专利名称：一种基于电磁超声斜入射体波的检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及电磁超声检测技术，具体说是一种基于电磁超声斜入射体波的检测装
置及方法。
(二)
背景技术：
车轮是列车运行中极为重要的部件，不仅承受列车及其负载的重量，而且还要通 过与钢轨相接触的轮箍部分传递机车运行所需的驱动力和制动力。因此，列车车轮必须保 持良好的状态，否则会严重影响行车安全。然而，由于装配不合理、紧急制动、运行时间长等 多种因素，车轮轮箍在运行一段时间后会产生擦伤、剥离、裂纹等缺陷。目前，车轮轮箍缺陷 检测方式主要分静态检测和动态检测两种方式。静态检测主要包括涡流、压电超声、磁粉3 种。这些方式虽在一定程度上能够探测轮箍踏面表面及近表面裂纹，但存在很多不足之处 如仅能做到静态检测(即对拆卸后的车轮进行检测)、需要对轮箍表面进行预处理(如清洁 或充磁)、多以人工判别为主等，不仅检测效率很低，而且容易误判。同时，国内目前逐步兴 起的动态检测(即列车车轮在线检测)，如基于加速度传感器、位移传感器、激光传感器以 及CCD传感器的检测方案虽然能够对列车车轮的几何参数或擦伤、剥离等体积性缺陷进行 在线测量，但因传感器的自身特点均无法完成车轮轮箍踏面及其近表面处的裂纹检测。
随着我国现代化铁路的建设和列车提速的要求，迫切需要一种能对车轮轮箍进行 全面、精确、高效的在线检测装置。 电磁超声是一种新的无损检测技术。与传统的压电超声相比，电磁超声技术无需 使用声耦合剂，无需对车轮踏面进行预处理，检测装置结构简单，可以实现高速车轮轮箍缺 陷在线检测。同时电磁超声换能器可以方便地产生各种类型的超声波。超声波在车轮中传 播衰减小，对缺陷的敏感度很高，可以实现车轮轮箍缺陷地有效检测。例如，中国实用新型 专利(申请号200320111599. 3，申请日2003. 11. 20)公开了一种"铁路机车、车辆车轮踏面 在线自动化探伤装置"，所述的探伤装置由探头、前置箱、计算机和固定座等几部分组成，可 以对车轮踏面以下15mm的范围进行检测；中国发明专利(申请号200710176817.4，申请 日期2007. 11. 5)公开了 "一种火车车轮表面自动电磁超声检测装置和方法"，该装置主要 由车轮踏面换能器、车轮轮缘换能器、计算机、脉冲发生器、脉冲串产生器、功率放大器、检 波器以及机械装置等组成，可以对车轮踏面及近表面进行检测。两个申请均描述了对车轮 踏面检测的装置和方法，但由于均采用电磁超声表面波对车轮进行检测，因此其检测范围 仅局限于车轮踏面表面下一定范围内，并不能实现车轮轮箍的全面检测。
(三)
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需使用声耦合剂、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、对缺陷大小量化精度高的一种基于电磁超声斜入射体 波的检测装置及方法。
本发明的目的是这样实现的所述的一种基于电磁超声斜入射体波的检测装置，它是由电磁超声探头阵列和电磁超声探伤仪组成的，电磁超声探头阵列通过屏蔽线连接电 磁超声探伤仪。
本发明还有以下技术特征 (1)所述的电磁超声探伤仪包括发射电路、接收电路、数据采集电路、微处理器、显 示单元和存储单元，发射电路连接微处理器，微处理器连接数据采集电路、显示单元和存储 单元，数据采集电路连接接收电路。
(2)所述的电磁超声探头阵列包括30组电磁超声发射、接收探头，每段钢轨上分
布15组探头。每组探头包括一个电磁超声发射接收探头A和一个电磁超声接收探头B。 本发明一种基于电磁超声斜入射体波的检测方法，工作步骤如下 步骤一 将电磁超声探头阵列安装嵌入钢轨，并与电磁超声探伤仪连接； 步骤二 车轮到来时，触发微处理器工作发出控制信号给发射电路，信号为脉冲串
的形式，频率lMHz，持续时间5us ; 步骤三发射电路驱动电磁超声探头A发射电磁超声斜入射体波； 步骤四斜入射体波在车轮轮箍中传播，当遇到缺陷时，部分能量会发生反射，其
余会继续传播，遇到端面时发生反射，再通过接收探头B进行接收； 步骤五电磁超声探头接收的超声信号经接收电路进行放大滤波，然后由数据采
集电路在微处理器的控制下将该信号采集并暂存在微处理器的内存单元中； 步骤六微处理器对采集到电磁超声回波信号进行快速数字信号处理，提取缺陷
特征； 步骤七微处理器将根据反射回波信号确定缺陷的有无，并对其大小进行量化；
步骤八微处理器将处理结果在显示单元上实时显示；并将处理前后的数据存储 在存储单元中； 步骤九返回运行步骤二。 本发明所述的一种基于电磁超声斜入射体波的检测装置及方法，通过电磁超声斜 入射体波检测车轮轮箍缺陷，可以实现车轮轮箍缺陷高效、高速的检测。本发明使用电磁超 声技术实现车轮轮箍缺陷检测，检测过程无需使用声耦合剂，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，使用一个发射接收探头和一个接收探头对车轮轮 箍缺陷进行检测，通过端面反射波和缺陷反射波双重检测，对缺陷大小进行量化的精度高， 本发明可以实现对车轮轮箍缺陷的在线检测。
(四)
图1为本发明的总体结构框图； 图2为本发明的超声检测示意图； 图3为本发明的检测无缺陷时探头波形示意图； 图4为本发明的检测车轮轮箍踏面有剥离时探头波形示意图； 图5为本发明的检测车轮轮箍内部有裂纹时探头波形示意图。
(五)
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例l，结合图1、图2，本发明一种基于电磁超声斜入射体波的检测装置，它是 由电磁超声探头阵列(8)和电磁超声探伤仪(3)组成的，电磁超声探头阵列(8)通过屏蔽 线连接电磁超声探伤仪(3)。
本发明还有以下技术特征 所述的电磁超声探伤仪(3)包括发射电路(7)、接收电路(1)、数据采集电路(2)、 微处理器(4)、显示单元(6)和存储单元(5)，发射电路(7)连接微处理器(4)，微处理器 (4)连接数据采集电路(2)、显示单元(6)和存储单元(5)，数据采集电路(2)连接接收电路 (1)。 所述的电磁超声探头阵列(8)包括30组电磁超声发射、接收探头，每段钢轨上分 布15组探头。每组探头包括一个电磁超声发射接收探头A和一个电磁超声接收探头B。
本发明一种基于电磁超声斜入射体波的检测方法，工作步骤如下
步骤一 将电磁超声探头阵列(8)安装嵌入钢轨，并与电磁超声探伤仪(3)连接；
步骤二 车轮到来时，触发微处理器(4)工作发出控制信号给发射电路(7)，信号 为脉冲串的形式，频率lMHz，持续时间5us ; 步骤三发射电路(7)驱动电磁超声探头A发射电磁超声斜入射体波； 步骤四斜入射体波在车轮轮箍中传播，当遇到缺陷时，部分能量会发生反射，其
余会继续传播，遇到端面时发生反射，再通过接收探头B进行接收； 步骤五电磁超声探头接收的超声信号经接收电路(1)进行放大滤波，然后由数 据采集电路(2)在微处理器(4)的控制下将该信号采集并暂存在微处理器(4)的内存单元 中； 步骤六微处理器(4)对采集到电磁超声回波信号进行快速数字信号处理，提取 缺陷特征； 步骤七微处理器(4)将根据反射回波信号确定缺陷的有无，并对其大小进行量 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；并将处理前后的 数据存储在存储单元(5)中；
步骤九返回运行步骤二。 实施例2，结合图2、图3，本发明一种基于电磁超声斜入射体波的检测装置及方 法，所述的超声检测探头每组由具有收发一体功能的超声探头A和具有接收功能的超声探 头B组成，具有一发两收功能。检测装置工作过程如下微处理器(4)发出控制信号给发射 电路(7)，发射电路(7)驱动超声探头A发出斜入射体波。斜入射体波在车轮轮箍中传播， 传播速度约3000m/s，当遇到缺陷时部分能量会发生发射，其余能量继续传播，遇到端面时 会发生反射。超声探头A接收缺陷反射回波，超声探头B接收端面反射回波，超声波在车轮 轮箍传播路径如图2所示。超声探头A和超声探头B接收到的超声信号经接收电路(1)调 理后，由数据采集电路(2)采集后暂存在微处理器(4)的内存单元中。微处理器(4)将两 个探头接收到的信号经快速数字信号处理，提取缺陷特征。微处理器(4)将根据超声探头A 的反射回波信号确定缺陷的有无，如果有缺陷，将进一步根据缺陷回波时间确定缺陷位置， 根据缺陷反射回波的强度并结合超声探头B中断面信号衰减的大小对该缺陷大小进行量 化。最后，微处理器(4)将处理结果通过显示单元(6)进行实时显示，并将处理前后的数据存储在存储单元(5)中。 实施例3，结合图2、图3、图4、图5， 一种基于电磁超声斜入射体波的检测装置及方 法，所述的车轮轮箍缺陷在线检测装置，每组超声探头由两个超声探头组成——超声探头A 和超声探头B，其中超声探头A既做发射又做接收，超声探头B做接收使用。在进行检测之 前，首先将超声探头A、 B嵌入钢轨，并利用其对无缺陷的车轮进行检测，记录此时超声探头 B接收到的超声波幅值。在实际检测时，如图4所示，当车轮轮箍内部有缺陷时，超声波遇 到缺陷时会发生反射，超声探头A将接收到反射回波信号，同时由于部分超声能量的反射， 超声探头B接收到的端面反射波会有衰减；如图5所示，当车轮轮箍踏面存在剥离、擦伤，此 时超声探头A将接收不到反射回波，而由于提离距离变大，超声探头B接收到的端面反射信 号强度将比在无剥离、擦伤时有一定程度的衰减。通过测量探头A接收到的缺陷反射回波 信号的有无、强度并结合探头B接收到的透射波衰减的程度即可对缺陷大小及类型进行量 化。
权利要求
一种基于电磁超声斜入射体波的检测装置，它是由电磁超声探头阵列(8)和电磁超声探伤仪(3)组成的，其特征在于电磁超声探头阵列(8)通过屏蔽线连接电磁超声探伤仪(3)。
2. 根据权利要求1所述的一种基于电磁超声斜入射体波的检测装置，其特征在于所述的电磁超声探伤仪(3)包括发射电路(7)、接收电路(1)、数据采集电路(2)、微处理器(4) 、显示单元(6)和存储单元(5)，发射电路(7)连接微处理器(4)，微处理器(4)连接数 据采集电路(2)、显示单元(6)和存储单元(5)，数据采集电路(2)连接接收电路(1)。
3. 根据权利要求1所述的一种基于电磁超声斜入射体波的检测装置，其特征在于所 述的电磁超声探头阵列(8)包括30组电磁超声发射、接收探头，每段钢轨 上分布15组探 头。每组探头包括一个电磁超声发射接收探头A和一个电磁超声接收探头B。
4. 一种基于电磁超声斜入射体波的检测方法，其特征在于工作步骤如下步骤一 将电磁超声探头阵列(8)安装嵌入钢轨，并与电磁超声探伤仪(3)连接； 步骤二 车轮到来时，触发微处理器(4)工作发出控制信号给发射电路(7)，信号为脉冲串的形式，频率lMHz，持续时间5us ;步骤三发射电路(7)驱动电磁超声探头A发射电磁超声斜入射体波；步骤四斜入射体波在车轮轮箍中传播，当遇到缺陷时，部分能量会发生反射，其余会 在轮箍中继续传播，遇到端面时发生反射，再通过接收探头B进行接收；步骤五电磁超声探头接收的超声信号经接收电路(1)进行放大滤波，然后由数据采 集电路(2)在微处理器(4)的控制下将该信号采集并暂存在微处理器(4)的内存单元中；步骤六微处理器(4)对采集到电磁超声回波信号进行快速数字信号处理，提取缺陷 特征；步骤七微处理器(4)将根据反射回波信号确定缺陷的有无，并对其大小进行量化； 步骤八微处理器(4)将处理结果在显示单元(6)上实时显示，并将处理前后的数据存 储在存储单元(5)中；步骤九返回运行步骤二。
全文摘要
本发明提供一种无需使用声耦合剂、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、对缺陷大小量化精度高的一种基于电磁超声斜入射体波的检测装置及方法。它是由电磁超声探头阵列和电磁超声探伤仪组成的，电磁超声探头阵列通过屏蔽线连接电磁超声探伤仪。本发明通过电磁超声斜入射体波检测车轮轮箍缺陷，可以实现车轮轮箍缺陷高效、高速的检测。本发明使用电磁超声技术实现车轮轮箍缺陷检测，无需配备复杂的机械结构和盛装耦合剂的容器，使用一个发射接收探头和一个接收探头对车轮轮箍缺陷进行检测，通过端面反射波和缺陷反射波双重检测，对缺陷大小进行量化的精度高。本发明可以实现对车轮轮箍缺陷的在线检测。
文档编号G01N29/04GK101706477SQ20091007319
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月12日 优先权日2009年11月12日
发明者冯剑钊, 康磊, 李智超, 王淑娟, 米武军, 翟国富, 苏日亮 申请人:哈尔滨工业大学