋转编码器提供，设计为每3mm产生一次脉冲。在压电效应下，施加在探头上的高压脉冲进行电声转换，产生超声波信号，超声波信号穿透钢轨并产生回波信号，然后进行声电转换，超声波信号转换为电信号。电信号中的缺陷信号，其超声回波信号较弱，在信号调理器的作用下进行增益与滤波，以提高缺陷信号的信号强度。并行多通道信号采集器用于采集提高信号强度后的缺陷信号，其采样频率为40MHz，采样深度为240μs。并行多通道信号采集器将采集后的数据传输至数据处理器，数据处理器将该数据进行预处理后传输至存储器进行存储，供后续探伤检测图的生成与数据存储。进一步地，在本发明的一个实施例中，数据处理器为FPGA，存储器可为PC机的存储器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，并行多通道超声子系统201为并行32通道超声子系统。
本发明实施例提供的双轨式超声波探伤仪，通过并行多通道超声探伤信号全波采样和存储技术，保存了超声回波的原始射频信号，完整包含了缺陷幅度、相位和波形的检测信息，大大优化了缺陷的检测和识别能力；同时，本发明实施例提供的双轨式超声波探伤仪在探伤车行走过程中，能够同时对两股钢轨进行超声检测、探伤结果成像显示，具有缺陷报警、标记、探伤数据存储和回放等多种功能，适用性强。
如图8所示，本发明实施例还提供一种超声波探伤的方法，包括以下步骤：
步骤01：激励并产生超声波信号，超声波信号穿透钢轨生成回波信号，将回波信号转换为电信号；步骤02：对缺陷信号进行增益和滤波处理；步骤03：采集经过增益和滤波处理后的缺陷信号；步骤04：将经过增益和滤波处理后的缺陷信号进行处理和存储。
具体来说，高压电源产生正负100V的高压，用于电声转换时的必要高压，以产生超声波。并行多通道超声脉冲发生器产生高压脉冲，施加在探头晶片上，激励超声波。激励脉冲控制高压脉冲的频率，由旋转编码器提供，设计为每3mm产生一次脉冲。在压电效应下，施加在探头上的高压脉冲进行电声转换，产生超声波信号，超声波信号穿透钢轨并产生回波信号，然后进行声电转换，超声波信号转换为电信号。电信号中的缺陷信号，其超声回波信号较弱，在信号调理器的作用下进行增益与滤波，以提高缺陷信号的信号强度。并行多通道信号采集器用于采集提高信号强度后的缺陷信号，其采样频率为40MHz，采样深度为240μs。并行多通道信号采集器将采集后的数据传输至数据处理器，数据处理器将该数据进行预处理后传输至存储器进行存储，供后续探伤检测图的生成与数据存储。
本发明实施例提供的超声波探伤方法，提高了钢轨的检测覆盖范围，可以实现0-15°核伤或焊缝裂纹的检测，提高了双轨式超声波探伤仪的检测能力；同时，通过并行多通道超声探伤信号全波采样和存储技术，保存了超声回波的原始射频信号，完整包含了缺陷幅度、相位和波形的检测信息，大大优化了缺陷的检测和识别能力。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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 (10)

1.一种双轨式超声波探伤仪，其特征在于，包括：
探伤车，所述探伤车的底部设置有多对探轮，每个所述探轮包括多个直探头和多个斜探头；
检测系统，与所述探轮电连接。
2.根据权利要求1所述的双轨式超声波探伤仪，其特征在于，每个所述探轮包括6个所述直探头和2个所述斜探头。
3.根据权利要求1所述的双轨式超声波探伤仪，其特征在于，每个所述探轮包括7个所述直探头和2个所述斜探头。
4.根据权利要求2或3所述的双轨式超声波探伤仪，其特征在于，6个所述直探头包括2个0°直探头，1个37°直探头，3个70°直探头；
7个所述直探头包括3个0°直探头，1个37°直探头，3个70°直探头；
2个所述斜探头为70°斜探头。
5.根据权利要求1所述的双轨式超声波探伤仪，其特征在于，所述检测系统包括：
并行多通道超声子系统，与所述探轮电连接，用于将所述探轮检测到的回波信号转换为电信号；
工控机，用于分析和处理所述电信号。
6.根据权利要求5所述的双轨式超声波探伤仪，其特征在于，所述检测系统还包括：
自动对中子系统，用于调节所述探轮的方向。
7.根据权利要求5所述的双轨式超声波探伤仪，其特征在于，所述检测系统还包括：
定位子系统，用于记录所述探轮的行走轨迹。
8.根据权利要求5所述的双轨式超声波探伤仪，其特征在于，所述并行多通道超声子系统包括：
并行多通道超声脉冲发生器，与所述直探头和所述斜探头电连接，用于激励超声波；
信号调理器，用于对缺陷信号进行增益与滤波；
并行多通道信号采集器，用于采集经过增益与滤波处理后的缺陷信号；
数据处理器，用于处理所述经过增益与滤波处理后的缺陷信号；
存储器，用于存储所述经过增益与滤波处理后的缺陷信号。
9.根据权利要求5所述的双轨式超声波探伤仪，其特征在于，所述并行多通道超声子系统为并行32通道超声子系统。
10.一种利用权利要求1-9中任一项所述的双轨式超声波探伤仪进行超声波探伤的方法，其特征在于，包括：
激励并产生超声波信号，所述超声波信号穿透钢轨生成回波信号，将所述回波信号转换为电信号；
对缺陷信号进行增益和滤波处理；
采集经过增益和滤波处理后的缺陷信号；
将所述经过增益和滤波处理后的缺陷信号进行处理和存储。
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