用于钢轨轨底探伤的压电超声导波探头制造技术

本实用新型专利技术公开了一种用于钢轨轨底探伤的压电超声导波探头，所述探头包括外层壳体、若干个压电单元以及至少一个接口，每个压电单元包括压电晶片、电缆线、阻尼块、吸声填充物、弹性元件和内层壳体，压电晶片为长度方向振动模式的压电陶瓷片，其设置在外层壳体的底部，且振动方向与水平面平行，压电晶片平行于振动方向靠内的一面与阻尼块紧贴，阻尼块设置在内层壳体内，吸声填充物填充于阻尼块与内层壳体之间，弹性元件设置在内层壳体与外层壳体之间，接口设置在外层壳体的顶部，并通过电缆线与压电晶片连接。本实用新型专利技术采用长度方向振动模式的压电晶片，灵敏度高，单次检测距离长，信噪比高，可检出较小损伤，同时成本较低，便于推广。

Piezoelectric ultrasonic guided wave probe for rail rail bottom flaw detection

The utility model discloses a piezoelectric ultrasonic guided wave probe for rail bottom flaw detection. The probe comprises an outer shell, a number of piezoelectric units and at least one interface. Each piezoelectric unit comprises a piezoelectric chip, a cable, a damping block, a sound absorbing material, a Dan Xingyuan piece and an inner shell, and a piezoelectric wafer. The piezoelectric ceramic plate of the directional vibration mode is set at the bottom of the outer shell, and the vibration direction is parallel to the horizontal plane. The piezoelectric chip is parallel to the damping block, which is parallel to the inner side of the vibration direction. The damping block is arranged in the inner shell, and the sound absorbing material is filled between the damping block and the inner shell, and the elastic element is set up in the inner shell. The interface between the shell and the outer shell is arranged on the top of the outer shell, and is connected with the piezoelectric wafer through the cable. The utility model has high sensitivity, long single detection distance, high signal to noise ratio, small damage, low cost and easy to spread, with high sensitivity, long single detection distance and high signal to noise ratio.

【技术实现步骤摘要】
用于钢轨轨底探伤的压电超声导波探头
本技术涉及一种探伤装置，尤其是一种用于钢轨轨底探伤的压电超声导波探头，属于无损检测

技术介绍
钢轨探伤是保障列车安全运行的关键性工作之一。当前钢轨探伤一般使用超声波技术，通过超声波探头从轨头踏面向钢轨中发射脉冲声波并接收其反射波来检测损伤。超声波探伤技术每次发射脉冲声波只能检查探头周围的局部区域，在钢轨轨底两侧区域存在大面积的探伤盲区。虽然钢轨轨头损伤仍是造成断轨的主要因素，但近年来由于列车提速和重载列车的增多，轨底损伤造成断轨事件或事故的数量也呈现出上升的趋势。涡流、射线、磁粉等无损检测方法，由于易受环境影响、可靠度不高、技术成熟度不足等各种因素而难以在钢轨探伤中应用。由于超声导波检测技术在长距离等截面构件无损检测中体现出独特的技术优势，使得基于超声导波的钢轨探伤方法近年来成为一个研究热点。中国技术专利公开号为CN102520068A的“基于磁致伸缩和纵向超声导波的铁轨损伤检测方法”使用磁致伸缩换能器在钢轨中激发纵向超声导波来检测钢轨损伤，但基于磁致伸缩的超声导波信噪比低且难以在现场中方便应用。此外，该专利公开的技术主要适用于轨头探伤。IBartoli等、JZhang等、卢超等利用锤击法进行钢轨超声导波探伤，但通过锤击法得到的导波信号中，导波模态识别度较低，因而要求导波接收换能器靠近损伤点，这在实际检测中往往是难以实现的。另外，锤击法也不适用于生产实践中。近年来，基于激光超声及空气耦合的非接触式超声导波探伤也得到了长足发展，但目前在信噪比、精度、可推广性方面仍存在明显缺陷。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种用于钢轨轨底探伤的压电超声导波探头，该探头采用长度方向振动模式的压电晶片，灵敏度高，单次检测距离长，信噪比高，可检出较小损伤，同时成本较低，便于推广。本技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：用于钢轨轨底探伤的压电超声导波探头，包括外层壳体、若干个压电单元以及至少一个接口，每个压电单元包括压电晶片和电缆线，所述压电晶片为长度方向振动模式的压电陶瓷片，压电晶片设置在外层壳体的底部，且振动方向与水平面平行，所述接口设置在外层壳体的顶部，并通过电缆线与压电晶片连接。进一步的，每个压电单元还包括阻尼块，所述阻尼块设置在外层壳体内，所述压电晶片平行于振动方向靠外的一面上覆有保护膜，平行于振动方向靠内的一面与阻尼块紧贴。进一步的，每个压电单元还包括内层壳体，所述内层壳体设置在外层壳体内，所述阻尼块设置在内层壳体内。进一步的，每个压电单元还包括吸声填充物，所述吸声填充物填充于阻尼块与内层壳体之间。进一步的，每个压电单元还包括弹性元件，所述弹性元件设置在内层壳体与外层壳体之间。进一步的，所述若干个压电单元分为至少一组压电单元组，至少一组压电单元组在平行于压电晶片振动方向的纵向方向上排列设置，每组压电单元组中的所有压电单元在垂直于压电晶片振动方向的横向方向上并排设置。进一步的，所述外层壳体的底部外侧面形成可与钢轨轨底的一侧上表面贴合的曲面，所述若干个压电单元的压电晶片设置在该曲面上。进一步的，所述接口为一个时，若干个压电单元的压电晶片均通过电缆线与该接口连接；所述接口为两个或两个以上时，每个接口与其中一个压电单元的压电晶片连接，或与其中多个压电单元的压电晶片连接。本技术相对于现有技术具有如下的有益效果：1、本技术采用压电式的压电超声导波探头，使用方便，并且成本低，易于推广，且压电超声导波探头中的每个压电单元采用长度方向振动模式(LE模)的压电晶片，在十千赫兹至数百千赫兹的频率范围内具有良好响应，弥补了传统超声波钢轨探伤技术在钢轨轨底两侧区域存在大面积探伤盲区的缺陷，并且单次检测距离长，典型单次检测距离可达十米至数十米，探伤效率高，与传统的超声导波探头相比，用于轨底探伤时，灵敏度及信噪比更高，单次检测距离更长，可检出更小损伤。2、本技术的每个压电单元中的压电晶片，平行于振动方向靠外的一面上覆有保护膜，平行于振动方向靠内的一面与阻尼块紧贴，保护膜可以保护在使用过程中压电晶片不受损坏，而阻尼块可为压电晶片的振动提供阻尼以减少脉冲宽度、提高分辨率，并为压电晶片提供支撑作用。3、本技术的每个压电单元中的吸声填充物，吸声填充物填充于阻尼块和内层壳体之间，可以吸收压电晶片向背面(平行于振动方向靠内的一面)透射的声波以减少脉冲杂波。4、本技术的每个压电单元中的弹性元件，弹性元件设置在内层壳体与外层壳体之间，可以提供传递、平衡外部压力的作用，并使得外层壳体和内层壳体可在小范围内相对活动以确保检测时压电晶片可与钢轨轨底的一侧上表面完好接触。5、本技术的外层壳体底部外侧面形成可与钢轨轨底的一侧上表面贴合的曲面，所有压电单元的压电晶片设置在该曲面上，以达到更好的接触效果。6、本技术为了选择合适的检测频率，使用了时频分析技术，可获得导波在整个相关频域范围内的传播特性，使得能够方便、直观地利用多个实际信号的时频特性来优选出导波检测激发频率，以避免基于频散曲线的理论分析在选择导波激发频率时出现与实际导波检测之间不匹配的问题，还能方便地得到导波检测的分析频率。附图说明图1为本技术实施例1的压电超声导波探头平行于压电晶片振动方向的剖面图。图2为本技术实施例1的压电超声导波探头垂直于压电晶片振动方向的剖面图。图3为本技术实施例1的压电超声导波探头示出外层壳体顶部的轴侧图。图4为本技术实施例1的压电超声导波探头示出外层壳体底部的轴侧图。图5为本技术实施例1的压电超声导波探头中压电晶片的轴测图。图6为本技术实施例1的压电超声导波探头中压电晶片的正视图。图7为本技术实施例1的压电超声导波探头中压电晶片的俯视图。图8为本技术实施例1的压电超声导波探头中压电晶片的侧视图。图9本技术实施例1的压电超声导波探头放置在钢轨轨底的一侧上表面的平面示意图。图10本技术实施例1的压电超声导波探头放置在钢轨轨底的一侧上表面的三维示意图。图11为图10中A处的放大图。图12为本技术实施例1的压电超声导波探头与信号激发和接收功能集成于一个通道的外部设备连接的示意图。图13为本技术实施例2的两个压电超声导波探头分别与外部设备的激发通道和接收通道连接的示意图。图14为本技术实施例3的两个压电超声导波探头分别与外部激发设备和外部接收设备连接的示意图。图15为本技术实施例4的压电超声导波探头放置在钢轨轨底两侧上表面的平面示意图。图16为本技术实施例5的压电超声导波探头中每个接口与一个压电单元的压电晶片连接的示意图。图17为本技术实施例6的压电超声导波探头平行于压电晶片振动方向的剖面图。图18为本技术实施例6的压电超声导波探头中两个接口分别与外部设备的激发通道和接收通道连接的示意图。图19为本技术实施例7的压电超声导波探头中两个接口分别与外部激发设备和外部接收设备连接的示意图。其中，1-外层壳体，2-接口，3-压电晶片，4-电缆线，5-阻尼块，6-吸声填充物，7-弹性元件，8-内层壳体，9-压电超声导波探头，10-钢轨，11-外部设备，12-外部激发设备，13-外部接收设备。具体实施方式下面结合实施例及附图对本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于钢轨轨底探伤的压电超声导波探头，其特征在于：包括外层壳体、若干个压电单元以及至少一个接口，每个压电单元包括压电晶片和电缆线，所述压电晶片为长度方向振动模式的压电陶瓷片，压电晶片设置在外层壳体的底部，且振动方向与水平面平行，所述接口设置在外层壳体的顶部，并通过电缆线与压电晶片连接。

【技术特征摘要】
1.用于钢轨轨底探伤的压电超声导波探头，其特征在于：包括外层壳体、若干个压电单元以及至少一个接口，每个压电单元包括压电晶片和电缆线，所述压电晶片为长度方向振动模式的压电陶瓷片，压电晶片设置在外层壳体的底部，且振动方向与水平面平行，所述接口设置在外层壳体的顶部，并通过电缆线与压电晶片连接。2.根据权利要求1所述的用于钢轨轨底探伤的压电超声导波探头，其特征在于：每个压电单元还包括阻尼块，所述阻尼块设置在外层壳体内，所述压电晶片平行于振动方向靠外的一面上覆有保护膜，平行于振动方向靠内的一面与阻尼块紧贴。3.根据权利要求2所述的用于钢轨轨底探伤的压电超声导波探头，其特征在于：每个压电单元还包括内层壳体，所述内层壳体设置在外层壳体内，所述阻尼块设置在内层壳体内。4.根据权利要求3所述的用于钢轨轨底探伤的压电超声导波探头，其特征在于：每个压电单元还包括吸声填充物，所述吸声填充物填充于阻尼块与内层壳体之间。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：林荣，马宏伟，温宇立，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：新型
国别省市：广东,44