本發(fā)明屬于無損檢測領域，具體涉及一種鐵軌軌腰表面裂紋微形變檢測裝置及檢測方法。

背景技術：

我國根據鋼軌的傷損種類、傷損位置及傷損原因進行分類，共分為9類32種傷損，并用兩位數編號，十位數表示傷損部位和狀態(tài)，個位數表示造成傷損的原因?；疖囦撥壟律P，日曬雨淋、火車廢物排泄是造成鋼軌生銹的主要原因，即便鐵路工務工人每天保持日常養(yǎng)護、涂油(有機車涂油和人工涂油)，但銹蝕對鋼軌的損害依然很大。銹蝕會慢慢地侵蝕軌面，把軌面侵蝕成高低不平狀，有些地方就會開始掉塊，掉塊到一定程度，軌面將變得凹凸不平，有的邊緣會被壓塌，這樣車輪開過的時候火車就會顛簸。

已經應用的鐵軌損傷檢測方法有電磁探傷、電容、激光紅外等方法，隨著光學測量技術的結構無傷性和測量精密性的優(yōu)勢的突顯，光學測量技術已經廣泛應用于生產工業(yè)的各個領域。目前天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室對基于低相干方法的譜域以及掃頻域都進行了研究，主要成就為對光可穿透物體的層析成像領域研究。

技術實現要素：

針對如何對長距離軌道裂紋缺陷進行高速檢測問題，本發(fā)明提出一種基于高速時域低相干的鐵軌軌腰表面裂紋微形變檢測裝置及方法，通過對普通時域邁克爾遜干涉測量法進行改進，消除了原本的光源光功率振動誤差和參考臂光程誤差的影響，可以縮小損傷定位的范圍，方便進行更高精度以及更加準確的損傷位置查找。

實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發(fā)明通過以下技術方案實現：

一種鐵軌軌腰表面裂紋微形變檢測裝置，包括寬帶光源、第一耦合器、參考臂、第一樣品臂、第二樣品臂、第一信號采集電路和第二信號采集電路；

所述參考臂包括壓電陶瓷；所述寬帶光源的光經過第一耦合器后分成參考光和信號光，所述參考光經過第一環(huán)形器后到達壓電陶瓷，經過壓電陶瓷表面反射后返回第一環(huán)形器出射，出射光由第二耦合器分成兩路出射參考光，兩路出射參考光分別進入到第一信號采集電路和第二信號采集電路；所述信號光經過第三耦合器后分成兩路信號光，兩路信號光分別經過對應的第一樣品臂、第二樣品臂后到達鐵軌軌腰表面，經過鐵軌軌腰表面反射后返回到對應的第一樣品臂、第二樣品臂出射，兩路出射信號光分別進入到第一信號采集電路和第二信號采集電路。

進一步地，所述第一信號采集電路和第二信號采集電路均包括順次相連的第四耦合器、光電探測器、數據采集卡，第四耦合器用于接收參考光和出射信號光。

進一步地，所述光電探測器為平衡放大光電探測器。

進一步地，所述第一樣品臂和第二樣品臂均包括：順次相連的第二環(huán)形器和光纖；所述第一樣品臂中的第二環(huán)形器分別與第三耦合器和第一信號采集電路中的第四耦合器相連；所述第二樣品臂中的第二環(huán)形器分別與第三耦合器和第二信號采集電路中的第四耦合器相連。

進一步地，所述數據采集卡采用的是型號為USB6211的數據采集卡。

一種鐵軌軌腰表面裂紋微形變檢測方法，包括以下步驟：

(1)將寬帶光源的光經過第一耦合器分成參考光和信號光；

(2)參考光經過第一環(huán)形器后到達壓電陶瓷，經過壓電陶瓷表面反射后返回第一環(huán)形器出射，出射光由第二耦合器分成兩路出射參考光，兩路出射參考光分別進入到第一信號采集電路和第二信號采集電路；

(3)信號光經過第三耦合器后分成兩路信號光，兩路信號光分別經過對應的第一樣品臂、第二樣品臂后到達鐵軌軌腰表面，經過鐵軌軌腰表面反射后返回到對應的第一樣品臂、第二樣品臂出射，兩路出射信號光分別進入到第一信號采集電路和第二信號采集電路；

(4)兩路出射參考光分別與對應的出射信號光發(fā)生干涉，由光電探測器分別進行光電轉換后傳送到數據采集卡進行數據采集，最后傳到計算機進行數據處理。

進一步地，所述第一信號采集電路和第二信號采集電路均包括順次相連的第四耦合器、光電探測器、數據采集卡，第四耦合器用于接收兩路出射參考光和兩路出射信號光。

進一步地，所述第一樣品臂和第二樣品臂均包括：順次相連的第二環(huán)形器和光纖；所述第一樣品臂中的第二環(huán)形器分別與第三耦合器和第一信號采集電路中的第四耦合器相連；所述第二樣品臂中的第二環(huán)形器分別與第三耦合器和第二信號采集電路中的第四耦合器相連。

進一步地，所述第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器均為1x2耦合器；所述第四耦合器為2x2耦合器。

進一步地，所述步驟(4)具體包括以下步驟：

4.1兩路出射參考光分別與對應的出射信號光發(fā)生干涉，形成兩路干涉信號；

4.2利用光電探測器對兩路干涉信號進行光電轉換后傳送到數據采集卡，然后在傳送到計算機；

4.3計算機首先對兩路干涉信號進行去噪處理，直流項和自相干項去除后，然后利用移相相減法對第一信號采集電路和第二信號采集電路上得到的兩路干涉信號進行移相后相減，從而得到穩(wěn)定的信號，當檢測到不穩(wěn)定信號時，說明鐵軌軌腰出現損傷裂紋，從而實現損傷的精確檢測。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明采用非接觸光學低相干缺陷檢測方法，實現長距離快速定位檢測；

2、本發(fā)明利用低相干的信號進行探測，可以達到更高精度的位移測量，因此對于早期的微小裂紋更容易檢測，能夠提早排除安全隱患；

3、本發(fā)明中通過一路干涉信號可以檢測位移差的改變，即檢測鐵軌是否出現了裂紋、腐蝕凹陷等；通過將移相相減法與兩路干涉信號結合，可以確定鐵軌軌腰是否出現彎曲程度的變形，能夠更全面的對損傷類型進行分析。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的鐵軌軌腰表面裂紋微形變檢測裝置的結構示意圖；

圖2鐵軌的橫截面結構示意圖；

圖3為干涉信號產生的原理圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結合附圖對本發(fā)明的應用原理作詳細的描述。

實施例一

如圖1-3所示，一種鐵軌軌腰表面裂紋微形變檢測裝置，包括寬帶光源、第一耦合器、參考臂、第一樣品臂、第二樣品臂、第一信號采集電路和第二信號采集電路；

所述參考臂包括壓電陶瓷；所述寬帶光源的光經過第一耦合器后分成參考光和信號光，所述參考光經過第一環(huán)形器后到達壓電陶瓷，經過壓電陶瓷表面反射后返回第一環(huán)形器出射，出射光由第二耦合器分成兩路出射參考光，兩路出射參考光分別進入到第一信號采集電路和第二信號采集電路；所述信號光經過第三耦合器后分成兩路信號光，兩路信號光分別經過對應的第一樣品臂、第二樣品臂后到達鐵軌軌腰表面，經過鐵軌軌腰表面反射后返回到對應的第一樣品臂、第二樣品臂出射，兩路出射信號光分別進入到第一信號采集電路和第二信號采集電路。

優(yōu)選地，所述第一信號采集電路和第二信號采集電路均包括順次相連的第四耦合器、光電探測器、數據采集卡，第四耦合器用于接收兩路出射參考光和兩路出射信號光。

優(yōu)選地，所述第一樣品臂和第二樣品臂均包括：順次相連的第二環(huán)形器和光纖；所述第一樣品臂中的第二環(huán)形器分別與第三耦合器和第一信號采集電路中的第四耦合器相連；所述第二樣品臂中的第二環(huán)形器分別與第三耦合器和第二信號采集電路中的第四耦合器相連；光纖來實現長距離快速定位檢測。

優(yōu)選地，所述數據采集卡的型號為USB6211。

在本實施例中，第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器均為：1x2耦合器；第四耦合器均為2x2耦合器。

綜上所述，鐵軌軌腰表面裂紋微形變檢測裝置的具體工作過程是：

首先利用寬帶光源、第一耦合器、參考臂、第一樣品臂、第二樣品臂、第一信號采集電路和第二信號采集電路產生兩路低相干的干涉信號；

對兩路干涉信號進行去除直流項和自相干項的干擾后，得到去噪后的干涉信號；

由于兩個的樣品臂分別代表不同的軌腰位置，而參考臂為同一參考臂，當軌腰表面為平整狀態(tài)時，兩路干涉信號之間位移差應該是固定的，當這個固定值發(fā)生改變時，則證明了軌腰發(fā)生了變形，從而檢測鐵軌是否出現了裂紋、腐蝕凹陷等；通過將移相相減法與兩路干涉信號結合，可以確定鐵軌軌腰是否出現彎曲程度的變形，能夠更全面的對損傷類型進行分析。

實施例二

由物理光學可知，發(fā)生干涉的兩列光波除了必須滿足頻率相同、振動方向相同、相位差恒定等基本條件之外，還必須滿足光程差在光源的相干長度之內這一充分條件，低相干干涉就是利用這點產生的，光源的相干長度的計算公式為：

其中：λ₀代表光源的中心波長，Δλ代表波長帶寬；相干長度表示測量軌腰變形的最小精度。

由上式可見，本發(fā)明利用低相干的信號進行探測，可以達到更高精度的位移測量(即可以測出微觀的鐵軌變形)，因此對于早期的微小裂紋更容易檢測，能夠提早排除安全隱患。

經由參考臂、樣品臂反射后匯合的干涉信號可表示為：

式中：P_r代表從參考臂返回的參考光的光強，稱之為直流項；P₀代表從樣品臂返回的出射信號光的光強，r(z)和φ(z)分別代表鐵軌軌腰表面的反射系數的幅度和相位，Γ(z)是光源自相關函數，k(t)代表時變的光波數，z代表參考臂與樣品臂位移差大小。

代表鐵軌表面產生的干擾光強(即變化位移之間的干涉光強),稱之為自相關項，P_r和均為會對最后得到的圖像形成干擾背景的噪聲信號，為參考臂與樣品臂之間的干涉光強，即光學低相干系統探測到的有效干涉光譜信號。

圖3表示當參考臂與樣品臂的光程差從0開始變化時，產生的干涉信號圖形光強變化形式，即對低相干干涉的說明。

干涉光強信號為周期性的光強包絡圖，由于本申請中采用的是雙路干涉，兩路干涉信號的唯一差異為相位偏移，因此將兩路干涉信號經過移相相減的方法可得到近似0值的一條直線，通過觀察直線的波動即可得出鐵軌軌腰的損傷位置和變形程度。

一種鐵軌軌腰表面裂紋微形變檢測方法，包括以下步驟：

(1)將寬帶光源的光經過第一耦合器分成參考光和信號光；

(2)參考光經過第一環(huán)形器后到達壓電陶瓷，經過壓電陶瓷表面反射后返回第一環(huán)形器出射，出射光由第二耦合器分成兩路出射參考光，兩路出射參考光分別進入到第一信號采集電路和第二信號采集電路；

(3)信號光經過第三耦合器后分成兩路信號光，兩路信號光分別經過對應的第一樣品臂、第二樣品臂后到達鐵軌軌腰表面，經過鐵軌軌腰表面反射后返回到對應的第一樣品臂、第二樣品臂出射，兩路出射信號光分別進入到第一信號采集電路和第二信號采集電路；

(4)兩路出射參考光分別與對應的出射信號光發(fā)生干涉，由光電探測器分別進行光電轉換后傳送到數據采集卡進行數據采集，最后傳到計算機進行數據處理。

優(yōu)選地，所述第一信號采集電路和第二信號采集電路均包括順次相連的第四耦合器、光電探測器、數據采集卡，第四耦合器用于接收兩路出射參考光和兩路出射信號光。

優(yōu)選地，所述第一樣品臂和第二樣品臂均包括：順次相連的第二環(huán)形器和光纖；所述第一樣品臂中的第二環(huán)形器分別與第三耦合器和第一信號采集電路中的第四耦合器相連；所述第二樣品臂中的第二環(huán)形器分別與第三耦合器和第二信號采集電路中的第四耦合器相連。

優(yōu)選地，所述步驟(4)具體包括以下步驟：

4.1兩路出射參考光分別與對應的出射信號光發(fā)生干涉，形成兩路干涉信號；

4.2利用光電探測器對兩路干涉信號進行光電轉換后傳送到數據采集卡，然后在傳送到計算機；

4.3計算機首先對兩路干涉信號進行去噪處理(即去除直流項和自相干項去除后的干擾)，得到去噪后的干涉信號，然后利用移相相減法對第一信號采集電路和第二信號采集電路上得到的兩路干涉信號進行移相后相減，從而得到穩(wěn)定的信號，當檢測到不穩(wěn)定信號時，說明鐵軌軌腰出現損傷裂紋，從而實現損傷的精確檢測。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。