CN113740433B - 钢轨轨底裂纹sh导波emat大提离检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢轨轨底裂纹SH导波EMAT大提离检测装置及方法，所述装置包括信号发生器、功率放大器、阻抗匹配网络、SH导波EMAT、机械臂、前置滤波放大器、数据采集卡、计算机。本发明通过柔性SH导波EMAT对钢轨轨底进行大提离扫查检测，为更好的识别裂纹回波，采用同步提取变换对采集的SH导波检测信号进行信号提取，以消除环境噪声及杂波对SH导波信号的影响，对提取的SH导波信号进行B扫成像，实现钢轨轨底裂纹位置信息及当量大小的直观识别，具有大提离、高分辨率、长距离快速自动检测等优点，可以直接用于表面质量较差的钢轨轨底检测，不受弹性扣件的影响，可以用于在役高速铁路钢轨轨底裂纹的原位快速检测。

Description

钢轨轨底裂纹SH导波EMAT大提离检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种利用电磁超声SH导波探头进行钢轨轨底裂纹大提离成像检测的装置及方法。
背景技术
铁路运输是我国经济发展的大动脉，在我国交通运输中具有重要的战略地位。随着客运列车的提速和重载货运列车的开行，加剧了车轮对钢轨的破坏作用。在列车动力学作用下，钢轨轨底容易出现横向裂纹，最终导致钢轨发生折断。钢轨探伤车采用传统的横波与纵波检测技术，可有效检测钢轨轨头、轨腰及部分轨底损伤，大部分钢轨轨底位于探伤车检测盲区，对铁路运输安全造成重大隐患。同时，我国铁路营业总里程飞速增加，急需钢轨轨底快速检测方法。超声导波具有一点激励、长距离大范围检测的优势，适合对钢轨轨底进行快速检测。
压电式导波探头通过耦合剂(水、甘油)将声波导入被检工件，回波信号幅值受耦合效果影响较大。野外在役的钢轨轨底不仅存在道渣，而且钢轨轨底表面受雨水侵蚀生锈，压电式导波探头难以有效耦合。与采用压电式导波探头相比，电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)不需要耦合剂，较粗糙的表面也能直接探伤。由于兰姆波和表面波存在面外位移，在钢轨轨底表面附着物的影响下会快速衰减，SH导波只有面内位移，传播距离更远，SH导波EMAT适用于钢轨轨底的长距离检测。
钢轨轨底通过弹性扣件固定在轨枕上，为避免在检测过程中SH导波EMAT与弹性扣件发生碰撞，SH导波EMAT与钢轨轨底表面的提离距离需增加到20mm以上。同时，大提离条件下激励的SH导波信号非常微弱，现场环境噪声带来的干扰导致裂纹回波信号识别困难，需要有效的信号处理方法提取SH导波信号。同步提取变换(Synchroextracting Transform，SET)具有极高的时频分辨率，适合对SH导波检测信号进行分析。基于SET，采用简单线性迭代聚类和区域生长算法，可实现SH导波信号的精准提取，实现钢轨轨底裂纹的长距离快速成像检测。
目前没有关于钢轨轨底损伤大提离成像检测的文献及专利，关于钢轨电磁超声检测技术主要如下：
NDT&E International(2014,65:1-7)所发表的文章“A new electromagneticacoustic transducer(EMAT)design for operation on rail”涉及一种钢轨踏面快速检测的表面波EMAT装置，该装置采用表面波技术对钢轨踏面裂纹进行大提离检测，不涉及钢轨轨底裂纹大提离检测的SH导波EMAT设计，不涉及基于SET的SH导波提取方法。
仪器仪表学报(2020,41(01):35-46)所发表的文章“钢轨踏面裂纹电磁超声表面波同步挤压小波快速成像检测研究”涉及一种表面波EMAT装置用于钢轨踏面裂纹快速成像检测，其采用同步挤压小波变换，对表面波信号进行去噪处理，该论文提出的检测方法不涉及钢轨轨底裂纹大提离检测的SH导波EMAT设计，不涉及基于SET的SH导波提取方法。
CN111426756A公开了一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法及系统，该专利采用高阶SH导波实现对钢轨轨底的缺陷成像检测，未涉及基于SET的SH导波提取方法，不能在大提离条件下对钢轨轨底裂纹进行检测。
NDT&E International(2021,120(2):102437)所发表的文章“Rapid detectionof cracks in the rail foot by ultrasonic B-scan imaging using a shearhorizontal guided wave electromagnetic acoustic transducer”采用SH导波EMAT对钢轨轨底裂纹进行成像检测，该论文提出的检测方法不涉及用于钢轨轨底大提离检测的SH导波EMAT设计，不涉及基于SET的SH导波提取方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于SET的钢轨轨底裂纹SH导波EMAT大提离检测装置及方法，通过柔性SH导波EMAT对钢轨轨底进行大提离扫查检测，为更好的识别裂纹回波，采用同步提取变换对采集的SH导波检测信号进行信号提取，以消除环境噪声及杂波对SH导波信号的影响，对提取的SH导波信号进行B扫成像，实现钢轨轨底裂纹位置信息及当量大小的直观识别，具有大提离、高分辨率、长距离快速自动检测等优点，可以直接用于表面质量较差的钢轨轨底检测，不受弹性扣件的影响，可以用于在役高速铁路钢轨轨底裂纹的原位快速检测，是一种新的SH导波成像检测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种钢轨轨底裂纹SH导波EMAT大提离成像检测装置，包括信号发生器、功率放大器、阻抗匹配网络、SH导波EMAT、机械臂、前置滤波放大器、数据采集卡、计算机，其中：
所述SH导波EMAT包括周期性永磁体阵列、激励线圈、接收线圈，周期性永磁体阵列由多个永磁体组成，多个永磁体以周期性阵列的方式沿激励线圈及接收线圈长度方向放置，永磁体与激励线圈及接收线圈之间设有不锈钢弹簧和高回弹海绵，激励线圈及接收线圈紧贴钢轨轨底表面，激励线圈及接收线圈为采用柔性FPC技术制造的跑道线圈，SH导波EMAT基于洛伦兹力机理实现钢轨轨底SH导波的激励与接收；
所述信号发生器用于产生正弦脉冲串电流；
所述功率放大器用于将信号发生器产生的正弦脉冲串电流放大，并经阻抗匹配网络传输至SH导波EMAT中的激励线圈；
所述阻抗匹配网络用于实现SH导波EMAT中激励线圈与功率放大器输出阻抗之间的阻抗匹配，使激励SH导波幅值最大化，提高换能效率；
所述机械臂的一端固定在钢轨探伤车上，另一端夹持SH导波EMAT，当钢轨探伤车以固定时速在钢轨上行驶时，SH导波EMAT对钢轨轨底进行长距离扫查检测，并采集钢轨轨底不同位置的SH导波检测信号；
所述前置滤波放大器用于将接收的SH导波检测信号进行滤波放大，并传输至数据采集卡；
所述数据采集卡用于将放大后的SH导波检测信号转换为数字信号并传输至计算机；
所述计算机用于SH导波检测信号的显示与记录，通过SET和B扫成像算法，以B扫成像的方式直观显示钢轨轨底裂纹。
一种利用上述装置进行钢轨轨底裂纹SH导波EMAT大提离成像检测的方法，包括以下步骤：
步骤(1)永磁体周期性排列在激励线圈及接收线圈上方，产生垂直于钢轨轨底表面的静磁场，通过永磁体固定架调节永磁体的高度，避免在检测过程中，永磁体与弹性扣件发生碰撞；
步骤(2)信号发生器产生正弦脉冲串电流，并通过功率放大器放大后，得到高能射频脉冲电流；
步骤(3)在激励线圈内通入高能射频脉冲电流，使得钢轨轨底表面产生脉冲电涡流，在静磁场作用下产生洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下，钢轨轨底表面质点产生周期性振动，从而在钢轨轨底激发出SH导波；
步骤(5)当沿钢轨轨底长度方向传播的SH导波遇到裂纹时，会产生裂纹反射回波，反射的SH导波被接收线圈捕获，经过前置滤波放大器和数据采集卡输入计算机中，得到钢轨轨底裂纹SH导波检测信号；
步骤(6)保持钢轨探伤车行驶速度不变，SH导波EMAT在钢轨轨底不同位置激励SH导波，并采集SH导波检测信号；
步骤(7)对SH导波检测信号进行同步提取变换，得到SH导波检测信号时频图；
步骤(8)采用简单线性迭代聚类算法对时频图进行分割，将SH导波信号、噪声分割为不同的区域；
步骤(9)找到SH导波信号区域对应的时频系数矩阵，搜索对应区域范围的时频系数模极大值，并将时频系数模极大值作为区域生长的种子；
步骤(10)根据所需信号的信噪比设置生长阈值，采用区域生长算法获得SH导波信号完整的时频系数，重构SH导波信号，其中，SH导波信号f(t)的重构公式如下：
Figure BDA0003270998770000061
式中，Re[·]为取实部，Te(t,r(t))为时频系数，r(t)为SET谱信号分量的瞬时频率轨迹，
Figure BDA0003270998770000062
g(t)为窗函数；
步骤(11)将采集的SH导波检测信号都按照上述步骤步骤(7)～步骤(10)提取SH导波信号，对提取的SH导波信号进行B扫描成像；
步骤(12)当SH导波EMAT位于弹性扣件上方时，激励及接收的SH导波会出现异常，B扫成像图中出现周期性异常图像，基于SH导波的长距离检测，将成像图中周期性异常部分删除，从而得到钢轨轨底检测成像图，直观得到钢轨轨底裂纹的位置信息及当量大小。
现有技术没有涉及有关钢轨轨底裂纹大提离探伤的方法，客运列车的提速和重载货运列车的开行，加剧了车轮对钢轨的破坏作用，传统的钢轨探伤车无法对钢轨轨底进行有效检测，对铁路轨道的安全运行造成重大隐患。利用超声导波在钢轨轨底的长距离传播，可实现钢轨轨底快速成像检测。野外在役的钢轨轨底不仅存在道渣，而且轨底表面受雨水侵蚀生锈，压电式导波探头难以有效耦合。同时，在快速扫查检测过程中，导波探头与钢轨轨底的弹性扣件发生碰撞，难以对钢轨轨底进行快速扫查检测。相比于现有技术，本发明的有益效果如下：
1、采用EMAT对钢轨轨底进行非接触检测，不受耦合剂的影响，对被雨水腐蚀的尖轨轨腰也可以直接检测，适合钢轨轨底的野外现场检测。
2、采用SH导波对钢轨轨底进行远距离快速检测，SH导波只有面内位移，受钢轨轨底表面附着物及弹性扣件导致的能量衰减较小。同时，使用SH导波对弹性扣件下方的钢轨轨底也能直接检测，解决了弹性扣件覆盖钢轨轨底导致部分钢轨轨底无法检测的问题，实现了钢轨轨底的原位不拆卸检测，适用于在役钢轨轨底的快速检测。
3、通过悬挂系统和高回弹海绵，可实现SH导波EMAT与弹性扣件的柔性接触，避免了永磁体与弹性扣件发生碰撞。同时，高回弹海绵和不锈钢弹簧可以使跑道线圈紧贴钢轨轨底表面，保证较高的换能效率。采用机械臂夹持SH导波EMAT，可在钢轨探伤车高速行驶时实现钢轨轨底快速成像检测。
4、通过B扫描成像可以直观得到钢轨轨底裂纹的位置信息和当量大小，不需要对SH导波检测信号进行波包识别及复杂计算，适用于钢轨轨底的在役快速检测。
附图说明
图1为钢轨轨底电磁超声检测系统框图；
图2为跑道线圈产生洛伦兹力的过程；
图3为钢轨轨底SH导波的激发过程；
图4为SH导波EMAT结构及钢轨轨底检测示意图；
图5为SH导波信号提取算法流程框图；
图6为对SH导波检测信号进行同步提取变换得到的时频图；
图7为SH导波信号B扫描成像图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种钢轨轨底裂纹SH导波EMAT大提离成像检测装置，所述装置包括信号发生器、功率放大器、阻抗匹配网络、SH导波EMAT、机械臂、前置滤波放大器、数据采集卡、计算机等，其中：
所述信号发生器用于产生正弦脉冲串电流；
所述功率放大器用于将所述信号发生器产生的正弦脉冲串电流放大，并经所述阻抗匹配网络传输至SH导波EMAT中的激励线圈；
所述阻抗匹配网络用于实现SH导波EMAT中激励线圈与功率放大器输出阻抗之间的阻抗匹配，使激励SH导波幅值最大化，提高换能效率；
所述SH导波EMAT由周期性永磁体阵列、激励线圈、接收线圈等组成，周期性永磁体阵列由多个永磁体组成，多个永磁体以周期性阵列的方式沿激励及接收线圈长度方向放置，永磁体与激励及接收线圈之间设有不锈钢弹簧和高回弹海绵，激励线圈及接收线圈紧贴钢轨轨底表面，激励线圈及接收线圈为采用柔性FPC技术制造的跑道线圈，基于洛伦兹力机理实现钢轨轨底SH导波的激励与接收；
所述机械臂的一端固定在钢轨探伤车上，另一端夹持SH导波EMAT，当钢轨探伤车以固定时速在钢轨上行驶时，SH导波EMAT对钢轨轨底进行长距离扫查检测，并采集钢轨轨底不同位置的SH导波检测信号；
所述前置滤波放大器用于将接收的SH导波检测信号进行滤波放大，并传输至数据采集卡；
所述数据采集卡用于将放大后的SH导波检测信号转换为数字信号并传输至计算机；
所述计算机用于SH导波检测信号的显示与记录，通过同步提取变换和B扫成像算法，以B扫成像的方式直观显示钢轨轨底裂纹。
一种利用上述装置进行钢轨轨底裂纹SH导波EMAT大提离成像检测的方法，包括以下步骤：
步骤(1)永磁体周期性排列在激励线圈及接收线圈上方，产生垂直于钢轨轨底表面的静磁场。通过永磁体固定架调节永磁体的高度，避免在检测过程中，永磁体与弹性扣件发生碰撞。
步骤(2)信号发生器产生频率/周期数/重复频率可调的正弦脉冲串电流，并通过功率放大器放大后，得到高能射频脉冲电流。
步骤(3)高能射频脉冲电流经过阻抗匹配网络传输至SH导波EMAT中的激励线圈，使得钢轨轨底表面产生脉冲电涡流，在静磁场作用下产生洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下，钢轨轨底表面质点产生周期性振动，从而在钢轨轨底激发出SH导波。
步骤(5)当沿钢轨轨底长度方向传播的SH导波遇到裂纹时，会产生裂纹反射回波，反射的SH导波被接收线圈捕获，经过前置滤波放大器进行滤波放大，由数据采集卡转换为数字信号并输入计算机中，得到钢轨轨底裂纹SH导波检测信号。
步骤(6)保持钢轨探伤车行驶速度不变，SH导波EMAT在钢轨轨底不同位置激励SH导波，并采集SH导波检测信号。
步骤(7)对SH导波检测信号进行同步提取变换，得到SH导波检测信号时频图，从时频图中可以看出，经过同步提取变换后，SH导波信号与噪声明显分离。
步骤(8)采用简单线性迭代聚类算法对时频图进行分割，将SH导波信号、噪声分割为不同的区域。
步骤(9)找到SH导波信号区域对应的时频系数矩阵，搜索对应区域范围的时频系数模极大值，并将时频系数模极大值作为区域生长的种子；
步骤(10)根据所需信号的信噪比设置生长阈值，采用区域生长算法获得SH导波信号完整的时频系数，重构SH导波信号。
步骤(11)将采集的SH导波检测信号都按照上述步骤步骤(7)～步骤(10)提取SH导波信号，对提取的SH导波信号进行B扫描成像。
步骤(12)当SH导波EMAT位于弹性扣件上方时，激励及接收的SH导波会出现异常，B扫成像图中出现周期性异常图像。由于SH导波的长距离传播，SH导波EMAT距离弹性扣件较远时，已经完成了弹性扣件下方钢轨轨底的检测，可将成像图中周期性异常部分删除，从而得到钢轨轨底检测成像图，直观得到钢轨轨底裂纹的位置信息及当量大小。
实施例：
本实施例中，电磁超声探头主要基于洛伦兹力机理设计。采用沿垂直方向充磁的方形铷铁硼磁铁，永磁体的牌号为N35-N52，宽度为2～25mm，长度为10～30mm，高度为5～30mm，产生垂直于钢轨轨底表面的静磁场。激励线圈及接收线圈为采用FPC技术制造的跑道线圈，基板厚度为0.05～0.3mm，导线高度为1～2盎司。在激励线圈中通入(30～300kHz)正弦脉冲串(10～20周期)电流(10～200A)，钢轨轨底表面感生出脉冲涡流，在静磁场作用下产生洛伦兹力。洛伦兹力使得钢轨轨底表面质点周期性振动，从而在钢轨轨底激励出SH导波。激励的SH导波沿钢轨轨底长度方向传播，遇到裂纹时，会产生反射回波，反射的SH导波沿钢轨轨底反向传播，到达接收线圈位置。根据逆洛伦兹力效应，钢轨轨底表面质点振动导致接受线圈周围磁场发生变化，从而在接收线圈中感应出电压信号。接收线圈采集的SH导波检测信号，经过前置滤波放大器放大，由数据采集卡转换为数字信号并输入到计算机中。保持钢轨探伤车行驶速度不变，SH导波EMAT在钢轨轨底不同位置激励SH导波，并采集SH导波检测信号。然后按照下面的步骤完成SH导波检测信号处理和成像：
(1)调用SET算法将SH导波检测信号变换到时频域，如果SH导波检测信号为s(t)，根据STFT计算s(t)的时频谱可以表示为：
Figure BDA0003270998770000121
式中，g(u-t)为可移动的紧支窗函数，ω为频率，u为时间变量。
对式(1)乘以相位因子ejωt：
Figure BDA0003270998770000122
式中，
Figure BDA0003270998770000123
为信号s(t)的傅里叶变换，
Figure BDA0003270998770000124
为窗函数g(·)的傅里叶变换，θ为角频率。
可采用式(3)估计STFT谱中时频系数的瞬时频率：
Figure BDA0003270998770000125
式中：
Figure BDA0003270998770000126
为Ge(t,ω)对时间的一阶偏导数。
仅提取STFT谱在瞬时频率位置的时频系数，对应公式为：
Te(t,ω)＝Ge(t,ω)δ(ω-ω0(t,ω)) (4)；
式中：δ(ω-ω0(t,ω))称为同步提取算子。
SH导波检测信号s(t)经过公式(4)的处理后，获得一个具有高分辨率的时频谱Te(t,ω)，SH导波检测信号中的SH导波和噪声在频率方向分离，如图6所示。
(2)SH导波检测信号s(t)经同步提取变换后，采用简单线性迭代聚类算法和区域生长算法获得SH导波信号完整的时频系数，通过同步提取逆变换得到SH导波信号f(t)。
同步提取逆变换为：
Figure BDA0003270998770000131
式中，Re[·]为取实部，Te(t,r(t))为时频系数，r(t)为SET谱信号分量的瞬时频率轨迹，
Figure BDA0003270998770000132
g(t)为窗函数。
(3)对SH导波检测信号s(t)分别提取SH导波信号f(t)，进行B扫描成像。B扫成像图如图7所示，图中可以清楚的看见钢轨轨底裂纹，具有很高的分辨率，实现了钢轨轨底裂纹的大提离成像检测。
下面结合附图详细描述本发明的原理：
图1为本发明钢轨轨底电磁超声检测系统框图，本发明的钢轨轨底裂纹检测装置是由信号发生器、功率放大器、阻抗匹配网络、SH导波EMAT、机械臂、前置滤波放大器、数据采集卡、计算机等组成。本发明搭建的电磁超声检测系统能够保持钢轨探伤车行驶速度不变。信号发生器产生周期性正弦脉冲信号，经过功率放大器和阻抗匹配网络，然后输入SH导波EMAT中的激励线圈。在洛伦兹力的作用下，激励线圈在钢轨轨底激励出SH导波。激励的SH导波在沿钢轨轨底长度方向传播过程中遇到裂纹时，会产生发射回波，反射的SH导波被接收线圈采集后，经过前置滤波放大器和数据采集卡，送入计算机进行信号的分析和处理。
图2为本发明跑道线圈产生洛伦兹力的过程。跑道线圈在高频大电流Ie的作用下，在钢轨轨底表面形成脉冲涡流Je，在永磁体提供的垂直偏置磁场Bs的作用下，产生洛伦兹力fl。钢轨轨底表面质点在洛伦兹力fl的作用下，产生周期性振动，在钢轨轨底形成SH导波。永磁体产生垂直于钢轨轨底表面的静磁场，每个永磁体的宽度d按SH导波波长λ的二分之一制作，即：
Figure BDA0003270998770000141
通过控制永磁体的宽度d，就可以产生不同波长的SH导波。当高频交变电流输入SH导波EMAT中的激励线圈时，钢轨轨底表面会出现感应涡流，静磁场的作用下产生交变的洛伦兹力。
图3为本发明钢轨轨底SH导波的激发过程。周期性永磁体沿跑道线圈长度方向排列，在交变的洛伦兹力作用下，钢轨轨底表面质点会周期性振动，从而在钢轨轨底激励出SH导波。
图4为本发明SH导波EMAT结构及钢轨轨底检测示意图，不锈钢外壳主要用于固定永磁体位置，以及方便机械臂夹持；通过紧固螺母和永磁体固定架，可以调节永磁体的提离高度，在永磁体不与弹性扣件发生碰撞的前提下，获得最大信噪比。软硅胶和耐磨层用于固定跑道线圈的位置，避免钢轨探伤车行驶过程中，钢轨轨底与跑道线圈摩擦接触，造成跑道线圈损坏，无法激励和接收SH导波信号。永磁体与跑道线圈之间设有不锈钢弹簧和高回弹海绵，使得跑道线圈紧贴钢轨轨底表面。同时，SH导波EMAT的顶部设有悬挂系统，底部高回弹海绵的两端为楔形，以更好的实现钢轨探伤车行驶过程中SH导波EMAT与弹性扣件的柔性接触，避免永磁体与弹性扣件发生碰撞。激励线圈及接收线圈紧贴钢轨轨底表面放置，钢轨轨底内部质点在洛伦兹力的作用下产生SH导波。激励的SH导波沿钢轨轨底长度方向传播，遇到裂纹时会产生反射回波，反射的SH导波沿着钢轨轨底反向传播，到达接收线圈位置。根据逆洛伦兹力效应，反射的SH导波使得钢轨轨底表面质点振动，引起接收线圈周围磁场的变化，在接收线圈中感生出电压信号，并作为SH导波检测信号被接收。
图5为本发明SH导波信号提取算法流程框图。使用同步提取变换算法，将SH导波检测信号变换到时频域，从时频图中可以看到SH导波信号和噪声明显分离。通过简单线性迭代聚类算法将SH导波信号和噪声分割为不同的区域，并搜寻SH导波信号区域的时频系数模极大值，作为区域生长的种子。根据所需信号信噪比设置生长阈值，通过区域生长算法获得SH导波信号完整的时频系数，并采用同步提取逆变换重构SH导波信号，实现SH导波信号的精确提取。
图6为本发明对SH导波检测信号进行同步提取变换得到的时频图。从时频图中可看出，SH导波信号、噪声分割为不同的区域，通过提取SH导波信号的时频系数，采用同步提取逆变换完成SH导波信号的提取。
图7为本发明SH导波信号B扫描成像图，对提取的SH导波信号进行B扫描成像，从成像图中可直观的得到钢轨轨底裂纹的位置信息及当量大小，实现了钢轨轨底裂纹的长距离快速检测。
由上述内容可知，本发明提出的钢轨轨底SH导波EMAT大提离成像检测装置及方法对于腐蚀生锈的钢轨轨底也能直接探伤，受弹性扣件影响较小，可以直观得到钢轨轨底裂纹的位置信息和当量大小，实现高速铁路钢轨轨底的大提离快速检测。本发明的发明创造要点如下：
(1)本发明采用SH导波EMAT对钢轨轨底进行长距离快速检测，解决了弹性扣件覆盖钢轨轨底导致部分钢轨轨底无法检测的问题，对野外雨水腐蚀的钢轨轨底也能直接探伤，不受耦合剂的影响。
(2)本发明采用悬挂装置和高回弹海绵实现SH导波EMAT与弹性扣件的柔性接触，避免了永磁体与弹性扣件发生碰撞。通过钢轨探伤车上的机械臂夹持SH导波EMAT，可在钢轨探伤车高速行驶过程中，实现钢轨轨底大提离成像检测。
(3)本发明采用同步提取变换，得到高分辨率的时频谱，使得SH导波检测信号中的SH导波、噪声在时频图中明显分离。采用简单线性迭代聚类算法和区域生长算法获得SH导波信号完整的时频系数，并通过同步提取逆变换得到SH导波时域信号，可精确的重构SH导波信号，消除环境噪声及杂波对SH导波信号的影响。
(4)本发明采用B扫描成像的方法，直观得到钢轨轨底裂纹的位置信息及当量大小，不需要对SH导波检测信号进行波包识别及复杂计算，提高了检测效率。

Claims (5)

1.一种钢轨轨底裂纹SH导波EMAT大提离成像检测方法，其特征在于所述方法利用钢轨轨底裂纹SH导波EMAT大提离成像检测装置进行检测，所述装置包括信号发生器、功率放大器、阻抗匹配网络、SH导波EMAT、机械臂、前置滤波放大器、数据采集卡、计算机，其中：
所述SH导波EMAT的顶部设有悬挂系统；
所述SH导波EMAT包括不锈钢外壳、紧固螺母、永磁体固定架、软硅胶、耐磨层、周期性永磁体阵列、激励线圈、接收线圈，周期性永磁体阵列由多个永磁体组成，多个永磁体以周期性阵列的方式沿激励线圈及接收线圈长度方向放置，SH导波EMAT基于洛伦兹力机理实现钢轨轨底SH导波的激励与接收；不锈钢外壳用于固定永磁体位置以及方便机械臂夹持，通过紧固螺母和永磁体固定架调节永磁体的提离高度，在永磁体不与弹性扣件发生碰撞的前提下，获得最大信噪比；软硅胶和耐磨层用于固定跑道线圈的位置；
所述永磁体与激励线圈及接收线圈之间设有不锈钢弹簧和高回弹海绵；
所述信号发生器用于产生正弦脉冲串电流；
所述功率放大器用于将信号发生器产生的正弦脉冲串电流放大，并经阻抗匹配网络传输至SH导波EMAT中的激励线圈；
所述阻抗匹配网络用于实现SH导波EMAT中激励线圈与功率放大器输出阻抗之间的阻抗匹配，使激励SH导波幅值最大化，提高换能效率；
所述机械臂的一端固定在钢轨探伤车上，另一端夹持SH导波EMAT，当钢轨探伤车以固定时速在钢轨上行驶时，SH导波EMAT对钢轨轨底进行长距离扫查检测，并采集钢轨轨底不同位置的SH导波检测信号；
所述前置滤波放大器用于将接收的SH导波检测信号进行滤波放大，并传输至数据采集卡；
所述数据采集卡用于将放大后的SH导波检测信号转换为数字信号并传输至计算机；
所述计算机用于SH导波检测信号的显示与记录，通过SET和B扫成像算法，以B扫成像的方式直观显示钢轨轨底裂纹；
所述方法包括以下步骤：
步骤(1)永磁体周期性排列在激励线圈及接收线圈上方，产生垂直于钢轨轨底表面的静磁场，通过永磁体固定架调节永磁体的高度，避免在检测过程中，永磁体与弹性扣件发生碰撞；
步骤(2)信号发生器产生正弦脉冲串电流，并通过功率放大器放大后，得到高能射频脉冲电流；
步骤(3)在激励线圈内通入高能射频脉冲电流，使得钢轨轨底表面产生脉冲电涡流，在静磁场作用下产生洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下，钢轨轨底表面质点产生周期性振动，从而在钢轨轨底激发出SH导波；
步骤(5)当沿钢轨轨底长度方向传播的SH导波遇到裂纹时，会产生裂纹反射回波，反射的SH导波被接收线圈捕获，经过前置滤波放大器和数据采集卡输入计算机中，得到钢轨轨底裂纹SH导波检测信号；
步骤(6)保持钢轨探伤车行驶速度不变，SH导波EMAT在钢轨轨底不同位置激励SH导波，并采集SH导波检测信号；
步骤(7)对SH导波检测信号进行同步提取变换，得到SH导波检测信号时频图；
步骤(8)采用简单线性迭代聚类算法对时频图进行分割，将SH导波信号、噪声分割为不同的区域；
步骤(9)找到SH导波信号区域对应的时频系数矩阵，搜索对应区域范围的时频系数模极大值，并将时频系数模极大值作为区域生长的种子；
步骤(10)根据所需信号的信噪比设置生长阈值，采用区域生长算法获得SH导波信号完整的时频系数，重构SH导波信号；
步骤(11)将采集的SH导波检测信号都按照上述步骤步骤(7)～步骤(10)提取SH导波信号，对提取的SH导波信号进行B扫描成像；
步骤(12)当SH导波EMAT位于弹性扣件上方时，激励及接收的SH导波会出现异常，B扫成像图中出现周期性异常图像，基于SH导波的长距离检测，将成像图中周期性异常部分删除，从而得到钢轨轨底检测成像图，直观得到钢轨轨底裂纹的位置信息及当量大小。
2.根据权利要求1所述的钢轨轨底裂纹SH导波EMAT大提离成像检测方法，其特征在于所述SH导波信号f(t)的重构公式如下：
Figure FDF0000019585800000041
式中，Re[·]为取实部，Te(t,r(t))为时频系数，r(t)为SET谱信号分量的瞬时频率轨迹，
Figure FDF0000019585800000042
g(t)为窗函数。
3.根据权利要求1所述的钢轨轨底裂纹SH导波EMAT大提离成像检测方法，其特征在于所述高回弹海绵的两端为楔形。
4.根据权利要求1所述的钢轨轨底裂纹SH导波EMAT大提离成像检测方法，其特征在于所述激励线圈及接收线圈紧贴钢轨轨底表面。
5.根据权利要求1所述的钢轨轨底裂纹SH导波EMAT大提离成像检测方法，其特征在于所述激励线圈及接收线圈为采用柔性FPC技术制造的跑道线圈，基板厚度为0.05～0.3mm，导线高度为1～2盎司。
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