CN117214292A - 双斜锥超声波传感器、钢轨损伤定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请适用于无损检测技术领域，提供了双斜锥超声波传感器、损伤定位装置及方法，该双斜锥超声波传感器包括：第一斜锥、第二斜锥、光纤和布喇格光栅；第一斜锥的锥尖和第二斜锥的锥尖均与光纤连接；第一斜锥的锥尖和第二斜锥的锥尖，均偏向布喇格光栅所在的方向；布喇格光栅位于第一斜锥和第二斜锥之间的光纤上。本申请实施例提供的双斜锥超声波传感器具有双端输出、复用性能好、灵敏度高、结构简单、不易损坏和效率高的显著性特点，可实现长距离长期实时监测。

Description

双斜锥超声波传感器、钢轨损伤定位装置及方法

技术领域

本申请属于无损检测技术领域，尤其涉及双斜锥超声波传感器、钢轨损伤定位装置及方法。

背景技术

目前主流的超声波传感器为锆钛酸铅压电陶瓷超声波传感器，因其每个传感器均需要连接一根电源线，所以仅适用于探测点不多的目标结构，复用性较差，且其在高温、高压及腐蚀等极端环境下极易受到电磁的干扰。因此，压电式超声传感器难以适应长距离、环境恶劣的监测。光纤超声波传感器具有免电磁干扰、耐腐蚀的显著特点，可在极端环境下使用，然而，光纤超声波传感器存在灵敏度较低的问题。

同时，线形结构受到的冲击力和挤压越来越大，裂纹扩展速度大大提高。当该线形结构为钢轨时，长期疲劳、焊接缺陷等问题引起的钢轨内部早期裂纹是断轨事故的主要原因。目前，钢轨探伤检测包括人工巡轨、大型钢轨探伤车、漏磁信号、涡流探伤、激光超声、图像处理等。这些检测方式费时费力，会影响列车正常运行，已不能满足我国高速铁路运营现状。

相关传感器很难做到对列车轨道全线路进行实时在线监测，需要在列车停运的天窗点内进行检修。因此，亟需一种高灵敏度的超声波传感器对类似于列车轨道等线形结构进行长期实时监测。

发明内容

为克服传感器无法长距离实时监测，复用效果差的问题，本申请实施例提供了双斜锥超声波传感器、损伤定位装置及方法。

本申请是通过如下技术方案实现的：

第一方面，本申请实施例提供了一种双斜锥超声波传感器，包括：

第一斜锥、第二斜锥、光纤和布喇格光栅；

所述第一斜锥的锥尖和所述第二斜锥的锥尖均与所述光纤连接；所述第一斜锥的锥尖和所述第二斜锥的锥尖，均偏向所述布喇格光栅所在的方向；

所述布喇格光栅位于所述第一斜锥和所述第二斜锥之间的光纤上。

在一些实施例中，所述第一斜锥与所述第二斜锥均为实心斜锥；

所述第一斜锥与所述第二斜锥的尺寸相等，且材质相同。

在一些实施例中，所述第一斜锥和所述第二斜锥的材质基于所述光纤的弹性模量确定；

所述光纤为单模光纤。

在一些实施例中，所述第一斜锥和所述第二斜锥的间距为5cm～30cm。

在一些实施例中，所述双斜锥超声波传感器还包括保护外壳；

所述第一斜锥、所述第二斜锥、所述光纤和所述布喇格光栅位于所述保护外壳内；所述保护外壳的底部的两端各设有一个开口，所述第一斜锥的锥底和所述第二斜锥的锥底分别位于两个开口内；所述第一斜锥所在的开口和所述第二斜锥所在的开口均填充有隔音棉；

所述保护外壳中与所述光纤垂直的两个侧面上各设有一个安装孔，所述光纤穿过所述安装孔。

在一些实施例中，所述布喇格光栅与所述第一斜锥之间的距离，等于所述布喇格光栅与所述第二斜锥之间的距离。

第二方面，本申请实施例提供了一种损伤定位装置，应用如第一方面任一项所述的双斜锥超声波传感器，所述钢轨损伤定位装置包括：

至少三个所述双斜锥超声波传感器和光纤光栅传感解调仪；

所述至少三个所述双斜锥超声波传感器依次串联在同一根光纤上，并且相邻两个双斜锥超声波传感器之间的距离相等；

所述至少三个所述双斜锥超声波传感器安装在线形结构上。

在一些实施例中，所述损伤定位装置还包括处理装置；

所述至少三个双斜锥超声波传感器通过所述光纤连接所述处理装置。

第三方面，本申请实施例提供了损伤定位方法，应用如第二方面任一项所述的损伤定位装置；每相邻三个双斜锥超声波传感器记为一组；所述钢轨损伤定位方法包括：

接收光纤光栅传感解调仪传输的信号，并将所述光纤传输的信号进行分解，分解出各个双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号；

根据分解出的各个双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号，确定每组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，以及接收到的超声波信号的幅值；

根据所述每组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，以及接收到的超声波信号的幅值，确定线形结构损伤的位置。

在一些实施例中，所述根据所述每组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，以及接收到的超声波信号的幅值，确定线形结构损伤的位置，包括：

对于每组双斜锥超声波传感器，判断以下条件是否均成立：该组中位于中间的双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，是该组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间的最小值；所述每组中位于中间的双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号的幅值，是该组中各个双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号的幅值的最大值；该组中两端的双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间相等；该组中两端的双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号的幅值相等；

若是，则所述线形结构损伤的位置位于，该组中位于中间的双斜锥超声波传感器的两个斜锥中间；

若不是，则根据超声波在钢轨中的速度，以及所述每组内各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，确定所述线形结构损伤的位置。

可以理解的是，上述第二方面至第三方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

本申请实施例与相关技术相比存在的有益效果是：本申请实施例第一斜锥的锥尖和第二斜锥的锥尖均与光纤连接，且第一斜锥的锥尖和第二斜锥的锥尖，均偏向布喇格光栅所在的方向，布喇格光栅位于第一斜锥和第二斜锥之间的光纤上，斜锥将聚集的超声波信号沿斜锥锥尖通过光纤传入布喇格光栅中布喇格布喇格。本申请实施例提供的双斜锥超声波传感器具有双端输出、复用性能好、灵敏度高、结构简单、不易损坏和效率高的显著性特点，可实现长距离长期实时监测。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的双斜锥超声波传感器的应用场景示意图；

图2是本申请一实施例提供的双斜锥超声波传感器的结构示意图；

图3是本申请另一实施例提供的双斜锥超声波传感器的结构示意图；

图4是本申请一实施例提供的测试系统示意图；

图5是测试双斜锥超声波传感器在不同频率信号下的响应幅度；

图6是本申请实施例提供的损伤定位装置的结构示意图；

图7是本申请一实施例提供的损伤定位方法的流程示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

目前，压电式超声传感器难以适应长距离、环境恶劣的监测。光纤超声波传感器具有免电磁干扰、耐腐蚀的显著特点，可在极端环境下使用，然而，光纤超声波传感器具有灵敏度较低的问题。同时，在对钢轨、缆索和吊杆等线形结构的损伤检测时，会影响钢轨、缆索和吊杆等线形结构的正常使用，不能对钢轨、缆索和吊杆等线形结构进行长期实时监测，已不能满足现阶段的需求。因此，亟需一种高灵敏度的传感器对钢轨、缆索和吊杆等线形结构进行长期实时监测。

基于上述问题，本申请实施例提出一种双斜锥超声波传感器，该双斜锥超声波传感器由两个斜锥、光纤和布喇格光栅组成，第一斜锥的锥尖和第二斜锥的锥尖均与光纤连接，且第一斜锥的锥尖和第二斜锥的锥尖，均偏向布喇格光栅所在的方向，布喇格光栅位于第一斜锥和第二斜锥之间的光纤上，本申请实施例提供的双斜锥超声波传感器具有双端输出、复用性能好、灵敏度高、结构简单、不易损坏和效率高的显著性特点，可实现长距离长期实时监测。

举例说明，本申请实施例可以应用到如图1所示的示例性场景中。在该场景中，在钢轨轨腰上设置了至少4个双斜锥超声波传感器，每相邻三个双斜锥超声波传感器为一组，图1中至少有两组双斜锥超声波传感器，双斜锥超声波传感器将检测到的超声波信号通过光纤传输至光纤光栅传感解调仪，光纤光栅传感解调仪将超声波信号经过处理后传输至处理装置，处理装置根据该信号，对钢轨损伤的位置进行定位。

图2是本申请一实施例提供的双斜锥超声波传感器的结构示意图，参照图2，对该双斜锥超声波传感器的详述如下：

该双斜锥超声波传感器包括：第一斜锥1、第二斜锥2、光纤3和布喇格光栅4。

第一斜锥1的锥尖和第二斜锥2的锥尖均与光纤3连接，且第一斜锥1的锥尖和第二斜锥2的锥尖，均偏向布喇格光栅4所在的方向。

布喇格光栅4位于第一斜锥1和第二斜锥2之间的光纤3上布喇格布喇格。

两个斜锥相当于聚能器，超声波通过锥底后进入锥体，质点的振幅和速度会随着锥体横截面积的减小而越来越大，到达斜锥的锥尖时最大，呈现声聚焦效果，大大增加了光纤的振动幅度。

可选的，第一斜锥1和第二斜锥2的间距可以为5cm～30cm。

可选的，布喇格光栅4的栅区长度可以为2mm～15mm，波长可以为1530nm～1560nm，反射率可以为75％～95％。

可选的，光纤3可以为单模光纤。

可选的，布喇格光栅4可位于第一斜锥1和第二斜锥2之间的光纤的中间。为保证布喇格光栅4与第一斜锥1之间的距离，等于布喇格光栅4与第二斜锥2之间的距离，第一斜锥1和第二斜锥2之间的光纤应为直线。

在本申请的实施例中，第一斜锥1的锥尖和第二斜锥2的锥尖均与单模光纤3连接，且第一斜锥1的锥尖和第二斜锥2的锥尖，均偏向布喇格光栅4所在的方向，布喇格光栅4位于第一斜锥1和第二斜锥2之间的单模光纤3的中间。

该双斜锥超声波传感器以斜锥为基底接收并聚集放大被测材料中的超声波信号，沿斜锥尖方向的超声波信号通过单模光纤3传入布喇格光栅中，布喇格光栅3作为传感元件识别超声波信号。

可选的，双斜锥超声波传感器还包括保护外壳5。图3是本申请另一实施例提供的双斜锥超声波传感器的结构示意图，参照图3，第一斜锥1、第二斜锥2、光纤3和布喇格光栅4位于保护外壳5内；保护外壳5的底部的两端各设有一个开口，第一斜锥1的锥底和第二斜锥2的锥底分别位于两个开口内；第一斜锥1所在的开口和第二斜锥2所在的开口均填充有隔音棉6；保护外壳5中与光纤3垂直的两个侧面上各设有一个安装孔，光纤3穿过安装孔。

在本申请的实施例中，在双斜锥超声波传感器外设置保护外壳可有效减小双斜锥超声波传感器受到损伤的风险。

可选的，为使两个斜锥和光纤3连接，可在第一斜锥1和第二斜锥2的顶部均设置安装槽，光纤3通过粘胶剂，安装于第一斜锥1的安装槽和第二斜锥2的安装槽上。

为保证双斜锥超声波传感器封装的可靠性，所使用的粘胶剂必须具有足够的粘结强度，以满足光纤与斜锥锥尖的紧密贴合要求，并且长期稳定可靠。此外，粘胶剂还必须具备一定的耐温性、防潮性和化学稳定性。例如可选择502胶等作为粘胶剂。

应理解，还可使用其他结构以使得两个斜锥和光纤3连接，或直接采用3D打印的方式，将两个斜锥与光纤一起打印，本申请并不对两个斜锥和光纤如何连接进行具体限定。

可选的，第一斜锥1与第二斜锥2均为实心斜锥，第一斜锥1与第二斜锥2的尺寸相等，且材质相同。

可选的，斜锥的底面直径可以为5～15mm，高度可以为5mm～25mm，锥角可以为20°～60°。

可选的，第一斜锥1和第二斜锥2的材质基于光纤3的弹性模量确定。

根据光纤布喇格光栅应变传递规律，斜锥的材质与光纤的弹性模量要相一致，或者尽量接近，即需选择与光纤的弹性模量接近的材料作为斜锥的材料。例如，有机玻璃的弹性模量与光纤的弹性模量相匹配，则斜锥的材质可为有机玻璃。

在实际工程应用中，由于应用环境的复杂性，必须确保双斜锥超声波传感器在检测过程中的可靠性，因此封装双斜锥超声波传感器的材料要有一定的机械强度。

另外，为确保双斜锥超声波传感器受温度影响的最小化，需要选择对温度变化不敏感的材料。

为验证本实施例提供的双斜锥超声波传感器的性能，对双斜锥超声波传感器进行测试，图4为本申请一实施例提供的测试系统示意图，参照图4，该测试系统包括接收和激励两部分，其中，激励部分由信号发生器、功率放大器、电压陶瓷片和计算机组成，接收部分由可调谐窄线宽激光器、光环形器、双斜锥超声波传感器、光电探测器和示波器组成。激励部分通过计算机控制信号发生器，信号发生器产生的激励信号经功率放大器放大后，激励电压陶瓷片产生超声波并耦合进入到双斜锥超声波传感器中传播。接收部分的双斜锥超声波传感器通过光纤连接光环形器，可调谐窄线宽激光器通过光纤与光环形器相连，光环形器通过光纤与光电探测器相连，光电探测器通过电缆与示波器相连，示波器与计算机相连，由此示波器可显示出双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号。

在测试双斜锥超声波传感器的性能时，两斜锥之间的间距设置为10cm，斜锥的锥顶角角度为30°，斜锥的底面直径为10mm，斜锥的高度为12.5mm，斜锥倾斜度为1.138，两个斜锥的材料均为有机玻璃。

图5为测试双斜锥超声波传感器在不同频率信号下的响应幅度，使用双斜锥超声波传感器对频率为20kHz～130kHz的正弦超声波信号进行检测，测试结果如图5所示。从图5中可以看到在该频率范围内超声波信号均为完整无畸变的正弦信号，与主动激励超声波信号吻合，但响应电压幅值各不相同，其中40kHz、70kHz的超声波信号幅值最大，分别为224mV，192mV。

经过测试，双斜锥超声波传感器分辨率强，具备检测20kHz～150kHz范围内的超声波的能力，且响应电压与驱动电压之间具有良好的线性关系。在40kHz～60kHz检测频率范围内，检测幅值为90mV～230mV，信噪比为10dB～19dB，均优于压电式超声波传感器。此外，该双斜锥超声波传感器还能够捕获一些超高频信号(4MHz、6MHz)，为实际应用带来更多可能性。

对应于上文实施例所述的双斜锥超声波传感器，图6示出了本申请实施例提供的损伤定位装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本申请实施例相关的部分。

参见图6，本申请实施例中的损伤定位装置可以包括：至少三个双斜锥超声波传感器和光纤光栅传感解调仪。

至少三个双斜锥超声波传感器依次串联在同一根光纤上，并且相邻两个双斜锥超声波传感器之间的距离相等。

至少三个双斜锥超声波传感器安装在线形结构上。

光纤光栅传感解调仪通过光纤连接双斜锥超声波传感器。

其中，线形结构为长条形、长距离结构，例如钢轨、缆索和吊杆等。线形结构的材质并不局限于钢，该线形结构的材质可以为任意金属，甚至可以为混凝土，本申请对于该线形结构的材质并不做具体限定。

在本申请的实施例中，当该线形结构为钢轨时，串联在同一根光纤上的至少三个双斜锥超声波传感器，安装在钢轨轨腰上，光纤光栅传感解调仪通过光纤连接双斜锥超声波传感器。

在本申请的一些实施例中，损伤定位装置还包括处理装置。

光纤光栅传感解调仪连接处理装置。

其中，光纤光栅传感解调仪中包括激光器、光环形器和光电探测器等部件，光纤光栅传感解调仪可实现在一根光纤上多路复用的多个传感器同步采集。

示例性的，在对已经产生损伤的缆索进行损伤定位时，超声波发射装置发射超声波至缆索，超声波在缆索中传输，之后，会被双斜锥超声波传感器接收到，然后双斜锥超声波传感器将接收到的超声波信号传输至光纤光栅传感解调仪中，光纤光栅传感解调仪将信号传输至处理装置，处理装置根据该信号，对缆索损伤进行主动识别，识别出缆索中是否有损伤。

示例性的，在对正在产生损伤的缆索进行损伤定位时，无需光纤光栅传感解调仪发射超声波，仅需双斜锥超声波传感器将检测到的信号传输至光纤光栅传感解调仪中，光纤光栅传感解调仪将信号传输至处理装置，处理装置根据该信号，对缆索损伤进行被动识别定位，识别出缆索中是否有损伤，并对损伤的位置进行定位。

本实施例中的损伤定位装置具有双端输出、复用性能好、灵敏度高、结构简单、不易损坏和效率高的显著性特点，可实现长距离长期实时监测。

对应于上文实施例所述的损伤定位装置，图7示出了本申请实施例提供的损伤定位方法的流程示意图，参照图7，对该损伤定位方法的详述如下：

每相邻三个双斜锥超声波传感器记为一组。

在S701中，接收光纤光栅传感解调仪传输的信号，并将光纤传输的信号进行分解，分解出各个双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号。

在S702中，根据分解出的各个双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号，确定每组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，以及接收到的超声波信号的幅值。

在S703中，根据每组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，以及接收到的超声波信号的幅值，确定钢轨损伤的位置。

在本申请的实施例中，将接收到的光纤传输的信号进行分解，分解出各个双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号，然后根据分解出的各个双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号，确定每组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，以及接收到的超声波信号的幅值，即相邻三个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，以及接收到的超声波信号的幅值，最后，根据相邻三个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，以及接收到的超声波信号的幅值，定位出损伤位置。本申请实施例基于至少三个双斜锥超声波传感器获取超声波信号的幅值和时间，可以实现线形结构的损伤定位。具有定位精度高以及效率高的显著特点。

因双斜锥超声波传感器的动态误差小、灵敏度高、精度高以及效率高，会使得基于双斜锥超声波传感器的损伤定位方法的定位精度高以及效率高。

在本申请的一些实施例中，在根据每组内各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，以及接收到的超声波信号的幅值，确定线形结构损伤的位置时，可以：

对于每组双斜锥超声波传感器，判断以下条件是否均成立：该组中位于中间的双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，是该组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间的最小值；每组中位于中间的双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号的幅值，是该组中各个双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号的幅值的最大值；该组中两端的双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间相等；该组中两端的双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号的幅值相等。

若是，则线形结构损伤的位置位于，该组中位于中间的双斜锥超声波传感器的两个斜锥中间。

若不是，则根据超声波在钢轨中的速度，以及每组内各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，确定线形结构损伤的位置。

在本申请的实施例中，对于每组中的三个双斜锥超声波传感器，需要判断：位于中间的双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，是该组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间的最小值；位于中间的双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号的幅值，是该组中各个双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号的幅值的最大值；该组中两端的双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间相等；该组中两端的双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号的幅值相等。

以上条件的设置均是为了检测损伤位置是否位于，某一组中间位置的双斜锥超声波传感器的中间，也就是损伤位置是否位于双斜锥超声波传感器的中间区域。参照图6，当钢轨损伤位置位于2号传感器的中间区域时，超声波会同时由2号传感器左右两个斜锥传入光栅中，两波由于同时到达在光栅处会产生干涉，因此2号传感器的光栅检测信号振幅最大。剩余超声波将分别通过钢轨和光纤传递至1号传感器和3号传感器，到达1号传感器和3号传感器的时间、能量相同，所以1号传感器和3号传感器显示信号的形状、振幅相同。

若以上条件均满足，则判断损伤的位置位于，该组中位于中间的双斜锥超声波传感器的两个斜锥中间，即位于该组中的中间双斜锥超声波传感器的中间区域，如图6中的2号传感器的中间位置，也就是2号传感器的两个斜锥之间。

若无法同时满足上述条件，则需要进一步根据超声波在钢轨中的速度，以及每组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，确定钢轨损伤的位置。

在本申请的一些实施例中，在根据超声波在该线形结构中的速度，以及每组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，确定线形结构损伤的位置时，可以：根据公式x＝(t-t₀)V，分别计算损伤的位置与每组中的各个双斜锥超声波传感器之间的距离；然后，以每组中的各个双斜锥超声波传感器为原点，以计算出的损伤的位置与对应的双斜锥超声波传感器之间的距离为半径，确定出一个球形区域；之后，将该组中各个球形区域的相交部分，确定为该线形结构损伤的位置。

其中，x为损伤的位置到双斜锥超声波传感器的距离，t为双斜锥超声波传感器接收到超声波的时间，t₀为超声波从双斜锥超声波传感器的斜锥锥底到布喇格光栅的时间，V为超声波在线形结构中的速度。

示例性的，当两斜锥之间的间距设置为10cm，斜锥的锥顶角角度为30°，斜锥的底面直径为10mm，斜锥的高度为12.5mm，斜锥倾斜度为1.138，两个斜锥的材料均为有机玻璃，线形结构为钢轨时，经测量超声波从双斜锥超声波传感器的斜锥锥底到布喇格光栅的时间约为10μs，超声波在钢轨中的速度约为5000m/s～6000m/s，则此时，计算钢轨损伤的位置与每组中的各个双斜锥超声波传感器之间的距离的公式为x＝(t-1×10^-5)V。此时，可将钢轨损伤的位置与每组中的各个双斜锥超声波传感器之间的距离理解为，钢轨损伤的位置到双斜锥超声波传感器的中间的距离，也就是钢轨损伤的位置到双斜锥超声波传感器中的布喇格光栅的距离。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

需要说明的是，上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本申请方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双斜锥超声波传感器，其特征在于，包括：第一斜锥、第二斜锥、光纤和布喇格光栅；

所述第一斜锥的锥尖和所述第二斜锥的锥尖均与所述光纤连接；所述第一斜锥的锥尖和所述第二斜锥的锥尖，均偏向所述布喇格光栅所在的方向；

所述布喇格光栅位于所述第一斜锥和所述第二斜锥之间的光纤上。

2.如权利要求1所述的双斜锥超声波传感器，其特征在于，所述第一斜锥与所述第二斜锥均为实心斜锥；

所述第一斜锥与所述第二斜锥的尺寸相等，且材质相同。

3.如权利要求1所述的双斜锥超声波传感器，其特征在于，所述第一斜锥和所述第二斜锥的材质基于所述光纤的弹性模量确定；

所述光纤为单模光纤。

4.如权利要求1所述的双斜锥超声波传感器，其特征在于，所述第一斜锥和所述第二斜锥的间距为5cm～30cm。

5.如权利要求1所述的双斜锥超声波传感器，其特征在于，所述双斜锥超声波传感器还包括保护外壳；

所述第一斜锥、所述第二斜锥、所述光纤和所述布喇格光栅位于所述保护外壳内；所述保护外壳的底部的两端各设有一个开口，所述第一斜锥的锥底和所述第二斜锥的锥底分别位于两个开口内；所述第一斜锥所在的开口和所述第二斜锥所在的开口均填充有隔音棉；

所述保护外壳中与所述光纤垂直的两个侧面上各设有一个安装孔，所述光纤穿过所述安装孔。

6.如权利要求1所述的双斜锥超声波传感器，其特征在于，所述布喇格光栅与所述第一斜锥之间的距离，等于所述布喇格光栅与所述第二斜锥之间的距离。

7.一种损伤定位装置，其特征在于，应用如权利要求1至6任一项所述的双斜锥超声波传感器，所述损伤定位装置包括：至少三个所述双斜锥超声波传感器和光纤光栅传感解调仪；

所述至少三个所述双斜锥超声波传感器依次串联在同一根光纤上，并且相邻两个双斜锥超声波传感器之间的距离相等；

所述至少三个所述双斜锥超声波传感器安装在线形结构上；

所述光纤光栅传感解调仪通过所述光纤连接所述双斜锥超声波传感器。

8.如权利要求7所述的损伤定位装置，其特征在于，所述损伤定位装置还包括处理装置；

所述光纤光栅传感解调仪连接所述处理装置。

9.一种损伤定位方法，其特征在于，应用于如权利要求7至8任一项所述的损伤定位装置；每相邻三个双斜锥超声波传感器记为一组；所述方法包括：

接收光纤光栅传感解调仪传输的信号，并将所述光纤传输的信号进行分解，分解出各个双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号；

根据分解出的各个双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号，确定每组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，以及接收到的超声波信号的幅值；

根据所述每组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，以及接收到的超声波信号的幅值，确定线形结构损伤的位置。

10.如权利要求9所述的损伤定位方法，其特征在于，所述根据所述每组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，以及接收到的超声波信号的幅值，确定线形结构损伤的位置，包括：

对于每组双斜锥超声波传感器，判断以下条件是否均成立：该组中位于中间的双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，是该组中各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间的最小值；所述每组中位于中间的双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号的幅值，是该组中各个双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号的幅值的最大值；该组中两端的双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间相等；该组中两端的双斜锥超声波传感器接收到的超声波信号的幅值相等；

若是，则所述线形结构损伤的位置位于，该组中位于中间的双斜锥超声波传感器的两个斜锥中间；

若不是，则根据超声波在线形结构中的速度，以及所述每组内各个双斜锥超声波传感器接收到超声波信号的时间，确定所述线形结构损伤的位置。