一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法

1.本发明涉及无损检测技术领域，具体为一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法。


背景技术：

2.轨底是铁路基础设施最重要的部分之一，恶劣的工作环境容易使轨底产生损伤。其中，尺寸较小的缺陷，比常见横向裂纹更危险，因其尺寸小更难被检测到，随着该缺陷的扩展，将严重影响列车运行安全。因此需要及时进行轨底小尺寸损伤无损检测，确保铁路运行安全。现有的探伤车对轨底外侧区域存在检测盲区(由于探伤车超声波未能传播到达该区域，所以无法检测该区域的伤损)。
3.传统的导波检测主要采用低频导波实现长距离大范围的检测，但只对大缺陷敏感，无法识别点蚀缺陷。因此，迫切需要结合不同检测技术的优势，研究一种高效的轨底小尺寸缺陷检测方法，以确保钢轨安全。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述和/或现有钢轨轨底波检测中存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明的目的是提供一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法，可以采集一定面积下轨底小缺陷的损伤特征，实现了轨底表面小尺寸损伤的高效检出。
7.为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
8.一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法，其包括：
9.s1、制作可贴附于轨底表面的pzt柔性传感阵列；
10.s2、结合激光超声轨底导波频散曲线，并通过仿真优化激光-pzt阵列轨底检测区域；
11.s3、利用激光-pzt阵列系统检测相同轨底表面区域下，有损阵列导波信号和无损阵列导波信号；
12.s4、对采集到的多路导波信号进行小波包分解降噪滤波，对比有、无损时同路径下的导波信号并以最大波包峰峰值作差分，绘制路径-差分值的拟合曲线，差分值最大路径即为损伤所在。
13.作为本发明所述的一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法的一种优选方案，其中，所述pzt柔性传感阵列的导线为不交叉的单层电极结构且线间距为1mm，导线的线宽为1mm。
14.作为本发明所述的一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法的一种优选方
案，其中，所述步骤s2中，结合激光超声导波频散曲线，并通过仿真优化激光-pzt阵列轨底检测区域的具体步骤如下：
15.s201、根据钢轨轨底损伤尺寸要求，绘制轨底频散曲线，选择合适的导波检测中心频带；
16.s202、基于轨底曲面的横向长度，结合激光脉冲激励可以在短时间内实现多次激励，设计10x5的激光传感阵列，其中激光激励点有10个一列，5个传感器设计在同一列上；
17.s203、通过仿真，建立钢轨三维模型，模拟激光超声导波和轨底损伤的相互作用规律，优化激光-pzt检测阵列的布设。
18.作为本发明所述的一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法的一种优选方案，其中，所述激光-pzt阵列系统包括：
19.pzt柔性传感阵列，采集钢轨轨底有损阵列导波信号和无损阵列导波信号；
20.超声前置放大器，与pzt柔性传感阵列连接，对pzt柔性传感阵列采集的有损阵列导波信号和无损阵列导波信号进行放大；
21.ni采集卡，与超声前置放大器和控制单元连接，接收放大后的有损阵列导波信号和无损阵列导波信号或者控制单元输出的信号；
22.终端，与所述ni采集卡和控制单元连接，接收ni采集卡或者控制单元传输的数据；
23.控制单元，与所述激光器和振镜连接，向激光器发出控制信号或者控制振镜的偏转角度；
24.激光器，接收控制单元的控制信号、向振镜发出激光束；
25.振镜，接收激光器发出的激光束，并将激光束聚焦在pzt柔性传感阵列采集的位置。
26.作为本发明所述的一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法的一种优选方案，其中，所述步骤s4中，对采集到的多路导波信号进行小波包分解降噪滤波具体步骤如下：
27.s401、选择dmey小波作为小波包基函数对导波信号进行5层分解，得到32个不同频率的分量；
28.s402、按如下公式求解出在不同分解尺度上，各子频带能量值与总能量值的比值pi，
[0029][0030]
其中，ei为第j层第m个结点的能量，m代表子频带的总个数，e
sum
为信号总能量；
[0031]
s403、选择能量比之和大于95％的前n个信号频带，将n个信号相加得到最终降噪滤波后的导波信号f。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明结合激光超声技术优势和轨底横向尺寸，建立激光-pzt阵列轨底检测系统，并通过仿真优化了激-pzt阵列轨底检测区域，采集轨底表面小尺寸损伤的导波信号，最后对采集到的多路导波信号进行小波包滤波降噪，并以最大波包峰峰值作差分，通过差分值判断损伤所在路径，而且不依赖于导波多模态区分及波速的测量即可实现轨底表面小尺寸损伤的高效检出，为钢轨轨底高效自动化检测提供参考。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0034]
图1为本发明本一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法的流程图；
[0035]
图2为本发明一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法的pzt柔性阵列传感器结构示意图；
[0036]
图3为本发明一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法的钢轨轨底激光超声导波频散曲线；
[0037]
图4为本发明一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法的同时刻导波与轨底损伤相互作用仿真云图；
[0038]
图5为本发明一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法的激光-pzt阵列传感器在轨底的优化布设示意图；
[0039]
图6为本发明一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法的激光-pzt阵列检测实验系统图；
[0040]
图7为本发明一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法的激光-pzt导波信号的时域与频域图；
[0041]
图8为本发明一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法的小波包分解后不同频带能量占比图；
[0042]
图9为本发明一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法的无损和有损情况下，e3对应s1-s5的时域响应对比图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0044]
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0045]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
[0046]
本发明提供一种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法，可以采集一定面积下轨底小缺陷的损伤特征，实现了轨底表面小尺寸损伤的高效检出。
[0047]
请参阅图1-图9，该种钢轨轨底小尺寸缺陷的高效定位检测方法具体步骤如下：
[0048]
s1、制作可贴附于轨底表面的pzt柔性传感阵列，其中，柔性传感器阵列是一种单层节点阵列结构，包含了pzt传感器、柔性印刷电路(fpc)以及聚酰亚胺薄膜，如图2所示。为了提高信噪比，阵列中所有导线都设计成不交叉的单层电极结构且线间距为1mm。导线线宽被设计为1mm。此外，150μm聚酰亚胺柔性材料被用作基质，因为其耐热性强，有利于pzt压电传感器的焊接。电极的直径为2.5mm、厚度35μm的铜质圆盘，为稳定电极与传感器电极的接
触阻抗，电极表面分别镀有2μm厚度的镍以及0.035μm厚度的金层。最后利用fpc技术制作电极阵列，同时，为了减小弯曲形变，采用压延铜制作表面焊盘和走线，pzt晶片通过焊料固定在电路层的导线触点上。然后在传感器周围放置环氧粘合剂，以进行绝缘和机械保护，确定好激励传感的相对位置后，用环氧粘合剂粘贴阵列至钢轨轨底表面，柔性阵列板与信号放大模块通过fpc相连，在接口处通过pcb布线补强使接口处宽度达到0.25mm，使得电极可与卡扣紧密相连。
[0049]
s2、结合激光超声轨底导波频散曲线，并通过仿真优化激光-pzt阵列轨底检测区域，在本实施方式中，具体步骤包括：
[0050]
s201、根据钢轨轨底损伤尺寸要求，绘制轨底频散曲线，选择合适的导波检测中心频带；其中，轨底可视作厚度15mm的厚钢板，频散曲线如图3所示。频散曲线即为求取导波中的相速度c
p
和群速度cg，多模态形式波组成的波包的速度为cg，而波包上某固定相位的质点速度为c
p
。cg和c
p
可相互转换如：
[0051][0052][0053]
将ω＝2πf代入上式：
[0054][0055]
其中，fd表示频厚积，cg趋于零时为截止频率。
[0056]
由于被检测小尺寸损伤尺寸为1mm，根据超声波可检测的最小尺寸为波长的一半原则，选择了2-3mhz的高频超声信号作为检测中心频带，如图3所示，此时导波信号趋于表面波，无频散现象。
[0057]
s202、基于轨底曲面的横向长度，结合激光脉冲激励可以在短时间内实现多次激励，设计10x5的激光传感阵列，其中激光激励点有10个一列，5个传感器设计在同一列上；
[0058]
s203、通过仿真，建立钢轨三维模型，模拟激光超声导波和轨底损伤的相互作用规律，优化激光-pzt检测阵列的布设，其中，本实施方式中利用abaqus软件对此进行了辅助研究。仿真模型为长度20cm的a60钢轨，在轨底预设一个人工点蚀缺陷，即直径为1mm的圆缺陷，用来研究导波和缺陷的相互作用规律并优化阵列的布设。如图4所示，高斯脉冲激光作为激励施加在轨底中心位置，激光的光斑半径为0.5mm，激光的功率密度为1
×
10
12
w/m2，材料光吸收系数为0.37。网格划分包括网格尺寸、密网格尺寸以及过度网格尺寸，最小网格尺寸为0.08mm，最大网格尺寸为0.5mm。密网格用于划分激光作用区域以及主要声波传播区域，其他非主要区域为宽网格，两者之间则采用过渡网格。仿真时间步长为2ns，总时长为20us，仿真过程中温度的初始值设定为300k。
[0059]
图4展示了2个不同时刻的导波与损伤相互作用云图，在波的传播过程中，有损导波与无损导波的传播存在差异，且透射波的变化差异较显著，如图中红色虚线框表示，有损时，透射波的衰减较为明显。因此，如果传感器安装在透射波一侧，则更容易检测到缺陷诱发的导波。另外，导线也会占用一定的空间。考虑到轨底空间有限，对于每一列传感器，密集布置了5片pzt传感器，如图5所示，这可以确保所提出的阵列布设方式对早期扩展损伤的可
检测性。此外，由于高频超声信号衰减较快，激励与接收点之间的距离也不宜过大，结合脉冲激光激励的优势，最终阵列检测范围如图5(b)所示，检测范围为45mm*50mm的矩形，激光激励点一列10个，点与点之间距离为4.5mm，传感一列5个，激光激励源始端e1与终端e2分别与传感器s1号和s5号的中心位置一致。
[0060]
s3、利用激光-pzt阵列系统检测相同轨底表面区域下，有损阵列导波信号和无损阵列导波信号，其中，本实施方式中激光器采用波长为1064nm、重复频率为10hz、脉宽为8ns的脉冲激光器。柔性传感器阵列包含了5个pzt传感器，通过环氧粘合剂贴附在轨底表面，再接入超声前置放大器对导波信号进行放大，最后由采样频率为100mhz的ni采集卡接收。系统通过单片机控制电路控制激光器的输出、振镜的运动和采集卡的采集。激励点为一列10个，光斑直径0.2mm，点与点之间距离为4.5mm，激光激励源始端e1与终端e2分别与传感器s1号和s5号的中心位置一致，每次激光激励时，五个pzt传感器同时接收信号，激光-pzt阵列系统如图6所示，包括pzt柔性传感阵列、超声前置放大器、ni采集卡、终端、控制单元、激光器和振镜，pzt柔性传感阵列采集钢轨轨底有损阵列导波信号和无损阵列导波信号，超声前置放大器与pzt柔性传感阵列连接，对pzt柔性传感阵列采集的有损阵列导波信号和无损阵列导波信号进行放大，ni采集卡与超声前置放大器和控制单元连接，接收放大后的有损阵列导波信号和无损阵列导波信号或者控制单元输出的信号，终端与所述ni采集卡和控制单元连接，接收ni采集卡或者控制单元传输的数据，控制单元与所述激光器和振镜连接，向激光器发出控制信号或者控制振镜的偏转角度，激光器接收控制单元的控制信号、向振镜发出激光束，振镜接收激光器发出的激光束，并将激光束聚焦在pzt柔性传感阵列采集的位置。
[0061]
s4、对采集到的多路导波信号进行小波包分解降噪滤波，对比有、无损时同路径下的导波信号并以最大波包峰峰值作差分，绘制路径-差分值的拟合曲线，差分值最大路径即为损伤所在，本实施方式中对实验获取的信号进行频域分析，图7是某一路径下激光超声导波原始信号，可以明显看出导波时域信号紊乱，且存在高频噪声，因此，进一步利用小波包分解算法对采集到的信号滤波降噪。图8是小波包分解后各频带能量比分布情况，能量占比总和大于95％的频带为前16个子频带，因此，后续分析信号采用前16个子频带信号叠加重组得到。本研究采用的小波包滤波算法具体包括：选择dmey小波作为小波包基函数对导波信号进行5层分解，得到32个不同频率的分量、按如下公式求解出在不同分解尺度上，各子频带能量值与总能量值的比值pi；
[0062][0063]
其中，ei为第j层第m个结点的能量，m代表子频带的总个数，e
sum
为信号总能量。
[0064]
选择能量比之和大于95％的前n个信号频带，将n个信号相加得到最终降噪滤波后的导波信号f。
[0065]
得到降噪后的信号后，对比相同路径下有损、无损对应的导波信号的变化，如图9所示，明显看出在存在缺陷后，各路经的导波信号都受到干扰，体现在幅值的明显降低，因此，可通过求取各路径导波信号的波包峰峰值，并作有损和无损的差分。通过绘制路径-差分值拟合曲线，可知最大值时对应的路径即为小尺寸损伤所在的主要位置，从而实现损伤的快速定位。
[0066]
本发明结合激光超声技术优势和轨底横向尺寸，建立激光-pzt阵列轨底检测系统，并通过仿真优化了激-pzt阵列轨底检测区域，采集轨底表面小尺寸损伤的导波信号，最后对采集到的多路导波信号进行小波包滤波降噪，并以最大波包峰峰值作差分，通过差分值判断损伤所在路径，而且不依赖于导波多模态区分及波速的测量即可实现轨底表面小尺寸损伤的高效检出，为钢轨轨底高效自动化检测提供参考。
[0067]
虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。