專利名稱：一種基于三向電磁差動傳感器的鐵軌損傷探測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電磁檢測技術(shù)中電磁探傷應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種基于三向電磁差動傳感器的鐵軌損傷探測裝置及方法。
背景技術(shù)：
鐵軌是現(xiàn)代交通體系中一種非常重要的交通工具，對國民經(jīng)濟和人民生活的影響越來越大。然而近些年不斷出現(xiàn)的鐵軌事故，讓人們開始關(guān)注鐵軌的運行安全問題。在鐵軌事故中，相當(dāng)一部分是由于鐵軌出現(xiàn)損傷，致使鐵軌受力不均，進而使損傷變得嚴重，最終釀成無法挽回的事故；尤其是鐵軌普遍提速的今天，微小的鐵軌損傷都可能很大的經(jīng)濟損失，甚至給乘客帶來生命危險。而鐵軌由于材質(zhì)問題、勞損、以及焊接時的質(zhì)量問題等多方面都可能致使鐵軌出現(xiàn)斷軌的問題。因此對鐵軌的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測顯得至關(guān)重要而具有實際意義。在現(xiàn)有技術(shù)中，鐵軌損傷的探測裝置與方法主要有以光電編碼器、光棚測量尺為傳感器的鐵軌監(jiān)測車，超聲波探測法，以及人工經(jīng)驗檢測法等。其中，基于光學(xué)的檢查車雖然精度高些，但是容易受到雪、雨和光軸的滑到等影響，而且需要專門配備檢測機車，不僅成本高，而且對鐵路的正常運行產(chǎn)生影響；基于超聲波的探測方法是利用超聲波遇到裂紋時發(fā)生衍射的原理， 只能對出現(xiàn)裂縫的鐵軌進行準確探測，對于鐵軌表面、內(nèi)部的損傷效果不是很理想；基于人工的損傷探測，對人工的經(jīng)驗要求非常高，而且工作量大，效率低，人工成本高。本發(fā)明基于三向電磁差動傳感器的鐵軌損傷探測裝置及方法，不僅不受到各種天氣影響，而且還可以配備在任何一輛火車機車上，在不影響鐵路正常運行的情況下，實時監(jiān)測各鐵軌的運行情況。采用差動式結(jié)構(gòu)的電磁傳感器能夠準確判斷鐵軌狀態(tài)，采用三向設(shè)計的電磁差動傳感器可以區(qū)分鐵軌多部位的損傷檢測。本發(fā)明優(yōu)點在于，實現(xiàn)成本低、快速準確，能全方位監(jiān)測鐵軌軌顎、軌腰、軌座處的微小損傷，還可用于鐵軌焊接質(zhì)量的質(zhì)檢上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于三向電磁差動傳感器的鐵軌損傷探測裝置及方法，能夠快速準確的檢測鐵軌狀態(tài)，確定鐵軌損傷的具體里程位置以及鐵軌損傷發(fā)生的具體部位。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種基于三向電磁差動傳感器的鐵軌損傷探測裝置，包括三向電磁差動傳感器、信號調(diào)理電路、FPGA控制芯片、上位機，其中，所述的三向電磁差動傳感器包括傳感器支架，支架的前部設(shè)有三個指向不同方向的分叉，在每個分叉上設(shè)置一個探頭，所述的探頭包括檢測線圈和激勵線圈，激勵線圈纏繞在分叉的中段；檢測線圈由一根導(dǎo)線繞制而成，按照繞線的方向和位置的不同分為兩部分，一部分纏繞在分叉前段，另一部分纏繞在分叉后段，兩部分的匝數(shù)相同，但纏繞方向相反，前者用于測量鐵軌端感應(yīng)信號，后者用于測量空場感應(yīng)信號，以此產(chǎn)生差動效果，三個探頭分別用于探測鐵軌的軌腰、軌顎、軌座位置是否出現(xiàn)損傷；作為優(yōu)選實施方式，F(xiàn)PGA控制芯片發(fā)送的激勵信號經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換和功率放大后加載在各個探頭的激勵線圈上，三組檢測線圈的測量信號經(jīng)過信號調(diào)理電路的處理后再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換被送入FPGA控制芯片，F(xiàn)PGA控制芯片再將三組檢測線圈的3組感應(yīng)信號被傳送回上位機，上位機用于對采集的3組數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的正交解調(diào)，根據(jù)信號解調(diào)后的互感值幅值是否發(fā)生突變，判斷鐵軌是否出現(xiàn)損傷及出現(xiàn)損傷的部位。本發(fā)明同時提供一種采用所述的鐵軌損傷探測裝置實現(xiàn)的探測方法，該探測裝置在使用時，將三向電磁差動傳感器固定于列車底部，使三個探頭分別靠近鐵軌的軌腰、軌顎、軌座處，在列車行進的時候，F(xiàn)PGA控制芯片輸出激勵信號經(jīng)功率放大后傳送至三向電磁差動傳感器的激勵線圈，3組差動檢測線圈的3組感應(yīng)信號實時傳送回上位機；上位機對采集的3組數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的正交解調(diào)，若某一時刻某一組采集數(shù)據(jù)的互感幅值發(fā)生突變，則判斷此刻此組傳感器對應(yīng)的鐵軌位置出現(xiàn)損傷；之后，記錄并保存出現(xiàn)損傷處對應(yīng)的采集時間，并通過里程換算得出鐵軌出現(xiàn)損傷的具體里程位置。綜上所述，本發(fā)明所提供的基于三向電磁差動傳感器的鐵軌損傷探測裝置及方法，能夠在不受各種天氣因素影響下、不影響鐵路系統(tǒng)正常運行的情況下，通過搭載在火車機車上的傳感器實現(xiàn)鐵軌沿線的損傷探測，能夠確定損傷發(fā)生的具體里程位置及損傷部位，并將檢測結(jié)果實時反映給鐵軌維護站的人員。


圖1為本發(fā)明中的三向電磁差動傳感器的安裝示意圖；圖2為本發(fā)明中的鐵軌探傷原理框圖；圖3為本發(fā)明中的電磁差動傳感器的原理圖與繞制方法。
具體實施方式
·以下結(jié)合圖1 圖3，詳細說明本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。本發(fā)明提供的探測裝置用于實時監(jiān)測鐵軌損傷情況，并及時將信息反饋給鐵軌維護站人員。整個探測裝置具體包含:三向電磁差動傳感器I;與三向電磁差動傳感器I通過線路連接的功率放大電路與信號調(diào)理電路2 ；以及連接信號調(diào)理電路和FPGA的A/D及D/A轉(zhuǎn)換電路3 ；以及作為控制器的FPGA芯片4。圖1為本發(fā)明三向電磁差動傳感器I的主體結(jié)構(gòu)及安裝裝部位示意圖。本發(fā)明的三向電磁差動傳感器I采用三向設(shè)計，包括支架14，支架的前部設(shè)有三個指向不同方向的分叉，在每個分叉上分別繞線制成一個電磁差動傳感器11，12，13，稱其為探頭。使用時，支架的后部可通過一個伸縮桿(圖中未畫出)固定在列車底部，需要檢測的時候，伸縮桿伸出，使得三個探頭正好分別位于靠近鐵軌的軌腰、軌顎、軌座部位，隨著列車的運行，由三向電磁差動傳感器I感知的三組獨立的測量信號能夠同時分別反映鐵軌軌腰、軌顎、軌座部位的損傷，探傷更精確，效率更聞。構(gòu)成三向電磁差動傳感器的每個電磁差動傳感器，構(gòu)造和測量原理都是一樣的，利用差分結(jié)構(gòu)將線圈拆繞在各個分叉上制作而成(如圖3):激勵線圈繞制在三向電磁差動傳感器每一向探頭的中段，檢測線圈在三向頭靠近鐵軌一端順時針繞制N匝，再在三向頭另一端逆時針繞制N匝，N為30 200，二者分別用于測量鐵軌端感應(yīng)信號及空場感應(yīng)信號，兩者相抵產(chǎn)生差動作用，消除了空場信號波動帶來的誤差。AD9754芯片(實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換)將FPGA發(fā)出的數(shù)字正弦激勵信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)過信號調(diào)理電路2接入三向電磁差動傳感器的激勵線圈；三向傳感器的感應(yīng)線圈將感應(yīng)信號傳給放大濾波單元處理后，由AD9240 (實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換)進行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)化結(jié)果傳向FPGA芯片。FPGA控制芯片實現(xiàn)正弦激勵信號的產(chǎn)生，內(nèi)部各模塊的工作時序控制，采集數(shù)據(jù)的正交解調(diào)，以及同上位機通信等工作。本發(fā)明的鐵軌在線檢測方法，包含以下步驟:步驟1，在確定需要探測的鐵軌路段后，將三向電磁差動傳感器固定于列車底部靠近鐵軌一側(cè)的位置(如圖1)，電磁傳感器與鐵軌保持2cm IOcm的較近距離且非接觸。隨著列車開動，電磁傳感器可以沿鐵軌線實時檢測。步驟2，在傳感器放置完畢后，將FPGA控制芯片提供的激勵信號經(jīng)功率放大后傳送至三向電磁差動傳感器的激勵線圈，并將3組差動檢測線圈的3組感應(yīng)信號實時傳送回上位機。步驟3，上位機對采集的3組數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的正交解調(diào)，并將每組信號解調(diào)后的互感值幅值顯示在上位機界面上。當(dāng)某一組采集數(shù)據(jù)的互感幅值發(fā)生突變時，就可判斷:此刻此組傳感器對應(yīng)的鐵軌位置出現(xiàn)損傷。步驟4，上位機記錄并保存出現(xiàn)損傷處對應(yīng)的采集時間，并通過里程換算得出鐵軌出現(xiàn)損傷的具體里程位置，并通過GPRS將信息發(fā)送給鐵軌檢修站。采集的三組數(shù)據(jù)幅值分別對應(yīng)鐵軌的軌顎、軌腰、軌座處，可以更精確的確定損傷位置，以供檢修人員及時維修。

綜上所述，本發(fā)明所提供的基于三向電磁差動傳感器的鐵軌損傷探測裝置及方法，能夠在不受各種天氣因素影響下、不影響鐵路系統(tǒng)正常運行的情況下，通過搭載在火車機車上的傳感器實現(xiàn)鐵軌沿線的損傷探測，能夠確定損傷發(fā)生的具體里程位置及損傷部位，并將檢測結(jié)果實時反映給鐵軌維護站的人員。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當(dāng)認識到上述的描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種基于三向電磁差動傳感器的鐵軌損傷探測裝置，包括三向電磁差動傳感器、信號調(diào)理電路、FPGA控制芯片、上位機，其中， 所述的三向電磁差動傳感器包括傳感器支架，支架的前部設(shè)有三個指向不同方向的分叉，在每個分叉上設(shè)置一個探頭，所述的探頭包括檢測線圈和激勵線圈，激勵線圈纏繞在分叉的中段；檢測線圈由一根導(dǎo)線繞制而成，按照繞線的方向和位置的不同分為兩部分，一部分纏繞在分叉前段，另一部分纏繞在分叉后段，兩部分的匝數(shù)相同，但纏繞方向相反，前者用于測量鐵軌端感應(yīng)信號，后者用于測量空場感應(yīng)信號，以此產(chǎn)生差動效果，三個探頭分別用于探測鐵軌的軌腰、軌顎、軌座位置是否出現(xiàn)損傷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三向電磁差動傳感器的鐵軌損傷探測裝置，其特征在于，F(xiàn)PGA控制芯片發(fā)送的激勵信號經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換和功率放大后加載在各個探頭的激勵線圈上，三組檢測線圈的測量信號經(jīng)過信號調(diào)理電路的處理后再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換被送入FPGA控制芯片，F(xiàn)PGA控制芯片再將三組檢測線圈的3組感應(yīng)信號被傳送回上位機，上位機用于對采集的3組數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的正交解調(diào)，根據(jù)信號解調(diào)后的互感值幅值是否發(fā)生突變，判斷鐵軌是否出現(xiàn)損傷及出現(xiàn)損傷的部位。
3.一種采用權(quán)利要求1所述的鐵軌損傷探測裝置實現(xiàn)的探測方法，該探測裝置在使用時，將三向電磁差動傳感器固定于列車底部，使三個探頭分別靠近鐵軌的軌腰、軌顎、軌座處，在列車行進的時候，F(xiàn)PGA控制芯片輸出激勵信號經(jīng)功率放大后傳送至三向電磁差動傳感器的激勵線圈，3組差動檢測線圈的3組感應(yīng)信號實時傳送回上位機；上位機對采集的3組數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的正交解調(diào)，若某一時刻某一組采集數(shù)據(jù)的互感幅值發(fā)生突變，則判斷此刻此組傳感器對應(yīng)的鐵軌位置出現(xiàn)損傷；之后，記錄并保存出現(xiàn)損傷處對應(yīng)的采集時間，并通過里程換算得出鐵軌出現(xiàn) 損傷的具體里程位置。
全文摘要
本發(fā)明屬于電磁檢測技術(shù)中電磁探傷應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種基于三向電磁差動傳感器的鐵軌損傷探測裝置，包括三向電磁差動傳感器、信號調(diào)理電路、FPGA控制芯片、上位機，其中，三向電磁差動傳感器包括傳感器支架，支架的前部設(shè)有三個指向不同方向的分叉，在每個分叉上設(shè)置一個探頭，所述的探頭包括檢測線圈和激勵線圈，激勵線圈纏繞在分叉的中段；檢測線圈由一根導(dǎo)線繞制而成，按照繞線的方向和位置的不同分為兩部分，兩部分的匝數(shù)相同，但纏繞方向相反，以此產(chǎn)生差動效果，三個探頭分別用于探測鐵軌的軌腰、軌顎、軌座位置是否出現(xiàn)損傷。本發(fā)明同時提供一種采用上述裝置實現(xiàn)的鐵軌損傷探測方法。本發(fā)明具有簡單快速且成本較低的優(yōu)點。
文檔編號B61K9/10GK103231726SQ20131006173
公開日2013年8月7日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者李安陽, 徐凱, 尹武良, 王奔 申請人:常州兆能電子科技有限公司