专利名称：一种基于三向电磁差动传感器的铁轨损伤探测装置及方法
技术领域：
本发明属于电磁检测技术中电磁探伤应用领域，具体涉及一种基于三向电磁差动传感器的铁轨损伤探测装置及方法。
背景技术：
铁轨是现代交通体系中一种非常重要的交通工具，对国民经济和人民生活的影响越来越大。然而近些年不断出现的铁轨事故，让人们开始关注铁轨的运行安全问题。在铁轨事故中，相当一部分是由于铁轨出现损伤，致使铁轨受力不均，进而使损伤变得严重，最终酿成无法挽回的事故；尤其是铁轨普遍提速的今天，微小的铁轨损伤都可能很大的经济损失，甚至给乘客带来生命危险。而铁轨由于材质问题、劳损、以及焊接时的质量问题等多方面都可能致使铁轨出现断轨的问题。因此对铁轨的运行状态进行实时监测显得至关重要而具有实际意义。在现有技术中，铁轨损伤的探测装置与方法主要有以光电编码器、光棚测量尺为传感器的铁轨监测车，超声波探测法，以及人工经验检测法等。其中，基于光学的检查车虽然精度高些，但是容易受到雪、雨和光轴的滑到等影响，而且需要专门配备检测机车，不仅成本高，而且对铁路的正常运行产生影响；基于超声波的探测方法是利用超声波遇到裂纹时发生衍射的原理， 只能对出现裂缝的铁轨进行准确探测，对于铁轨表面、内部的损伤效果不是很理想；基于人工的损伤探测，对人工的经验要求非常高，而且工作量大，效率低，人工成本高。本发明基于三向电磁差动传感器的铁轨损伤探测装置及方法，不仅不受到各种天气影响，而且还可以配备在任何一辆火车机车上，在不影响铁路正常运行的情况下，实时监测各铁轨的运行情况。采用差动式结构的电磁传感器能够准确判断铁轨状态，采用三向设计的电磁差动传感器可以区分铁轨多部位的损伤检测。本发明优点在于，实现成本低、快速准确，能全方位监测铁轨轨颚、轨腰、轨座处的微小损伤，还可用于铁轨焊接质量的质检上。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三向电磁差动传感器的铁轨损伤探测装置及方法，能够快速准确的检测铁轨状态，确定铁轨损伤的具体里程位置以及铁轨损伤发生的具体部位。为实现上述目的，本发明的技术方案如下:一种基于三向电磁差动传感器的铁轨损伤探测装置，包括三向电磁差动传感器、信号调理电路、FPGA控制芯片、上位机，其中，所述的三向电磁差动传感器包括传感器支架，支架的前部设有三个指向不同方向的分叉，在每个分叉上设置一个探头，所述的探头包括检测线圈和激励线圈，激励线圈缠绕在分叉的中段；检测线圈由一根导线绕制而成，按照绕线的方向和位置的不同分为两部分，一部分缠绕在分叉前段，另一部分缠绕在分叉后段，两部分的匝数相同，但缠绕方向相反，前者用于测量铁轨端感应信号，后者用于测量空场感应信号，以此产生差动效果，三个探头分别用于探测铁轨的轨腰、轨颚、轨座位置是否出现损伤；作为优选实施方式，FPGA控制芯片发送的激励信号经过DA转换和功率放大后加载在各个探头的激励线圈上，三组检测线圈的测量信号经过信号调理电路的处理后再经AD转换被送入FPGA控制芯片，FPGA控制芯片再将三组检测线圈的3组感应信号被传送回上位机，上位机用于对采集的3组数据进行数据的正交解调，根据信号解调后的互感值幅值是否发生突变，判断铁轨是否出现损伤及出现损伤的部位。本发明同时提供一种采用所述的铁轨损伤探测装置实现的探测方法，该探测装置在使用时，将三向电磁差动传感器固定于列车底部，使三个探头分别靠近铁轨的轨腰、轨颚、轨座处，在列车行进的时候，FPGA控制芯片输出激励信号经功率放大后传送至三向电磁差动传感器的激励线圈，3组差动检测线圈的3组感应信号实时传送回上位机；上位机对采集的3组数据进行数据的正交解调，若某一时刻某一组采集数据的互感幅值发生突变，则判断此刻此组传感器对应的铁轨位置出现损伤；之后，记录并保存出现损伤处对应的采集时间，并通过里程换算得出铁轨出现损伤的具体里程位置。综上所述，本发明所提供的基于三向电磁差动传感器的铁轨损伤探测装置及方法，能够在不受各种天气因素影响下、不影响铁路系统正常运行的情况下，通过搭载在火车机车上的传感器实现铁轨沿线的损伤探测，能够确定损伤发生的具体里程位置及损伤部位，并将检测结果实时反映给铁轨维护站的人员。
图1为本发明中的三向电磁差动传感器的安装示意图；图2为本发明中的铁轨探伤原理框图；图3为本发明中的电磁差动传感器的原理图与绕制方法。
具体实施方式
·以下结合图1 图3，详细说明本发明的一个优选实施例。本发明提供的探测装置用于实时监测铁轨损伤情况，并及时将信息反馈给铁轨维护站人员。整个探测装置具体包含:三向电磁差动传感器I;与三向电磁差动传感器I通过线路连接的功率放大电路与信号调理电路2 ；以及连接信号调理电路和FPGA的A/D及D/A转换电路3 ；以及作为控制器的FPGA芯片4。图1为本发明三向电磁差动传感器I的主体结构及安装装部位示意图。本发明的三向电磁差动传感器I采用三向设计，包括支架14，支架的前部设有三个指向不同方向的分叉，在每个分叉上分别绕线制成一个电磁差动传感器11，12，13，称其为探头。使用时，支架的后部可通过一个伸缩杆(图中未画出)固定在列车底部，需要检测的时候，伸缩杆伸出，使得三个探头正好分别位于靠近铁轨的轨腰、轨颚、轨座部位，随着列车的运行，由三向电磁差动传感器I感知的三组独立的测量信号能够同时分别反映铁轨轨腰、轨颚、轨座部位的损伤，探伤更精确，效率更闻。构成三向电磁差动传感器的每个电磁差动传感器，构造和测量原理都是一样的，利用差分结构将线圈拆绕在各个分叉上制作而成(如图3):激励线圈绕制在三向电磁差动传感器每一向探头的中段，检测线圈在三向头靠近铁轨一端顺时针绕制N匝，再在三向头另一端逆时针绕制N匝，N为30 200，二者分别用于测量铁轨端感应信号及空场感应信号，两者相抵产生差动作用，消除了空场信号波动带来的误差。AD9754芯片(实现D/A转换)将FPGA发出的数字正弦激励信号进行数模转换，经过信号调理电路2接入三向电磁差动传感器的激励线圈；三向传感器的感应线圈将感应信号传给放大滤波单元处理后，由AD9240 (实现A/D转换)进行采样和模数转换，并将转化结果传向FPGA芯片。FPGA控制芯片实现正弦激励信号的产生，内部各模块的工作时序控制，采集数据的正交解调，以及同上位机通信等工作。本发明的铁轨在线检测方法，包含以下步骤:步骤1，在确定需要探测的铁轨路段后，将三向电磁差动传感器固定于列车底部靠近铁轨一侧的位置(如图1)，电磁传感器与铁轨保持2cm IOcm的较近距离且非接触。随着列车开动，电磁传感器可以沿铁轨线实时检测。步骤2，在传感器放置完毕后，将FPGA控制芯片提供的激励信号经功率放大后传送至三向电磁差动传感器的激励线圈，并将3组差动检测线圈的3组感应信号实时传送回上位机。步骤3，上位机对采集的3组数据进行数据的正交解调，并将每组信号解调后的互感值幅值显示在上位机界面上。当某一组采集数据的互感幅值发生突变时，就可判断:此刻此组传感器对应的铁轨位置出现损伤。步骤4，上位机记录并保存出现损伤处对应的采集时间，并通过里程换算得出铁轨出现损伤的具体里程位置，并通过GPRS将信息发送给铁轨检修站。采集的三组数据幅值分别对应铁轨的轨颚、轨腰、轨座处，可以更精确的确定损伤位置，以供检修人员及时维修。
综上所述，本发明所提供的基于三向电磁差动传感器的铁轨损伤探测装置及方法，能够在不受各种天气因素影响下、不影响铁路系统正常运行的情况下，通过搭载在火车机车上的传感器实现铁轨沿线的损伤探测，能够确定损伤发生的具体里程位置及损伤部位，并将检测结果实时反映给铁轨维护站的人员。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种基于三向电磁差动传感器的铁轨损伤探测装置，包括三向电磁差动传感器、信号调理电路、FPGA控制芯片、上位机，其中， 所述的三向电磁差动传感器包括传感器支架，支架的前部设有三个指向不同方向的分叉，在每个分叉上设置一个探头，所述的探头包括检测线圈和激励线圈，激励线圈缠绕在分叉的中段；检测线圈由一根导线绕制而成，按照绕线的方向和位置的不同分为两部分，一部分缠绕在分叉前段，另一部分缠绕在分叉后段，两部分的匝数相同，但缠绕方向相反，前者用于测量铁轨端感应信号，后者用于测量空场感应信号，以此产生差动效果，三个探头分别用于探测铁轨的轨腰、轨颚、轨座位置是否出现损伤。
2.根据权利要求1所述的基于三向电磁差动传感器的铁轨损伤探测装置，其特征在于，FPGA控制芯片发送的激励信号经过DA转换和功率放大后加载在各个探头的激励线圈上，三组检测线圈的测量信号经过信号调理电路的处理后再经AD转换被送入FPGA控制芯片，FPGA控制芯片再将三组检测线圈的3组感应信号被传送回上位机，上位机用于对采集的3组数据进行数据的正交解调，根据信号解调后的互感值幅值是否发生突变，判断铁轨是否出现损伤及出现损伤的部位。
3.一种采用权利要求1所述的铁轨损伤探测装置实现的探测方法，该探测装置在使用时，将三向电磁差动传感器固定于列车底部，使三个探头分别靠近铁轨的轨腰、轨颚、轨座处，在列车行进的时候，FPGA控制芯片输出激励信号经功率放大后传送至三向电磁差动传感器的激励线圈，3组差动检测线圈的3组感应信号实时传送回上位机；上位机对采集的3组数据进行数据的正交解调，若某一时刻某一组采集数据的互感幅值发生突变，则判断此刻此组传感器对应的铁轨位置出现损伤；之后，记录并保存出现损伤处对应的采集时间，并通过里程换算得出铁轨出现 损伤的具体里程位置。
全文摘要
本发明属于电磁检测技术中电磁探伤应用领域，涉及一种基于三向电磁差动传感器的铁轨损伤探测装置，包括三向电磁差动传感器、信号调理电路、FPGA控制芯片、上位机，其中，三向电磁差动传感器包括传感器支架，支架的前部设有三个指向不同方向的分叉，在每个分叉上设置一个探头，所述的探头包括检测线圈和激励线圈，激励线圈缠绕在分叉的中段；检测线圈由一根导线绕制而成，按照绕线的方向和位置的不同分为两部分，两部分的匝数相同，但缠绕方向相反，以此产生差动效果，三个探头分别用于探测铁轨的轨腰、轨颚、轨座位置是否出现损伤。本发明同时提供一种采用上述装置实现的铁轨损伤探测方法。本发明具有简单快速且成本较低的优点。
文档编号B61K9/10GK103231726SQ20131006173
公开日2013年8月7日 申请日期2013年2月27日 优先权日2013年2月27日
发明者李安阳, 徐凯, 尹武良, 王奔 申请人:常州兆能电子科技有限公司