用于监测结构元件的状况的系统和开发该系统的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于监测细长结构元件的状况的系统，尤其但不排他地涉及一种用于监测和检测铁路导轨中的裂痕和断裂的系统。本发明还延伸到设计和开发这样的系统的方法。所述方法包括以下步骤：识别能够预期通过细长的结构元件行进远距离的传播模式和信号频率；选择适合的传播模式和工作频率；设计适于在所选择的频率上激励所选择的模式的换能器；对附接到所述细长的结构元件上的换能器数值建模；以及分析所选择的传播模式对换能器激励的谐波响应，以便验证换能器设计。
【专利说明】用于监测结构元件的状况的系统和开发该系统的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于监测细长结构元件的状况的系统，尤其但不排他地涉及一种用于监测和检测铁路导轨中的裂痕和断裂的系统。本发明还延伸到设计和开发这样的系统的方法。
【背景技术】
[0002]已经提出用于监测细长结构元件(尤其是铁路导轨)的完整性的几种方法和系统。这些方法和系统的目的旨在于裂痕发展到完全断裂之前检测出导轨中的裂痕，并且还检测铁路网中已经发生的断裂。如果事先未检测出导轨中的裂痕或断裂，则可能导致在轨道上行驶的铁路车辆的出轨。可以理解的是，这样的出轨造成经济损失，还可能导致人身伤害和丧失生命。此外，应该指出的是，虽然参照铁路，但是这些系统同样适用于利用结构钢长度的其它应用场合，诸如矿井和桥梁。
[0003]南非专利99/6936中公开了一种在铁路轨道的导轨中检测裂痕和断裂的方法，其内容通过引用合并于此。所述方法包括提供若干独立的声发送器单元以及位于发送器单元之间的声接收器单元的步骤。各个单元彼此间隔开预定距离。发送器单元将具有特定频率分量的一系列声脉冲引发到导轨中，并且接收器单元检测和分析所述脉冲以检测任何有关导轨的不期望的状况。此方法需要使用发送器和使用接收器以检测导轨的状况。
[0004]Philip W.Loveday在Smart Structures and Materials2000:Smart Systems forBridges, Structures, and Highways,(智能结构与材料2000:用于桥梁、架构及高速公路的智能系统)Proceed ings of SPIE 第 3988 卷第 330-338 页，2000 年，纽波特海滩(NewportBeach), ((Development of piezoelectric transducers for a railway integritymonitoring system (用于铁路完整性监测系统的压电换能器的开发)》中讨论了用于在铁路导轨中检测和监测裂痕和断裂的此方法的换能器的开发。该系统利用于安装(夹持)在轨道外侧导轨的冠部下方的压电换能器。在PCT专利申请W02004/098974中描述了夹持所述压电换能器的方法，其内容通过引用合并于此。
[0005]压电换能器沿铁路网的长度间隔开，压电换能器通过导轨定期发送超声波。该波通过轨道从一个换能器朝向作为接收站的下游换能器传播。通常，换能器间隔开约I公里。如果未在接收器站检测到超声信号，则该接收器站激活警报，指示导轨具有裂缝或已经断
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[0006]与上述系统相关的一个缺点在于，压电换能器附接(夹持)在轨道外侧导轨的冠部下方。压电换能器较大，并且因为其会妨碍列车车轮所以无法附接在轨道内侧的冠部下方。因为用于重新铺设轨枕下方的道渣的“捣固”机具有接合冠部外侧的车轮，所以在例行轨道维护时必须从导轨上移除压电换能器。压电换能器的移除和重新附接(在重新附接之后的两周需要重新紧固夹持部)增加了系统的维护成本并导致系统无法工作的时间段。
[0007]此外，由于发送信号不够强，并且因为从传播和工作频率上看，换能器也不能准确地匹配到待附接的特定结构元件，所以现有的系统不适用于超过I公里的距离。[0008]开发上述检测系统已普遍使用的设计方法，未最佳地合并使用对换能器和导轨响应进行数学建模然后以迭代方式设计换能器的数学建模技术。这导致换能器的选择没有为特定应用进行必要地优化，并可能导致换能器比实际所需要的大，同时也没有针对信号的发送和接收进行优化。
【发明内容】
[0009]因此，本发明的目的是提供一种用于监测和检测铁路导轨中的裂痕和断裂的系统，其将解决上述缺点。
[0010]本发明的另一目的是提供一种用于根据本发明的系统的压电换能器。
[0011]本发明的又一目的是提供一种用于开发基于换能器的故障检测系统的方法，其将至少部分地克服上述缺点，还将成为替代现有设计方法的新的和有用的方法。
[0012]根据本发明的第一方案，提供了一种开发基于换能器的故障检测系统的方法，所述方法包括以下步骤：
[0013]识别能够预期通过细长的结构元件行进远距离的传播模式和信号频率；
[0014]选择适合的传播模式和工作频率；
[0015]设计适于在所选择的频率上激励所选择的模式的换能器；
[0016]对附接到所述细长的结构元件上的换能器数值建模；以及
[0017]分析所选择的传播模式对换能器激励的谐波响应，以便验证换能器设计。
[0018]识别能够预期通过细长的结构元件行进远距离的传播模式和频率的步骤优选地包括：使用具有预定材料特性的特定导轨型面的数值模型。
[0019]选择适合的传播模式和工作频率优选地包括：选择在大范围频率上具有低衰减并且对导轨型面的小改变相对不敏感的传播模式。
[0020]所述方法还可以包括以下步骤：迭代地（iteratively)改变换能器部件的尺寸，以便在工作频率上取得所选择的传播模式的最佳响应，并且计算导轨对换能器的电激励的预测位移时间响应。
[0021]所述方法还可以包括验证阶段，所述验证阶段包括以下步骤：
[0022]根据所建模的换能器制造原型；
[0023]测量所述换能器的自由电导纳，并且比较测量到的自由电导纳和由上述模型预测的导纳。
[0024]所述验证阶段还可以包括以下步骤：
[0025]将所述换能器附接到预定长度的结构元件；
[0026]在所述结构元件的表面上测量位移响应；以及
[0027]比较测量到的响应和预测的位移时间响应。
[0028]所述验证阶段还可以包括以下步骤：执行使用中的现场测量，以便确认激励所选择的模式以及具有低衰减的传播。
[0029]根据本发明的第二方案，提供了一种用于监测和检测铁路导轨中的裂痕或断裂的系统，所述系统包括限定系统的发送站和接收站的多个换能器，其特征在于，所述换能器优选地位于所述导轨的内侧。
[0030]设置成所述多个换能器呈现以预定间隔开的位置定位的一系列单个换能器的形式，从一个用作发送器的换能器沿所述导轨定期发送超声波至用作接收器的下一个换能器。
[0031]还设置成所述多个换能器呈现以预定间隔分离开的一系列单个换能器的形式，从一个用作发送器的换能器沿所述导轨定期发送超声波，并且由所述导轨中的裂痕反射回也用作接收器的同一换能器。
[0032]还设置成在每个预定位置处定位多个换能器，以便限定换能器的阵列。可以设置若干阵列，所述换能器的阵列以预定间隔隔开。
[0033]在一个实施例中，换能器被永久地附接到导轨，位于导轨的内侧上。
[0034]优选地，所述导轨包括腹板和冠部，并设置成将换能器附接到所述冠部的下方，或者可选地附接到所述导轨的所述腹板。
[0035]有利的是，所述换能器的几何尺寸、形状和构造使其附着于导轨而不妨碍行驶在导轨上的铁路车辆的车轮。
[0036]在一个实施例中，系统被构造成使得如果导轨中无裂痕或断裂，则上游换能器沿导轨发送的超声波被下游换能器接收到。所述系统还被构造为使得如果下游换能器未接收到由上游换能器发送的超声波，则触发警报，警告导轨中可能存在裂痕或断裂。
[0037]在另一实施例中，所述系统被构造成使得换能器沿导轨发送超声波，并且如果该超声波被导轨中的裂痕反射，则同一换能器接收该超声波。所述系统还被构造为使得如果换能器接收到反射的超声波，则触发警报，警告导轨中可能存在裂痕。
[0038]在又一实施例中，所述系统包括上述两个功能。
[0039]在一个实施例中，所述换能器以约1至3公里的距离间隔开。优选地，所述换能器以约2公里的距离间隔开。
[0040]优选地，所述换能器是压电换能器。
[0041]根据本发明的另一个方案，提供一种换能器，其适用在用于监测和检测铁路轨道的导轨中的裂痕或断裂的系统中，所述系统包括限定系统的发送站和接收站的多个换能器，其特征在于，所述换能器位于所述导轨的内侧。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]参照附图并通过非限制性示例的方式描述本发明的优选实施例，附图中:
[0043]图1示出根据本发明的一个实施例的系统，所述系统包括附接到铁路轨道的导轨的两个压电换能器，用于监测和检测导轨中的裂痕或断裂；
[0044]图2示出用于为特定导轨型面选择适当的传播模式和工作频率的初始建模过程的输出；以及
[0045]图3示出现有技术系统和根据本发明的系统的性能之间的实验性比较。
【具体实施方式】
[0046]设计方法示例
[0047]参照图2描述根据本发明的用于开发基于换能器的故障检测系统的方法和开发过程。所述方法是一种计算机实施的方法。
[0048]1.分析在减震支撑件上的导轨型面的频散((118136181011)[0049]此步骤涉及开发导轨型面的数值(半解析有限元法）模型，同时还纳入导轨的材料特性。半解析有限元模型的开发是本领域中已知的方法，但迄今尚未在此特殊应用中使用。对模型进行分析，以确定可以预期行进远距离的传播模式和频率。图2中用箭头示出预期以低衰减行进的一些传播模式和频率。点的大小表示预期的传播性能。多个点形成描述不同传播模式的曲线。箭头示出可能合适的三种模式，因此决定使用频率中心处在箭头位置处的信号。
[0050]2.选择话当的传播模式和频率
[0051]基于步骤I的结果选择传播模式和工作频率。所选择的模式具有在相当大的频率范围上的低衰减，使得其可以预期工作在一定温度范围内。此分析是考虑具有最低相对衰减的模式和频率的定性过程。此分析并不试图量化实际衰减。任何本领域技术人员将能够理解和正确运用这种定性方法。事实上，如果要求系统检测特定类型的裂痕，则所选择的传播模式应包含发生裂痕的区域中的能量。选择传播模式和频率范围以对由于例如导轨型面磨损或导轨中的轴向载荷的改变而产生的导轨几何形状的改变相对不敏感。在该特定示例中，选择在35kHz处具有82rad/m波数的模式，进行额外的分析以确保所选择的点对导轨磨损、温度改变和轴向载荷不敏感。
[0052]3.换能器构造的概念化设计
[0053]随后对适用于永久附接到导轨的换能器构造进行概念化。在此示例中，设计适于附接到导轨冠部下方的夹心型换能器。换能器设计在结构和构造上与现有的换能器设计没有本质不同，但由于整体设计方法而预期更佳地匹配于整体系统。
[0054]4.附接到导轨的换能器构造的数值建模并定尺寸以在所需频率上获得较大响应
[0055]准备压电换能器的数值模型(三维有限元法)，并且将其联接到轨道的数值模型(半解析有限元法)。随后分析所选择的模式对换能器的电激励的谐波响应。然后迭代地(iteratively)改变换能器部件的尺寸，以便在工作频率上获得所选择的模式的最佳响应。这种方法由本发明人在之前开发，并且更详细地描述于《Simulation of PiezoelectricExcitation of Guided Waves Using Waveguide Finite Elements(使用波导有限兀模拟导波的压电激励）〉〉，Loveday P W，IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, andFrequency control,第54卷第10期,2007年10月，其内容通过引用合并于此。最后，确定由于换能器的粹发音（tone-burst)电激励而产生的导轨的预测位移时间响应，用于稍后的验证阶段。这种方法也由本发明人在之前开发，并且更详细地描述于《Analysis ofPiezoelectric Ultrasonic Transducers Attached to Waveguides Using WaveguideFinite Elements (使用波导有限元分析附接到波导的压电超声换能器)》，Loveday PW，IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control,第 55卷第9期，2008年9月，其内容通过引用合并于此。
[0056]5.实验室中的换能器原型制造和测暈
[0057]基于以上模型，制造若干原型换能器。测量每个换能器的自由电导纳并与模型预测值比较以验证正确的制造。随后在实验室环境中将换能器附接到短导轨长度，并对其施加粹发音电激励。使用激光振动计（vibrometer)测量出在Im或更大距离处的导轨表面上的位移响应。然后，将测量到的结果与步骤4的预测位移时间响应比较。
[0058]6.实地测暈以确定换能器性能和在导轨中的传播模式[0059]随后在实地将换能器附接到实际导轨，并且对其进行电驱动。在导轨表面上离换能器不同距离(例如5130015000)处进行扫描激光振动计测量。提取存在于测量到的数据中的模式，以确认正在激励所选择的模式，并且的确以低衰减传播。用新的换能器进行远距离发送-接收测量，并且与用现有技术的换能器进行的同样测量相比较。
[0060]7.换能器的工业化
[0061]继上述换能器设计过程之后，对换能器进行工业化，此过程包括准备制造数据包以及合格鉴定和验收测试过程。
[0062]上述过程产生了一种优化的换能器设计，其满足所需的设计标准，同时相比较类似的故障检测应用中所使用的现有换能器，具有相对较小的尺寸。
[0063]该设计方法还可以用于特定应用和型面的换能器的优化设计，因此形成更准确的用于故障检测系统的换能器设计。
[0064]系统的实施例的描述
[0065]使用上述设计方法设计的换能器尺寸相对较小，使得能够使用新的构造，现在将参照图1更详细地总体描述此构造。
[0066]通常，铁路轨道包括安装在轨枕12上的两个平行的导轨11。通常，导轨11具有的型面包括:安放在轨枕12上的基座13、从基座13向上延伸的腹板14以及自腹板14横向延伸的冠部15，铁路车辆的车轮16在其上行驶。然而，应该理解的是，本发明的系统经修改后可以用于任何导轨型面。应该理解的是，所描述的实施例涉及铁路应用的一个特定用途，但该系统同样可以用于涉及结构钢的长度的任何应用，例如桥梁和矿井。
[0067]根据本发明，系统10包括换能器17，用于检测导轨中的裂痕和断裂。本系统中所使用的换能器是压电换能器17。压电换能器17可以永久地附接在导轨的冠部15的下方，或附连到导轨11的腹板14。压电换能器17的几何尺寸、形状和构造使得其可以附接到导轨11而不妨碍利用导轨11的铁路车辆的车轮16。在本发明的优选实施例中，这些压电换能器17定位于导轨11上，处于导轨11的内侧。
[0068]压电换能器17发送沿导轨11行进的超声波，并且还操作为接收器，用于接收沿导轨11发送的超声波。这些压电换能器17定期地沿导轨11发送超声波以监测导轨11的状况，即检测导轨11中的裂痕和断裂。
[0069]压电换能器17沿导轨11以预定距离彼此间隔开。通常，压电换能器17以约1至3公里的距离彼此间隔开。
[0070]系统10被构造为使得位于导轨11的上游的换能器17沿导轨11发送超声波形式的信号，该信号被位于上游换能器17的下游的换能器17接收。如果下游换能器17接收到由上游换能器17发送的超声波，则系统10确定导轨11中无裂痕或断裂。然而，如果由上游换能器17发送的超声波未到达下游换能器17，则系统10确定导轨11中可能存在裂痕或断裂。
[0071]在位于下游的换能器17未接收到上游换能器17发送的超声波的情况下，系统10被配置为产生指示导轨11中可能存在裂痕或断裂的信号。该信号触发警报，警告导轨11中可能存在裂痕或断裂。此警报被发送到基站或利用铁路轨道的铁路车辆。
[0072]在上述示例中，系统被用作信号发送系统。然而，在另一实施例(未示出)中，同一换能器还可以用于脉冲-回波构造，其中由同一换能器发送和接收信号。由换能器发送信号，并且如果导轨中存在裂痕，则信号将被反射回还作为接收器的同一换能器。使用上述设计方法开发的换能器由于增强了信号强度，因而也特别适合于这种类型的脉冲-回波监测系统。
[0073]不论系统构造(脉冲-回波或发送）如何，可以在每个预定的位置处设置换能器的阵列(例如4个)，以提高系统的性能，因为额外的换能器使得能够更好地控制待激励的模式，并且能够沿导轨从一个方向发送并从一个方向接收。
[0074]应理解的是，发送系统和脉冲-回波系统的组合将是最佳方案。由于新的设计方法得到的换能器更佳地匹配于工作状况，于是导致更强的信号强度同时显著地减小了所使用的换能器的尺寸，所以现在可以实现这种组合。在过去，带有可靠设计的较大的换能器用来通过导轨传播波。这部分地由于缺乏对系统的详细建模，并且超过换能器的物理尺寸，所使用的设计方法无法得到最佳信号强度和该信号通过导轨的最佳传播。现在，作为上述方法的结果，该系统已被优化，人们可以更准确地预测波传播的结果。令人惊讶的是，作为数学建模和实验的结果，已经发现换能器可以比原先认为的更小，并且更小的换能器比过去的更大的可靠的换能器性能更好。作为换能器的较小的几何尺寸、形状和构造的结果，系统得到优化，并改善了功能性，还特别解决了上述缺点。
[0075]在特定长度的铁路轨道上进行现有技术系统和新系统的性能之间的比较。结论是新的换能器的发送性能和接收性能均比现有技术的换能器提高了 20dB。在图3中用图表示出上述比较结果。在图3中，图表左手侧的两个条形表示固定到铁路的两个相邻导轨的现有技术系统的性能。发送电压为1300Vp。中间的两个条形表示来自组合系统的结果，组合系统中使用旧系统的发送器，而接收器是根据新设计方法设计的换能器。发送电压还是1300Vp。右手侧的两个条形表示新系统的结果，新系统即发送换能器和接收换能器均使用新的设计方法设计。然而，在这种情况下，发送电压为280Vp。应注意的是，观察到40dB的提闻。
[0076]作为此40dB的发送-接收性能的结果，发现虽然现有技术的系统只能在900米间隔工作，但是在此特定的导轨部分（section)上，新的换能器能够以2000m的间隔工作。
[0077]本发明的系统解决了上述问题。首先，消除了在例行轨道维护中移除压电换能器的需要和在轨道维护之后重新附接压电换能器的需要。有利的是，本发明的压电换能器附接在冠部下方，或者附接到导轨内侧上导轨的腹板，因此在例行轨道维护中无需移除压电换能器。此外，消除了根据以前的系统在重新附接的两周之后重新紧固夹持部的需要。第二，该系统比现有技术系统的性能更好，并且能够在较差条件的导轨上成功地实现2000m的工作距离，而之前仅可以实现900m。这是新的设计方法导致较大的信号发送和增强的接收灵敏度的直接结果。
[0078]应理解的是，上述仅为本发明的一个实施例，并且可能存在不脱离本发明的精神和/或范围的许多变型。
【权利要求】
1.一种计算机实施的开发基于换能器的故障检测系统的方法，所述方法包括以下步骤： 识别能够预期通过细长的结构元件行进远距离的传播模式和信号频率； 选择适合的传播模式和工作频率； 设计适于在所选择的频率上激励所选择的模式的换能器； 对附接到所述细长的结构元件上的所述换能器数值建模；以及 分析所选择的传播模式对换能器激励的谐波响应，以便验证换能器设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其中识别能够预期通过细长的结构元件行进远距离的传播模式和频率的步骤包括：使用具有预定材料特性的特定导轨型面的数值模型。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中选择适合的传播模式和工作频率包括：选择在大范围频率上具有低衰减并且对导轨型面的小改变相对不敏感的传播模式。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤： 迭代地改变换能器部件的尺寸以便在工作频率上取得所选择的传播模式的最佳响应，以及计算导轨对换能器的电激励的预测位移时间响应。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括验证阶段，所述验证阶段还包括以下步骤： 根据所建模的换能器制造原型； 将所述换能器附接到预定长度的结构元件； 在所述结构元件的表面上测量位移响应；以及 将测量到的响应与预测的位移时间响应相比较。
6.一种用于监测和检测铁路导轨中的裂痕或断裂的系统，所述系统包括限定系统的发送站和接收站的多个换能器，其特征在于，所述换能器根据权利要求I至5中任一项所述的方法设计而成。
7.一种用于监测和检测铁路导轨中的裂痕或断裂的系统，所述系统包括限定系统的发送站和接收站的多个换能器，其特征在于，所述换能器优选地位于所述导轨的内侧。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其中所述多个换能器呈现以预定间隔开的位置定位的一系列换能器的形式，在每个预定位置处设置至少一个换能器，并且能够从一个用作发送器的换能器沿所述导轨定期发送超声波至用作接收器的间隔开的换能器。
9.根据权利要求6或7所述的系统，其中所述多个换能器呈现以预定间隔开的位置定位的一系列换能器的形式，在每个预定位置处设置至少一个换能器，并且能够从一个用作发送器的换能器沿所述导轨定期发送超声波，并且所述超声波由所述导轨中的裂痕反射回也用作接收器的同一换能器。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其中每个预定位置处定位多个换能器。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的系统，其中所述换能器以约1至3公里的距离间隔开。
12.根据权利要求7至10中任一项所述的系统，其中所述换能器以约2公里的距离间隔开。
【文档编号】G01N29/04GK103842998SQ201280041069
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年8月23日 优先权日:2011年8月23日
【发明者】菲利普·韦恩·洛芙迪 申请人:Csir公司