一种接触线缺陷位置的精确测量方法技术

本发明专利技术公开了一种接触线缺陷位置的精确测量方法，包括以下步骤：1)对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解，再根据求解的结果选择超声导波检测模态，然后根据超声导波检测模态确定超声导波传感器，再基于选择的超声导波传感器搭建接触线超声导波检测系统，最后通过搭建的接触线超声导波检测系统对待检测接触线进行缺陷检测，得超声导波检测信号；2)利用稀疏解卷积方法对超声导波检测信号进行分析处理，然后对分析处理的结果进行缺陷特征信息的识别及提取，得待检测接触线的缺陷位置，完成基于超声导波的接触线缺陷高精度检测，该方法能够实现对接触线缺陷的全面、快速、准确及有效的检测。

An accurate method for measuring the location of contact line defects

The invention discloses an accurate measuring method for the position of a contact line defect, which comprises the following steps: 1) solving the group velocity and phase velocity dispersion curve of the contact line, selecting the ultrasonic guided wave detection mode according to the solution result, then determining the ultrasonic guided wave sensor according to the ultrasonic guided wave detection mode, and then determining the ultrasonic guided wave sensor based on the selected supersonic wave. Ultrasound guided wave detection system is set up by acoustic guided wave sensor. Finally, the ultrasonic guided wave detection system is set up to detect the defects of the test contact line and get the ultrasonic guided wave detection signal. 2) The sparse deconvolution method is used to analyze and process the ultrasonic guided wave detection signal, and then the analysis results are processed. Recognition and extraction of defect feature information can get the defect location of the contact line to be detected, and complete the high-precision detection of the contact line defect based on ultrasonic guided wave. This method can realize the comprehensive, rapid, accurate and effective detection of the contact line defect.

【技术实现步骤摘要】
一种接触线缺陷位置的精确测量方法
本专利技术属于电气化铁路接触网故障检测领域，涉及一种接触线缺陷位置的精确测量方法。
技术介绍
接触线作为接触网中直接和受电弓滑板摩擦接触取流的部分，其可靠性和安全性将直接影响列车的运行效率和安全。接触线是在力和电的双重作用下工作的，工作过程中不可避免的会产生动态疲劳，从而在其内部或表面产生各种形式的缺陷。另外，接触线生产过程中由于合金冶炼等生产技术的不当，将形成静态机理性缺陷。这些动态缺陷和静态缺陷如果没有及时被发现，将造成接触线断线事故，这不仅会造成巨大的经济损失，还严重威胁着列车人员的生命安全。因此，在电气化铁路中急需一种能够全面、可靠、有效地检测接触线裂纹的技术。早期的接触线检测主要是依靠工人沿线路进行现场检测，但是该方法通常表现出检测精度差、检测效率低的特点。这主要是因为接触线属于架空设备，人工巡检一般不可达，检测结果依赖于检测人员的工程经验，对于内部缺陷和微裂纹人工巡检通常无法进行有效的检测检测。另外人工巡检是一种占线检测，无法满足电气化铁路高速度、高密度的运行要求。为了最大程度保证接触线的安全运行，专家们研制出了各种各样的自动化接触网检测装置。这些检测装置主要基于超声波、激光和摄像等测量原理，通过安装合适的超声波、激光探头和高速摄像机阵列来获取接触网的相关状态参数，然后通过中央处理单元对采集到的状态数据进行分析处理，最后给出接触线的检测结果。但是，采用超声波方式对接触线进行检测时其检测精度和准确性都不太高，其工程使用的局限性也比较大；激光测量的检测精度主要依赖于接触线的表面光洁度，想要得到精确的检测结果，接触线表面就必要有比较好的光洁度，而考虑到接触线的工作环境和条件，很难保证其有较好的表面光洁度，因此激光测量具有检测精度不高的缺点；摄像测量技术主要通过对摄像机采集到的图像信息进行分析处理，根据图像处理的结果来确定接触线的缺陷位置信息。由于摄像机只能采集到接触线的表面缺陷信息，对于接触线的内部缺陷信息并不能有效的获取，所以对于接触线的内部缺陷检测摄像测量技术还有很大的不足。因此，需要研究新的、有效的接触线检测新技术，实现接触线缺陷的全面、快速、准确、有效的检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种接触线缺陷位置的精确测量方法，该方法能够实现对接触线缺陷的全面、快速、准确及有效的检测。为达到上述目的，本专利技术所述的基于超声导波的接触线缺陷高精度检测方法包括以下步骤：1)采用有限元方法与解析算法相结合的方式对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解，再根据求解的结果选择超声导波检测模态，然后根据超声导波检测模态确定超声导波传感器，再基于选择的超声导波传感器搭建接触线超声导波检测系统，最后通过搭建的接触线超声导波检测系统对待检测接触线进行缺陷检测，得超声导波检测信号；2)通过接触线超声导波检测的卷积模型利用稀疏解卷积方法对步骤1)得到的超声导波检测信号进行分析处理，以提高超声导波检测信号的时域分辨率，然后对分析处理的结果进行缺陷特征信息的识别及提取，得待检测接触线的缺陷位置，完成基于超声导波的接触线缺陷高精度检测。步骤1)中采用有限元方法与解析算法相结合的方式对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解的具体操作过程为：通过有限元分析软件建立接触线的横截面模型，再通过对接触线的横截面模型进行有限元网格划分，并导出网格划分得到的各离散单元的节点位置信息，其中，离散单元的位移表达式可以通过节点位置位移及形函数表示为：其中，(Uxk,Uyk,Uzk)为节点位置位移，N(x,y)为形函数，离散单元的应变向量可以通过节点位移函数表示为：其中，B1＝LxN,x+LyN,y，B2＝LzN，N,x及N,y分别为形函数Nk(x,y)在x及y方向上的导数，根据哈密顿原理，得接触线中超声导波的波动方程为：[K1+iξK2+ξ2K3-ω2M]MU＝0其中，K1、K2及K3为对刚度矩阵，K1及K3为对称矩阵，K2为斜对称矩阵，质量矩阵M为实数对称矩阵，U为未知节点位移的全局矢量，角标M表示系统的自由度数量；求解所述接触线中超声导波的波动方程，得接触线的群速度及相速度频散曲线。步骤1)中的接触线超声导波检测系统包括波激励系统及导波采集系统，导波激励系统产生沿接触线传播的超声导波；导波采集系统采集记录携带有检测结构信息的导波信号。步骤2)的具体操作为：2a)通过稀疏解卷积方法将从步骤1)得到的超声导波检测信号中恢复反射序列的问题转换为稀疏解卷积问题，其中，所述稀疏解卷积问题为：其中，x为反射序列，s为超声导波检测信号，H为Toeplitz卷积矩阵，表示l1范数，λ为正则化参数；通过迭代算法求解所述稀疏解卷积问题，以恢复出反射序列；2b)从反射序列中识别及提取接触线上缺陷的位置特征信息，并确定裂纹脉冲与入射脉冲之间的时间差，得接触线上缺陷与波激励系统中导波激励传感器之间的距离L，其中，其中，t1为入射脉冲的响应时间，t2为裂纹脉冲的响应时间，vg为所选择检测模态导波在激励频率下的群速度。根据超声导波的脉冲回波检测原理基于选择的超声导波传感器搭建接触线超声导波检测系统。导波激励系统由依次相连接的波形发生器、电压放大器及导波激励传感器组成；导波采集系统由依次相连接的导波接收传感器、信号放大器及示波器组成。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的接触线缺陷位置的精确测量方法在具体操作时，通过接触线超声导波检测系统对待检测接触线进行缺陷检测，得超声导波检测信号，然后利用稀疏解卷积方法对步骤1)得到的超声导波检测信号进行分析处理，以提高超声导波检测信号的时域分辨率，使得缺陷信息可以准确、全面的从检测信号中提取出来，实现接触线中缺陷位置的准确检测，保证接触线缺陷检测有效的同时，提高检测的精度及速度，为全面、快速、准确、有效的检测。需要说明的是，本专利技术采用超声导波作为检测手段，基于超声导波具有全波场特性及传播速度快的特点，可以一次性实现接触线内缺陷及外部缺陷的全面、快速检测。附图说明图1为本专利技术中接触线频散曲线求解的具体过程图；图2a为本专利技术中的相速度频散曲线图；图2b为本专利技术中的群速度频散曲线图；图3为本专利技术中接触线超声导波检测系统的结构示意图；图4为本专利技术中检测用的接触线裂纹位置的示意图；图5为本专利技术中接触线裂纹超声导波原始检测信号图；图6为本专利技术中接触线裂纹检测信号稀疏解卷积结果图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：本专利技术所述的基于超声导波的接触线缺陷高精度检测方法包括以下步骤：1)采用有限元方法与解析算法相结合的方式对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解，再根据求解的结果选择超声导波检测模态及超声导波传感器；然后根据超声导波检测原理基于超声导波传感器搭建接触线超声导波检测系统，最后通过接触线超声导波检测系统对接触线进行缺陷检测，得超声导波检测信号。其中，采用有限元方法与解析算法相结合的方式对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解的具体操作为：通过有限元方法与解析算法相结合的方式求解接触线群速度、相速度频散曲线的具体过程如图1所示，具体的，首先，建立接触线横截面的ANSYS有限分析模型，并将接触线横截面的ANSYS有限分析模型进行网格划分，然后将离散单元的的网本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超声导波的接触线缺陷高精度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用有限元方法与解析算法相结合的方式对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解，再根据求解的结果选择超声导波检测模态，然后根据超声导波检测模态确定超声导波传感器，再基于选择的超声导波传感器搭建接触线超声导波检测系统，最后通过搭建的接触线超声导波检测系统对待检测接触线进行缺陷检测，得超声导波检测信号；2)通过接触线超声导波检测的卷积模型利用稀疏解卷积方法对步骤1)得到的超声导波检测信号进行分析处理，以提高超声导波检测信号的时域分辨率，然后对分析处理的结果进行缺陷特征信息的识别及提取，得待检测接触线的缺陷位置，完成基于超声导波的接触线缺陷高精度检测。

【技术特征摘要】
1.一种基于超声导波的接触线缺陷高精度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用有限元方法与解析算法相结合的方式对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解，再根据求解的结果选择超声导波检测模态，然后根据超声导波检测模态确定超声导波传感器，再基于选择的超声导波传感器搭建接触线超声导波检测系统，最后通过搭建的接触线超声导波检测系统对待检测接触线进行缺陷检测，得超声导波检测信号；2)通过接触线超声导波检测的卷积模型利用稀疏解卷积方法对步骤1)得到的超声导波检测信号进行分析处理，以提高超声导波检测信号的时域分辨率，然后对分析处理的结果进行缺陷特征信息的识别及提取，得待检测接触线的缺陷位置，完成基于超声导波的接触线缺陷高精度检测。2.根据权利要求1所述的基于超声导波的接触线检测方法，其特征在于，步骤1)中采用有限元方法与解析算法相结合的方式对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解的具体操作过程为：通过有限元分析软件建立接触线的横截面模型，再对接触线的横截面模型进行有限元网格划分，并导出网格划分得到的各离散单元的节点位置信息，其中，离散单元的位移表达式可以通过节点位置位移及形函数表示为：其中，(Uxk,Uyk,Uzk)为节点位置位移，N(x,y)为形函数，离散单元的应变向量可以通过节点位移函数表示为：其中，B1＝LxN,x+LyN,y，B2＝LzN，N,x及N,y分别为形函数Nk(x,y)在x及y方向上的导数，根据哈密顿原理，得接触线中超声导波的波动方程为：[K1+iξK2+ξ2K3-ω2M]MU＝0其中，K1、K2及K3为对刚度矩阵，K1及K3为对称矩阵，K2...

【专利技术属性】
技术研发人员：訾艳阳，常永，王宇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61