超声直探头、超声波传感器、在线监测系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种超声直探头、超声波传感器及在线监测系统和方法。本发明专利技术超声直探头的压电层采用基于锆钛酸铅压电陶瓷的1

【技术实现步骤摘要】
超声直探头、超声波传感器、在线监测系统和方法


[0001]本专利技术属于交通行业铁路钢轨的在线(在役)伤损监测领域，具体涉及一种超声直探头、超声波传感器、在线监测系统和方法。

技术介绍

[0002]铁路、飞机、压力容器等关键结构的完整性需要持续监控，以防止发生灾难性故障。为了应对导致结构失效的任何可能损坏，即使结构可能正在使用中，也应进行监控评估。传统的无损检测/评估(NDT/NDE)技术不能直接应用于监测结构的健康状况，因为这些技术通常基于实验室测试，需要庞大的仪器。具有集成传感器的结构健康监测(SHM)系统称为智能SHM系统，在过去数十年中引起了广泛关注。除了传感器、发射器或执行器，其功能是激发诊断信号，也可以植入结构中以构建有源主动式SHM系统。主动SHM系统可以增加从收集的传感器数据中推断结构状态的可能性。构建有源主动式SHM系统的一个主要问题是选择合适的监测信号。尽管一般意义上任何物理信号都可以用于监测结构健康，但与渗透、涡流、X射线检测等其他NDT检测方案中的诊断信号不同，超声应力波已被认为是主动SHM系统中的主要方法。这种在监测结构上集成传感器的技术应用于结构健康监测(SHM)中，具有很好的监测性能。目前，为了解决在役钢轨的安全问题，急需将超声应力波传感器集成到钢轨表面结构中。
[0003]超声波应力波监测系统中，基于超声应力波的测试可以潜在地检测出各种损坏(例如腐蚀、分层、裂纹，这些损伤不仅在表面上，也可以隐藏在结构内部)，并且可以通过提高诊断信号的频率来增加对微小损坏的检出能力。传统的应力波监测方法是应用基于超声波兰姆波的监测方法，这种监测方法的困难在于信号由于其色散特性和复杂的模式转换现象而无法清楚解析声波的传播路径，由于在智能SHM结构中安装结构和传感器之间的相互作用，进一步增加了解析的困难。损伤监测识别的算法依赖于兰姆波的产生和接收方法，相对也比较复杂。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提供一种超声直探头、超声波传感器及系统，用于解决现有技术中存在的上述问题。
[0005]一种超声直探头，所述超声直探头包括外壳及设置在外壳内部的依次设置的匹配层、压电层和背衬层及电极片，
[0006]其中所述压电层的负极表面与所述匹配层连接；所述压电层的正极表面与所述背衬层连接；
[0007]所述电极片设置在所述负极表面与所述匹配层之间，其上设置有负极引线；
[0008]所述压电层的正极表面设置有正极引线；
[0009]所述压电层的材料为锆钛酸铅压电陶瓷层。
[0010]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述锆钛酸
铅压电陶瓷层为1
‑
3型PZT/环氧树脂。
[0011]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电极片为2
‑
10微米厚、宽为2
‑
4毫米的铜箔。
[0012]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述匹配层的厚度为100
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200微米。
[0013]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，还包括设置在外壳内壁上的接插件，所述接插件包括正极插槽、负极插槽和输出插槽，其中所述正极插槽、负极插槽分别连接所述正极引线和负极引线；所述输出插槽中设置超声直探头线。
[0014]本专利技术还提供了一种超声波传感器，所述传感器包括支撑件和本专利技术所述的超声直探头，所述超声直探头设置在所述支撑件上。
[0015]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述支撑件包括支撑斜面，所述支撑斜面与水平方向的夹角为40～80度。
[0016]本专利技术还提供了一种钢轨在线监测系统，所述系统包括监测装置、远程服务器及若干所述的超声波传感器，其中所述超声波传感器设置在钢轨上，超声波传感器的探头线连接所述监测装置，所述监测装置无线连接所述远程服务器。
[0017]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述监测装置包括太阳能板、支架、监测仪、壳体和电池，其中太阳能板设置在支架的顶端，所述壳体设置在支架上，所述监测仪和电池设置在所述壳体内，所述监测仪为和若干超声波传感器均相连接，且所述监测仪与电池的一端相连接，所述电池的另外一端接太阳能板。
[0018]本专利技术还提供了一种钢轨在线监测方法，所述方法采用本专利技术所述的监测系统实现，包括如下步骤：
[0019]S1.在钢轨的底侧、焊缝面处、轨底三角区、轨腰和轨颚三角区设置若干对超声波传感器；
[0020]S2.将监测装置设置在距离钢轨一定距离处，将监测仪的每一通道与所述超声波传感器的探头线相连接；
[0021]S3.启动监测装置，给所述监测仪和所述超声传感器供电，每一个所述超声传感器将在线测量的所述钢轨的衍射波信号发送给所述监测仪；
[0022]S4.所述监测仪将采集的所有衍射波信号发送给远程服务器，根据衍射波信号实时在线监测所述钢轨的缺陷。
[0023]本专利技术的有益效果
[0024]本专利技术超声直探头的压电层采用基于锆钛酸铅压电陶瓷的1
‑
3型PZT/环氧树脂，该复合材料具有高机电耦合系数和低声阻抗特性，表现出更高的灵敏度和更宽的带宽。将超声波传感器安装在钢轨结构表面，用以产生和接收用于检测钢轨冲击损伤的应力波信号。同时，对钢轨进行在线监测时的监测装置采用太阳能和蓄电池供电，可以保证超声监测在野外长期稳定工作，同时整体结构轻便紧凑，方便维护更换。钢轨在线监测系统能够在保证无人值守的情况下，超声波传感器可以长期稳定监测和检出钢轨内裂纹缺陷的发展程度，具有很强的使用价值。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的实施例中的超声直探头结构示意图；
[0026]图2为本专利技术的实施例中超声波传感器结构示意图；
[0027]图3为本专利技术的实施例中监测装置的结构示意图；
[0028]图4为本专利技术的实施例中超声波传感器在钢轨上的布置示意图；
[0029]图5为本专利技术的实施例中超声波传感器在钢轨上的固定示意图。
具体实施方式
[0030]为了更好的理解本专利技术的技术方案，本
技术实现思路
包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本专利技术保护的范畴之内。为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0031]应当明确，本专利技术所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0032]在本专利技术实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本专利技术。在本专利技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声直探头，其特征在于，所述超声直探头包括外壳及设置在外壳内部的依次设置的匹配层、压电层和背衬层及电极片，其中所述压电层的负极表面与所述匹配层连接；所述压电层的正极表面与所述背衬层连接；所述电极片设置在所述负极表面与所述匹配层之间，其上设置有负极引线；所述压电层的正极表面设置有正极引线；所述压电层的材料为锆钛酸铅压电陶瓷层。2.根据权利要求1所述的超声直探头，其特征在于，所述锆钛酸铅压电陶瓷层为1
‑
3型PZT/环氧树脂。3.根据权利要求1所述的超声直探头，其特征在于，所述电极片为2
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10微米厚、宽为2
‑
4毫米的铜箔。4.根据权利要求1所述的超声直探头，其特征在于，所述匹配层的厚度为100
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200微米。5.根据权利要求1所述的超声直探头，其特征在于，还包括设置在外壳内壁上的接插件，所述接插件包括正极插槽、负极插槽和输出插槽，其中所述正极插槽、负极插槽分别连接所述正极引线和负极引线；所述输出插槽中设置超声直探头线。6.一种超声波传感器，其特征在于，所述传感器包括支撑件和权利要求1
‑
5任一项所述的超声直探头，所述超声直探头设置在所述支撑件上。7.根据权利要求6所述的超声波传感器，其特征在于，所述支...

【专利技术属性】
技术研发人员：张博南，黄永巍，吴迪，毕超，胡祺昆，史启帅，李立凡，崔宗文，崔鹤，
申请(专利权)人：北京信泰智合科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：