用于钢轨踏面检测的电磁超声点聚焦/发散表面波方法及其装置制造方法及图纸

一种用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，包括：电磁超声点聚焦/发散表面波探头、阻抗匹配网络、脉冲功率放大器、信号发生器、前置放大器、二级滤波放大电路、数据采集卡、LabVIEW软件检测界面、运动控制器、机械行走/旋转装置。在实现在线自动化检测的同时，可以实现微小缺陷包括斜裂纹的准确定量检测，以及实现裂纹倾角的有效检测。

Electromagnetic ultrasonic spot focusing / diverging surface wave method and its device for rail tread detection

【技术实现步骤摘要】
用于钢轨踏面检测的电磁超声点聚焦/发散表面波方法及其装置
本专利技术属于非接触超声波检测
，可实现对钢轨踏面微小缺陷和踏面两侧斜裂纹的在线快速检测。
技术介绍
铁路运输在我国的交通运输系统中占据着重要的地位。钢轨作为铁路运输中的关键部件，与列车每个车轮实际接触面积只有100多mm2，但要承受和传递数十吨重的载荷；再加上近年来列车速度的提升和货运的频繁、重载，钢轨的损伤愈加严重。由于轮轨滚动接触疲劳而产生的钢轨踏面裂纹是钢轨常见的失效表现形式。斜裂纹是钢轨踏面最常见的裂纹形态，其进一步地扩展将导致钢轨突然断裂，由此而造成的人员伤亡和经济损失是巨大的。国内外铁道部门通常采用常规超声表面波技术来实现对钢轨踏面裂纹的自动化检测，它需要耦合剂(水、甘油)才能实现探头与被测零件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高，因此很难用于钢轨在线快速检测。电磁超声换能器利用电磁感应的原理实现超声波的激励和接收，具有非接触、无需耦合剂的特点，可以用于钢轨踏面的快速在线检测。目前电磁超声技术已经被用于钢轨的在线检测；但是，采用电磁超声点聚焦/发散表面波技术并结合步进电机驱动旋转的方式以产生不同指向角的表面波声束，实现踏面微小缺陷和踏面两侧斜裂纹的准确定量/分析尚未见报道。关于钢轨电磁超声检测技术的专利主要综述如下：申请号201110436682.7，其名称为“高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置及其检测方法”。该专利通过多个探头联合以实现对高速列车车轮踏面不同缺陷的检测，但它并未涉及钢轨踏面的在线检测。申请号200320111599.3，其名称为“铁路机车、车辆车轮踏面在线自动化探伤装置”。该专利通过在踏面外侧布置多个电磁超声探头以实现对火车轮踏面的在线检测，但它未涉及钢轨踏面的在线检测。申请号200810137486.8，其名称为“钢轨踏面缺陷快速扫查方法及其装置”。该专利使用曲折线圈电磁超声探头在踏面上产生表面波，通过一发两收的探头模式，使用脉冲反射法和透射法相结合的方式，对缺陷量化精度高；但它未涉及可以旋转的点聚焦/发散电磁超声表面波技术。申请号201310258586.7，其名称为“一种用于检测钢轨轨头踏面缺陷的电磁超声换能器”。该专利采用由磁化器和曲折线圈组合而成的电磁超声表面波探头，实现了对钢轨踏面的缺陷检测，但是并未涉及可以旋转的点聚焦/发散电磁超声表面波技术。申请号201620295730.3，其名称为“电磁超声波钢轨探伤装置”。该专利通过在底座的下方置有四个通道超声波探头的方式对钢轨进行检测，但它并未提及超声探头的组合形式。申请号201711375553.5，其名称为“钢轨轨腰电磁超声检测探头及电磁超声检测装置”。该专利采用电磁超声直入射体波/斜入射体波/表面波技术实现对轨腰的缺陷检测。上述几种专利均描述了采用电磁超声技术对钢轨/车轮进行检测的方法和装置，但是均未涉及采用可以旋转的点聚焦/发散电磁超声表面波技术。专利技术专利内容本专利技术在实现在线自动化检测的同时，可以实现对微小缺陷包括斜裂纹的准确定量检测，以及实现裂纹倾角的有效检测。具体技术方案如下：一种用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，包括：电磁超声点聚焦/发散表面波探头、阻抗匹配网络、脉冲功率放大器、信号发生器、前置放大器、二级滤波放大电路、数据采集卡、LabVIEW软件检测界面、运动控制器、机械行走/旋转装置。进一步地，所述电磁超声点聚焦/发散表面波探头，采用圆弧曲折线圈与垂直充磁的永磁体组合使用的方式，不仅可以产生聚焦的表面波，还可以产生发散表面波。进一步地，所述运动控制器和机械行走/旋转装置，一方面可以实现电磁超声点聚焦/发散表面波探头在钢轨踏面的自动行走；另外一方面可以实现所述电磁超声点聚焦/发散表面波探头圆弧形曲折线圈在检测过程中沿中心旋转运动，并将旋转角度信息实时反馈给LabVIEW软件检测界面。进一步地，所述脉冲功率放大器和信号发生器配合使用，可以为电磁超声探头提供瞬态功率达5KW-15KW的射频电流，驱动电磁超声点聚焦/发散表面波探头中的激励线圈并在钢轨踏面中激发点聚焦/发散表面波；和/或，所述前置放大器、二级滤波放大电路和数据采集卡配合使用，可以将电磁超声点聚焦/发散表面波探头中接收线圈所捕获的微弱电信号经过多级滤波放大，并通过模数转换为数字信号，送入LabVIEW软件检测界面中；和/或所述阻抗匹配网络一方面用于实现电磁超声表面波探头中激励线圈与脉冲功率放大器输出阻抗之间的阻抗匹配，将激励功率最大化地转移至激励线圈；另一方面可以解决电磁超声点聚焦/发散表面波探头中接收线圈与前置放大器输入阻抗之间的阻抗差异问题，实现接收线圈捕获的微弱感生功率能最大化地转移至前置放大器，最终提高电磁超声表面波探头的换能效率。进一步地，所述LabVIEW软件检测界面主要功能包括：1)、电磁超声激励参数调整，所述电磁超声激励参数包括电流幅值、频率、持续时间、触发间隔；2)、电磁超声接收参数调整，所述电磁超声接收参数调整包括增益倍数、滤波参数、平均次数；3)、电磁超声探头的行走与旋转动作；4)、超声回波数据的记录与分析，缺陷的定量与定位分析。进一步地，在所述LabVIEW检测界面中，通过RS232串口总线，控制信号发生器生成持续时间和周期数可调的正弦脉冲串，经过脉冲功率放大器可以产生放大以后的大幅值脉冲激励电流，并通过阻抗匹配网络，送入电磁超声表面波探头中的激励线圈；电磁超声点聚焦/发散表面波探头的激励部分在洛伦兹力和磁致伸缩效应的共同作用下，在钢轨踏面上激发出点聚焦/发散表面波，并沿着钢轨的长度方向进行传播；当遇到微小缺陷或裂纹时，将会反射得到缺陷回波；当缺陷回波到达电磁超声表面波探头的接收线圈正下方，根据逆洛伦兹力和逆磁致伸缩效应，将在电磁超声点聚焦/发散表面波探头的接收部分感应出微弱的感生电压信号；感生电压信号经过前置放大器和二级滤波放大电路的滤波、放大后，将得到在数据采集卡的量程之内的、信噪比较高的电压信号，再经过数据采集卡的模数转换功能，转换为数字信号，并通过NET或PCI-E传输总线，送入LabVIEW软件界面中进行信号的分析和处理。进一步地，通过调整曲折线圈相邻导线间距d，可以激励出不同频率f的点聚焦/发散表面波，其中d和f需要满足：d＝c_s/2f，式中c_s表示钢轨踏面的表面波声速；和/或，通过调整电磁超声点聚焦/发散表面波探头的激励线圈的圆弧角α和接收线圈的圆弧角β及其圆弧曲折线圈的半径，可以改变点聚焦/发散表面波的声压分布。进一步地，通过圆弧形曲折线圈沿着中心轴旋转，并在钢轨踏面产生不同方向的超声声束，可以实现不同区域的微小缺陷和不同取向裂纹的检测；同一个圆弧形曲折线圈EMAT既可以产生点聚焦表面波实现微小缺陷的检测，也可以产生发散的表面波，以实现踏面两侧直裂纹/斜裂纹的检测；根据踏面斜裂纹的最大回波幅值所对应的电磁超声探头旋转角度，确定裂纹的倾斜角。进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，其特征在于，包括：电磁超声点聚焦/发散表面波探头、阻抗匹配网络、脉冲功率放大器、信号发生器、前置放大器、二级滤波放大电路、数据采集卡、LabVIEW软件检测界面、运动控制器、机械行走/旋转装置。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，其特征在于，包括：电磁超声点聚焦/发散表面波探头、阻抗匹配网络、脉冲功率放大器、信号发生器、前置放大器、二级滤波放大电路、数据采集卡、LabVIEW软件检测界面、运动控制器、机械行走/旋转装置。


2.如权利要求1所述的用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，其特征在于，所述电磁超声点聚焦/发散表面波探头，采用圆弧曲折线圈与垂直充磁的永磁体组合使用的方式，不仅可以产生聚焦的表面波，还可以产生发散表面波。


3.如权利要求1或2所述的用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，其特征在于，所述运动控制器和机械行走/旋转装置，一方面可以实现电磁超声点聚焦/发散表面波探头在钢轨踏面的自动行走；另外一方面可以实现所述电磁超声点聚焦/发散表面波探头圆弧形曲折线圈在检测过程中沿中心旋转运动，并将旋转角度信息实时反馈给LabVIEW软件检测界面。


4.如权利要求1所述的用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，其特征在于，所述脉冲功率放大器和信号发生器配合使用，可以为电磁超声探头提供瞬态功率达5KW-15KW的射频电流，驱动电磁超声点聚焦/发散表面波探头中的激励线圈并在钢轨踏面中激发点聚焦/发散表面波；和/或，
所述前置放大器、二级滤波放大电路和数据采集卡配合使用，可以将电磁超声点聚焦/发散表面波探头中接收线圈所捕获的微弱电信号经过多级滤波放大，并通过模数转换为数字信号，送入LabVIEW软件检测界面中；和/或
所述阻抗匹配网络一方面用于实现电磁超声表面波探头中激励线圈与脉冲功率放大器输出阻抗之间的阻抗匹配，将激励功率最大化地转移至激励线圈；另一方面可以解决电磁超声点聚焦/发散表面波探头中接收线圈与前置放大器输入阻抗之间的阻抗差异问题，实现接收线圈捕获的微弱感生功率能最大化地转移至前置放大器，最终提高电磁超声表面波探头的换能效率。


5.如权利要求1所述的用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，其特征在于，所述LabVIEW软件检测界面主要功能包括：1)、电磁超声激励参数调整，所述电磁超声激励参数包括电流幅值、频率、持续时间、触发间隔；2)、电磁超声接收参数调整，所述电磁超声接收参数调整包括增益倍数、滤波参数、平均次数；3)、电磁超声探头的行走与旋转动作；4)、超声回波数据的记录与分析，缺陷的定量与定位分析。


6.如权利要求1所述的用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，其特征在于，在所述LabVIEW检测界面中，通过RS232串口总线，控制信号发生器生成持续时间和周期数可调的正弦脉冲串，经过脉冲功率放大器可以产生放大以后的大幅值脉冲激励电流，并通过阻抗匹配网络，送入电磁超声表面波探头中的激励线圈；电磁超声点聚焦/发散表面波探头的激励部分在洛伦兹力和磁致伸缩效应的共同作用下，在钢轨踏面上激发出点聚焦/发散表面波，并沿着钢轨的长度方向进行传播；当遇到微小缺陷或裂纹时，将会反射得到缺陷回波；当缺陷回波到达电磁超声表面波探头的接收线圈正下方，根据逆洛伦兹力和逆磁致伸缩效应，将在电磁超声点聚焦/发散表面波探头的接收部分感应出微弱的感生电压信号；感生电压信号经过前置放大器和二级滤波放大电路的滤波、放大后，将得到在数据采集卡的量程之内的、信噪比较高的电压信...

【专利技术属性】
技术研发人员：石文泽，卢超，李淇鑫，陈泽刚，彭健，付煜瑞，陈巍巍，唐琴，林俊明，
申请(专利权)人：南昌航空大学，上饶师范学院，
类型：发明
国别省市：江西;36