專利名稱：一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法及裝置，屬于鐵路安全監(jiān)測與防護技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鐵路是交通運輸?shù)拇髣用}，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著十分重要的作用。隨著列車運行速度的不斷提高及密度和載重的加大，特別是高鐵的飛速發(fā)展，對現(xiàn)有的鐵路鋼軌探傷方式提出了新的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的鐵路鋼軌探傷是以大型鋼軌探傷車為主、小型鋼軌探傷儀為輔的探傷模式。而目前國內(nèi)鋼軌探傷車的速度很低(一般為50-80公里/小時)，但高鐵的時速卻在 250-350公里/小時之間，當(dāng)這些設(shè)備對鋼軌進行檢測時將占用高鐵線路，嚴(yán)重地影響了列車運行的效率。同時，小型鋼軌探傷儀多為人推探傷，只能進行局部范圍內(nèi)有限的低速檢測。顯然，現(xiàn)有的探傷方法、探傷設(shè)備、探傷速度遠遠不能滿足高鐵發(fā)展的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有的測量設(shè)備檢測高鐵鋼軌傷損情況時會嚴(yán)重影響列車運行效率的問題，提供了一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法及裝置。本發(fā)明所述一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法包括以下步驟步驟一、通過振動加速度傳感器采集高鐵鋼軌的振動信號，并對所述振動信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，獲取η個IMF分量和一個殘差；IMF為內(nèi)固模態(tài)函數(shù)；步驟二、計算步驟一獲取的η個IMF分量與分解之前采集到的振動信號的相關(guān)性系數(shù)Ui(i = 1,2, ...，n)，選取相關(guān)性系數(shù)1^大于閾值λ的IMF分量作為傷損特征信息 IMF ；步驟三、分別計算步驟二獲取的傷損特征信息IMF的功率譜密度，步驟四、根據(jù)步驟三獲取的傷損特征信息IMF的功率譜密度確定高鐵鋼軌傷損部位，完成高鐵鋼軌傷損的探測?；谏鲜鲆环N基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法的裝置它包括振動加速度傳感器、信號轉(zhuǎn)換電路、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解模塊、傷損特征信息提取模塊、傷損特征信息的功率密度獲取模塊和高鐵鋼軌的傷損部位判定模塊，設(shè)置在高鐵鋼軌上的振動加速度傳感器檢測高鐵鋼軌的傷損信息，并輸出給信號轉(zhuǎn)換電路，信號轉(zhuǎn)換電路將接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的輸入傷損振動信號為x(t)并輸出給經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解模塊，經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解模塊將輸入傷損振動信號為X (t)進行處理，將獲取的η個IMF分量輸出給傷損特征信息提取模塊，傷損特征信息提取模塊將滿足傷損條件的IMF分量輸出給傷損特征信息的功率密度獲取模塊，傷損特征信息的功率密度獲取模塊計算出每個包含傷損特征的IMF分量的功率密度，并輸出給高鐵鋼軌的傷損部位判定模塊，高鐵鋼軌的傷損部位判定模塊根據(jù)各IMF分量的功率密度判斷被測高鐵鋼軌的傷損部位。
本發(fā)明的優(yōu)點1)針對現(xiàn)有鋼軌探傷方式效率較低的情況，在基于鐵路沿線振動傳感器的基礎(chǔ)上，有效的利用了實時振動信號并挖掘出特征信息，提出了一種詳細的傷損判斷方法及裝置，可實現(xiàn)對整個路段的鋼軌進行實時探測的目的。2)利用EMD對信號時間尺度的自適應(yīng)能力，較好地處理了非平穩(wěn)、非線性的鋼軌振動信號；并且通過相應(yīng)的PSD計算，從中振動信號中準(zhǔn)確地獲得鋼軌傷損特征頻率。其中，利用相關(guān)性分析提取出包含主要傷損特征信息的IMF的方法，防止了 EMD分解中低頻范圍內(nèi)引入無關(guān)IMF的干擾，以進一步精確分析傷損特征。


圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為鋼軌振動信號檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)流程圖；圖4為鋼軌振動傳感器測點布置圖；圖5為三種不同的傷損在鋼軌上的位置；圖6為無損鋼軌振動信號的各階IMF和殘差；圖7為無損鋼軌振動信號的第一階IMF及其相應(yīng)PSD ；圖8為軌頭傷損時鋼軌振動信號的第一階IMF及其相應(yīng)PSD ；圖9為軌底傷損時鋼軌振動信號的第一階IMF及其相應(yīng)PSD ；圖10為軌腰傷損時鋼軌振動信號的第一階IMF及其相應(yīng)PSD ；圖11為無損以及三種不同位置損傷振動信號的PSD圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖1、圖2和圖5說明本實施方式，本發(fā)明針對現(xiàn)有的探傷技術(shù)和探傷機制無法滿足高速鐵路的探傷需求，采用一種新的基于振動信號特征提取的高速列車傷損探測方法。通過在鐵路沿線建立相應(yīng)的軌道傷損探測傳感器網(wǎng)絡(luò)，來測量鋼軌振動信號，并對信號進行預(yù)處理、發(fā)送給探傷車或特定的信息中心；探傷車或信息中心接收到信號后，利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)對接收到的振動信號進行分解，從而得到相應(yīng)的內(nèi)固模態(tài)函數(shù)(IMF)，所得到的各階IMF分量包含了鋼軌傷損的特征信息(該特征信息包含無損和有損，而有損又包含傷損位置、程度等信息)。在EMD分解過程中，往往部分IMF分量明顯反映傷損特征，而其它IMF分量基本不反映傷損特征或反映不明顯，為此需要選取與分解之前信號相關(guān)性較大的IMF對其特征進行分析并提取相應(yīng)的特征。通過計算包含傷損特征信息IMF的功率譜密度(PSD)，研究PSD和鋼軌損傷的關(guān)系，從中得出傷損的頻率范圍和特征。最后，建立鋼軌損傷的存在及其位置的判斷準(zhǔn)則。本發(fā)明通過以上方法提出一種針對高鐵傷損鋼軌的實時探測的具體方法和裝置， 也就是利用鐵路沿線的振動傳感器獲得其振動信號，通過對該信號進行EMD分解和相關(guān) IMF的PSD計算，得到相應(yīng)的鋼軌傷損特征，然后對傷損特征進行分析并建立鋼軌傷損判斷準(zhǔn)則。本發(fā)明改變了以往傳統(tǒng)的鐵路鋼軌探傷模式，不僅提高了探傷的效率，而且能做到對整個路段鋼軌的實時探測。
本實施方式所述一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法包括以下步驟步驟一、通過振動加速度傳感器采集高鐵鋼軌的振動信號，并對所述振動信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，獲取η個IMF分量和一個殘差；步驟二、計算步驟一獲取的η個IMF分量與分解之前采集到的振動信號的相關(guān)性系數(shù)Ui(i = 1，2，. . .，η)，選取相關(guān)性系數(shù)Ui大于閾值λ的IMF分量作為包含傷損特征信息的IMF ；步驟三、分別計算步驟二獲取的傷損特征信息IMF的功率譜密度，功率譜密度簡寫為PSD ；步驟四、根據(jù)步驟三獲取的傷損特征信息IMF的功率譜密度確定高鐵鋼軌傷損部位，完成高鐵鋼軌傷損的探測。高鐵鋼軌的傷損可以發(fā)生在不同的位置，比如軌頭、軌腰和軌底，具體參見圖5所示。步驟一中通過振動加速度傳感器采集它的振動信號，分析這些振動信號中的異常情況。步驟二中大于閾值λ的相關(guān)性系數(shù)Ui可以是一個或多個，如為一個，則將該IMF 分量作為包含傷損特征信息的IMF分量，如為多個，則將這些IMF分量都作為包含傷損特征信息的IMF分量。步驟三中選擇其中包含傷損特征信息的IMF并計算其PSD，然后，研究其PSD和鋼軌損傷的關(guān)系，從中得出不同位置傷損的頻率范圍和特征，建立損傷的存在及其位置的判斷準(zhǔn)則。參見圖2所示，與被測試鋼軌相連的振動傳感器裝置，與該傳感器相連的信號轉(zhuǎn)換電路，以及連接于該信號轉(zhuǎn)換電路的微型計算機，然后通過計算機進行傷損的匹配，確立傷損準(zhǔn)則。其中，傳感器測量的振動信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，可以通過有線直接連接到附近檢測中心的計算機，也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到檢測中心。
具體實施方式
二 下面結(jié)合圖4說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明步驟一中通過振動加速度傳感器采集高鐵鋼軌的振動信號，將振動加速度傳感器設(shè)置在高鐵鋼軌的軌底上表面，且距離軌底外邊緣d距離處，所述d的取值范圍是 18mm 20mmo具體實施方式
三下面結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明步驟一中獲取η個IMF分量和一個殘差的過程為設(shè)定輸入傷損振動信號為χ⑴，t = 1，2，· · ·，N，步驟11、IMF分解過程初始化n = 1，且滿足關(guān)系式IV1U) = x(t)成立，其中 ^(t)為第(n-1)次分解后趨勢函數(shù)；步驟12、篩選過程初始化，k = 1，且滿足關(guān)系式Iin0ri) (t) = (t)成立，其中 K(^1) (t)為第η次經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解中經(jīng)過第(k-Ι)次篩選后的剩余函數(shù)；步驟13、根據(jù)篩選程序獲取經(jīng)過第k次篩選后的剩余函數(shù)hnk(t)；步驟14、采用標(biāo)準(zhǔn)偏差準(zhǔn)則判斷步驟13獲得的剩余函數(shù)hnk(t)是否滿足本
征模態(tài)函數(shù)IMF的條件，即(/^“_υ0；)- "-(Ο)2 /是否小于閾值&D，
0. 2 彡 Hsd 彡 0. 3 ；判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟15，判斷結(jié)果為否，則k = k+Ι，然后執(zhí)行步驟13，步驟15、提取一個本征模態(tài)函數(shù)分量Cn (t)=、⑴；
步驟16、獲取輸入傷損振動信號x(t)經(jīng)過第η次經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的趨勢函數(shù)rn(t) =rn_! (t) -cn (t)；步驟17、判斷趨勢函數(shù)rn(t)是否為單調(diào)函數(shù)；判斷結(jié)果為否，則n = η+l，然后執(zhí)行步驟12，判斷結(jié)果為是，完成提取過程，獲得 η 個 IMF 分量{Cl(t), c2(t)-cn(t)}；和 1 個殘差 RES :rn(t)。步驟13中獲取剩余函數(shù)hnk (t)的過程為步驟131、利用三次樣條函數(shù)獲取輸入傷損振動信號x(t)經(jīng)過第η次經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解中經(jīng)過第k-Ι次篩選后的剩余函數(shù)Kari) (t)的上、下包絡(luò)，步驟132、計算所述剩余函數(shù)Ilna^a)上、下包絡(luò)曲線在各個t的均值,Ο)，步驟133、獲取輸入傷損振動信號χ (t)經(jīng)過第η次經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解中經(jīng)過第k次篩選后的剩余函數(shù)/^⑴=Hnik^t)-mn{k-i){t)。
具體實施方式
四本實施方式與實施方式三的不同之處在于，步驟14的中Hsd = 0. 25，其它與實施方式三相同。
具體實施方式
五本實施方式對實施方式一作進一步說明步驟二中的相關(guān)性系數(shù)Ui按如下公式獲取
IMFnUi =-
，其中，IMFn為振動信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解獲取的η個IMF分量，x(t)為分解出該 η個IMF的分解之前的振動信號。步驟二中的閾值λ = 0. 4 0. 6。
具體實施方式
六本實施方式與實施方式一的不同之處在于，步驟二中閾值λ = 0.5，其它與實施方式一相同。
具體實施方式
七本實施方式對實施方式一作進一步說明步驟三中的包含傷損特征信息IMF的功率譜密度按如下公式獲取S(f) =「R{z)e—2mfT τ，
‘-OO其中，Rh)為包含傷損特征信息IMF的自相關(guān)函數(shù)。步驟四中確定高鐵鋼軌傷損部位的判斷準(zhǔn)則為若包含傷損特征信息IMF的功率譜密度曲線中存在頻率為3880Hz 士 IOOHz的頻率點，且該頻率點幅值處于無損鋼軌特征頻率3360Hz的幅值上下浮動5%范圍內(nèi)，則判定為高鐵鋼軌傷損部位為軌頭；若包含傷損特征信息IMF的功率譜密度曲線中存在頻率為3880Hz 士 IOOHz的頻率點，且該頻率點幅值處于無損鋼軌特征頻率3360Hz的幅值的300% 350%范圍內(nèi)，則判定為高鐵鋼軌傷損部位為軌底；若包含傷損特征信息IMF的功率譜密度曲線中存在頻率為3600Hz 士 IOOHz的頻率點且該頻率點幅值處于無損鋼軌特征頻率3360Hz的幅值的1200% 1300%范圍內(nèi)，則判定為高鐵鋼軌傷損部位為軌腰。
具體實施方式
八下面結(jié)合圖2說明本實施方式，實現(xiàn)實施方式一所述的一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法的裝置，它包括振動加速度傳感器1、信號轉(zhuǎn)換電路 2、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解模塊3、傷損特征信息提取模塊4、傷損特征信息的功率密度獲取模塊5和高鐵鋼軌的傷損部位判定模塊6，設(shè)置在高鐵鋼軌上的振動加速度傳感器1檢測高鐵鋼軌的傷損信息，并輸出給信號轉(zhuǎn)換電路2，信號轉(zhuǎn)換電路2將接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的輸入傷損振動信號為x(t)并輸出給經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解模塊3，經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解模塊3將輸入傷損振動信號為χ (t)進行處理，將獲取的η個IMF分量輸出給傷損特征信息提取模塊4，傷損特征信息提取模塊4將滿足傷損條件的IMF分量輸出給傷損特征信息的功率密度獲取模塊 5，傷損特征信息的功率密度獲取模塊5計算出每個包含傷損特征的IMF分量的功率密度， 并輸出給高鐵鋼軌的傷損部位判定模塊6，高鐵鋼軌的傷損部位判定模塊6根據(jù)各IMF分量的功率密度判斷被測高鐵鋼軌的傷損部位。
具體實施方式
九下面結(jié)合圖2、圖6至圖11說明本實施方式，本實施方式給出一個具體的實施例本發(fā)明提出的一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測裝置的實施例，如圖2所示，包括以下幾個部分振動加速度傳感器，信號轉(zhuǎn)換電路，以及微型計算機及其相應(yīng)的接口電路。各部分具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)及工作原理說明如下首先，鋼軌結(jié)構(gòu)振動是機車車輛對鋼軌動態(tài)作用的結(jié)果，采用振動加速度傳感器對其進行測量。傳感器的型號為ULT20系列的ULT2003/V壓電加速度傳感器；鋼軌的型號為60Kg/m鋼軌。本實施例中傳感器的布置如圖4所示，傳感器位于軌底上表面距離軌底外邊緣20mm處。經(jīng)過多次的實驗，該點能很好的測得不同鋼軌傷損部位的振動信號(傷損分別位于軌頭、軌腰和軌底如圖5)并區(qū)分出它們之間的傷損特征信息。針對無損傷以及傷損發(fā)生在軌頭、軌腰和軌底三種不同位置情況下鋼軌的振動信號進行了測量，得到了 4組測量數(shù)據(jù)用于分析。其次，測量后的振動信號，通過信號轉(zhuǎn)換電路進行采樣，轉(zhuǎn)換芯片的型號為 AD9071，是一個10位，100MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。采用100M高速采樣，可獲得更為詳細的信
肩、ο最后，將轉(zhuǎn)換后的信號通過有線或者無線方式發(fā)送到微型計算機進行傷損信號特征提取和傷損匹配，建立傷損判斷準(zhǔn)則。微型計算機型號為ThinkpadR400筆記本。下面結(jié)合實施例和

本發(fā)明的檢測方法
具體實施例方式執(zhí)行步驟一將測得的鋼軌不同傷損部位(傷損位于軌頭、軌腰和軌底三種位置) 的振動信號以及無損傷振動信號χ⑴分別進行EMD分解，得到各個信號的各階IMF和殘差，記為Cl，c2，...CnW&r。以無損傷鋼軌的振動信號為例，分解后的各階IMF和殘差如圖6所示。同理，可以得到其他三種信號分解后的各階IMF和殘差。執(zhí)行步驟二 分別計算三種傷損情況以及無損情況振動信號分解后的η個IMF同其各自的未分解之前信號的相關(guān)性系數(shù)^。同樣，以無損傷鋼軌的振動信號為例，其η個 IMF同其未分解之前信號的相關(guān)性系數(shù)見表1。同理，可以得到其他三種信號各自的η個 IMF同其各自未分解之前信號的相關(guān)性系數(shù)。表1無損鋼軌的振動信號各階IMF同其未分解之前信號的相關(guān)性系數(shù)IMFlIMF2IMF3IMF4IMF5IMF6IMF7相關(guān)性系數(shù)0. 87980. 38660. 05250. 02020. 01260. 01040. 0075選取λ = 0. 5，這樣就可以選擇相關(guān)性較強包含傷損特征信息的IMF進行分析。 從表1中可以看出滿足Ui > λ = 0. 5的為0. 8798，其他IMF的相關(guān)性較弱，因此選擇IMFl 進行分析。同理，對其他三種傷損信號進行IMF相關(guān)性分析且選擇相關(guān)性較大的IMF。本實例中通過選擇后都為各自信號分解后的IMF1。執(zhí)行步驟三利用功率譜密度對步驟二中所得的四種不同傷損情況的IMFl進行計算，得到不同損傷情況下(軌頭、軌腰和軌底的傷損以及無損傷)振動信號的PSD，從不同傷損情況下PSD圖的對比中得出鋼軌傷損的頻率范圍和特征，最后得出判斷準(zhǔn)則。以無傷損的鋼軌振動信號為例，其分解后的IMFl及其PSD如圖7。從圖7中可以看出，無傷損鋼軌振動信號的頻率范圍是0-4000HZ。振幅較高的頻率是1840Hz和3360Hz， 這是無損鋼軌的固有振動頻率。同理，軌頭、軌底和軌腰三種不同傷損位置鋼軌振動信號的 IMFl的PSD分別如圖8、圖9和圖10。最后，將四種情況的PSD合并在一幅圖中，如圖11。在圖11中，從上到下分別是無損，傷在軌頭、軌底和軌腰的PSD圖，從圖中的PSD 對比可以看出，這些信號的PSD中都包含了原無損鋼軌的固有振動頻率。同時，從傷在軌頭、軌底和軌腰的PSD圖中，看出傷損信號的頻率范圍是3580Hz-3920Hz。3880Hz是軌頭的有傷的特征頻率，其幅值接近于無損鋼軌特征頻率3360Hz的幅值。當(dāng)傷損發(fā)生在軌底時，其特征頻率同樣也是接近于3880Hz，但其幅值是傷損發(fā)生在軌頭的特征頻率的3倍。 3600Hz是傷損發(fā)生在軌腰時的特征頻率，其幅值是傷發(fā)生在軌底的頻率的4倍。從以上規(guī)律中可以看出，無傷以及傷損發(fā)生在三種不同位置時的信號的特征頻率及其特征規(guī)律。因此，通過以上規(guī)律我們能建立相應(yīng)的傷損的存在及其位置的判斷準(zhǔn)則。即通過對振動信號的EMD分解，提取包含傷損特征信息的IMF并對其進行PSD計算，然后從PSD圖觀察其特征頻率并確定是否發(fā)生了傷損及其發(fā)生的位置。從該實例的PSD圖可以看出，很好的識別出了不同位置傷損的特征頻率，確定了傷損發(fā)生的位置。綜上，對于高鐵鋼軌的傷損探傷，本發(fā)明給出了利用振動信號建立傷損判斷準(zhǔn)則的詳細方法及其裝置，能較好的實現(xiàn)對整個路段的實時探測，確定傷損的存在及其位置，提高了探傷效率，以保證高速列車的正常運行。
權(quán)利要求
1.一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 步驟一、通過振動加速度傳感器采集高鐵鋼軌的振動信號，并對所述振動信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，獲取η個IMF分量和一個殘差；IMF為內(nèi)固模態(tài)函數(shù)；步驟二、計算步驟一獲取的η個IMF分量與分解之前采集到的振動信號的相關(guān)性系數(shù) Ui (i = 1，2，...，11)，選取相關(guān)性系數(shù)1^大于閾值λ的IMF分量作為傷損特征信息IMF ； 步驟三、分別計算步驟二獲取的傷損特征信息IMF的功率譜密度， 步驟四、根據(jù)步驟三獲取的傷損特征信息IMF的功率譜密度確定高鐵鋼軌傷損部位， 完成高鐵鋼軌傷損的探測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法，其特征在于， 步驟一中通過振動加速度傳感器采集高鐵鋼軌的振動信號，將振動加速度傳感器設(shè)置在高鐵鋼軌的軌底上表面，且距離軌底外邊緣d距離處，所述d的取值范圍是18mm 20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法，其特征在于， 步驟一中獲取η個IMF分量和一個殘差的過程為設(shè)定輸入傷損振動信號為x(t)，t = 1，2，· · ·，N，步驟11、IMF分解過程初始化η= 1，且滿足關(guān)系式IV1U) =x(t)成立，其中ivJt) 為第(n-1)次分解后趨勢函數(shù)；步驟12、篩選過程初始化，k= 1，且滿足關(guān)系式hn(k_D (t) =Tn^1 (t)成立，其中hndt) 為第η次經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解中經(jīng)過第(k-Ι)次篩選后的剩余函數(shù)；步驟13、根據(jù)篩選程序獲取經(jīng)過第k次篩選后的剩余函數(shù)、⑴；步驟14、采用標(biāo)準(zhǔn)偏差準(zhǔn)則判斷步驟13獲得的剩余函數(shù)hnk(t)是否滿足本征模態(tài)函數(shù)IMF的條件，即(hn(k_O (O - hnk (O)2 / H2nik^ 0)是否小于閾值Hsd， 0. 2 彡 Hsd 彡 0. 3 ；判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟15，判斷結(jié)果為否，則k = k+Ι，然后執(zhí)行步驟13， 步驟15、提取一個本征模態(tài)函數(shù)分量Cn (t) = hnk(t)；步驟16、獲取輸入傷損振動信號x(t)經(jīng)過第η次經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的趨勢函數(shù)rn(t)= Iv1 (t)-cn (t)；步驟17、判斷趨勢函數(shù)rn(t)是否為單調(diào)函數(shù)；判斷結(jié)果為否，則η = η+1，然后執(zhí)行步驟12，判斷結(jié)果為是，完成提取過程，獲得η個 IMF 分量{Cl(t), c2(t)-cn(t)}；和 1 個殘差 RES:rn(t)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法，其特征在于， 步驟13中獲取剩余函數(shù)hnk(t)的過程為步驟131、利用三次樣條函數(shù)獲取輸入傷損振動信號x(t)經(jīng)過第η次經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解中經(jīng)過第k-Ι次篩選后的剩余函數(shù)Kari) (t)的上、下包絡(luò)，步驟132、計算所述剩余函數(shù)hn(k_D (t)上、下包絡(luò)曲線在各個t的均值‘(^0)， 步驟133、獲取輸入傷損振動信號x(t)經(jīng)過第η次經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解中經(jīng)過第k次篩選后的剩余函數(shù)Κ ) = (0-^-1)(0。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法，其特征在于， 步驟14的中Hsd = 0. 25。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法，其特征在于， 步驟二中的相關(guān)性系數(shù)Ui按如下公式獲取
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法，其特征在于， 步驟二中的閾值λ = 0. 4 0. 6。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法，其特征在于， 步驟三中的傷損特征信息IMF的功率譜密度按如下公式獲取
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法，其特征在于， 步驟四中確定高鐵鋼軌傷損部位的判斷準(zhǔn)則為若包含傷損特征信息IMF的功率譜密度曲線中存在頻率為3880Hz 士 IOOHz的頻率點， 且該頻率點幅值處于無損鋼軌特征頻率3360Hz的幅值上下浮動5%范圍內(nèi)，則判定為高鐵鋼軌傷損部位為軌頭；若包含傷損特征信息IMF的功率譜密度曲線中存在頻率為3880Hz士 IOOHz的頻率點， 且該頻率點幅值處于無損鋼軌特征頻率3360Hz的幅值的300% 350%范圍內(nèi)，則判定為高鐵鋼軌傷損部位為軌底；若包含傷損特征信息IMF的功率譜密度曲線中存在頻率為3600Hz士 IOOHz的頻率點且該頻率點幅值處于無損鋼軌特征頻率3360Hz的幅值的1200% 1300%范圍內(nèi)，則判定為高鐵鋼軌傷損部位為軌腰。
10.實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法的裝置，其特征在于，它包括振動加速度傳感器(1)、信號轉(zhuǎn)換電路O)、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解模塊(3)、傷損特征信息提取模塊G)、傷損特征信息的功率密度獲取模塊(5)和高鐵鋼軌的傷損部位判定模塊(6)，設(shè)置在高鐵鋼軌上的振動加速度傳感器⑴檢測高鐵鋼軌的傷損信息，并輸出給信號轉(zhuǎn)換電路O)，信號轉(zhuǎn)換電路( 將接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的輸入傷損振動信號為x(t)并輸出給經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解模塊(3)，經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解模塊C3)將輸入傷損振動信號為χ (t)進行處理，將獲取的η個IMF分量輸出給傷損特征信息提取模塊(4)，傷損特征信息提取模塊(4)將滿足傷損條件的IMF分量輸出給傷損特征信息的功率密度獲取模塊(5)， 傷損特征信息的功率密度獲取模塊( 計算出每個包含傷損特征的IMF分量的功率密度， 并輸出給高鐵鋼軌的傷損部位判定模塊(6)，高鐵鋼軌的傷損部位判定模塊(6)根據(jù)各IMF 分量的功率密度判斷被測高鐵鋼軌的傷損部位。
全文摘要
一種基于振動信號的高鐵鋼軌傷損探測方法及裝置，屬于鐵路安全監(jiān)測與防護技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有的測量設(shè)備檢測高鐵鋼軌傷損情況時會嚴(yán)重影響列車運行效率的問題。本發(fā)明方法包括步驟一、通過振動加速度傳感器采集高鐵鋼軌的振動信號，并對所述振動信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，獲取n個IMF分量和一個殘差；步驟二、計算步驟一獲取的n個IMF分量與分解之前采集到的振動信號的相關(guān)性系數(shù)ui(i＝1，2，...，n)，選取相關(guān)性系數(shù)ui大于閾值λ的IMF分量作為傷損特征信息IMF；步驟三、分別計算步驟二獲取的傷損特征信息IMF的功率譜密度，步驟四、根據(jù)步驟三獲取的傷損特征信息IMF的功率譜密度確定高鐵鋼軌傷損部位，完成高鐵鋼軌傷損的探測。
文檔編號G01N29/04GK102175768SQ201110042898
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者沈毅, 王艷, 章欣 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)