CN209656621U - 一种基于磁弹效应的f轨应力检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于磁弹效应的F轨应力检测装置，包括至少一套F轨应力检测单元，F轨应力检测单元包括励磁传感器、感应传感器、传感器支架、电流模块和应力处理模块；励磁传感器和感应传感器分别安装于被测F轨上部的固定式传感器支架和被测F轨下部的切入式传感器支架上的夹持端；检测时，励磁传感器和感应传感器与被测F轨表面间的间隙恒定，励磁传感器和感应传感器中心相互对齐，励磁传感器和感应传感器之间的夹角为预设值，励磁传感器和感应传感器与被测F轨的检测方向之间的夹角也为预设值；本实用新型能够实现F轨出厂和F轨状态动态的内部缺陷和残余应力在线非接触式无损检测，具有检测精度高，设备使用寿命长，耗材成本低的特点。

Description

一种基于磁弹效应的F轨应力检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种金属材料检测技术领域，尤其涉及一种基于磁弹效应的F轨应力检测装置。

背景技术

在我国的交通运输行业里，铁轨发挥着巨大的作用。随着现代磁浮列车的兴起，尤其是中低速磁浮列车的快速发展，用于磁浮列车的F型截面的轨道得到广泛使用，F轨的稳定可靠是保障磁浮列车安全运行的重要前提。列车在表面有缺陷的F轨上运行时，极易损伤列车，严重的还会造成列车事故。为了保证铁路运输的安全性和连续性，在轨道轧制成型后需要对铁轨进行应力及内部缺陷检测，对有损伤的F轨进行维修或更换，以保证F轨在装入轨道后，在列车大幅提速和重载列车开行的情况下，铁轨的结构及应力分布可保证列车的安全运行。

长沙磁浮快线工程，位于湖南省长沙市境内，西起长沙高铁南站，东至黄花机场。线路全长约18.5km，线路初期设车站3座，即长沙南站、榔梨站和黄花机场站。全线在长沙高铁南站附近新建车辆段与综合基地。

长沙磁浮快线的长期运行需要相关检测维护工具的技术保障，轨道检测是用来检测轨道状态、指导线路维护、保障行车安全的重要手段。F轨在轧制过程中不可避免的存在着残余应力及内部缺陷。而磁浮列车的高速运行是建立在F轨稳定可靠的基础上的，因此保证磁浮线路轨道安全运行的关键在于准确检测F轨应力状况。

因此，如何能够实现F轨出厂和F轨状态动态的内部缺陷和残余应力的在线非接触式无损检测，保证磁浮线路轨道安全运行，成为本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于磁弹效应的F轨应力检测装置，其能够实现F轨出厂和F轨状态动态的内部缺陷和残余应力在线非接触式无损检测，具有检测精度高，设备使用寿命长，耗材成本低从而保证磁浮线路轨道安全运行。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于磁弹效应的F轨应力检测装置，包括至少一套F轨应力检测单元，所述F轨应力检测单元包括励磁传感器、感应传感器、传感器支架、电流模块和应力处理模块；

所述励磁传感器和感应传感器安装于预先设置的传感器支架的夹持端，传感器支架包括位于被测F轨上部的固定式传感器支架和位于被测F轨下部的切入式传感器支架，励磁传感器设于固定式传感器支架内，感应传感器设于切入式传感器支架内；

检测时，通过调整所述励磁传感器的竖向距离实现与被测F轨上表面间的间隙恒定，通过移动切入式传感器支架将所述感应传感器横向切入至被测F轨下部，并调整感应传感器的竖向距离实现与被测F轨下表面的间隙恒定，励磁传感器和感应传感器的中心相互对齐，且所述励磁传感器和感应传感器之间的夹角为预设值，同时所述励磁传感器和感应传感器与被测F轨的检测方向之间的夹角也为预设值；

电流模块与励磁传感器连接，应力处理模块与感应传感器连接。

优选地，所述F轨应力检测装置包括两套F轨应力检测单元，分别为左侧F轨的应力检测单元和右侧F轨的应力检测单元，所述左侧F轨的应力检测单元的传感器支架和右侧F轨的应力检测单元的传感器支架通过C型或G型连杆连接，C型或G型连杆上设置有安装座，所述安装座固定于轨检小车或磁浮列车上。

优选地，所述C型或G型连杆采用Q235A钢或铝型材材料，所述传感器支架采用铝型材材料。

优选地，所述励磁传感器包括U形磁芯和励磁线圈，所述感应传感器包括U形磁芯和感应线圈；

励磁传感器的U形磁芯探头的轴向尺寸与被测F轨的纵向横截面的宽度相同。

优选地，所述电流模块包括交流电源、稳压电源、励磁系统和谐振电路；所述交流电源、稳压电源、励磁系统、谐振电路和励磁传感器依次连接。

优选地，所述应力处理模块包括滤波放大电路、DSP控制模块、ARM模块和上位机；所述上位机、ARM模块、DSP控制模块、滤波放大电路和感应传感器连接。

本实用新型提供的一种基于磁弹效应的F轨应力检测装置能够实现F轨出厂和F轨状态动态的内部缺陷和残余应力在线非接触式无损检测，具有检测精度高，设备使用寿命长，耗材成本低的特点，从而保证磁浮线路轨道安全运行。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种基于磁弹效应的F轨应力检测装置结构框图；

图2为本实用新型提供的一种基于磁弹效应的F轨应力检测装置结构示意图；

图3为四磁极磁测系统磁路示意图；

图4不同电流强度下检测信号随应力变化曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

参见图1和图2，图1为本实用新型提供的一种基于磁弹效应的F轨应力检测装置结构框图，图2为本实用新型提供的一种基于磁弹效应的F轨应力检测装置结构示意图。

本实用新型提供了一种基于磁弹效应的F轨应力检测装置，包括至少一套F轨应力检测单元，所述F轨应力检测单元包括励磁传感器10、感应传感器20、传感器支架60、电流模块30和应力处理模块40；

所述励磁传感器10和感应传感器20安装于预先设置的传感器支架60的夹持端，传感器支架包括位于被测F轨50上部的固定式传感器支架61和位于被测F轨50下部的切入式传感器支架62，励磁传感器10设于固定式传感器支架61内，感应传感器20 设于切入式传感器支架62内；

检测时，通过调整所述励磁传感器10的竖向距离实现与被测F轨50上表面间的间隙恒定，通过移动切入式传感器支架62将所述感应传感器20横向切入至被测F轨50 下部，并调整感应传感器20的竖向距离实现与被测F轨50下表面的间隙恒定，励磁传感器10和感应传感器20的中心相互对齐，且所述励磁传感器10和感应传感器20之间的夹角为预设值，同时所述励磁传感器10和感应传感器20与被测F轨50的检测方向之间的夹角也为预设值；

电流模块30与励磁传感器10连接，应力处理模块40与感应传感器20连接。

所述电流模块30，用于为所述励磁传感器10提供励磁电流；

所述励磁传感器10，用于接入励磁电流时，在被测F轨50的上表面空间产生交变磁场；

所述感应传感器20，用于当处于交变磁场中的被测F轨50受到外力作用或被测F轨50内部存在残余应力时，基于F轨的磁弹效应，所述被测F轨50的磁化强度将发生变化，在感应传感器20中产生感应电动势；

所述应力处理模块40，用于对产生的所述感应电动势进行处理，并根据处理后的所述感应电动势的相位与感应传感器20初始相位之间的相位差，确定被测F轨50的实时应力。

所述励磁传感器10和感应传感器20安装于预先设置的传感器支架60的夹持端，励磁传感器10通过固定式传感器支架61设于被测F轨50的上部，仅需通过调整励磁传感器10的竖向距离实现与被测F轨50上表面之间的间隙恒定，由于被测F轨50下部两侧侧板的遮挡，设于被测F轨50下部的感应传感器20的U形磁芯21的探头无法平直的插入，所述感应传感器20需要通过切入式传感器支架62横向切入被测F轨50 的下部，并调整所述感应传感器20与被测F轨50的下表面之间的间隙恒定。本实施例中，为了调整所述感应传感器20与被测F轨50下表面之间的间隙，需要在所述切入式传感器支架62上设定较大的竖向调节范围，同时为了防止在磁浮列车行进时，感应传感器20被位于被测F轨50下部的异物打坏探头，在切入式传感器支架62的夹持部位还需要设有足够厚度的铁磁材料磁屏蔽保护。

优选地，励磁传感器10和感应传感器20的夹角可在85°—95°之间进行微调，所述励磁传感器10和感应传感器20与被测F轨50之间的夹角可为42.5°-47.5°。

基于磁弹效应的F轨应力检测装置通过电流模块30为位于被测F轨50上部的励磁传感器10提供励磁电流。当励磁传感器10接入励磁电流时，在被测F轨50上表面空间产生交变磁场，此时，当处于交变磁场中的被测F轨50受到外力作用或被测F轨50 内部存在残余应力时，基于F轨的磁弹效应，所述被测F轨50的磁化强度将发生变化，在感应传感器20的感应线圈中产生感应电动势。通过对感应传感器20的感应线圈中产生的所述感应电动势进行处理，并根据处理后的所述感应电动势的相位与感应传感器 20初始相位之间的相位差，确定被测F轨50的实时应力。能够实现F轨出厂和F轨状态动态的内部缺陷和残余应力在线非接触式无损检测，且具有检测精度高，设备使用寿命长，耗材成本低的特点，从而保证磁浮线路轨道安全运行。

励磁传感器10和感应传感器20的双侧布置方式由于在绕制传感器线圈时避免了励磁传感器和检测传感器间的机械接触，因此可供选择的传感器磁芯大小和规格增多；另一方面，励磁传感器10和感应传感器20相对F轨长度方向移动的测试过程中，传感器探头会产生抖动导致与F轨磁极面的气隙变化，造成传感器测头与钢板表面间隙变化，采用双侧布置易于实现间隙补偿。

所述F轨应力检测装置两套F轨应力检测单元，分别为左侧F轨的应力检测单元和右侧F轨的应力检测单元，所述左侧F轨的应力检测单元的传感器支架60和右侧的 F轨应力检测单元的传感器支架60通过C型或G型连杆连接，C型或G型连杆上设置有安装座，所述安装座固定于轨检小车或磁浮列车上。本实施例中，所述C型或G型连杆将左侧F轨的应力检测单元和右侧F轨的应力检测单元连接成一体，并通过所述安装座将其固定于轨检小车或磁浮列车上，实现了F轨状态动态的在线检测。

所述C型或G型连杆采用Q235A钢或铝型材材料，所述传感器支架60采用铝型材材料。本实施例中，通过采用铝型材材料，以最大可能减少部件对测量磁路的影响。

励磁传感器10包括U形磁芯12和励磁线圈13，所述感应传感器20包括U形磁芯21和感应线圈22；励磁传感器10的U形磁芯12探头的轴向尺寸与被测F轨50的纵向横截面的宽度相同。

根据被测F轨50的尺寸，选择合适的励磁传感器10的U形磁芯12的探头的轴向尺寸，由于F轨厚度较大，需产生足够大的励磁磁场以保证感应传感器20的测试灵敏度，针对F轨特点，为增加激励磁场强度，一方面可选择励磁传感器10的U形磁芯12 的探头的轴向尺寸与被测F轨50的纵向横截面的宽度相同，同时可选择内径较大的铜制导线制作励磁线圈13增加励磁电流以实现增大激励磁场的效果。

励磁传感器和感应传感器的U形磁芯的探头由具有良好的导磁特性的铁氧体、硅钢片、非晶态合金等材料制成，满足F轨检测条件要求。

所述电流模块30包括交流电源31、稳压电源32、励磁系统33和谐振电路34。所述交流电源31、稳压电源32、励磁系统33、谐振电路34和励磁传感器10依次连接。

所述交流电源31通过稳压电源32降压后接入励磁系统33，由所述励磁系统33提供励磁电流可调的正弦励磁电源。所述励磁系统33通过谐振电路34为励磁传感器10 提供一定励磁频率的励磁电流，所述一定励磁频率为预设值。

所述交流电源31通过稳压电源32降压后接入励磁系统33。所述励磁系统33通过谐振电路34与励磁传感器10相连。所述励磁传感器10中的励磁线圈13与所述谐振电路34相连。谐振电路34使用工频交流电源31作为供电电源，励磁电流先后经线性稳压电源32降压后接入励磁系统33。由励磁系统33为励磁传感器10提供励磁电流可调的正弦励磁电源，使得励磁传感器10上的励磁线圈获得一定励磁频率的励磁电流，并在被测F轨50上表面附近空间产生以励磁传感器10的U形磁芯12的探头的两端为南北极的交变磁场，优选地，所述一定励磁频率为1-5000Hz，且励磁电流可调，针对不同磁芯材料，可试验获得对应的最大饱和电流，此时传感器灵敏度最高。

所述应力处理模块40包括滤波放大电路41、DSP控制模块42、ARM模块43和上位机44；所述上位机44、ARM模块43、DSP控制模块42、滤波放大电路41和感应传感器20连接。

所述滤波放大电路41，用于对产生的感应电动势进行滤波、放大处理；

所述DSP控制模块42，用于对滤波、放大处理后感应电动势进行模数转换；

所述ARM模块43，用于将模数转换后的所述感应电动势的相位与感应传感器20 的初始相位进行比较，输出相位差；

所述上位机44，用于根据输出的相位差与被测F轨应力之间的比例关系，确定被测F轨的实时应力。

所述感应传感器20通过滤波放大电路41与DSP控制模块42相连，所述DSP控制模块42还与励磁系统33和ARM模块43相连，所述ARM模块43与上位机44相连。感应传感器20中的感应线圈22与滤波放大电路41连接，DSP控制模块42通过电路总线接口与ARM模块43连接。DSP控制模块42为励磁系统33提供励磁频率的初始信号，能够实现励磁频率的变化。

滤波放大电路41可以为带通滤波电路，感应传感器20中的感应线圈22接入带通滤波电路，将感应传感器20检测到的感应电动势通过所述带通滤波电路滤波、放大处理后输出给DSP控制模块42。DSP控制模块42对滤波、放大处理后感应电动势进行模数转换，再通过ARM模块43将模数转换后的所述感应电动势的相位与感应传感器 20的初始相位进行比较，输出相位差，最后由上位机44根据输出的相位差与被测F轨应力之间的比例关系，确定被测F轨的实时应力。

当励磁传感器10的励磁线圈13通以一定频率的交变电流时，在励磁传感器10的 U形磁芯12中就会有交变磁场产生，而其内部将有磁通流过，从而在被测F轨50表面也将形成一定强度的交变磁场。如果被测F轨50是各向同性铁磁性材料，忽略漏磁场等因素的影响，则被测F轨50在不受力的情况下，所述感应传感器20的感应线圈22 磁极D1和D2处的磁场强度相等，变化情况也相同。因此，通过感应传感器20的U 形磁芯21和的磁通等于零，感应传感器20的感应线圈22中没有感应电动势产生，从而感应传感器20的输出电压信号也就等于零。

而当被测F轨50受到外力作用或者内部存在残余应力时，由于应力会造成铁磁材料磁导率的变化，对于铁这样的正磁致伸缩材料，就会在拉、压应力方向上分别产生磁导率的增加和减小，从而使得励磁传感器10的励磁线圈13激励所产生的磁场发生扭曲，这样感应传感器20的感应线圈22磁极D1和D2处就不再位于磁场的等强度磁势线上，将会有部分变化的磁通流过感应传感器20的U形磁芯21，这样就会在感应传感器20 的感应线圈22中产生感应电动势，从而产生与应力成一定比例关系的电压信号。

对于铁磁材料而言，当被测F轨50内部存在残余应力时，给被测F轨外加一个磁场，并利用合适的电磁感应传感器进行测量，则外加磁场强度和被测F轨的残余应力存在一定的函数关系，可表示为关系式：

V＝P(H,σ) (1)

其中，σ为应力，H为外加磁场强度，通过系统转换，磁弹性应力传感器将输出转换为电学征量V。

当被测F轨50存在缺陷或内应力时，其磁特性发生改变，给它一定的外部激励磁场强度H，可激发出邻近区域磁场的分布发生变化，这个变化与被F型轨道材料内部的磁特性密切相关，检测传感器测得磁场响应将输出磁特征信号，经过对信号进行调理，检测系统输出转换为电学征量V，根据理论及实验研究可得出被测F轨50的应力与电学征量V之间的函数关系：σ＝f(V)。

选取一块材料为Q235、厚度为2mm的碳素钢被测F轨进行了拉力检测：

Q235钢板的标准试样宽度为80mm；选用静态拉伸试验机作为实验加载装置，加载方式为砝码式静态加载。励磁线圈与感应线圈位于被测F轨，励磁线圈250匝，感应线圈600匝，两传感器探头与被测F轨间距0.3-0.5mm，激励传感器磁芯长度方向与被测F轨被拉伸方向成45度角，激励线圈与感应线圈之间成垂直状态，依次加载1KN拉力，记录输出信号，加载至15KN，获得了如图3所示的感应信号变化曲线。

根据理论计算，系统输出电压跟励磁电流的关系为线性关系。由图可以看出，输出电压随电流增大而增大，与公式的变化趋势相吻合。同时励磁电流的增大导致系统电压信号输出的初值增大，该现象是由于实际测量过程励磁电流增大时，励磁侧磁通绕过被测F轨直接传递到感应线圈的磁通量增大，由此引起了系统输出零位漂移。为了得到尽量高的检测信号强度，同时获得较高的检测灵敏度，可提高励磁电流的大小。由于该试验是在励磁线圈250匝，检测线圈600匝的实验参数下进行的，所以在该参数下可以尽量的通过提高励磁电流的大小，来获得更高的信号强度和灵敏度。

以上对本实用新型所提供的一种基于磁弹效应的F轨应力检测装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于磁弹效应的F轨应力检测装置，其特征在于，包括至少一套F轨应力检测单元，所述F轨应力检测单元包括励磁传感器、感应传感器、传感器支架、电流模块和应力处理模块；

所述励磁传感器和感应传感器安装于预先设置的传感器支架的夹持端，传感器支架包括位于被测F轨上部的固定式传感器支架和位于被测F轨下部的切入式传感器支架，励磁传感器设于固定式传感器支架内，感应传感器设于切入式传感器支架内；

检测时，通过调整所述励磁传感器的竖向距离实现与被测F轨上表面间的间隙恒定，通过移动切入式传感器支架将所述感应传感器横向切入至被测F轨下部，并调整感应传感器的竖向距离实现与被测F轨下表面的间隙恒定，励磁传感器和感应传感器的中心相互对齐，且所述励磁传感器和感应传感器之间的夹角为预设值，同时所述励磁传感器和感应传感器与被测F轨的检测方向之间的夹角也为预设值；

电流模块与励磁传感器连接，应力处理模块与感应传感器连接。

2.根据权利要求1所述的基于磁弹效应的F轨应力检测装置，其特征在于，所述F轨应力检测装置包括两套F轨应力检测单元，分别为左侧F轨的应力检测单元和右侧F轨的应力检测单元，所述左侧F轨的应力检测单元的传感器支架和右侧的F轨应力检测单元的传感器支架通过C型或G型连杆连接，C型或G型连杆上设置有安装座，所述安装座固定于轨检小车或磁浮列车上。

3.根据权利要求2所述的基于磁弹效应的F轨应力检测装置，其特征在于，所述C型或G型连杆采用Q235A钢或铝型材材料，所述传感器支架采用铝型材材料。

4.根据权利要求3所述的基于磁弹效应的F轨应力检测装置，其特征在于，所述励磁传感器包括U形磁芯和励磁线圈，所述感应传感器包括U形磁芯和感应线圈；

励磁传感器的U形磁芯探头的轴向尺寸与被测F轨的纵向横截面的宽度相同。

5.根据权利要求4所述的基于磁弹效应的F轨应力检测装置，其特征在于，所述电流模块包括交流电源、稳压电源、励磁系统和谐振电路；所述交流电源、稳压电源、励磁系统、谐振电路和励磁传感器依次连接。

6.根据权利要求5所述的基于磁弹效应的F轨应力检测装置，其特征在于，所述应力处理模块包括滤波放大电路、DSP控制模块、ARM模块和上位机；所述上位机、ARM模块、DSP控制模块、滤波放大电路和感应传感器连接。