專利名稱：一種基于三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼軌無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用超聲衍射和三向履帶式滾進(jìn)的鋼軌探傷裝置與方法。
背景技術(shù)：
隨著鐵路交通運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展，鐵路運(yùn)輸線路越來(lái)越繁忙，車流密度也隨之增加。 而運(yùn)輸線路上的鋼軌在承擔(dān)繁重的運(yùn)輸任務(wù)的過(guò)程中，由于列車對(duì)鋼軌造成摩擦、擠壓、彎曲和沖擊作用，鋼軌不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種損傷，對(duì)于看得見(jiàn)的外部損傷如銹蝕、軌頭壓潰、剝離掉快、側(cè)磨等都可以及時(shí)處理；而對(duì)于鋼軌內(nèi)部存在的殘留夾雜和白點(diǎn)引起的核傷通過(guò)肉眼則無(wú)法識(shí)別，這些內(nèi)部損傷長(zhǎng)期存留于日夜運(yùn)行的鐵軌中將造成鋼軌的橫向裂紋、軌頭斷裂等嚴(yán)重的交通安全隱患。這些看不見(jiàn)的內(nèi)傷，只有通過(guò)鋼軌探傷儀才能發(fā)現(xiàn)， 然后根據(jù)探傷結(jié)果對(duì)鋼軌及時(shí)地進(jìn)行相應(yīng)處理。技術(shù)上，超聲波良好的聲學(xué)特性以及近二十年來(lái)計(jì)算機(jī)與數(shù)字電子技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展為鋼軌無(wú)損檢測(cè)帶來(lái)了更快捷、更準(zhǔn)確、更人性化的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的脈沖回波法作為超聲無(wú)損檢測(cè)的主流已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼軌探傷領(lǐng)域。它利用超聲探頭向受檢工件發(fā)射超聲脈沖，并根據(jù)由工件缺陷反射回來(lái)的能量大小以及相位信息作為判定缺陷的依據(jù)。脈沖回波法由于長(zhǎng)期應(yīng)用于鋼軌探傷領(lǐng)域，因而它在技術(shù)上相對(duì)成熟。然而，它在原理上依賴反射波的能量大小，屬于對(duì)能量敏感的檢測(cè)方法，在實(shí)際應(yīng)用中，由于脈沖回波法的回波幅值敏感特性，使得它在定量檢測(cè)方面往往性能不佳，這也是利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行鋼軌探傷的漏檢風(fēng)險(xiǎn)不能更有效控制的原因之一。另一方面，在鋼軌探傷中，與鋼軌表面垂直的裂紋類缺陷的危害性往往很大，而對(duì)于這種取向與檢測(cè)面垂直的缺陷，常規(guī)的脈沖回波檢測(cè)方法常常因?yàn)殡y以做到入射聲波與缺陷的反射面垂直，造成缺陷檢出的困難，如果需要這類缺陷的位置、長(zhǎng)度等定量信息時(shí)，常規(guī)的超聲檢測(cè)法通常無(wú)能為力。利用超聲衍射原理進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)克服了常規(guī)脈沖回波法的諸多不足，具有廣闊的應(yīng)用空間，并為現(xiàn)代鋼軌探傷技術(shù)帶來(lái)了新的契機(jī)。它的物理基礎(chǔ)是由荷蘭物理學(xué)家惠更斯1690年提出的惠更斯原理。該原理指出，介質(zhì)中的波動(dòng)傳到的各點(diǎn)，都可以看作是發(fā)射聲波的新波源，以后時(shí)刻的波陣面，可由這些新波源發(fā)出的子波波前的包絡(luò)面做出。 超聲波從探頭向受檢物發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到諸如裂紋等線性缺陷時(shí)，會(huì)在缺陷的尖端部位產(chǎn)生衍射，根據(jù)惠更斯原理，每個(gè)缺陷的邊緣都可以看作是超聲波的信號(hào)源，并向外發(fā)射超聲衍射波。利用超聲衍射原理進(jìn)行探傷就是記錄下這些衍射波信號(hào)，作為判定損傷的依據(jù)。21世紀(jì)初，由英國(guó)國(guó)家無(wú)損檢測(cè)中心提出的超聲衍射時(shí)差法傳入我國(guó)，該方法在我國(guó)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用。然而，它在彌補(bǔ)傳統(tǒng)脈沖回波法不足的同時(shí)，卻帶來(lái)了一些其它缺陷。例如，對(duì)橫向缺陷檢測(cè)能力差，在超聲衍射時(shí)差法的缺陷圖中，容易將橫向缺陷誤判為點(diǎn)缺陷；由于直通波與近表面缺陷衍射波容易混淆而導(dǎo)致該類缺陷檢出效果不佳等劣勢(shì)。另一方面，我國(guó)鐵路網(wǎng)的完善與大幅度提速對(duì)鋼軌探傷速度與效率提出了更高的要求。2009年我國(guó)建成的世界上里程最長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)速度最高的武廣高鐵客運(yùn)新干線其時(shí)速已經(jīng)達(dá)到350公里。然而，現(xiàn)行的大型鋼軌探傷車的時(shí)速卻依然停留在幾十公里，而小型的手推式探傷車時(shí)速僅僅只有幾公里，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益繁忙、高效的鐵道運(yùn)輸和維護(hù)的需要。對(duì)于限制當(dāng)前機(jī)動(dòng)探傷車時(shí)速的主要原因在于必須控制探傷車行車速度以保證超聲探頭有足夠的數(shù)據(jù)采樣時(shí)間而不致回波失落。然而，當(dāng)前機(jī)動(dòng)探傷車在高速運(yùn)行時(shí)，由于其探頭與鋼軌某一固定位置的接觸時(shí)間過(guò)短而普遍不能滿足高速探傷的需要。于1999年8月11日公開(kāi)的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)CN1225453A，提出了一種改變傳統(tǒng)液態(tài)耦合劑而采用固態(tài)耦合介質(zhì)進(jìn)行鋼軌探傷的方法，該方法利用超聲波束直接通過(guò)固態(tài)的滑板耦合到鋼軌內(nèi)，減小了在使用耦合液時(shí)出現(xiàn)的滯后，它能在一定程度上減少回波失落，然而該方法仍然存在一些缺陷與不足首先，采用固態(tài)耦合介質(zhì)不能從實(shí)質(zhì)上增加探頭數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間，實(shí)際上的探傷速度并不能大幅度提高，而且固態(tài)耦合介質(zhì)在磨損后影響探傷性能且更換復(fù)雜；第二，采用傳統(tǒng)的脈沖回波法進(jìn)行缺陷檢測(cè)，在遇到取向與檢測(cè)面垂直的缺陷難以檢出，而且不能精確地定量檢出缺陷的大小。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前在超聲鋼軌探傷技術(shù)領(lǐng)域存在的一些諸如探傷速度難以提高、效率低下、與檢測(cè)面垂直的缺陷檢出率低以及定量檢測(cè)性能不佳等不足，本發(fā)明提出一種基于三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置與方法。本發(fā)明采用履帶式滾進(jìn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車輪驅(qū)動(dòng)探傷車行走，從而使相同的探傷速度下對(duì)鋼軌某一區(qū)域的數(shù)據(jù)采樣時(shí)間大大增加。另一方面，該探傷裝置行車系統(tǒng)的履帶式結(jié)構(gòu)是三向的，而利用所述裝置的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一種更為精確的探傷方法。為達(dá)到本發(fā)明所期望的目的，將采用如下技術(shù)方案
該基于三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置，包括三向履帶式行車系統(tǒng)、若干個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)和超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)。其中，所有三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)和超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)安裝于三向履帶式行車系統(tǒng)上，由三向履帶式行車系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)所述基于三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置行進(jìn)；所述三向履帶式行車系統(tǒng)的履帶上內(nèi)嵌各個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的三向探頭；所有三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)均與超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)并行連接；而超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)對(duì)并行工作的各個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行管理。本發(fā)明所述三向履帶式行車系統(tǒng)，包括3組履帶，其中位于鋼軌上方的履帶為主履帶，左右兩側(cè)的履帶為輔履帶，由主履帶負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)探傷小車行進(jìn)。3組履帶在沿鋼軌走向的方向上均內(nèi)嵌若干超聲波探頭，檢測(cè)時(shí)分別緊貼于鋼軌的正上方以及左右兩側(cè)。根據(jù)履帶沿鋼軌走向的長(zhǎng)度將內(nèi)嵌超聲探頭的履帶劃分為若干檢測(cè)子區(qū)(假設(shè)為N)，其中每個(gè)子區(qū)中每一側(cè)履帶都搭載1個(gè)超聲探頭，因?yàn)榫哂?組履帶，故而劃分的每個(gè)子區(qū)在三個(gè)方向上共搭載3個(gè)超聲探頭。在垂直于鋼軌走向的某一剖面上，子區(qū)搭載的這3個(gè)超聲探頭即是三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的1組三向探頭；所有緊貼鋼軌的三向探頭在檢測(cè)時(shí)以不同頻率并行工作，而每一個(gè)檢測(cè)子區(qū)由一個(gè)相應(yīng)的三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)。由于這種履帶式結(jié)構(gòu)，在探傷裝置行進(jìn)時(shí)，每組三向探頭停留在鋼軌的某一固定檢測(cè)區(qū)域的時(shí)間較傳統(tǒng)方法大大增加，因而具有更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)采樣時(shí)間。所述三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)包括控制模塊、壓力傳感器、耦合介質(zhì)準(zhǔn)備裝置、超聲波發(fā)射與接收切換通道、一組三向探頭、波形采集模塊、DSP模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及損傷分析模塊。其中控制模塊與壓力傳感器、耦合介質(zhì)準(zhǔn)備裝置、超聲波發(fā)射與接收切換通道以及一組三向探頭分別相連；三向探頭除與控制模塊相連之外，仍與超聲波發(fā)射與接收切換通道以及波形采集模塊相連接；波形采集模塊與DSP模塊相連；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與損傷分析模塊互相連接，并且都與DSP模塊連接。其中，控制模塊負(fù)責(zé)接收壓力傳感器的響應(yīng)信號(hào)并向與之相連的耦合介質(zhì)準(zhǔn)備裝置、超聲波發(fā)射與接收切換通道以及一組三向探頭發(fā)送命令以控制它們工作；壓力傳感器安裝于三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)所負(fù)責(zé)檢測(cè)子區(qū)的履帶上，它負(fù)責(zé)持續(xù)監(jiān)控該檢測(cè)子區(qū)的履帶壓力是否突破某一預(yù)設(shè)的閾值；耦合介質(zhì)準(zhǔn)備裝置負(fù)責(zé)在檢測(cè)開(kāi)始之前耦合介質(zhì)的準(zhǔn)備；超聲波發(fā)射與接收切換通道用于切換該組三向探頭中各子探頭超聲的發(fā)射與接收；一組三向探頭負(fù)責(zé)在檢測(cè)時(shí)發(fā)射與接收超聲信號(hào)；波形采集模塊負(fù)責(zé)采集檢測(cè)到的波形信號(hào)；DSP模塊負(fù)責(zé)將采集的信號(hào)進(jìn)行去噪與隱藏信號(hào)提取處理；損傷分析模塊負(fù)責(zé)對(duì)DSP模塊處理后的信號(hào)進(jìn)行分析以獲取受檢鋼軌損傷信息；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于緩存DSP模塊處理后的信號(hào)以及損傷分析結(jié)果。所述超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)主控模塊、里程顯示儀表、告警模塊以及顯示模塊。里程顯示儀表、告警模塊以及顯示模塊依次與計(jì)算機(jī)主控模塊相連接，而所有三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)主控模塊并行連接。每一個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)都將并入計(jì)算機(jī)主控模塊進(jìn)行匯總并及時(shí)做出處理。計(jì)算機(jī)主控模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控所有三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如果某子系統(tǒng)處于激活狀態(tài)且已經(jīng)完成當(dāng)前損傷分析和數(shù)據(jù)存檔工作，則將它的所有數(shù)據(jù)存檔信息發(fā)送回計(jì)算機(jī)主控模塊，并控制該子系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)；里程顯示儀表負(fù)責(zé)顯示該裝置探傷的總里程數(shù)和當(dāng)次探傷的里程數(shù)；告警模塊負(fù)責(zé)根據(jù)計(jì)算機(jī)主控模塊發(fā)來(lái)的命令鳴響警報(bào)以提示當(dāng)前某鋼軌受檢區(qū)域有損傷；顯示模塊負(fù)責(zé)顯示當(dāng)前探傷結(jié)果。該小型履帶式鋼軌探傷裝置的探傷方法中，三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的工作包括以下具體步驟
步驟1，在探傷裝置行進(jìn)中，壓力傳感器持續(xù)處于檢測(cè)壓力的工作狀態(tài)。當(dāng)某三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)的履帶區(qū)域滾進(jìn)至與鋼軌緊密接觸時(shí)，壓力傳感器檢測(cè)到的壓力將突破某一閾值。此時(shí)，該子系統(tǒng)進(jìn)入激活狀態(tài)。步驟2，控制模塊控制超聲波發(fā)射與接收切換通道工作，使鋼軌上方的探頭A發(fā)射超聲波，而鋼軌兩側(cè)的超聲探頭B、C接收超聲波，隨后，記錄下探頭B、C接收到的波形。步驟3，控制模塊控制超聲波發(fā)射與接收切換通道工作，使鋼軌一側(cè)的探頭B發(fā)射超聲波，位于鋼軌上方的探頭A暫停工作，而位于鋼軌另一側(cè)的超聲探頭C接收超聲波，隨后，記錄下探頭C接收到的波形。步驟4，判定這組三向超聲探頭A、B、C接收到的所有波形去除直達(dá)波之外是否仍有衍射波，如果無(wú)衍射波，則該子系統(tǒng)所負(fù)責(zé)的檢測(cè)子區(qū)無(wú)損傷；如果檢測(cè)到衍射波，則跳轉(zhuǎn)至下一步驟。步驟5，使步驟2中探頭B、C檢測(cè)到的波形和步驟3中探頭C檢測(cè)到的波形通過(guò) DSP模塊的去噪及隱藏信號(hào)提取處理得出它們接收到的衍射波的聲程、相位信息。步驟6，從步驟5中得出的探頭B收到波形的衍射波聲程為
4、探頭C第1次收到波形的衍射波聲程為I1以及探頭C第2次收到波形的衍射波聲程為在該三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的受檢區(qū)域的垂直鋼軌走向的剖面建立平面直角坐標(biāo)系，根據(jù)上述求解出的《、辦、C值以及探頭A、B、C的固定位置，則可在所建立的坐標(biāo)系中確定該缺陷的具體位置，同時(shí)根據(jù)各個(gè)探頭收到波形的相位信息可以判定發(fā)生衍射的缺陷處的諸如氣泡、夾雜、裂紋上尖端、裂紋下尖端等的具體性質(zhì)。若受檢區(qū)域有多個(gè)產(chǎn)生衍射的缺陷處，則在步驟5中可得出每個(gè)探頭接收到的多次衍射波數(shù)據(jù)，根據(jù)多組聲程數(shù)據(jù)以上述方法列出多個(gè)方程組，即可求得發(fā)生衍射的各個(gè)缺陷位置，若缺陷為裂紋類缺陷，還可以根據(jù)裂紋上尖端和裂紋下尖端的具體位置計(jì)算出裂紋的長(zhǎng)度信息。所述小型履帶式鋼軌探傷裝置的超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)的工作包括以下具體步驟 步驟1，計(jì)算機(jī)主控模塊持續(xù)工作，它監(jiān)控各個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的工作狀態(tài)
休眠狀態(tài)與激活狀態(tài)；進(jìn)一步地，它監(jiān)控處于激活狀態(tài)的子系統(tǒng)的檢測(cè)進(jìn)度與數(shù)據(jù)處理進(jìn)度。步驟2，計(jì)算機(jī)主控模塊是否監(jiān)控到某個(gè)子系統(tǒng)處于激活狀態(tài)且已經(jīng)完成損傷分析與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，是則跳轉(zhuǎn)至下一步驟，否則跳轉(zhuǎn)至步驟1持續(xù)監(jiān)控；需要特別說(shuō)明的是，無(wú)論是否監(jiān)控到滿足上述條件的子系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)主控模塊對(duì)各個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的監(jiān)控都是持續(xù)不間斷進(jìn)行的。步驟3，將監(jiān)控到的該處于激活狀態(tài)且已經(jīng)完成相應(yīng)工作的子系統(tǒng)的損傷分析數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)主控模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)，切換該子系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)；需要特別說(shuō)明的是， 即使子系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，該子系統(tǒng)的壓力傳感器仍然處于工作狀態(tài)。步驟4，計(jì)算機(jī)主控模塊對(duì)于當(dāng)前存入數(shù)據(jù)庫(kù)的檢測(cè)信息再次判定其是否屬于鋼軌有損傷信息。若鋼軌有傷，顯示模塊顯示出當(dāng)前存入數(shù)據(jù)庫(kù)的損傷信息，同時(shí)鳴響告警裝置，并將當(dāng)前出現(xiàn)損傷的探傷裝置行車?yán)锍虜?shù)信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。步驟5，選擇是否持續(xù)監(jiān)控各個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)，是則仍然持續(xù)監(jiān)控；否則結(jié)束，關(guān)閉整個(gè)探傷裝置。由上述所闡述的技術(shù)方案可知，本發(fā)明創(chuàng)造性地采用了緊貼于鋼軌左、右、上三側(cè)的三向履帶式行車系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車輪驅(qū)動(dòng)探傷車行走；同時(shí)，基于該三向結(jié)構(gòu)提出了一種利用超聲衍射的探傷方法；另一方面，將整個(gè)履帶式鋼軌探傷裝置劃分為多個(gè)子系統(tǒng)并行檢測(cè)，而所有子系統(tǒng)由主控系統(tǒng)統(tǒng)一管理。與現(xiàn)有的鋼軌探傷裝置和技術(shù)相比，它具有如
^2，又已知波速為V，設(shè)產(chǎn)生衍射的缺陷點(diǎn)距離探頭A、B、C的位置分別為《、b、c,則有如下方程組
權(quán)利要求
1.一種基于三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置，其特征在于包括三向履帶式行車系統(tǒng)、超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)和若干個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)，其中，所有三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)和超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)安裝于三向履帶式行車系統(tǒng)上，由三向履帶式行車系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)所述基于三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置行進(jìn)；所述三向履帶式行車系統(tǒng)的履帶上內(nèi)嵌各個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的三向探頭；所有三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)均與超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)并行連接；而超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)對(duì)并行工作的各個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置，其特征在于所述三向履帶式行車系統(tǒng)包括三組履帶，其中位于鋼軌上方的履帶為主履帶，左右兩側(cè)的履帶為輔履帶，由主履帶負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)探傷小車行進(jìn)；3組履帶在沿鋼軌走向的方向上均內(nèi)嵌若干超聲波探頭，檢測(cè)時(shí)分別緊貼于鋼軌的正上方以及左右兩側(cè)；根據(jù)履帶沿鋼軌走向的長(zhǎng)度將內(nèi)嵌超聲探頭的履帶劃分為若干檢測(cè)子區(qū)，其中每個(gè)子區(qū)中每一側(cè)履帶都搭載一個(gè)超聲探頭，劃分的每個(gè)子區(qū)在正上方以及左右兩側(cè)三個(gè)方向上共搭載三個(gè)超聲探頭；在垂直于鋼軌走向的某一剖面上，所述子區(qū)搭載的三個(gè)超聲探頭即是所述三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)中的一組三向探頭；所有緊貼鋼軌的三向探頭在檢測(cè)時(shí)以不同頻率并行工作，而每一個(gè)檢測(cè)子區(qū)由一個(gè)相應(yīng)的三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置，其特征在于所述三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)包括控制模塊、壓力傳感器、耦合介質(zhì)準(zhǔn)備裝置、超聲波發(fā)射與接收切換通道、一組三向探頭、波形采集模塊、DSP模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及損傷分析模塊，其中控制模塊與壓力傳感器、耦合介質(zhì)準(zhǔn)備裝置、超聲波發(fā)射與接收切換通道以及一組三向探頭分別相連；三向探頭除與控制模塊相連之外，仍與超聲波發(fā)射與接收切換通道以及波形采集模塊相連接；波形采集模塊與DSP模塊相連；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與損傷分析模塊互相連接，并且都與DSP模塊連接；其中，控制模塊負(fù)責(zé)接收壓力傳感器的響應(yīng)信號(hào)并向與之相連的耦合介質(zhì)準(zhǔn)備裝置、超聲波發(fā)射與接收切換通道以及一組三向探頭發(fā)送命令以控制它們工作；壓力傳感器安裝于三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)所負(fù)責(zé)檢測(cè)子區(qū)的履帶上，它負(fù)責(zé)持續(xù)監(jiān)控該檢測(cè)子區(qū)的履帶壓力是否突破預(yù)設(shè)的閾值；耦合介質(zhì)準(zhǔn)備裝置負(fù)責(zé)在檢測(cè)開(kāi)始之前耦合介質(zhì)的準(zhǔn)備；超聲波發(fā)射與接收切換通道用于切換該組三向探頭中各子探頭超聲的發(fā)射與接收；一組三向探頭負(fù)責(zé)在檢測(cè)時(shí)發(fā)射與接收超聲信號(hào)；波形采集模塊負(fù)責(zé)采集檢測(cè)到的波形信號(hào)；DSP模塊負(fù)責(zé)將采集的信號(hào)進(jìn)行去噪與隱藏信號(hào)提取處理；損傷分析模塊負(fù)責(zé)對(duì)DSP模塊處理后的信號(hào)進(jìn)行分析以獲取受檢鋼軌損傷信息；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于緩存DSP模塊處理后的信號(hào)以及損傷分析結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置，其特征在于所述超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)主控模塊、里程顯示儀表、告警模塊以及顯示模塊，里程顯示儀表、告警模塊以及顯示模塊依次與計(jì)算機(jī)主控模塊相連接，而所有三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)主控模塊并行連接；每一個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)都并入計(jì)算機(jī)主控模塊進(jìn)行匯總并及處理；計(jì)算機(jī)主控模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控所有三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如果某子系統(tǒng)處于激活狀態(tài)且已經(jīng)完成當(dāng)前損傷分析和數(shù)據(jù)存檔工作，則將它的所有數(shù)據(jù)存檔信息發(fā)送回計(jì)算機(jī)主控模塊，并控制該子系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)；里程顯示儀表負(fù)責(zé)顯示該裝置探傷的總里程數(shù)和當(dāng)次探傷的里程數(shù)；告警模塊負(fù)責(zé)根據(jù)計(jì)算機(jī)主控模塊發(fā)來(lái)的命令鳴響警報(bào)以提示當(dāng)前某鋼軌受檢區(qū)域有損傷；顯示模塊負(fù)責(zé)顯示當(dāng)前探傷結(jié)果。
5.權(quán)利要求廣4任一項(xiàng)所述小型履帶式鋼軌探傷裝置的探傷方法，包括超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)和三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的工作過(guò)程，其特征在于超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)的工作包括如下步驟步驟1，超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)主控模塊持續(xù)工作，它監(jiān)控各個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的工作狀態(tài)休眠狀態(tài)與激活狀態(tài)；進(jìn)一步地，它監(jiān)控處于激活狀態(tài)的三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的檢測(cè)進(jìn)度與數(shù)據(jù)處理進(jìn)度；步驟2，計(jì)算機(jī)主控模塊是否監(jiān)控到某個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)處于激活狀態(tài)且已經(jīng)完成損傷分析與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，是則跳轉(zhuǎn)至下一步驟，否則跳轉(zhuǎn)至步驟1持續(xù)監(jiān)控；需要特別說(shuō)明的是，無(wú)論是否監(jiān)控到滿足上述條件的子系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)主控模塊對(duì)各個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的監(jiān)控都是持續(xù)不間斷進(jìn)行的；步驟3，將監(jiān)控到的該處于激活狀態(tài)且已經(jīng)完成相應(yīng)工作的三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的損傷分析數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)主控模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)，切換該三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)；即使子系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，該子系統(tǒng)的壓力傳感器仍然處于工作狀態(tài)；步驟4，計(jì)算機(jī)主控模塊對(duì)于當(dāng)前存入數(shù)據(jù)庫(kù)的檢測(cè)信息再次判定其是否屬于鋼軌有損傷信息；若鋼軌有傷，顯示模塊顯示出當(dāng)前存入數(shù)據(jù)庫(kù)的損傷信息，同時(shí)鳴響告警裝置， 并將當(dāng)前出現(xiàn)損傷的探傷裝置行車?yán)锍虜?shù)信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)；步驟5，選擇是否持續(xù)監(jiān)控各個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)，是則仍然持續(xù)監(jiān)控；否則結(jié)束，關(guān)閉整個(gè)探傷裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的的探傷方法，其特征在于所述三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的工作包括如下步驟步驟一，在探傷裝置行進(jìn)中，壓力傳感器持續(xù)處于檢測(cè)壓力的工作狀態(tài)；當(dāng)某三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)的履帶區(qū)域滾進(jìn)至與鋼軌緊密接觸時(shí)，壓力傳感器檢測(cè)到的壓力將突破某一閾值，此時(shí)，該三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)入激活狀態(tài)；步驟二，控制模塊控制超聲波發(fā)射與接收切換通道工作，使鋼軌上方的探頭(A)發(fā)射超聲波，而鋼軌兩側(cè)的超聲探頭(B、C)接收超聲波，隨后，記錄下鋼軌兩側(cè)的超聲探頭(B、C) 接收到的波形；步驟三，控制模塊控制超聲波發(fā)射與接收切換通道工作，使鋼軌一側(cè)的超聲探頭(B)發(fā)射超聲波，位于鋼軌上方的探頭(A)暫停工作，而位于鋼軌另一側(cè)的超聲探頭(C)接收超聲波，隨后，記錄下該另一側(cè)的超聲探頭(C)接收到的波形；步驟四，判定該三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)中的這組三向超聲探頭(A、B、C)接收到的所有波形去除直達(dá)波之外是否仍有衍射波，如果無(wú)衍射波，則該子系統(tǒng)所負(fù)責(zé)的檢測(cè)子區(qū)無(wú)損傷，不進(jìn)行以下步驟；如果檢測(cè)到衍射波，則進(jìn)入下一步驟；步驟五，使步驟二中鋼軌兩側(cè)的超聲探頭(B、C)檢測(cè)到的波形和步驟三中所述另一側(cè)的超聲探頭(C)檢測(cè)到的波形通過(guò)DSP模塊的去噪及隱藏信號(hào)提取處理得出它們接收到的衍射波的聲程、相位信息；步驟六，從步驟五中得出的鋼軌一側(cè)的超聲探頭(B)收到波形的衍射波聲程為k、所述另一側(cè)的超聲探頭(C)第1次收到波形的衍射波聲程為Ik以及第2次收到波形的衍射波聲程為4 ,已知波速為ν設(shè)產(chǎn)生衍射的缺陷點(diǎn)距離該三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)中的三向個(gè)超聲探頭(A、B、C)的位置分別為fli、ft、e ,則有如下方程組在該三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的受檢區(qū)域的垂直鋼軌走向的剖面建立平面直角坐標(biāo)系，求解出的a、δ、e值以及三向個(gè)超聲探頭(A、B、C)的固定位置，則能在所建立的坐標(biāo)系中確定該缺陷的具體位置，同時(shí)根據(jù)各個(gè)探頭收到波形的相位信息能判定發(fā)生衍射的缺陷處的具體性質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的探傷方法，其特征在于所述缺陷處的具體性質(zhì)包括氣泡、夾雜、裂紋上尖端或裂紋下尖端，若受檢區(qū)域有多個(gè)產(chǎn)生衍射的缺陷處，則在步驟5中得出每個(gè)探頭接收到的多次衍射波數(shù)據(jù)，根據(jù)多組衍射波聲程數(shù)據(jù)列出多個(gè)方程組，即能求得發(fā)生衍射的各個(gè)缺陷位置；若缺陷為裂紋類缺陷，還能根據(jù)裂紋上尖端和裂紋下尖端的具體位置計(jì)算出裂紋的長(zhǎng)度信息。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置及方法，裝置包括三向履帶式行車系統(tǒng)、超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)和若干個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)，其中，所有三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)和超聲檢測(cè)主控系統(tǒng)安裝于三向履帶式行車系統(tǒng)上；所述三向履帶式行車系統(tǒng)的履帶上內(nèi)嵌各個(gè)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的三向探頭；方法通過(guò)三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)均與三向超聲衍射檢測(cè)子系統(tǒng)的工作，采用履帶式探傷，使相同的探傷速度下對(duì)鋼軌某一區(qū)域的數(shù)據(jù)采樣時(shí)間大大增加，同時(shí)基于所述三向結(jié)構(gòu)，利用衍射波的傳播聲程進(jìn)行缺陷估計(jì)，因而對(duì)接收回波脈沖的能量、幅值的大小不敏感，在能量衰減較大的檢測(cè)環(huán)境中仍然能夠精確工作。
文檔編號(hào)G01N29/04GK102230915SQ201110085910
公開(kāi)日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者吳怡, 張軍, 梁永麟, 韋崗 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)