基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測裝置及方法

專利名稱：基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及軌道交通無損檢測領域，特別涉及一種基于磁致伸縮技術和縱向超聲導波技術的鐵軌損傷檢測裝置及其方法。
背景技術：
目前軌道交通無損檢測領域大多是利用漏磁法、滲透法、渦流法等檢測手段對鐵軌進行損傷檢測。同時，人們還在使用射線法和超聲波法對軌道損傷程度進行監測。現在廣為應用的為軌道檢測車技術。該檢測系統主要是在后置發動軌道檢測車平臺上集合了超聲波和電磁感應檢測技術及光學傳感器。此外，英國帝國理工大學開發了一款基于壓電傳感器的縱向超聲導波鐵軌損傷檢測設備。美國加州大學圣地亞哥分校設計并制造了一款基于激光技術的彎曲模態超聲導波鐵軌損傷檢測設備。上述方法都分別存在如下不同程度的缺陷(1)漏磁法，如 K. Sawley, R. Reiff.等發表的題目為《An assessment of Railtrack's methods for managing broken and defective rail. ))^^^^1^77 應用非常簡單，可直接檢測表面缺陷，但如被檢工件表面有涂層或潮濕，檢測可靠性將大為降低，，所以必須先去除涂層，擦干表面。這就大大地局限了這種方法在實際使用中的效率。(2)滲透法，該方法對表面開口裂紋檢測靈敏度很高，但對表面有涂層及潮濕的工件就不理想，且對缺陷的判定有賴檢驗人員的經驗，這也不能夠滿足大規模鐵軌損傷檢測的需要。(3)渦流法，該方法是建立在電磁感應的基礎上，利用在交變磁場作用下，不同材料會發生不同振幅和相位的渦流來檢測鐵磁性和非鐵磁性材料的物理性能、缺陷和結構情況的差異。對于鐵磁性材料，通常將其磁化至飽和狀態，再按非鐵磁性材料進行檢測。但是渦流檢測法和如上兩種方法都只能檢測金屬導體的表面或近表面缺陷，檢測深度很淺，對鐵軌內部的損傷無法獲知。(4)射線法對工件表層下缺陷的檢測很有效，但射線輻射危害人體，檢測時必須進行安全防護，且有些工況不易實施。(5)超聲波檢測法對工件表層下缺陷的檢測很有效，但檢測時需耦合劑，效率較低，對缺陷的判定也有賴技術人員的經驗。更主要的是該方法采用點對點測量方式，只能檢測傳感器下方的局部范圍內的結構，未能有效的將超聲波的能量聚焦到鐵軌的縱向方向， 因此其定向性不強，導致檢測效率低且對損傷程度的評估較難實現。該方法檢測速度慢且檢測范圍相對于成百上千公里的鐵軌線路而言過于短小。部署超聲波設備的軌道檢測車的速度被該設備的檢測原理極大限制。因此，將如上檢測技術結合光學檢測系統中，“數據超載”仍是一個明顯的問題。但另一方面，通過數學原理計算并處理這些數據時，這些數學的方法并不擅長于處理軌道中出現的不尋常特征，如軌道的交叉口等。(6)英國帝國理工大學設計的基于壓電傳感器的縱向超聲導波鐵軌損傷檢測設備因為壓電傳感器需要與鐵軌之間密切接觸，所以需要鐵軌表面被檢測部位涂有耦合劑，這就使得被夾壓該傳感器的部位鐵軌必須保持光潔平整，不能出現銹蝕，否則很難實現耦合。 但該設備的最大問題是壓電傳感器為接觸式導波激發和接受裝置，因此，每次檢測至少需要20分鐘且檢測時設備不能在鐵軌上移動，無法實現在線損傷檢測。這一點對于成千上萬公里的鐵軌而言大大制約了檢測效率。(7)美國加州大學圣地亞哥分校所研發的設備雖然使用了非接觸式的激光技術激發超聲導波，但該技術所激發的超聲導波為彎曲模態。該模態與縱向導波相比傳播距離短， 干擾信號多。激光信號放大器不穩定且檢測信號噪聲過大。因此，該檢測設備所搭載的軌道檢測車僅能以10英里/小時的速度對鐵軌進行移動檢測，該效率仍然不能滿足大規模鐵軌損傷檢測的要求。因此，需要提供一種不僅可以對鐵軌內外部損傷均進行精確檢測，而且檢測效率高的鐵軌損傷檢測裝置和方法。

發明內容
本發明的一個目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測裝置，該裝置可以對鐵軌內外部損傷均能進行精確檢測，檢測距離長，檢測效率高。本發明的另一目的在于提供一種基于上述裝置的基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測方法。本發明的一個目的通過以下的技術方案實現一種基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測裝置，包括外殼，以及設置在外殼內的內層線托、內層線圈、外層線托、外層線圈、軛鐵、永磁體，以及設置在外殼一端的電流輸入端口、內層線圈電流輸入電線、內層線圈電流輸出電線，以及設置在外殼另一端的外層線圈電流輸出電線、外層線圈電流回路電線、電壓輸出端口，所述外殼上部與鐵軌檢測車固定連接；所述內層線托為一個下端開口的長方體，其下端開口部位形狀與鐵軌軌頭的形狀相匹配，內層線圈布置于內層線托上，外層線托設置在內層線圈的外部，與內層線托邊緣固定連接，外層線圈布置在外層線托上，軛鐵設置在外層線托的外側，軛鐵內側與外層線托的邊緣相固定，永磁體粘貼在軛鐵外側頂端， 永磁體頂端與外殼頂端內側相固定，內層線托和軛鐵底端均固定設置在外殼底端兩側邊緣上；所述內層線圈和外層線圈均為若干段交替正負極線圈組成；所述內層線圈下端有4根導線，兩根與內層線圈電流輸入電線相連，兩根與內層線圈電流輸出電線，電流輸入端口均與內層線圈電流輸入電線和內層線圈電流輸出電線連接；所述外層線圈下端有4根導線， 兩根與外層線圈電流輸出電線相連，兩根與外層線圈電流回路電線，電流輸入端口均與外層線圈電流輸出電線和外層線圈電流回路電線連接；所述電流輸入端口和電壓輸出端口均分別固定在外殼外側頂端的兩端；所述電流輸入端口與外部信號發生器，電壓輸出端口與外部信號處理設備。具體的，所述內層線圈和外層線圈中導線直徑由其所激勵和接受超聲導波信號的頻率和波長決定。具體的，所述內層線圈和外層線圈中的導線為硬質線圈或軟質電路線，例如可以是漆包線等硬質線圈，也可以是印刷電路板的排線等軟質電路線。優選的，所述內層線圈和外層線圈中每段交替正負極線圈的寬度為超聲導波波長的一半。具體的，所述外部信號發生器具體包括用于產生檢測所需頻率電信號的波形發生器；用于將電信號放大的功率放大器。具體的，所述外部信號處理設備具體包括用于將電動勢信號轉換成數字信號的前置調理電路；數據采集器；用于計算損傷位置和損傷大小的處理器。本發明的另一目的通過以下技術方案實現一種基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測方法，首先外部信號發生器產生檢測用信號，經放大后輸入到電流輸入端口， 內層線圈根據輸入信號的變化產生一個動態磁場，同時與永磁體產生的磁場發生耦合，激發出沿鐵軌縱向傳播的超聲導波，一旦超聲導波遇到鐵軌缺陷，會傳回一個缺陷反射信號， 該缺陷反射信號被轉化成該頻率的交變磁場，該交變磁場在外層線圈中激發出感應電動勢，根據該感應電動勢來間接測量缺陷反射導波信號產生的時間和強度，從而確定損傷的位置和損傷的大小。具體包括以下步驟(1)根據鐵軌型號和截面尺寸計算得到鐵軌的頻散曲線，根據頻散曲線選擇該類型鐵軌超聲導波損傷檢測的導波中心頻率；(2)通過波形發生器產生一個檢測所需的電信號，該電信號波形與檢測導波波形和導波中心頻率一致；然后將此電信號導入功率放大器，將電信號進行放大；(3)將放大后的電信號經電流輸入端口進入內層線圈，內層線圈中各段交替正負極線圈在電信號作用下在鐵軌內產生相應頻率的動態磁場，該磁場與永磁體產生的靜態偏置磁場發生耦合，使得被檢測物體的磁化狀態發生該頻率下的變化，使得被檢測物體縱向尺寸上發生變化，即磁致伸縮應變，從而激發超聲導波，超聲導波沿鐵軌縱向傳播，同時，外層線圈通過磁致伸縮的逆效應產生一個與所激勵的超聲導波相對應的一個初始感應電動勢，該初始感應電動勢通過電壓輸出端口輸出到外部信號處理設備，外部信號處理設備記錄該初始感應電動勢的大小和產生時間；(4) 一旦有超聲導波遇到鐵軌缺陷，會傳回一個缺陷反射信號，利用磁致伸縮的逆效應，外層線圈內會產生一個與之頻率相同的交變磁場，該交變磁場在外層線圈中激發出一個與缺陷反射導波相對應的反饋感應電動勢，該反饋感應電動勢通過電壓輸出端口輸出到外部信號處理設備，外部信號處理設備記錄該反饋感應電動勢的大小和產生時間；(5)根據感應電動勢與超聲導波信號強度的關系式、初始感應電動勢和反饋感應電動勢的大小以及感應電動勢和超聲導波信號強度之間的定量關系，通過初始感應電動勢與反饋感應電動勢的強度換算并測量缺陷反射導波信號的強度，從而確定損傷的大小程度；根據應力波原理確定超聲導波信號強度與缺陷大小之間的定量關系，同時，通過設備所記錄的缺陷反射信號產生的感應電動勢的時間與激勵超聲導波產生的感應電動勢的時間之間的時間差，以確定超聲導波在鐵軌中傳播的距離，從而獲得缺陷存在的準確位置。本發明中所使用的超聲導波法損傷檢測原理是依據彈性應力波傳播原理。S卩，超聲導波屬于彈性應力波的一種傳播情況，如圖7所示。彈性應力波沿著細長桿系結構(如 鐵軌，管道等)傳播時，當遇到該結構因幾何尺寸或形狀變化所引起的波阻抗變化，如鐵軌中存在裂縫18，該裂縫所在截面(可為橫截面或斜截面)幾何尺寸發生變化時，鐵軌在該截面處必定發生波阻抗的變化。根據應力波原理，當沿著細長結構中被激勵縱向超聲導波15，其傳播至裂縫18時，波阻抗會發生變化，原有入射的縱向超聲導波15會反射一部分回來形成缺陷反射波16，一部分會透射過該截面繼續傳播形成透射波17。因此，通過記錄缺陷反射波16信號的到達時間并乘以該波在鐵軌中傳播的速度則可判定損傷存在的位置。該原理的好處在于，當結構幾何尺寸發生微小的目測不可見的損傷時，其波阻抗的變化已經相當巨大，以至于足夠引起一個可以被示波器記錄并可觀察到的缺陷反射信號。所以， 該方法對于發現微小的早期裂紋和鐵軌內部的裂縫有著顯著的意義，可以極大地降低事故發生的概率。磁致伸縮傳感器的檢測原理是通過磁致伸縮現象實現的。如圖1所示其構造是在被檢測物體外部放置一個永磁體將被檢測物體磁化，因此它要求被檢測物體為鐵磁體。并在被檢測物體表面附近(非接觸)布置一層線圈(本設計的內層線圈為3)。當線圈通入以某頻率變化的電流時，會在被檢測物體內產生相應頻率的動態磁場，該磁場與永磁體產生的靜態偏置磁場發生偶合，使得被檢測物體的磁化狀態發生該頻率下的變化，使得被檢測物體縱向尺寸上發生變化，即磁致伸縮應變，從而激發超聲導波。反之，利用磁致伸縮的逆效應，當缺陷反射信號傳回時，會產生一個與之頻率相同的動態變化磁場，同時在線圈(本發明中的外層線圈幻內產生感應電動勢，通過外層線圈5測量這個感應電動勢的大小就可以獲取導波的缺陷發射信號。通過記錄內層線圈3激勵信號與外層線圈5接收到的缺陷回波引起的感應電動勢之間的時間差，就可以確定損傷的位置。因為線圈與被檢測物體之間有一定的距離，因此這種傳感器的好處在于可實現對長距離，大范圍的鐵磁體進行非接觸式損傷檢測，并能適應較高的溫度和惡劣的工作環境，適合用于軌道檢測車在運行中的鐵軌的在線損傷檢測。本發明裝置的工作原理是通過該設備中的永磁體將軛鐵磁化，從而在其周圍產生一個靜態偏置磁場，并將被該設備覆蓋區域的鐵軌磁化。然后通過信號發生裝置向電流發生器中輸入固定頻率的交變電流信號(例如，常用的300KHz漢寧窗調制的10個周期正弦電信號)。該電流按照內層線圈鋪設規律傳導，其通過電磁效應會產生一個與所通電流變化頻率一樣的動態磁場，將永磁體產生的靜態磁場打亂，鐵軌表面磁化狀態發生該頻率的交替變化，從而在其縱向產生該頻率下的尺寸變化，繼而激勵出該頻率的縱向超聲導波，如圖3所示。當縱向超聲導波遇到缺陷發生反射并傳遞到該設備處，根據磁致伸縮的逆效應原理，該頻率的缺陷反射信號會被轉化成該頻率的交變磁場，且交變磁場強度與導波信號強度存在定量關系。同時，該交變磁場會在外層線圈中激發出感應電動勢，該線圈導線與后端電壓輸出端口相連接將感應電動勢輸出。感應電動勢與超聲導波信號強度之間存在如下函數關系Fr (kj) = ^kw^r ^nsH0 (·β ξ 2叫；
E0其中k為超聲導波波數，η為接收線圈的匝數，s為接收線圈的橫截面積，1為接收線圈的長度，d為接收線圈與激勵線圈間的軸向距離，ν為鐵磁材料中超聲導波波速，μ r從為鐵磁材料相對磁導率，λ為鐵磁材料磁致伸縮常數，Htl是線圈匝數和電流的函數。通過該公式可以確定感應電動勢的大小與超聲導波的強度之間的定量關系；同時，根據應力波原理可以確定超聲導波信號強度與鐵軌缺陷大小之間的定量關系；且感應電動勢產生的時間與激勵導波的時間存在時間差，這個時間差即為導波在鐵軌中傳播且遇到缺陷反射后傳回激發位置的時間。因此，可以通過儀器測量該感應電動勢來間接測量缺陷反射導波信號產生的時間和強度，從而確定損傷的位置和損傷的大小。本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果本發明方法將磁致伸縮技術和縱向超聲導波法均應用于鐵軌損傷檢測，縱向超聲導波區別于傳統的超聲波，其具有很強的定向性，類似于激光和普通光的區別。該檢測法是對長距離桿狀結構損傷檢測的方法之一。由于該方法使用的超聲導波能夠有效的在鐵軌表面激發，使導波可在鐵軌整個截面內分布并沿著鐵軌縱向高速傳播。因此該方法不僅能檢測鐵軌斷裂等鐵軌截面嚴重損傷，同時可以檢測出鐵軌表面及內部早期不可見的線狀微小裂紋，所以該方法可提高鐵軌損傷早期識別的效率。同時由于導波在介質中傳播的速度如聲速在該介質中傳播的速度一樣快，因此該檢測方法效率極高。該方法方向性好，穿透能力強，能量高(能量大于聲波)且較為集中。磁致伸縮傳感器的檢測原理是通過磁致伸縮現象實現的。這種傳感器的好處在于可實現長距離大范圍的鐵磁體非接觸式損傷檢測，并能適應較高的溫度和惡劣的工作環境，適合用于軌道檢測車在運行中的鐵軌的在線損傷檢測。通過二者結合不僅僅可以檢查鐵軌表面的幾何平整度，同時可以發現鐵軌表面及內部的微小裂紋及核傷，能夠有效地發現鐵軌早期損傷，降低因鐵軌損傷或斷裂等原因造成的事故概率。該方法檢測距離長，檢測效率高。每次激發超聲導波和完成損傷檢測僅需要幾百微秒，因此該設備可以搭載在軌道檢測車上實現對鐵軌的在線損傷檢測。


圖1是本發明裝置機械部分結構示意圖；圖2是圖1所示結構分解示意圖；圖3是本發明內層線圈與電路連接方式及與內層線托擺放位置示意圖；圖4是本發明內層線圈與電流發生器的電路原理示意圖；圖5是本發明外層線圈與電路連接方式及與外層線托擺放位置示意圖；圖6是本發明外層線圈與電壓感應器的電路原理示意圖；圖7是縱向超聲導波損傷檢測原理示意圖；圖8是鐵軌中磁致伸縮激勵超聲導波原理示意圖；圖9是本發明裝置操作流程示意圖；圖10是實施例中本發明裝置應用時的外觀示意圖；圖11是本發明實施例中所測得的信號圖。圖2中1-鐵軌；2-線托；3-內層線圈；4-外層線托；5外層線圈、6_軛鐵、7_永磁體、8外殼、9-電流輸入端口、10-電內層線圈電流輸入電線、11-內層線圈電流輸出電線、 12-外層線圈電流輸出電線、13-外層線圈電流回路電線、14-電壓輸出端口。圖4中 _內層線圈第一段交替正負極布置的線圈； _內層線圈第二段交替正負極布置的線圈； _布置在內層線圈底部左側與前端內層線圈電流輸入電線相連導線；布置在內層線圈底部左側與前端內層線圈電流輸出電線相連導線；@-布置在內層線圈底部右側與前端內層線圈電流輸入電線相連導線； _布置在內層線圈底部右側與前端內層線圈電流輸出電線相連導線。
圖6中 _外層線圈第一段交替正負極布置的線圈； _外層線圈第二段交替正負極布置的線圈； _布置在外層線圈底部左側與后端外層線圈電流回路電線相連導線； -布置在外層線圈底部左側與后端外層線圈電流輸出電線相連導線； _布置在外層線圈底部右側與后端外層線圈電流輸出電線相連導線； _布置在外層線圈底部右側與后端外層線圈電流電流回路電線相連導線。圖7中15-入射的縱向超聲導波；16-缺陷反射波；17-透射波；18-裂縫。圖8中19-通過信號發生裝置向電流發生器中輸入的固定頻率的交變電流信號。圖9中20-本發明中鐵軌損傷檢測裝置機械部分。圖10中21-第一個在軌底支座部位預設的初缺陷；22-第二個在軌底支座部位預設的初缺陷；23-第三個在軌底支座部位預設的初缺陷。圖11中24-示波器記錄的初始感應電動勢；25-示波器記錄的缺陷23對應的反饋感應電動勢；26-示波器記錄的缺陷22對應的反饋感應電動勢；27-示波器記錄的缺陷 21對應的反饋感應電動勢；28-端部反射信號對應的感應電動勢。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。實施例1—種基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測裝置，其具有檢測距離長，檢測時間短，非接觸式軌道檢測車在線運行中實時檢測，并可發現鐵軌早期裂紋損傷等優點。 其機械部分如圖1所示。其外觀為一個下端開口的長方體，下端開口部位形狀與鐵軌軌頭的形狀相似，比鐵軌要稍大以確保其與鐵軌的非接觸；上部與軌道檢測車連接。其包括內層線托2、內層線圈3、外層線托4、外層線圈5、軛鐵6、永磁體7、外殼8、電流輸入端口 9、電內層線圈電流輸入電線10、內層線圈電流輸出電線11、外層線圈電流輸出電線12、外層線圈電流回路電線13、電壓輸出端口 14，具體如圖2所示。內層線托2放置于外殼8上并固定。內層線圈3放置于內層線托2上，并與內層線圈電流輸入電線10、內層線圈電流輸出電線11及電流輸入端口 9連接，連接方法如圖3所示。其電路原理如圖4所示，內層線圈 3分為若干段交替正負極線圈，本實施例圖示為三段，0段和 交替布置，在內層線圈3下端有4根導線，線 、@與前段端層線圈電流輸入電線10相連，線 、 與內層線圈電流輸出電線11相連，兩電線與電流輸入端口 9相連。根據電流輸入和輸出電線擺放的位置，各段線圈交替電流方向。即第一段線圈(D右端與線 連接，線 與內層線圈輸入電線相連10，左端與線@連接，線@又與內層線圈電流輸出電線11相連，實現電流從右向左傳導，其中虛線箭頭代表第一段線圈 的電流傳導方向；第二段線圈 則左端與線 連接，線 又與內層線圈輸入電線10相連，右端與線 連接，線 又與內層線圈電流輸出電線11相連，實現電流從左向右傳導，圖中實線箭頭代表第二段線圈 中電流方向；第三段線圈與第一段線圈一(D樣，為重復第一段連接法。如圖2所示，外層線托4放置在內層線托2邊緣上，使得內層線托2的邊緣對外層線托4起到支撐作用。將外層線圈5布置在外層線托4上，如圖5所示，并與后端外層線圈電流輸出電線12、外層線圈電流回路電線13 及后段電壓感應器連接14，如圖6所示。外層線圈5本身不通入電流，其會因磁場變化在線圈內產生感應電動勢，其分為若干段交替正負極線圈(圖示為三段， 段和 交替布置)， 電路連接方法與內層線圈和導線的連接方法一樣交替線圈段 和線圈段 中電流正負。 具體電路連接方法如圖5所示。圖中實線代表外層線圈段 的電流方向，虛線代表外層線圈段 中的電流方向。如圖2所示，內層線圈3通過外層線托4與外層線圈5實現絕緣分離。軛鐵6內側與外層線托4的邊緣相固定，并通過外層線托4的邊緣對其起到支持作用； 同時，軛鐵6底端兩側放置在外殼8底端兩側邊緣上，并通過外殼底端兩側邊緣對其起到固定和支撐作用。永磁體7與軛鐵6相粘貼，以實現導磁性能。同時，永磁體7頂端與外殼8 頂端內側相固定，并通過外殼8對其實現約束。此外，所述電流輸入端口 9和電壓輸出端口 14均分別固定在外殼外側頂端的兩端，如圖1所示。值得一提的是，本設備示意圖中的內層線圈3和外層線圈5的導線粗細和疏密程度僅為示意，真實的線圈導線是緊密排列的，導線的直徑由其所激勵和接受超聲導波信號的頻率和波長決定，另外每段交替正負極線圈的寬度為超聲導波波長的一半，即圖4中的 Θ段和 段、圖6中的 段和 段均為超聲導波波長的一半。導線可以是漆包線等硬質線圈，也可以是印刷電路板的排線等軟質電路線。一種基于上述裝置的基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測方法，首先外部信號發生器產生檢測用信號，經放大后通過導線將信號從信號放大器的信號輸出端口輸入到該設備的電流輸入端口，內層線圈根據輸入信號的變化產生一個動態磁場，同時與永磁體產生的磁場發生耦合，激發出沿鐵軌縱向傳播的超聲導波，一旦超聲導波遇到鐵軌缺陷，會傳回一個缺陷反射信號，該缺陷反射信號被轉化成該頻率的交變磁場，該交變磁場在外層線圈中激發出感應電動勢。具體包括以下步驟(1)根據鐵軌型號和截面尺寸通過GUIGUW軟件計算得到鐵軌的頻散曲線，根據頻散曲線選擇適合該類型鐵軌超聲導波損傷檢測的導波中心頻率；(2)通過波形發生器產生一個檢測所需的電信號，該電信號波形與檢測導波波形和中心頻率一致；將此電信號導入功率放大器，將電信號進行放大；(3)如圖9所示，將放大后的電信號經電流輸入端口進入內層線圈，內層線圈中各段交替正負極線圈在電信號作用下在鐵軌內產生相應頻率的動態磁場，該磁場與永磁體產生的靜態偏置磁場發生耦合，使得被檢測物體的磁化狀態發生該頻率下的變化，使得被檢測物體縱向尺寸上發生變化，即磁致伸縮應變，從而激發超聲導波，超聲導波沿鐵軌縱向傳播。此時，外層線圈通過磁致伸縮的逆效應產生一個與所激勵的超聲導波相對應的一個感應電動勢。該感應電動勢通過電壓輸出端口輸出。電壓輸出端口與外部信號處理設備，如示波器的信號輸入端口通過導線連接，通過外部信號處理設備記錄初始感應電動勢的大小和產生時間，如圖11中信號24；(4)本實施例中鐵軌上預先設置了缺陷，如圖10所示，一旦沿鐵軌縱向傳播的超聲導波遇到鐵軌缺陷，會傳回一個缺陷反射信號，利用磁致伸縮的逆效應，外層線圈內會產生一個與之頻率相同的交變磁場，該交變磁場在外層線圈中激發出另一個與缺陷反射導波相對應的反饋感應電動勢。該反饋感應電動勢通過電壓輸出端口輸出。電壓輸出端口與外部信號處理設備，如示波器的信號輸入端口通過導線連接，通過外部信號處理設備記錄反饋感應電動勢的大小和產生時間，如圖11中的信號25，26，27 ；(5)由于感應電動勢與超聲導波信號強度之間存在如下函數關系Fr (kj) = ^kw^r ^nsH0 (·β ξ 2叫；
E0其中k為超聲導波波數，η為接收線圈的匝數，s為接收線圈的橫截面積，1為接收線圈的長度，d為接收線圈與激勵線圈間的軸向距離，;ν為鐵磁材料中超聲導波波速，μ j人為鐵磁材料相對磁導率，λ為鐵磁材料磁致伸縮常數，Htl是線圈匝數和電流的函數。通過該公式可以確定感應電動勢的大小與超聲導波的強度之間的定量關系；通過初始感應電動勢與反饋感應電動勢的強度換算并測量缺陷反射導波信號的強度，從而可確定損傷的大小程度。同時，根據應力波原理可以確定超聲導波信號強度與鐵軌缺陷大小之間的定量關系；且感應電動勢產生的時間與激勵導波的時間存在時間差，這個時間差即為導波在鐵軌中傳播且遇到缺陷反射后傳回激發位置的時間。因此，可以通過儀器測量該感應電動勢來間接測量缺陷反射導波信號產生的時間和強度，從而確定損傷的位置和損傷的大小。本實施例中，所述步驟(1)中，產生的檢測用信號是中心頻率為375ΚΗΖ漢寧窗調制的10周期正弦電信號。步驟(4)中所采用測試用的鐵軌長度為2米。采用本裝置和方法測試后的各缺陷位置為軌底支座部位的缺陷1距離導波發射端為1. 65米。軌底支座部位的缺陷2距離導波發射端為1. 1米。軌底支座部位的缺陷3距離導波發射端為0. 55米。 通過對比檢測結果圖11與實際預制缺陷的位置，充分證明該方法可以實現精確定位缺陷， 誤差僅為毫米級。同時，從監測結果圖11中可以看出，2米長的鐵軌整個檢測過程僅用時 0. 1毫秒，可見此檢測方法的高效和高精確度。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測裝置，其特征在于，包括外殼，以及設置在外殼內的內層線托、內層線圈、外層線托、外層線圈、軛鐵、永磁體，以及設置在外殼一端的電流輸入端口、內層線圈電流輸入電線、內層線圈電流輸出電線，以及設置在外殼另一端的外層線圈電流輸出電線、外層線圈電流回路電線、電壓輸出端口，所述外殼上部與鐵軌檢測車固定連接；所述內層線托為一個下端開口的長方體，其下端開口部位形狀與鐵軌軌頭的形狀相匹配，內層線圈布置于內層線托上，外層線托設置在內層線圈的外部，與內層線托邊緣固定連接，外層線圈布置在外層線托上，軛鐵設置在外層線托的外側，軛鐵內側與外層線托的邊緣相固定，永磁體粘貼在軛鐵外側頂端，永磁體頂端與外殼頂端內側相固定，內層線托和軛鐵底端均固定設置在外殼底端兩側邊緣上；所述內層線圈和外層線圈均為若干段交替正負極線圈組成；所述內層線圈下端有4根導線，兩根與內層線圈電流輸入電線相連，兩根與內層線圈電流輸出電線，電流輸入端口均與內層線圈電流輸入電線和內層線圈電流輸出電線連接；所述外層線圈下端有4根導線，兩根與外層線圈電流輸出電線相連，兩根與外層線圈電流回路電線，電流輸入端口均與外層線圈電流輸出電線和外層線圈電流回路電線連接；所述電流輸入端口和電壓輸出端口均分別固定在外殼外側頂端的兩端；所述電流輸入端口與外部信號發生器相連，電壓輸出端口與外部信號處理設備相連。
2.根據權利要求1所述的基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測裝置，其特征在于，所述內層線圈和外層線圈中導線直徑由其所激勵和接受超聲導波信號的頻率和波長決定。
3.根據權利要求2所述的基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測裝置，其特征在于，所述內層線圈和外層線圈中的導線為硬質線圈或軟質電路線。
4.根據權利要求3所述的基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測裝置，其特征在于，所述內層線圈和外層線圈中每段交替正負極線圈的寬度為超聲導波波長的一半。
5.根據權利要求1所述的基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測裝置，其特征在于，所述外部信號發生器具體包括用于產生檢測所需頻率電信號的波形發生器；用于將電信號放大的功率放大器。
6.根據權利要求1所述的基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測裝置，其特征在于，所述外部信號處理設備具體包括用于將電動勢信號轉換成數字信號的前置調理電路；數據采集器；用于計算損傷位置和損傷大小的處理器。
7.基于權利要求1所述的裝置的基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測方法， 其特征在于，首先外部信號發生器產生檢測用信號，經放大后輸入到電流輸入端口，內層線圈根據輸入信號的變化產生一個動態磁場，同時與永磁體產生的磁場發生耦合，激發出沿鐵軌縱向傳播的超聲導波，一旦超聲導波遇到鐵軌缺陷，會傳回一個缺陷反射信號，該缺陷反射信號被轉化成該頻率的交變磁場，該交變磁場在外層線圈中激發出感應電動勢，根據該感應電動勢來間接測量缺陷反射導波信號產生的時間和強度，從而確定損傷的位置和損傷的大小。
8.根據權利要求7所述的基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測方法，其特征在于，具體包括以下步驟(1)根據鐵軌型號和截面尺寸計算得到鐵軌的頻散曲線，根據頻散曲線選擇該類型鐵軌超聲導波損傷檢測的導波中心頻率；(2)通過波形發生器產生一個檢測所需的電信號，該電信號波形與檢測導波波形和導波中心頻率一致；然后將此電信號導入功率放大器，將電信號進行放大；(3)將放大后的電信號經電流輸入端口進入內層線圈，內層線圈中各段交替正負極線圈在電信號作用下在鐵軌內產生相應頻率的動態磁場，該磁場與永磁體產生的靜態偏置磁場發生耦合，使得被檢測物體的磁化狀態發生該頻率下的變化，使得被檢測物體縱向尺寸上發生變化，即磁致伸縮應變，從而激發超聲導波，超聲導波沿鐵軌縱向傳播，同時，外層線圈通過磁致伸縮的逆效應產生一個與所激勵的超聲導波相對應的一個初始感應電動勢，該初始感應電動勢通過電壓輸出端口輸出到外部信號處理設備，外部信號處理設備記錄該初始感應電動勢的大小和產生時間；(4)一旦有超聲導波遇到鐵軌缺陷，會傳回一個缺陷反射信號，利用磁致伸縮的逆效應，外層線圈內會產生一個與之頻率相同的交變磁場，該交變磁場在外層線圈中激發出一個與缺陷反射導波相對應的反饋感應電動勢，該反饋感應電動勢通過電壓輸出端口輸出到外部信號處理設備，外部信號處理設備記錄該反饋感應電動勢的大小和產生時間；(5)根據感應電動勢與超聲導波信號強度的關系式、初始感應電動勢和反饋感應電動勢的大小以及感應電動勢和超聲導波信號強度之間的定量關系，通過初始感應電動勢與反饋感應電動勢的強度換算并測量缺陷反射導波信號的強度，從而確定損傷的大小程度；根據應力波原理確定超聲導波信號強度與缺陷大小之間的定量關系，同時，通過設備所記錄的缺陷反射信號產生的感應電動勢的時間與激勵超聲導波產生的感應電動勢的時間之間的時間差，以確定超聲導波在鐵軌中傳播的距離，從而獲得缺陷存在的準確位置。
9.根據權利要求8所述的基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測方法，其特征在于，步驟(5)中感應電動勢與超聲導波信號強度之間存在如下函數關系Vr (k,t) =-2^f2 減。|f:/(作 < f)；其中k為超聲導波波數，η為接收線圈的匝數，s為接收線圈的橫截面積，1為接收線圈的長度，d為接收線圈與激勵線圈間的軸向距離，ν為鐵磁材料中超聲導波波速，μ r從為鐵磁材料相對磁導率，λ為鐵磁材料磁致伸縮常數，Htl是線圈匝數和電流的函數。
全文摘要
本發明公開了一種基于磁致伸縮和縱向超聲導波的鐵軌損傷檢測裝置及方法，應用于鐵路軌道交通無損檢測領域，該裝置內包括外殼，以及設置在外殼內的內層線托、內層線圈、外層線托、外層線圈、軛鐵、永磁體，以及設置在外殼一端的電流輸入端口、內層線圈電流輸入電線、內層線圈電流輸出電線，以及設置在外殼另一端的外層線圈電流輸出電線、外層線圈電流回路電線、電壓輸出端口，所述外殼上部與鐵軌檢測車固定連接。該方法是利用磁致伸縮和縱向超聲導波激發出感應電動勢，根據該感應電動勢來間接測量缺陷反射導波信號產生的時間和強度，從而確定損傷的位置和損傷的大小。本發明可以對鐵軌內外部微小損傷均能進行精確檢測，檢測距離長，檢測效率高。
文檔編號G01N29/07GK102520068SQ20111040388
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者宋振華, 馬宏偉 申請人:暨南大學