一种基于光声信号的钢轨表面缺陷检测方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于光声信号的钢轨表面缺陷检测方法及装置。
【背景技术】
[0002]光声成像技术是一种新型的无损检测技术，以短脉冲激光作为激励源，以检测到待测对象的光声信号并将光声信号作为信息载体，通过相应的图像重建算法重建待测对象的结构等信息。光声信号实质是超声信号，同时具有光学信号的高对比度特性和超声信号的高穿透性特征，材料对超声的衰减散射远小于对光的衰减和散射，用宽带超声探测器检测超声波代替光学成像中检测散射光子，可以提供高对比度和高分辨率的影像，其成像达到厘米量级深度和微米量级分辨率。
[0003]钢轨缺陷直接影响列车安全。钢轨缺陷几乎全部起源于钢轨表面，随时间推移向内发展形成多种缺陷类型，因此对于钢轨表面缺陷无损检测方法的研究十分重要。现有的钢轨缺陷无损检测技术对于钢轨表面缺陷的检测能力有限，如涡流检测技术仅能检测个别类型的表面缺陷，视觉检测技术检测不到近表面的缺陷信息。
【发明内容】
[0004]鉴于上述问题，本发明提供一种基于光声信号的钢轨表面缺陷检测方法及装置，以解决现有无损检测技术对钢轨表面缺陷检测能力有限的问题，实现多种类型的钢轨表面缺陷的精确检测。
[0005]根据本发明的一个方面，提供了一种基于光声信号的钢轨表面缺陷检测方法，该方法包括:
[0006]采用脉冲激光逐点逐行扫描钢轨表面的待测区域，以激发该待测区域产生光声信号;
[0007]采用聚焦超声探头同步采集待测区域中每一待测点的光声信号，并对所述光声信号进行预处理后上传至计算机；
[0008]待测区域扫描完成后，所述计算机根据接收到的所有待测点的光声信号进行图像重建，得到光声图像；
[0009]对所述光声图像进行处理与分析，确定钢轨表面缺陷信息。
[0010]可选的，所述对所述光声信号进行预处理的步骤，具体包括:
[0011]对所述光声信号依次进行放大、滤波和AD转换；
[0012]对AD转换后的模拟信号进行采样，得到所述光声信号的模拟采样信号。
[0013]可选的，所述采用脉冲激光逐点逐行扫描钢轨表面的待测区域，具体为:
[0014]以10um为扫描步长，且以10um为行间距，采用脉冲激光对钢轨表面的待测区域进行逐点逐行扫描。
[0015]根据本发明的另一个方面，提供了一种应用于上述钢轨表面缺陷检测方法的基于光声信号的钢轨表面缺陷检测装置，该装置包括:
[0016]脉冲激光器、扩束镜、聚焦镜、光纤、聚焦超声探头、采集电路和计算机；
[0017]所述脉冲激光器，用于产生对钢轨表面的待测区域进行扫描的脉冲激光，所述脉冲激光依次经过所述扩束镜和聚焦镜进行扩束和聚焦后，通过所述光纤照射到钢轨表面的待测区域；
[0018]所述聚焦超声探头、采集电路和计算机依次电气连接；所述聚焦超声探头，浸入耦合液中，对准钢轨表面的待测区域的激光斑点中心，用于同步采集待测区域中每一待测点的光声信号，并将采集到的光声信号传输到采集电路；所述采集电路对所述光声信号进行预处理后上传至所述计算机；所述计算机根据接收到的所有待测点的光声信号进行图像重建，得到光声图像，并对所述光声图像进行处理与分析，确定钢轨表面缺陷信息。
[0019]可选的，所述装置还包括:
[0020]伺服驱动平台，用于承载并固定所述光纤和聚焦超声探头，并在所述采集电路的控制下，进行位置移动。
[0021]可选的，所述脉冲激光器产生的脉冲激光，其波长为532nm，脉冲宽度为6nm。
[0022]可选的，所述聚焦超声探头，具体为单阵元的宽带探头，所述宽带探头的带宽为5 ?1MHz。
[0023]本发明的有益效果为:
[0024]本发明提供的基于光声信号的钢轨表面缺陷检测方法及装置，具有以下有益效果:
[0025](I)本发明利用激光激发钢轨表面产生的光声信号所具有的高对比度和高穿透性的特点，克服了缺陷类型对检测方法的限制问题，能够检测多种类型的钢轨表面缺陷。
[0026](2)本发明采用逐点扫描的方式采集钢轨表面的光声信号，扫描步长取lOOum，检测精度更高，结果更精确，同时利用光声图像直观地展现了缺陷的状况。
[0027](3)本发明采用光声信号为载体采集钢轨表面的缺陷信息，具有非接触的特点，能够在极端环境下进行作业，同时能够应用于多种材料的表面缺陷检测。
【附图说明】
[0028]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
[0029]图1为本发明实施例提出的一种基于光声信号的钢轨表面缺陷检测方法的流程图；
[0030]图2为本发明另一实施例提出的一种基于光声信号的钢轨表面缺陷检测方法的流程图；
[0031]图3为本发明实施例提出的一种基于光声信号的钢轨表面缺陷检测装置的结构示意图；
[0032]图4为本发明实施例中待测钢轨横裂纹缺陷的几何模型示意图；
[0033]图5为本发明实施例中待测钢轨斜裂纹缺陷的几何模型示意图；
[0034]图6为本发明实施例中待测钢轨鱼鳞状剥离缺陷的几何模型示意图；
[0035]图7为本发明实施例中采集的钢轨表面待测区域的光声信号示意图；
[0036]图8为本发明实施例中待测钢轨横裂纹缺陷的光声重建图像；
[0037]图9为本发明实施例中待测钢轨斜裂纹缺陷的光声重建图像；
[0038]图10为本发明实施例中待测钢轨鱼鳞状剥离缺陷的光声重建图像。
【具体实施方式】
[0039]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0040]本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
[0041]本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0042]图1示出了本发明实施例的一种基于光声信号的钢轨表面缺陷检测方法的流程图。
[0043]参照图1，本发明实施例提出的基于光声信号的钢轨表面缺陷检测方法具体包括以下步骤:
[0044]S11、采用脉冲激光逐点逐行扫描钢轨表面的待测区域，以激发该待测区域产生光声信号;
[0045]其中，所述采用脉冲激光的波长为532nm，脉冲宽度为6nm。
[0046]采用脉冲激光逐点逐行扫描钢轨表面的待测区域的步骤，具体为:
[0047]以10um为扫描步长，且以10um为行间距，采用脉冲激光对钢轨表面的待测区域进行逐点逐行扫描。
[0048]S12、采用聚焦超声探头同步采集待测区域中每一待测点的光声信号，并对所述光声信号进行预处理后上传至计算机；
[0049]其中，所述聚焦超声探头采用的是单阵元的宽带探头，探头带宽为5?10MHz，与光声信号频率保持一致。
[0050]S13、待测区域扫描完成后，所述计算机根据接收到的所有待测点的光声信号进行图像重建，得到光声图像；
[0051]其中，图像重建具体是指用采集的每个待测点的光声信号幅值来表征钢轨表面该点的光吸收强弱，以此得到整个待测区域的表面光吸收分布。
[0052]S14、对所述光声图像进行处理与分析，确定钢轨表面缺陷信息。
[0053]在本发明的另一实施例中，所述对所述光声信号进行预处理的步骤，具体包括:
[0054]对所述光声信号依次进行放大、滤波和AD转换；
[0055]对AD转换后的模拟信号进行采样，得到所述光声信号的模拟采样信号。
[0056]本发明实施例提出的基于光声信号的钢轨表面缺陷检测方法，如图2所示，首先，使用脉冲激光扫描高铁钢轨表面的待测区域中的某一待测点，以激发该待测点产生的光声信号；然后，利用聚焦超声探头同步采集光声信号，经放大、滤波、AD转换和采样后上传至计算机；判断是否完成了待测区域中全部待测点的扫描，待测区域扫描完成后，利用所有点的光声信号进行图像重建，得到钢轨表面的光吸收分布，最后，对光声图像进行处理与分析，得到钢轨表面缺陷的位置、