专利名称：一种电磁超声技术钢轨缺陷检测方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声检测技术，具体说就是一种电磁超声技术钢轨缺 陷检测方法及其装置。(二) 背景技术在钢轨检测方法上，国内外主要以压电超声检测为主。为了保 证压电超声的换能效率，这些探伤仪必须携带大量声耦合剂，因而不 可避免地引发诸多问题如装置复杂度和重量增加、检测速度和距离 受限、环境适应能力降低以及检测成本升高等。更为重要的是，压电 超声传感器到钢轨之间的距离较远，声波在耦合剂中需传播较长的时 间，使得接收产生滞后，当探伤速度增加时，回波将落后一段距离而 不能被超声探头准确接收。为了尽量减少该距离，设计时一般尽量减 小探轮直径，但也导致探伤速度增加时探轮表面线速度增加，令轮内 耦合液自身出现扰动，出现无数杂反射波，令探伤无法进行。由此可 见，耦合剂的存在限制了检测速度，使超声检测方式很难达到更高的 检测速度。另外，耦合剂的使用使得检测装置机械结构变得复杂，需 配备盛装耦合剂的容器，装置重量增加，检测距离也受到容器容积大 小的限制。电磁超声换能器 (Electromagnetic Acoustic Transducer,简称 EMAT)是一种非接触型超声发射、接收装置。该技术因无需声耦合 剂等诸多优势而将超声无损检测扩展到了高温、高速、在线等诸多领
域，可以适应更高速度的超声检测，而且结构简单。电磁超声换能器 能够方便发出各种类型的超声波，设计灵活。
发明内容本发明的目的在于提供一种能快速、有效检测出钢轨缺陷的电磁 超声技术钢轨缺陷检测方法及其装置。本发明的目的是这样实现的所述的一种电磁超声技术钢轨缺陷 检测装置，它是由探头8、龟路系统9、存储单元5和显示单元6组成的。探头8连接电路系统9，电路系统9分别连接存储单元5和显 示单元6。本发明一种电磁超声技术钢轨缺陷检测装置，还有以下技术特征所述的电路系统9包括收发转换开关7、功率放大电路l、信号 调理电路2、数据采集电路3和微处理器4。收发转换开关7分别连 接功率放大电路1和信号调理电路2,功率放大电路1连接微处理器 4，信号调理电路2连接数据采集电路3，数据采集电路3连接微处 理器4，微处理器4分别连接存储单元5和显示单元6。本发明一种电磁超声技术钢轨缺陷检测方法，工作过程如下步骤一将检测装置的探头8安置在钢轨踏面上；步骤二检测系统初始化；步骤三微处理器4发出控制信号给功率放大电路1，信号为脉冲串的形式，频率lMHz，持续时间8us;步骤四功率放大电路1经收发转换开关7驱动探头8发出超声 波，驱动电流100A;步骤五超声波在钢轨中传播，遇到缺陷会发生反射，通过探头 8可以接收到反射回波；步骤六探头8接收的反射回波信号经收发转换开关7由信号调理电路2进行放大滤波，然后由数据采集电路3采集并存储在微处理器4的内存单元中；步骤七微处理器4对采集的数据进行快速数字信号处理，提取 缺陷特征并对缺陷大小进行量化；步骤八微处理器4将处理结果在显示单元6上实时显示；步骤九微处理器4将处理前后的数据存储在存储单元5中；步骤十返回运行步骤三。本发明通过电磁超声体波检测钢轨内部缺陷，检测无需使用声耦 合剂，检测速度快、效率高、环境适应能力强。本发明所述的一种电 磁超声技术钢轨缺陷检测装置，可以实现对在线和在役钢轨缺陷的检本发明具有以下优点(1) 使用电磁超声技术实现钢轨缺陷检测，检测无需使用声耦 合剂，无需配备复杂的机械结构和盛装耦合剂的容器，检测装置结构 简单化；(2) 本发明使用电磁超声技术，检测速度快、效率高。目前的压电超声钢轨缺陷检测使用探轮结构，可以有效提高检测速度，但是 在高速在线检测上由于耦合剂扰动造成的影响不可避免，检测速度受 到限制。而电磁超声无需声耦合剂，检测速度不受此限制。(3) 本发明使用了三种探头相互配合，可以实现钢轨缺陷的全 面检测。超声垂直入射体波检测钢轨轨腰和轨底缺陷，使用超声斜入 射体波向钢轨长度方向斜入射可以检测钢轨螺孔损伤，使用超声斜入 射体波向钢轨长度方向斜入射可以检测轨头缺陷。(4) 本发明由于无需声耦合剂，可以适应很宽的温度范围，环境适应能力强。(四)
图1本发明总体结构框图；图2本发明钢轨超声检测结构图；图3本发明钢轨探头布置方式图；图4本发明各超声探头检测覆盖区域；图5本发明检测无缺陷时探头波形示意图；图6本发明检测有缺陷时探头波形示意图；图7本发明斜入射体波激发原理。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。实施例1，结合图1，本发明一种电磁超声技术钢轨缺陷检测装 置，它是由探头(8)、电路系统(9)、存储单元(5)和显示单元(6) 组成的。探头(8)连接电路系统(9)，电路系统(9)分别连接存储 单元(5)和显示单元(6)。所述的电路系统(9)包括收发转换开关(7)、功率放大电路(1)、信号调理电路(2)、数据采集电路(3) 和微处理器(4)。所述的收发转换开关(7)分别连接功率放大电路(1)和信号调理电路(2)，功率放大电路(1)连接微处理器(4)， 信号调理电路2连接数据釆集电路(3)，数据采集电路(3)连接微
处理器(4)，微处理器(4)分别连接存储单元(5)和显示单元(6)。微处理器(4)控制功率放大电路(1)驱动探头(8)发射超声体波。信号以超声波的形式在钢轨中传播，遇到缺陷会发生反射，反射信号经信号调理电路(2)放大滤波，由数据采集电路(3)将该信 号在微处理器(4)内部进行快速数字信号处理，提取出缺陷特征， 并对缺陷大小进行量化。最后，通过显示单元(6)实时显示检测状 况，并将采集的信号数据和处理后的数据在存储单元(5)中进行存 储。实施例2，结合图2、图3、图4、图5、图6，本发明所述的探头 在钢轨踏面的布置方式采用特制线圈，可方便地产生向钢轨内部传播 的超声体波，适当调整发射脉冲的频率，可以使超声波以一定角度射 入钢轨内部。在图2、 3中，A、 B、 C为由发射线圈、磁铁以及钢轨 本身组成的超声换能器，换能器放置在钢轨踏面，使用不同的发射角 度可以较为全面地检测钢轨不同位置的缺陷。探头A垂直于钢轨踏面发射超声体波，可以检测轨腰以及轨底缺 陷；探头B向钢轨长度方向斜入射，可以探测螺孔的损伤；两个探 头C向钢轨长度方向斜入射，可以检测轨头的损伤。各探头检测的覆盖区域如图4所示。探头A、 B、 C均使用脉冲反射法原理。在检测时，探头向钢轨 内部发射超声体波，超声波向钢轨内部传播。当在传播路径上没有缺 陷时，将不会接收到缺陷反射回波，如图5所示以探头B为例的示 意图；当在传播路径上有缺陷时会发生发射，探头接收到反射信号后
可通过测量缺陷回波的时间和强度来计算出缺陷的位置和大小，如图 6所示以探头B为例的示意图。实施例3，结合图5，本发明的电磁超声斜入射体波激发原理是: 电磁超声斜入射体波探头由磁铁和电磁超声曲折线圈组成，工作频率 1 MHZ。探头的声束入射角度由声波的波长和曲折线圈的匝间距决 定，合理调节发射频率和曲折线圈的匝间距，可以使得超声波沿一个合适的方向入射。设斜入射体波的入射角为"则有<formula>formula see original document page 9</formula>
式中义——声波的波长；/——曲折线圈的匝间距。 实施例4，本发明一种电磁超声技术钢轨缺陷检测方法及其装置， 所述的电磁超声探头表面有一层0.5 mm厚的耐磨层，并且保证探头 到钢轨表面有lmm的提离距离，用以保护电磁超声线圈不会因磨损 而损坏。对于在役钢轨的检测，需要对缺陷位置进行标定。由于每根钢轨 长度已知(一般为25m)，可以通过钢轨焊缝以及配备里程轮来对装 置在钢轨上的行进路程进行标定，从而保证对钢轨缺陷的精确定位。
权利要求
1. 一种电磁超声技术钢轨缺陷检测装置，它是由探头(8)、电路系统(9)、存储单元(5)和显示单元(6)组成的；其特征在于探头(8)连接电路系统(9)，电路系统(9)分别连接存储单元(5)和显示单元(6)。
2. 根据权利要求1所述的一种电磁超声技术钢轨缺陷检测装置， 所述的电路系统(9)包括收发转换开关(7)、功率放大电路(1)、 信号调理电路(2)、数据采集电路(3)和微处理器(4);其特征在 于收发转换开关(7)分别连接功率放大电路(1)和信号调理电路(2)，功率放大电路(1)连接微处理器(4)，信号调理电路(2)连 接数据采集电路(3)，数据采集电路(3)连接微处理器(4)，微处 理器(4)分别连接存储单元(5)和显示单元(6)。
3. —种电磁超声技术钢轨缺陷检测方法，工作步骤如下 步骤一将检测装置的探头(8)安置在钢轨踏面上； 步骤二检测系统初始化；步骤三微处理器(4)发出控制信号给功率放大电路(1)，信号为脉冲串的形式，频率lMHz,持续时间8us;步骤四功率放大电路(1)经收发转换开关(7)驱动探头(8) 发出超声波，驱动电流100A;步骤五超声波在钢轨中传播，遇到缺陷会发生反射，通过探头 (8)可以接收到反射回波；步骤六探头(8)接收的反射回波信号经收发转换开关(7)由信号调理电路(2)进行放大滤波，然后由数据采集电路(3)采集并存储在微处理器(4)的内存单元中；步骤七微处理器(4)对采集的数据进行快速数字信号处理，提取缺陷特征并对缺陷大小进行量化；步骤八微处理器(4)将处理结果在显示单元(6)上实时显示； 步骤九微处理器(4)将处理前后的数据存储在存储单元(5)中；步骤十返回运行步骤三。
全文摘要
本发明属于电磁超声无损检测领域，提供一种电磁超声技术钢轨缺陷检测方法及其装置。目的在于解决现有钢轨检测方法存在的各种问题，满足高速电气化铁路发展的需要。装置由探头、电路系统、存储单元和显示单元组成。检测装置使用电磁超声体波，通过多个超声探头协同工作，能够实现对钢轨轨头、轨腰、轨底的有效检测。该检测方法无需使用声耦合剂，结构简单，环境适应能力强，可以实现高速的钢轨检测。
文档编号G01N29/04GK101398410SQ20081013748
公开日2009年4月1日 申请日期2008年11月7日 优先权日2008年11月7日
发明者宫佳鹏, 磊 康, 张晓辉, 汪开灿, 王淑娟, 米武军, 翟国富 申请人:哈尔滨工业大学