网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置及估计方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置及估计方法，涉及高速铁路无砟轨道混凝土质量无损检测技术领域，首先提出了支承层弹性波波速检测装置，并以网格化的估计方法构建了弹性波波速估计模型，在基于细尺度条件下的损失函数和优化目标的神经网络模型，实现了高速铁路无砟轨内部波速的精细化无损检测。本发明专利技术解决了高速铁路无砟轨道支承层混凝土强度的细尺度检测问题，克服了传统钻芯取样对结构的破坏，细化了检测尺度，提高了混凝土波速估计的检测精度，具有操作简单、无损、检测精度高的特点，适合支承层混凝土波速的检测，适合支承层内部强度大面积检测需求，有利于提高我国高速铁路无砟轨道养护维修水平。

【技术实现步骤摘要】
网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置及估计方法
本专利技术涉及高速铁路无砟轨道混凝土质量无损检测
，特别涉及网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置及估计方法。
技术介绍
高速铁路无砟轨道作为高速铁路的载体，其质量好坏，内部存在病害与否，直接关系到高速铁路的运营安全。但由于列车、雨水环境等外部荷载长期作用，不可避免地造成混凝土强度降低。特别是对于现场现浇的支承层结构，受浇筑时温度等因素影响，混凝土强度达不到设计要求，再加上长期受雨水冲刷，造成混凝土砂浆流出，孔隙率增加，混凝土强度急剧下降，影响高速列车行车安全。目前采用的估计方法为钻芯取样法、超声回弹法。钻芯取样法有如下缺点：(1)取样位置为支承层边缘，位于轨道板下部的中心位置混凝土强度无法获取；(2)钻芯取样破坏了结构的完整性，加剧结构的劣化速度；(3)钻芯取样具有随机性，不能满足支承层混凝土强度大面积检测需求。波速估计是一种混凝土强度计算的重要估计方法，超声回弹法是其中的代表。这种估计方法首先通过回归分析超声波波速与混凝土强度之间的关系，再用发射换能器和接收换能器之间的首波时间差计算波速，进而得到所经过路基的平均混凝土强度。目前该估计方法采用单发单收(SISO)模式，只适合于混凝土强度的粗尺度检测，不能对混凝土强度不同分布情况进行细化检测。因此，构建一种无损的细尺度支承层混凝土波速估计方法，成为无砟轨道养修维护急需解决的问题。该专利技术具有操作简单、无损、检测精度高的特点，适合支承层内部强度的检测。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置及估计方法，用以解决现有技术中存在的问题。网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置及估计方法，包括轨道板和支承层，所述支承层上方中间位置设有所述轨道板，所述支承层上表面为弹性波接收面，所述支承层沿轨道延伸方向的侧面为弹性波激发面；在所述弹性波激发面上以固定间隔水平布置多个弹性波激发装置，在所述弹性波接收面上远离所述弹性波激发面一侧以固定间隔水平布置多个弹性波接收传感器，多个所述弹性波接收传感器和多个所述弹性波激发装置均一一对应且处于同一平面上；所述弹性波激发装置电连接程序控制器，所述程序控制器电连接数据采集器和计算机，所述数据采集器电连接所述弹性波接收传感器。较佳地，在所述弹性波接收面上以所述轨道板端面对应位置为初始点布置所述弹性波接收传感器，在所述弹性波激发面上以所述轨道板端面对应位置为初始点布置所述弹性波激发装置。较佳地，所述固定间隔为10cm。较佳地，多个所述弹性波接收传感器同时接收所述弹性波激发装置的弹性波数据。较佳地，所述弹性波激发装置包括12V直流电源，激发装置控制器和执行机构，所述12V直流电源的正负极分别与所述激发装置控制器和所述执行机构电连接。较佳地，所述执行机构为推拉式电磁铁。较佳地，所述激发装置控制器采用西门子S200系列可编程逻辑控制器。较佳地，所述弹性波接收传感器采用丹麦Brüel&4370型压电电荷加速度传感器。较佳地，所述数据采集器采用阿尔泰PCI9018，所述程序控制器采用灵江工控的LBOX-GM45嵌入式工控机。基于网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置的网格化的高速铁路支承层混凝土波速估计方法，包括：步骤一、首先选定平行于高速铁路线路方向并垂直于地面一侧为弹性波信号激发侧，选定平行于高速铁路线路方向并平行于地面一侧为弹性波为弹性波信号接收侧；步骤二、以支承层上部轨道板横向边缘为初始点，以固定间隔布置弹性波激发装置和弹性波接收传感器；步骤三、以多次激发多点接收的形式，同时获取弹性波激发装置激发数据波形时间信号和弹性波接收传感器接收波形时间信号；步骤四、根据激发波形时间t0和接收侧第i个接收器接收到信号的到达时间得到ti，获取弹性波传播时间Δti＝ti-t0，将支承层分为(m×n)，当弹性波激发装置处于位置p，位于位置q的弹性波接收传感器穿过网格(i，j)的路程为从而得到弹性波的传输路程和时间，进而计算得到初步弹性波波速vij。较佳地，还包括如下步骤：步骤五、建立弹性波传播网格模型：将支承层分为(m×n)，网格(i，j)的弹性波波速表示为vij，当弹性波激发装置处于位置p，位于位置q的弹性波接收传感器穿过网格(i，j)的路程为传输时间为步骤六、建立最优化波速估计神经网络结构：当n>m时，作为神经网络的输入量，ωij＝1/vij为待估计参数，令弹性波传播时间的实测值ti为真值，根据估计参数计算值ti’为估计值，则损失函数为：目标函数为使得损失函数最小化，即目标函数为：minimize(loss)神经网络采用3层BP神经网络结构，包括输入层，隐藏层和输出层，由于估计参数计算值ti’大于0，所以采用Relu函数为激活函数，从而实现弹性波波速vij的最优估计。本专利技术有益效果：本专利技术解决了高速铁路无砟轨道支承层混凝土强度的细尺度检测问题，克服了传统钻芯取样对结构的破坏，细化了检测尺度，提高了混凝土波速估计的检测精度，具有操作简单、无损、检测精度高的特点，适合支承层混凝土波速的检测，适合支承层内部强度大面积检测需求，有利于提高我国高速铁路无砟轨道养护维修水平。附图说明图1为本专利技术实施例提供的网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置及估计方法的无砟轨道结构与激发-接收位置选择的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置及估计方法的弹性波激发点和弹性波接收点放样位置的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置及估计方法的无砟轨道支承层混凝土强度检测装置构成结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置及估计方法的弹性波激发装置构成与接线结构示意图；图5为本专利技术实施例提供的网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置及估计方法的支承层弹性波传播网格模型结构示意图；图6为本专利技术实施例提供的网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置及估计方法的最优化波速估计神经网络的结构示意图。附图标记说明：1-轨道板，2-支承层，3-弹性波激发面，4-弹性波接收面。具体实施方式下面结合专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本专利技术的保护范围并不受具体实施方式的限制。参照图1-6，本专利技术提供了网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置及估计方法，包括轨道板1和支承层2，所述支承层2上方中间位置设有所述轨道板1，所述支承层2上表面为弹性波接收面3，所述支承层2沿轨道延伸方向的侧面为弹性波激发面4；在所述弹性波激发面4上以固定间隔水平布置多个弹性波激发装置，在所述弹性波接收面3上远离所述弹性波激发面4一侧以固定间隔水平布置多个弹性波接收传感器，多个所述弹性波接收传感器和多个所述弹性波激发装置均一一对应且处于同一平面上；在所述支承层2上表面以所述轨道板1横向边缘处为初始点10cm间隔布置多个弹性波接收传感器，在所述支承层2侧面以所述轨道板1横向边缘处为初始点10cm间隔布置多个弹性波激发装置。如图2显示了弹性波激发装置位置和弹性波接收传感器位置个数为16时，测点布置图。其中’+’表示弹性波激发装置位置，‘*’表示弹性波接收传感器位置。同时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置，其特征在于，包括轨道板(1)和支承层(2)，所述支承层(2)上方中间位置设有所述轨道板(1)，所述支承层(2)上表面为弹性波接收面(3)，所述支承层(2)沿轨道延伸方向的侧面为弹性波激发面(4)；在所述弹性波激发面(4)上以固定间隔水平布置多个弹性波激发装置，在所述弹性波接收面(3)上远离所述弹性波激发面(4)一侧以固定间隔水平布置多个弹性波接收传感器，多个所述弹性波接收传感器和多个所述弹性波激发装置均一一对应且处于同一平面上；所述弹性波激发装置电连接程序控制器，所述程序控制器电连接数据采集器和计算机，所述数据采集器电连接所述弹性波接收传感器。

【技术特征摘要】
1.网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置，其特征在于，包括轨道板(1)和支承层(2)，所述支承层(2)上方中间位置设有所述轨道板(1)，所述支承层(2)上表面为弹性波接收面(3)，所述支承层(2)沿轨道延伸方向的侧面为弹性波激发面(4)；在所述弹性波激发面(4)上以固定间隔水平布置多个弹性波激发装置，在所述弹性波接收面(3)上远离所述弹性波激发面(4)一侧以固定间隔水平布置多个弹性波接收传感器，多个所述弹性波接收传感器和多个所述弹性波激发装置均一一对应且处于同一平面上；所述弹性波激发装置电连接程序控制器，所述程序控制器电连接数据采集器和计算机，所述数据采集器电连接所述弹性波接收传感器。2.如权利要求1所述的网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置，其特征在于，在所述弹性波接收面(3)上以所述轨道板(1)端面对应位置为初始点布置所述弹性波接收传感器，在所述弹性波激发面(4)上以所述轨道板(1)端面对应位置为初始点布置所述弹性波激发装置。3.如权利要求1所述的网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置，其特征在于，所述固定间隔为10cm。4.如权利要求1所述的网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置，其特征在于，所述弹性波激发装置包括12V直流电源，激发装置控制器和执行机构，所述12V直流电源的正负极分别与所述激发装置控制器和所述执行机构电连接。5.如权利要求4所述的网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置，其特征在于，所述执行机构为推拉式电磁铁。6.如权利要求4所述的网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置，其特征在于，所述激发装置控制器采用西门子S200系列可编程逻辑控制器。7.如权利要求1所述的网格化的高速铁路支承层混凝土波速检测装置，其特征在于，所述弹性波接收传感器采用丹麦Brüel&4370型压电电荷加速度传感器。8.如权利要求1所述的网格化的高速铁路支承层混...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨勇，李义强，赵维刚，田秀淑，戎立帆，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：河北,13