專利名稱：一種履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件及其探傷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波無損探測技術(shù)和無線通信技術(shù)，具體涉及履帶式鋼軌探傷的超聲波探頭組件及其探傷方法。
背景技術(shù)：
我國鐵路運(yùn)輸繁忙，列車運(yùn)行間隔只有十幾分鐘，同時(shí)，運(yùn)營線路近八萬公里，線路狀況較差，超期服役鋼軌數(shù)量很大，導(dǎo)致鋼軌損傷發(fā)生率高。為了保障鐵路運(yùn)輸安全，需要定期對線路進(jìn)行檢查，并對損壞的鋼軌進(jìn)行更換。目前檢測鋼軌內(nèi)部缺陷的主要設(shè)備為小型鋼軌超聲波探傷儀，由人工推行的方法進(jìn)行鋼軌探傷。為防止損傷的發(fā)生和惡化，平均每年每條線路需檢測需指頻率為十遍以上，總檢測里程近一百萬公里。全線有近萬名專職鋼軌探傷人員負(fù)責(zé)鋼軌內(nèi)部損傷的檢測。隨著中國鐵路的進(jìn)一步提速，對能夠完成鋼軌高速探傷設(shè)備的需求日益迫切，研究開發(fā)高速鋼軌探傷的裝置，對鐵路運(yùn)輸業(yè)具有重要意義。超聲波是指頻率超過20kHz的聲波，超聲波探傷利用了其三個(gè)特性一是反射特性，當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，當(dāng)介質(zhì)密度相差懸殊時(shí)，聲波幾乎完全被反射回來；二是衰減特性，在傳播過程中，由于受到介質(zhì)或者雜質(zhì)的阻礙，強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生衰減；三是聲速特性，在同樣條件下，其在同一介質(zhì)中傳播速度為常數(shù)。對鋼軌進(jìn)行探傷基本原理是利用聲波在不同介質(zhì)中的傳播特性，用頻率高于2MHz的聲波射入鋼軌中，當(dāng)遇到鋼軌損傷時(shí)，反射回來的超聲波信號會(huì)異于正常反射波，因此可根據(jù)檢測反射波來判斷傷痕的大小及位置。通常，探傷儀上安裝有不同角度的超聲波探頭，分別檢查不同部位的損傷。如65° 75。傾斜角超聲波探頭用來發(fā)現(xiàn)軌頭內(nèi)的核傷或橫裂，35°、5°傾斜角超聲波探頭用來探測軌腰及螺栓孔處的損傷，垂直超聲波探頭則用來探軌頭、軌腰以及軌底的水平裂紋、縱裂紋。傳統(tǒng)的脈沖回波法作為超聲波無損檢測的主流已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼軌探傷領(lǐng)域。它利用超聲波探頭向受檢工件發(fā)射超聲波脈沖，并根據(jù)反射波的能量大小以及相位信息來判斷鋼軌有無缺陷。脈沖回波法由于長期應(yīng)用于鋼軌探傷領(lǐng)域，因而它在技術(shù)上相對成熟。 標(biāo)志當(dāng)前領(lǐng)先技術(shù)的是由美國Sprry公司制造的RTS系列大型鋼軌探傷車。該系列大型鋼軌探傷車由機(jī)械子系統(tǒng)和后臺(tái)處理子系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。其中機(jī)械子系統(tǒng)由用于布置超聲波探頭組件的探傷小車和液壓系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)及標(biāo)記系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)組成；后臺(tái)處理子系統(tǒng)主要由主計(jì)算機(jī)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、遠(yuǎn)程放大器、顯示器以及系統(tǒng)打印機(jī)等外部設(shè)備組成。實(shí)際工作中能夠以最高時(shí)速80km/h對鐵路鋼軌進(jìn)行探傷。當(dāng)前，用于鋼軌探傷的超聲波探頭有兩種形式輪式探頭與滑靴式探頭。輪式探頭由探頭支架和探輪外膜組成，探頭支架安裝在輪軸上用于固定超聲波探頭，探輪外膜由透聲樹脂材料制作，用于包裹整個(gè)內(nèi)腔的透聲耦合液。探頭支架上一般安裝五個(gè)超聲波探頭，向鋼軌發(fā)射三種不同方向和不同頻率的超聲波。探傷時(shí)，探輪外膜隨車運(yùn)動(dòng)而向前滾動(dòng)，而其中的超聲波探頭不動(dòng)，以保持超聲波的發(fā)射和接收方向不變?；ナ教筋^則由超聲波探頭和撬板組合而成，多個(gè)超聲波探頭按不同角度嵌入撬板內(nèi)，探傷時(shí)，超聲波探頭隨撬板沿鋼軌軌道面滑動(dòng)。早期因?yàn)檩喪教筋^設(shè)計(jì)和制作技術(shù)比較落后，適應(yīng)性差，滑靴式探頭曾占上風(fēng)。最近十幾年，輪式探頭質(zhì)量明顯提高，所以輪式探頭又逐漸成了主流。然而，輪式探頭在原理上依賴反射波的能量大小，屬于對能量敏感的檢測方法，定量檢測方面性能不佳。這也是在實(shí)際應(yīng)用中利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行鋼軌探傷時(shí)漏檢率不能有效控制的原因之一?？偨Y(jié)當(dāng)前普遍使用的輪式超聲波探頭組件的特點(diǎn)，存在以下缺點(diǎn)和不足
(1)在鋼軌探傷過程中，超聲波探頭與鋼軌始終處于相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采樣時(shí)間只有零點(diǎn)幾毫秒，再加上多普勒效應(yīng)、檢測靈敏度不高等一系列問題，使得探測效率低下、探測速度無法提高。(2)因?yàn)槁暡ㄍǔＶ辉诖怪?、光滑缺陷表面形成反射，所以基于脈沖回波法在探測與鋼軌軌道面垂直的軌頭核傷及焊縫時(shí)，基本無法接收到缺陷回波，漏檢概率較大。(3)易損件消耗量大，維護(hù)成本高。現(xiàn)有透聲樹脂材料制作的探輪外膜每個(gè)單價(jià)上千元，而且因?yàn)樾枰罅狂詈弦后w，所以輪胎面出現(xiàn)微小的損傷就需要更換。我國鐵路干線有3萬公里(均為復(fù)線，不包括各城市地鐵、輕軌及近5萬公里的支線)，若全部改用大型探傷車檢測，年檢按最低6次計(jì)。鋼軌探傷車同時(shí)使用4個(gè)探輪，按每個(gè)探輪IOOkm使用極限計(jì)算，僅僅探輪外膜消耗每年就高達(dá)上千萬元。(4)通過性較差、操作較復(fù)雜。鋼軌道岔中的有害空間少則幾十毫米，多則一百多毫米。對于主流的輪式探頭，因?yàn)榻佑|面小，過道岔時(shí)會(huì)直接陷入道岔的有害空間中，對超聲波探頭造成很大的沖擊，容易毀壞超聲波探頭。為了不至于發(fā)生此類毀壞超聲波探頭的事件，每次過道岔時(shí)都要人為將超聲波探頭提起，給探傷車操縱者造成很大的不便，并且也不能完全杜絕這類事件的發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前在鋼軌超聲波探傷技術(shù)領(lǐng)域存在的一些諸如探傷速度難以提高、漏檢率高、成本高及操作復(fù)雜等不足，本發(fā)明旨在提出一種履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件及其探傷方法，利用超寬帶(Ultra Wide-Band, UWB)無線通信的方法將后臺(tái)處理子系統(tǒng)發(fā)出的連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號直接傳至履帶片片基內(nèi)的超聲波探頭，通過測量該連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號的反射波信號，實(shí)現(xiàn)對鋼軌的無損檢測。本發(fā)明采用履帶滾進(jìn)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車輪滾動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了超聲波探頭與鋼軌之間相對靜止，使得數(shù)據(jù)采樣時(shí)間大大增加；同時(shí)采用UWB技術(shù)用于后臺(tái)處理子系統(tǒng)與超聲波探頭組件之間的短距離無線通信，將后臺(tái)處理子系統(tǒng)與超聲波探頭組件物理分開，極大提高了探測的靈活性；另外，對超聲波信號采用收發(fā)分離方式取代傳統(tǒng)的收發(fā)共用方式，可大幅度提高接收信號的信噪比。本發(fā)明所述的后臺(tái)處理子系統(tǒng)與現(xiàn)有大型鋼軌探傷車的后臺(tái)處理子系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上類似，不同之處在于加裝了一個(gè)UWB通信模塊，用UWB無線通信的方式取代現(xiàn)有后臺(tái)處理子系統(tǒng)與超聲波探頭組件之間的有線連接。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。一種履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件，其包括若干個(gè)履帶片，每個(gè)履帶片包括履帶片片基以及內(nèi)嵌在履帶片片基中的超聲波探頭陣列、電池、壓力傳感器、超聲波收發(fā)電路、轉(zhuǎn)換器和UWB通信模塊；所述電池與超聲波收發(fā)電路、轉(zhuǎn)換器和UWB通信模塊連接； 超聲波收發(fā)電路、UffB通信模塊、壓力傳感器分別與轉(zhuǎn)換器連接，超聲波收發(fā)電路還與超聲波探頭陣列連接；壓力傳感器負(fù)責(zé)檢測履帶片的壓力狀態(tài)；超聲波收發(fā)電路將連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的超聲波探頭，超聲波收發(fā)電路還緩存各個(gè)超聲波探頭接收到的反射波信號并傳至轉(zhuǎn)換器；轉(zhuǎn)換器包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)模擬信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換；UWB通信模塊將后臺(tái)處理子系統(tǒng)產(chǎn)生的連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號傳送至超聲波收發(fā)電路，同時(shí)將各超聲波探頭接收的反射波信號及壓力傳感器的信號傳送給后臺(tái)處理子系統(tǒng)進(jìn)行處理。作為上述履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件的優(yōu)化方案，所述超聲波探頭陣列中行與行平行布置，列與列對齊布置；超聲波探頭陣列中與鋼軌長度方向平行的兩側(cè)超聲波探頭采用60°、0°傾斜角布置，用來探測軌頭內(nèi)的核傷和橫裂；超聲波探頭陣列中位于陣列中部的若干超聲波探頭采用0°傾斜角布置，用來探測軌頭、軌腰和軌底的水平裂紋和縱裂紋；位于所述兩側(cè)和中部以外的超聲波探頭采用30°飛0°傾斜角布置，用來探測軌腰及螺栓孔損傷；所述傾斜角為超聲波探頭發(fā)射方向與鋼軌橫截面的夾角。作為上述履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件的優(yōu)化方案，傾斜角為 60°、0°的超聲波探頭的超聲波頻率為Γ5ΜΗζ，其波束反射面位于軌頭底面；傾斜角為 0°超聲波探頭的超聲波頻率為:Γ4ΜΗζ，其波束反射面位于軌底底面；傾斜角為30°飛0° 的超聲波探頭的超聲波頻率為2 3ΜΗζ，其波束反射面同樣位于軌底底面。作為上述履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件的優(yōu)化方案，所述壓力傳感器布置在履帶片片基的中部。作為上述履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件的優(yōu)化方案，所述電池采用微型電池，微型電池用彈性材料與所述超聲波收發(fā)電路、A/D轉(zhuǎn)換器和UWB通信模塊一起固定在履帶片片基內(nèi)。作為上述履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件的優(yōu)化方案，履帶片片基采用橡膠材料，履帶片片基表面加裝透聲外膜，履帶片片基與透聲外膜之間的縫隙用透聲耦合液填充。上述無線超聲波探頭組件的探傷方法，包括如下步驟
(1)履帶片接觸鋼軌后，履帶片片基內(nèi)的壓力傳感器感受到壓力，產(chǎn)生接觸觸發(fā)信號經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過UWB通信模塊傳至后臺(tái)處理子系統(tǒng)；
(2)后臺(tái)處理子系統(tǒng)接收到接觸觸發(fā)信號后控制該履帶片處于工作狀態(tài)；履帶片內(nèi)的超聲波探頭的工作狀態(tài)包括發(fā)送和接收；若在某一時(shí)刻后臺(tái)處理子系統(tǒng)判定某個(gè)超聲波探頭A應(yīng)為發(fā)射狀態(tài)，則產(chǎn)生連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過后臺(tái)處理子系統(tǒng)的 UffB通信模塊以UWB信號的形式傳至該履帶片；
(3)履帶片上的UWB通信模塊接收到后臺(tái)處理子系統(tǒng)傳來UWB信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后還原成連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號傳輸至超聲波收發(fā)電路；超聲波收發(fā)電路根據(jù)傳來的連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號控制所述超聲波探頭A發(fā)出相應(yīng)頻率的超聲波波束進(jìn)行鋼軌探傷；
(4)所述超聲波探頭A發(fā)出的超聲波波束經(jīng)鋼軌反射回來的方向有一個(gè)超聲波探頭B， 則后臺(tái)處理子系統(tǒng)判定超聲波探頭B為接收狀態(tài)；超聲波探頭B接收從超聲波探頭A發(fā)出并經(jīng)鋼軌內(nèi)部反射回來的超聲波信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過履帶片內(nèi)的UWB通信模塊以UWB信號的形式傳至后臺(tái)處理子系統(tǒng)；
(5)后臺(tái)處理子系統(tǒng)接收到所述超聲波探頭B傳回來的信號后對信號進(jìn)行分析處理，判斷超聲波波束從探頭A發(fā)出經(jīng)鋼軌反射至超聲波探頭B的路徑內(nèi)鋼軌有無損傷；
(6)當(dāng)履帶片脫離鋼軌時(shí)，履帶片片基內(nèi)的壓力傳感器感受到壓力消失，產(chǎn)生脫離觸發(fā)信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過履帶片內(nèi)的UWB通信模塊傳至后臺(tái)處理子系統(tǒng)；后臺(tái)處理子系統(tǒng)接收到脫離觸發(fā)信號后判斷本履帶片已經(jīng)和鋼軌脫離，于是停止該履帶片超聲波信號的收發(fā)，則該履帶片處于等待狀態(tài)，直至下一個(gè)循環(huán)開始。上述的探傷方法中，每一束超聲波波束在鋼軌中傳播時(shí)對應(yīng)一條確定的路徑對于有一定傾斜角的超聲波探頭發(fā)出的超聲波波束，該超聲波波束確定的路徑就是一條左右對稱的折線，若鋼軌軌頭或軌腰出現(xiàn)損傷，這種損傷會(huì)同時(shí)影響通過該位置的入射波束和經(jīng)軌頭底面或者軌底底面反射后的反射波，這兩束超聲波波束的交點(diǎn)就是損傷的位置，同時(shí)，對于同一處損傷，會(huì)有多束入射波和反射波在該位置相交形成多個(gè)交點(diǎn)，根據(jù)這多個(gè)交點(diǎn)的分布，能準(zhǔn)確描繪出鋼軌損傷的形狀及大??；而對于垂直布置的超聲波探頭，每束超聲波波束及其反射波束只通過鋼軌的某一個(gè)切面，若鋼軌的某個(gè)切面對應(yīng)的軌頭、軌腰和軌底出現(xiàn)水平裂紋或縱裂紋，根據(jù)反射波返回的時(shí)間、能量和波形就能直接確定裂紋的位置、 形狀。本發(fā)明中的探傷方法的原理如下當(dāng)鋼軌完好時(shí)，超聲波只在平整的軌頭和軌底底面形成鏡面反射，接收到的超聲波在波形與能量上變化很小。而當(dāng)超聲波在傳播方向遇到核傷、水平裂紋以及縱裂紋等損傷時(shí)，損傷部位會(huì)對超聲波產(chǎn)生反射和散射效應(yīng)。繼續(xù)沿波束方向傳播的超聲波在波形和能量上都具有較大變化，依據(jù)這種波形和能量的變化就可以對鋼軌內(nèi)損傷進(jìn)行檢測和定位。與現(xiàn)有的輪式超聲波探頭組件相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)采用多個(gè)履帶片滾進(jìn)探測的方式，每個(gè)履帶片在工作時(shí)與鋼軌緊貼，并且是相對靜止的，與鋼軌接觸的時(shí)間可以大幅度增加?？朔嗽谔絺嚫咚傩凶邥r(shí)超聲波探頭對鋼軌某一處采樣時(shí)間過短而導(dǎo)致回波丟失等不足，同時(shí)避免了多普勒效應(yīng)、靈敏度低等因相對運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的一系列問題。(2) 履帶片以平面結(jié)構(gòu)接觸鋼軌，接觸鋼軌的時(shí)間長，且保證了多個(gè)超聲波探頭對同一位置進(jìn)行探測，獲取的鋼軌探測信息量大。因此能避免漏檢，同時(shí)提高探測精度，且能支持更高的行車速度。(3)采用UWB信號用于后臺(tái)處理子系統(tǒng)與超聲波探頭組件之間的短距離無線通信，將后臺(tái)處理子系統(tǒng)與超聲波探頭陣列物理分開，取代現(xiàn)行用超聲波探頭支架將超聲波探頭與后臺(tái)處理子系統(tǒng)固定有線連接的方式，極大提高了探測的靈活性。(4)采用多頻連續(xù)調(diào)制超聲波波的方式，對履帶片上的多個(gè)超聲波探頭分別發(fā)送 2飛Mz不等的調(diào)制連續(xù)波，取代傳統(tǒng)的脈沖波，可以大大降低探測電壓，提高探測精度。(5)同時(shí)采用收發(fā)分離與收發(fā)結(jié)合的方式取代傳統(tǒng)的單純收發(fā)結(jié)合的方式，按每一個(gè)超聲波探頭波束波達(dá)方向接收超聲波信號，不會(huì)在履帶片外膜處形成多次界面反射干擾，可以大幅提高信噪比，克服現(xiàn)有方法對軌頭內(nèi)的核傷檢測效率低下的缺點(diǎn)。(6)采用履帶片式的設(shè)計(jì)通過性能好。用于鋼軌變換股道的道岔中的有害空間少則一百多毫米，多則數(shù)百毫米。對于傳統(tǒng)的小接觸面輪式探頭，過道岔時(shí)會(huì)直接陷入道岔的有害空間中，對超聲波探頭造成很大的沖擊，以至于毀壞超聲波探頭。而履帶片式的設(shè)計(jì)使接觸面大大改善，避免了這類情況的發(fā)生。
(7)履帶片結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格低。履帶損壞時(shí)，只需要將損壞的單個(gè)履帶片進(jìn)行更換即可，更不需要大量消耗耦合液。所以與輪式超聲波探頭組件相比，后期維護(hù)成本大幅降低。


圖1是履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件工作示意圖。圖2是單個(gè)履帶片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。圖3a是履帶片外側(cè)平面示意圖。圖北是履帶片內(nèi)側(cè)平面示意圖。圖4是UWB通信模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。圖5是單個(gè)履帶片單次工作流程圖。圖6是履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件探傷過程示意圖。圖7a是70°傾斜角超聲波探頭信號收發(fā)示意圖。圖7b是38°傾斜角超聲波探頭信號收發(fā)示意圖。圖7c是垂直超聲波探頭信號收發(fā)示意圖。圖fe是波束對軌頭核傷進(jìn)行檢測的示意圖。圖8b是波束對軌腰裂紋進(jìn)行檢測的示意圖。圖8c是波束對軌底縱裂紋進(jìn)行檢測的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施不限于此。如圖1所示，是本發(fā)明所述履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件101的工作示意圖。本發(fā)明所述履帶式鋼軌探傷的超聲波探頭組件101，自身無動(dòng)力裝置，4組履帶式鋼軌探傷的超聲波探頭組件101通過履帶內(nèi)的漲緊輪102的輪軸共同連接到探傷小車支架 103上，構(gòu)成一部探傷小車，然后再和高速鋼軌探傷車的底盤連接。圖中所示履帶式鋼軌探傷的超聲波探頭組件101采用4個(gè)漲緊輪102配成一副履帶。漲緊輪102的個(gè)數(shù)和履帶式鋼軌探傷的超聲波探頭組件101的個(gè)數(shù)可以根據(jù)具體探測環(huán)境的需要進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)履帶沿鋼軌軌道表面104向前滾進(jìn)時(shí)，每個(gè)履帶片從經(jīng)頭部的漲緊輪壓向鋼軌至從尾部的漲緊輪脫離鋼軌這段時(shí)間內(nèi)，和鋼軌緊貼保持靜止不動(dòng)。在這段時(shí)間內(nèi)，履帶片片基內(nèi)的超聲波探頭陣列按后臺(tái)處理子系統(tǒng)的控制發(fā)出(或接收 飛MHZ不等的連續(xù)調(diào)制超聲波。假設(shè)履帶與鋼軌接觸的總長度為lm，向前滾進(jìn)的速度是100km/h。經(jīng)簡單計(jì)算，可得每個(gè)履帶片與鋼軌接觸的時(shí)間是36ms。與現(xiàn)有的最高探測速度80 km/h、采樣時(shí)間0.3 ms相比，可大幅延長采樣時(shí)間，降低漏檢率。如圖2所示，是本發(fā)明所述單個(gè)履帶片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。履帶片由履帶片片基以及內(nèi)嵌的超聲波探頭陣列、微型電池、壓力傳感器、超聲波收發(fā)電路、轉(zhuǎn)換器以及UWB通信模塊組合而成。上述微型電池用彈性材料與履帶片片基內(nèi)的超聲波收發(fā)電路、轉(zhuǎn)換器和UWB通信模塊固定在一起，并向這些設(shè)備提供電源；壓力傳感器布置在履帶片片基的中部，負(fù)責(zé)檢測履帶片的壓力狀態(tài)；超聲波收發(fā)電路一端與超聲波探頭連接，另一端通過轉(zhuǎn)換器與UWB通信模塊連接，負(fù)責(zé)超聲波信號的發(fā)送和接收，即是把連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的超聲波探頭和緩存各個(gè)超聲波探頭接收下來的反射波信號并傳至轉(zhuǎn)換器；轉(zhuǎn)換器由A/D 轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器兩部分組成，一端與超聲波收發(fā)電路及壓力傳感器連接，另一端與UWB 通信模塊連接，負(fù)責(zé)模擬信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換；UWB通信模塊經(jīng)轉(zhuǎn)換器與超聲波收發(fā)電路及壓力傳感器連接，負(fù)責(zé)超聲波收發(fā)電路及壓力傳感器與后臺(tái)處理子系統(tǒng)之間的信號傳輸，即是把后臺(tái)處理子系統(tǒng)產(chǎn)生的連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號傳送至超聲波收發(fā)電路， 把各超聲波探頭接收的反射波信號及壓力傳感器信號傳送給后臺(tái)處理子系統(tǒng)。后臺(tái)處理子系統(tǒng)采用對應(yīng)的UWB模塊來接收和發(fā)送UWB信號。如圖3a b所示，是本發(fā)明所述單個(gè)履帶片內(nèi)部各單元布置的一個(gè)實(shí)施例示意圖。 其中圖3a是履帶片外側(cè)平面圖，該表面加裝透聲外膜后與鋼軌表面接觸。履帶片片基301 選用橡膠材料制作，表面加裝透聲外膜，履帶片片基與透聲外膜之間的微小縫隙用透聲耦合液填充。履帶片片基301內(nèi)按陣列內(nèi)嵌9個(gè)超聲波探頭，與鋼軌橫截面平行的每行各3 個(gè)超聲波探頭，共3行，行與行平行布置，列于列對齊布置。位于每行兩側(cè)的共6個(gè)布置的是70°傾斜角超聲波探頭302，用來探測軌頭105內(nèi)的核傷和橫裂；位于中間行中部的1個(gè)布置的是0°傾斜角(垂直)超聲波探頭303，用來探測軌頭105、軌腰106和軌底107的水平裂紋和縱裂紋；位于頭尾兩行的中部的共2個(gè)布置的38°傾斜角超聲波探頭304，用來探測軌腰106及螺栓孔損傷。圖北是履帶片內(nèi)側(cè)平面圖，該表面與漲緊輪102表面接觸。微型電池305用彈性材料306與履帶片片基內(nèi)的超聲波收發(fā)電路307、轉(zhuǎn)換器308、UffB通信模塊309等固定在一起。該部分伸出鋼軌一側(cè)不與鋼軌接觸，以免電路受到擠壓產(chǎn)生故障。 壓力傳感器310布置在該表面的履帶片片基301的中部，其功能是檢測履帶片的壓力狀態(tài)， 當(dāng)檢測到壓力時(shí)產(chǎn)生接觸觸發(fā)信號，當(dāng)檢測到壓力解除時(shí)產(chǎn)生脫離觸發(fā)信號。如圖4所示，是實(shí)施例中的UWB通信模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。UffB通信模塊的組成包括脈沖發(fā)生器、脈沖位置調(diào)制器、有源晶振、功率放大器、低噪放大器、射頻濾波器、乘法器、低通濾波器、采樣/檢測器和UWB天線。UWB信號的產(chǎn)生過程是有源晶振產(chǎn)生基準(zhǔn)方波信號， 輸入脈沖發(fā)生器產(chǎn)生基本UWB信號?；綰WB信號被輸入脈沖位置調(diào)制器，同時(shí)脈沖位置調(diào)制器根據(jù)超聲波收發(fā)電路或壓力傳感器傳來的，并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，對基本UWB 信號進(jìn)行脈沖位置調(diào)制后產(chǎn)生調(diào)制UWB信號，調(diào)制UWB信號被輸入功率放大器放大后經(jīng)UWB 天線輻射出去。UWB信號的接收過程是后臺(tái)處理子系統(tǒng)內(nèi)UWB通信模塊傳來的UWB信號被履帶片內(nèi)UWB天線接收，然后依次被輸入低噪放大器、射頻濾波器和乘法器。同時(shí)乘法器接收脈沖發(fā)生器輸入的基本UWB信號，將兩信號相乘后輸入低通濾波器，濾波后的信號被輸入采樣/檢測器進(jìn)行采樣和檢波得到數(shù)字信號輸入轉(zhuǎn)換器還原多頻連續(xù)調(diào)制超聲波信號傳至超聲波收發(fā)電路。如圖5所示是單個(gè)履帶片單次工作流程圖。其對鋼軌進(jìn)行無損探測包括以下步驟
(1)履帶片與鋼軌接觸，壓力傳感器310檢測到壓力，則產(chǎn)生接觸觸發(fā)信號。(2)接觸觸發(fā)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過履帶片內(nèi)的UWB通信模塊309傳向后臺(tái)處理子系統(tǒng)，后臺(tái)處理子系統(tǒng)收到觸發(fā)信號后指定該履帶片處于工作狀態(tài)。而履帶片內(nèi)的超聲波探頭在不同時(shí)刻有發(fā)射、接收兩種工作狀態(tài)，具體工作狀態(tài)由后臺(tái)處理子系統(tǒng)進(jìn)行控
(3)若在某一時(shí)刻后臺(tái)處理子系統(tǒng)判定某個(gè)超聲波探頭(假定為超聲波探頭Α)為發(fā)射狀態(tài)，則產(chǎn)生連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換通過后臺(tái)處理子系統(tǒng)的UWB通信模塊309以UWB信號的形式傳至該履帶片。(4)履帶片上的UWB通信模塊309接收到后臺(tái)處理子系統(tǒng)傳來UWB信號，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后還原成連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號傳輸至超聲波收發(fā)電路307。超聲波收發(fā)電路307根據(jù)傳來的連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號控制超聲波探頭A發(fā)出相應(yīng)的超聲波波束進(jìn)行鋼軌探傷。(5)在同一時(shí)刻，超聲波探頭A發(fā)出的超聲波波束經(jīng)鋼軌反射回來的方向有一超聲波探頭(假定為超聲波探頭B)，則后臺(tái)處理子系統(tǒng)判定該超聲波探頭為接收狀態(tài)。超聲波探頭B接收從超聲波探頭A發(fā)出，并經(jīng)鋼軌內(nèi)部反射回來的超聲波信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換器308進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過履帶片內(nèi)的UWB通信模塊309以UWB信號的形式傳至后臺(tái)處理子系統(tǒng)。(6)后臺(tái)處理子系統(tǒng)接收到超聲波探頭B傳回來的信號后就可以對信號進(jìn)行分析處理，判斷鋼軌內(nèi)部，由超聲波波束從超聲波探頭A發(fā)出經(jīng)鋼軌反射至超聲波探頭B這段路徑之內(nèi)鋼軌有無損傷。(7)當(dāng)履帶片脫離鋼軌時(shí)，履帶片片基301內(nèi)的壓力傳感器310感受到壓力消失， 產(chǎn)生脫離觸發(fā)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換器308模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過履帶片內(nèi)的UWB通信模塊309傳至后臺(tái)處理子系統(tǒng)。(8)后臺(tái)處理子系統(tǒng)接收到脫離觸發(fā)信號后判斷本履帶片已經(jīng)和鋼軌脫離，于是停止該履帶片超聲波信號的收發(fā)，則本履帶片處于等待狀態(tài)，直至下一個(gè)循環(huán)開始。如圖6所示，是實(shí)施例中履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件101探傷過程示意圖。位于履帶片每行兩側(cè)的6個(gè)70°傾斜角超聲波探頭302，采用收發(fā)分離的方式向側(cè)后方發(fā)射Γ5 MHz相對高頻超聲波或接收斜前方的發(fā)射波，用來探測軌頭105內(nèi)的核傷和橫裂；位于履帶片頭尾兩行的中部的2個(gè)38°傾斜角超聲波探頭304，同樣采用收發(fā)分離的方式向側(cè)后方發(fā)射2 3MHz相對低頻超聲波或接收斜前方的反射波，用來探測軌腰106及螺栓孔損傷；位于中間行中部的0°傾斜角(垂直)超聲波探頭303采用收發(fā)結(jié)合的方式，垂直向下發(fā)射頻率為3 4MHz的中低頻超聲波，用于探測軌頭105、軌腰106和軌底107的水平裂紋和縱裂紋。
下面以當(dāng)前鐵路干線主要采用的70kg/m重載鋼軌為探測對象，采用4個(gè)漲緊輪102配一副履帶。每副履帶由42個(gè)履帶片構(gòu)成，其中上下兩個(gè)面各16片，前后兩個(gè)漲緊輪102外側(cè)各5片。在進(jìn)行鋼軌探傷時(shí)，每一確定的時(shí)刻共有16片履帶片與鋼軌軌道表面104接觸。在這里，按履帶滾進(jìn)的方向?qū)⒙膸来尉帪?、2、3、……16號。如圖7a所示，對于 70°傾斜角超聲波探頭302，由9-16號履帶片發(fā)射超聲波，1-8號履帶片接收超聲波；如圖 7b所示，對于38°傾斜角超聲波探頭304，由13-16、5-8號履帶片發(fā)射超聲波，9-12、1-4號履帶片接收超聲波。如圖7c所示對于垂直超聲波探頭303，1-16號履帶片均發(fā)射并接收超聲波。隨著履帶沿鋼軌軌道表面104向前滾進(jìn)，后臺(tái)處理子系統(tǒng)依據(jù)履帶片上壓力傳感器 310的觸發(fā)信號，對各超聲波探頭的收發(fā)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了對鋼軌各個(gè)部位的檢測。如圖SiTc所示，是實(shí)施例中各角度超聲波探頭對鋼軌內(nèi)部損傷的探測示意圖。每一束超聲波波束在鋼軌中傳播時(shí)對應(yīng)一條確定的路徑，如圖8a所示(圖中只示意了每個(gè)履帶片內(nèi)一側(cè)的3個(gè)超聲波探頭發(fā)出的波束)對于70°傾斜角超聲波探頭302發(fā)出的超聲波波束，其確定的路徑就是一條左右對稱的折線。若鋼軌軌頭105出現(xiàn)核傷(如圖中的外部光滑曲線包圍的平面部分)，這種損傷首先會(huì)影響反射波的能量和形狀，通過該位置的入射波束和經(jīng)軌頭底面反射后的反射波，這兩束超聲波波束的交點(diǎn)可確定損傷的位置。同時(shí)，因?yàn)槁膸系某暡ㄌ筋^非常密集，且對于一側(cè)鋼軌，有兩組履帶先后通過。所以對于同一處損傷，會(huì)有多束入射波和反射波在該位置相交形成多個(gè)交點(diǎn)。將分布在最外部的交點(diǎn)用虛線連接起來，可以準(zhǔn)確描繪出鋼軌損傷的形狀及大小(如圖中內(nèi)部彎折的虛線包圍的平面部分)。如圖8b所示(圖中只示意了每個(gè)履帶片內(nèi)的1個(gè)超聲波探頭發(fā)出的波束)，是38° 傾斜角超聲波探頭304對于軌腰106裂紋的探測實(shí)例示意圖，其入射波和反射波相交形成交點(diǎn)的原理與70°傾斜角超聲波探頭302完全一樣，不同之處在于對這種線性的損傷(如圖中細(xì)曲線所示)，入射波與反射波相交形成的交點(diǎn)呈鋸齒形分布(如圖中粗鋸齒形折線所示)，依據(jù)這種鋸齒形折線可以判斷裂紋的位置、長度和方向。如圖8c所示，是垂直超聲波探頭303對于軌底縱裂紋的探測實(shí)例示意圖。對于垂直超聲波探頭303，因?yàn)椴捎檬瞻l(fā)共用的方式，所以每束超聲波波束及其反射波束只通過鋼軌的某一個(gè)切面，若鋼軌的某個(gè)切面對應(yīng)的軌頭105、軌腰106和軌底107出現(xiàn)水平裂紋或縱裂紋，根據(jù)反射波返回的時(shí)間、能量、 波形就可以直接確定裂紋的位置及形狀。
權(quán)利要求
1.一種履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件，其特征在于包括若干個(gè)履帶片，每個(gè)履帶片包括履帶片片基以及內(nèi)嵌在履帶片片基中的超聲波探頭陣列、電池、壓力傳感器、超聲波收發(fā)電路、轉(zhuǎn)換器和UWB通信模塊；所述電池與超聲波收發(fā)電路、轉(zhuǎn)換器和UWB通信模塊連接；超聲波收發(fā)電路、UWB通信模塊、壓力傳感器分別與轉(zhuǎn)換器連接，超聲波收發(fā)電路還與超聲波探頭陣列連接；所述壓力傳感器負(fù)責(zé)檢測履帶片的壓力狀態(tài)；所述超聲波收發(fā)電路將連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的超聲波探頭，超聲波收發(fā)電路還緩存各個(gè)超聲波探頭接收到的反射波信號并傳至轉(zhuǎn)換器；所述轉(zhuǎn)換器包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)模擬信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換；所述UWB通信模塊主要負(fù)責(zé)將后臺(tái)處理子系統(tǒng)產(chǎn)生的連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號傳送至超聲波收發(fā)電路，同時(shí)將各超聲波探頭接收的反射波信號及壓力傳感器的信號傳送給后臺(tái)處理子系統(tǒng)進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件，其特征在于所述超聲波探頭陣列中行與行平行布置，列與列對齊布置；超聲波探頭陣列中與鋼軌長度方向平行的兩側(cè)超聲波探頭采用60°、0°傾斜角布置，用來探測軌頭內(nèi)的核傷和橫裂；超聲波探頭陣列中位于陣列中部的若干超聲波探頭采用0°傾斜角布置，用來探測軌頭、軌腰和軌底的水平裂紋和縱裂紋；位于所述兩側(cè)和中部以外的超聲波探頭采用30°飛0°傾斜角布置，用來探測軌腰及螺栓孔損傷；所述傾斜角為超聲波探頭發(fā)射方向與鋼軌橫截面的夾角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件，其特征在于傾斜角為60°、0°的超聲波探頭的超聲波頻率為Γ5ΜΗζ，傾斜角為0°超聲波探頭的超聲波頻率為;Γ4ΜΗζ，傾斜角為30°飛0°的超聲波探頭的超聲波頻率為纊3MHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件，其特征在于所述壓力傳感器布置在履帶片片基的中部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件，其特征在于所述電池采用微型電池，微型電池用彈性材料與所述超聲波收發(fā)電路、轉(zhuǎn)換器和UWB通信模塊一起固定在履帶片片基內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件，其特征在于履帶片片基采用橡膠材料，履帶片片基表面加裝透聲外膜，履帶片片基與透聲外膜之間的縫隙用透聲耦合液填充。
7.權(quán)利要求廣6任一項(xiàng)所述無線超聲波探頭組件的探傷方法，其特征在于包括如下步驟(1)履帶片接觸鋼軌后，履帶片片基內(nèi)的壓力傳感器感受到壓力，產(chǎn)生接觸觸發(fā)信號經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過UWB通信模塊傳至后臺(tái)處理子系統(tǒng)；(2)后臺(tái)處理子系統(tǒng)接收到接觸觸發(fā)信號后控制該履帶片處于工作狀態(tài)；履帶片內(nèi)的超聲波探頭的工作狀態(tài)包括發(fā)送和接收；若在某一時(shí)刻后臺(tái)處理子系統(tǒng)判定某個(gè)超聲波探頭A應(yīng)為發(fā)射狀態(tài)，則產(chǎn)生連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過后臺(tái)處理子系統(tǒng)的 UffB通信模塊以UWB信號的形式傳至該履帶片；(3)履帶片上的UWB通信模塊接收到后臺(tái)處理子系統(tǒng)傳來UWB信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后還原成連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號傳輸至超聲波收發(fā)電路；超聲波收發(fā)電路根據(jù)傳來的連續(xù)多頻調(diào)制超聲波信號控制所述超聲波探頭A發(fā)出相應(yīng)頻率的超聲波波束進(jìn)行鋼軌探傷；(4)所述超聲波探頭A發(fā)出的超聲波波束經(jīng)鋼軌反射回來的方向有一個(gè)超聲波探頭B， 則后臺(tái)處理子系統(tǒng)判定超聲波探頭B為接收狀態(tài)；超聲波探頭B接收從超聲波探頭A發(fā)出并經(jīng)鋼軌內(nèi)部反射回來的超聲波信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過履帶片內(nèi)的UWB通信模塊以UWB信號的形式傳至后臺(tái)處理子系統(tǒng)；(5)后臺(tái)處理子系統(tǒng)接收到所述超聲波探頭B傳回來的信號后對信號進(jìn)行分析處理， 判斷超聲波波束從探頭A發(fā)出經(jīng)鋼軌反射至超聲波探頭B的路徑內(nèi)鋼軌有無損傷；(6)當(dāng)履帶片脫離鋼軌時(shí)，履帶片片基內(nèi)的壓力傳感器感受到壓力消失，產(chǎn)生脫離觸發(fā)信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過履帶片內(nèi)的UWB通信模塊傳至后臺(tái)處理子系統(tǒng)；后臺(tái)處理子系統(tǒng)接收到脫離觸發(fā)信號后判斷本履帶片已經(jīng)和鋼軌脫離，于是停止該履帶片超聲波信號的收發(fā)，則該履帶片處于等待狀態(tài)，直至下一個(gè)循環(huán)開始。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的探傷方法，其特征在于每一束超聲波波束在鋼軌中傳播時(shí)對應(yīng)一條確定的路徑對于有一定傾斜角的超聲波探頭發(fā)出的超聲波波束，該超聲波波束確定的路徑就是一條左右對稱的折線，若鋼軌軌頭或軌腰出現(xiàn)損傷，這種損傷會(huì)同時(shí)影響通過該位置的入射波束和經(jīng)軌頭底面或者軌底底面反射后的反射波，這兩束超聲波波束的交點(diǎn)就是損傷的位置，同時(shí)，對于同一處損傷，會(huì)有多束入射波和反射波在該位置相交形成多個(gè)交點(diǎn)，根據(jù)這多個(gè)交點(diǎn)的分布，準(zhǔn)確描繪出鋼軌損傷的形狀及大??；而對于垂直布置的超聲波探頭，每束超聲波波束及其反射波束只通過鋼軌的某一個(gè)切面，若鋼軌的某個(gè)切面對應(yīng)的軌頭、軌腰和軌底出現(xiàn)水平裂紋或縱裂紋，根據(jù)反射波返回的時(shí)間、能量和波形就能直接確定裂紋的位置及形狀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件及其探傷方法，所述組件中每個(gè)履帶片包括履帶片片基以及內(nèi)嵌在片基中的超聲波探頭陣列、電池、壓力傳感器、超聲波收發(fā)電路、轉(zhuǎn)換器和UWB通信模塊；電池與超聲波收發(fā)電路、轉(zhuǎn)換器和UWB通信模塊連接；超聲波收發(fā)電路、UWB通信模塊、壓力傳感器分別與轉(zhuǎn)換器連接，超聲波收發(fā)電路還與超聲波探頭陣列連接。探傷方法中，當(dāng)超聲波在傳播方向遇到鋼軌內(nèi)部的核傷、水平裂紋以及縱裂紋等損傷時(shí)，損傷部位會(huì)對超聲波產(chǎn)生反射和散射效應(yīng)。本發(fā)明采用履帶滾進(jìn)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車輪滾動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了超聲波探頭與鋼軌之間相對靜止，使得數(shù)據(jù)采樣時(shí)間大大增加；同時(shí)能提高檢測的靈活性并降低檢測成本。
文檔編號G01N29/04GK102565198SQ201110449210
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者余業(yè)林, 曹燕, 韋崗 申請人:華南理工大學(xué)