基于超声导波线性阵列的无缝钢轨应力检测装置和方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及铁路检测技术领域，具体地，涉及无缝钢轨纵向应力检测，更具体地， 涉及一种基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力检测装置和方法。
【背景技术】
[0002] 随着高速铁路的飞速发展，无缝线路在全世界范围内得到了广泛推广和应用。无 缝线路在一定程度上消除了钢轨接缝，减少了列车振动，降低了噪声，使列车运行平稳、线 路设备和机车车辆的使用年限延长。
[0003] 但随着轨缝的消失，由于钢轨接头阻力和道床纵向阻力的作用，被焊接在一起的 数十根甚至更多钢轨在轨温变化时不能自由伸缩，于是钢轨中将产生纵向应力。长钢轨的 温度相对于锁定轨温变化l°c，钢轨固定区内纵向应力约变化2.5MPa，若轨温变化50°C，则 钢轨内纵向应力变化为125MPa。可见无缝线路长钢轨所承受的钢轨纵向应力要比普通钢轨 大得多，当钢轨纵向应力超过钢轨的承受限度时，就会在扣件阻力小或路基条件差的区域 释放能量，当纵向压应力过大时，会发生胀轨、跑道;纵向拉应力过大时，会发生断轨。历史 上由于胀轨、断轨导致的事故时有发生。从1968年至2003年，我国铁路无缝线路因胀轨跑道 造成列车脱线的重大事故共计发生22起，造成了巨大生命财产损失。
[0004] 超声波检测技术是各种无损检测技术中应用最广泛的一种，因其检测对象范围 广、深度大、缺陷定位准确、灵敏度高、成本低、使用方便、速度快，对人体及环境无害，而被 应用于各个行业中。超声导波是超声波在杆、管、板等结构的波导介质传播时，不断与介质 的上下边界发生折射、反射及纵波一横波之间的波形转换作用而产生的波，与超声体波相 比，超声导波可以在波导介质中传播很长的距离，并可以覆盖整个被检测物体的横截面，检 测效率更高。因此超声导波特别适用于长距离非接触检测领域，如管道检测、钢轨检测等。
[0005] 基于超声导波的纵向应力检测技术是利用声弹性原理，即当弹性体的纵向应力状 态改变时，传播于弹性体中的超声波速度随之发生微小变化。在现有的导波纵向应力检测 中，主要使用单探头检测，利用时域内的信号得到纵向应力，即在钢轨的一端安装发射探 头，经过一定的距离后在钢轨的另一端安装两个有一定距离的接收探头，通过计算两个接 收探头接收信号的时间差，得到导波传播的时间，根据公式v = s/t得到导波传播速度，从而 得到相应的纵向应力值。因此，在固定距离内得到准确的传播时间对纵向应力的检测很重 要。
[0006] 研究发现，导波的传播特性会严重影响传播时间的确定，其中频散特性和多模态 特性的影响作用尤为明显。频散现象使信号的时域宽度增加、信号幅值减小，信号波形发生 了较大畸变;多模态是指在同一频率下，波导介质中激发出多个导波模态，即波形是由多个 不同的振动形态叠加而成，且模态间的传播速度不同；两种现象的叠加，使得导波的形状与 幅值均发生变化，包络的峰值时刻不能准确得到，因此单探头检测得到的传播时间不准确， 从而影响速度与纵向应力的计算;并且，铁路沿线多处恶劣环境，波形的时域信号易受影 响，尤其是在导波传播一定距离而衰减的情况下，准确率更会降低。
[0007] 因此，现有技术中存在这样的需求，即，能够实时在线监测无缝线路的钢轨状态， 随时准确掌握钢轨的实际纵向应力，对确保无缝线路的安全运营显得尤为重要。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术中存在的问题，研发了本发明，本发明能够至少解决现有技术中的 至少一个缺陷。
[0009] 根据本发明的一个方面，提供了一种基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力 检测方法，所述方法包括以下步骤：
[0010] A)系统主控处理模块发射波形信号至超声导波发射模块，所述超声导波发射模块 根据所述波形信号激励发射单探头，使得所述发射单探头发射导波信号，所述导波信号沿 钢轨传播；
[0011] B)接收阵列探头接收沿所述钢轨传播的所述导波信号并且将所述导波信号发送 至信号采集模块；
[0012] C)所述信号采集模块采集所述导波信号，并且对所述导波信号的数据依次进行 2D-FFT算法处理、波速计算处理、纵向应力计算处理，从而计算出所述钢轨中的纵向应力 值，并且将所述纵向应力值发送至所述系统主控处理模块。
[0013] 进一步地，所述导波信号的数据表示为离散的空间-时间域导波信号矩阵u(z，t)， 所述2D-FFT的算法处理包括:针对u (z，t)进行对时间的FFT，得到空间-频率信号矩阵U(z， f);再针对U(z，f)进行对空间的FFT，得到波数-频率信号H(k，f)，其中，2D-FFT的计算公式：
[0015] 其中，k表示波数;f表示频率;Nz和Nt表示数据信息的取值上限;nz和m表示数据信 息的取值下限; 2表示空间数据;t表示时间数据;e表示自然数;i表示虚数符号。
[0016] 进一步地，波速计算处理包括:设定所述超声导波发射模块发射的激励信号作为 固定频率f 〇，找出所述波数-频率信号H(k，f)中对应f 〇的列H(k，f = f〇)，从中提取出局部波 峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，根据波数与导波相速 度的关系c P = f/k，得到各个导波模态的相速度。
[0017] 进一步地，纵向应力计算处理包括:根据导波相速度与纵向应力的标定关系，从中 选取灵敏度最佳的模态，根据所述最佳模态的相速度得到钢轨纵向应力。
[0018] 进一步地，所述相速度与纵向应力的标定关系建立如下：
[0019] 步骤1:在钢轨拉压实验台上，使用所述导波发射模块激励单探头发射导波信号， 所述导波信号在钢轨上传播，使用所述线性阵列探头采集钢轨纵向应力为OMpa时自由状态 下的空间-时间域导波信号矩阵u(z，t)，经过2D-FFT处理，得到波数-频率信号H(k，f)，提取 对应频率的局部波峰，每个波峰对应一个导波模态，导波模态的波数即为波峰处的k值，η 个波峰对应波数11?，1^七，根据波数与导波相速度的关系(^ =以1^得到每种模态各自的 相速度cPi，cP2，cP3"_c pn，其中，ρ表示phase相位的缩写。
[0020] 步骤2:在所述钢轨拉压实验台上，改变所述钢轨所受的纵向拉压力，并用标准拉 压力传感器测量所述纵向拉压力的大小，在每种受力状况下，重复步骤1中的工作，得到每 种模态在不同纵向应力时的相速度，每种模态根据所述拉压力数据和所述相速度数据得 到一条拟合直线，所述拟合直线的斜率为该模态下检测纵向应力的灵敏度，完成每种模态 的相速度与纵向应力的标定工作；
[0021 ]步骤3:控制所述钢轨的温度，使其在一定温度范围内变化，温度每变化一次，重复 步骤1与步骤2,从而得到每种模态在所述温度范围内每种温度值下的相速度与纵向拉应力 的标定关系。
[0022] 根据本发明的另一方面，提供了一种基于超声导波线性阵列的无缝钢轨纵向应力 检测装置，该装置包括发射单探头、接收阵列探头、导波发射模块、系统主控处理模块、导波 信号采集模块，其中，所述发射单探头和所述接收阵列探头安装在待测钢轨的轨腰处且沿 线布置，所述发射单探头配置成根据所述超声导波发射模块发射的激励信号而发射沿所述 钢轨传播的导波信号，所述接收阵列探头配置成接收所述导波信号并且将所述导波信号发 送至信号采集模块;所述信号采集模块配置成采集所述导波信号，并且对所述导波信号的 数据进行2D-FFT算法处理、波速计算处理、纵向应力计算处理，从而计算出所述钢轨中的纵 向应力值，并且将所述纵向应力值发送至所述系统主控处理模块。
[0023] 进一步地，所述线性阵列探头包括按照规律线性排列的多个压电片，所述压电片 配置成接收时间域上的波形信号，所述波形信号因为所述压电片位置不同而具有相位上的 差别，从而形成带有空间与时间信息的空间-时间域导波信号矩阵u(z，t)。
[0024] 进一步地，所述2D-FFT的算法处理包括:针对u(z，t)进行对时间的FFT，得到空间-频率信号矩阵U(z，f);再针对U(z，f)进行对空间的FFT，得到波数-频率信号H(k，f)，其中， 2D-FFT的计算公式：
[0026]其中，k表示波数;f表示频率;Nz和Nt表示数据信息的取值上限;nz和m表示数据信 息的取值下限;2表示空间数据;t表示时间数据;e