一种基于水浸超声相控阵传感器实现钢轨缺陷检测的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于水浸超声相控阵传感器实现钢轨缺陷检测的方法，包括如下步骤：S1、使轨检小车行驶至需要缺陷检测的钢轨线路段；S2、随着轨检小车的移动，超声信号发射接收仪驱动水浸超声相控阵传感器向下发射超声波，超声波通过水槽内部水的耦合作用传输至钢轨内部并被钢轨内部的缺陷反射，反射形成的超声回波被水浸超声相控阵传感器所接收从而形成全矩阵超声回波信号，经超声信号发射接收仪传输至计算机；S3、计算机对接收的全矩阵超声回波信号进行成像处理，实现钢轨缺陷的可视化检测。本发明专利技术不仅可对钢轨缺陷实现长距离、全方位、自动化检测，而且具有检测速度快、准确度高、可靠性好等优点。可靠性好等优点。可靠性好等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水浸超声相控阵传感器实现钢轨缺陷检测的方法


[0001]本专利技术涉及一种基于水浸超声相控阵传感器实现钢轨缺陷检测的方法，属于钢轨缺陷检测


技术介绍

[0002]钢轨是列车运行的基础，在长期循环列车荷载作用及外部环境影响下，钢轨易产生轨头核伤、轨腰斜裂缝等缺陷。如果钢轨缺陷发现不及时，严重时会发展成断轨，甚至导致列车脱轨等重大事故。因此，实施钢轨缺陷的检测与及时检修对于确保列车平稳运行，保障人民生命财产安全至关重要。
[0003]钢轨缺陷的检测主要分为人工检测和单探头超声检测，其中，人工进行钢轨缺陷的检测方法存在耗时、费力、漏检率和误检率高等问题；单探头超声检测技术存在较大的检测盲区，检测结果通常是以脉冲回波形式呈现，不易解读，且对检测员的经验有较高的要求。针对上述问题，目前采用超声相控阵传感器对钢轨缺陷的检测进行超声检测，但是常规超声相控阵传感器在检测时需要使用水性高分子凝胶作为耦合剂，尽管检测精度很高，但不适用于长距离、大面积钢轨的实时检测，且检测成本很高。
[0004]水浸超声相控阵传感器是一种新型超声相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于水浸超声相控阵传感器实现钢轨缺陷检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、使轨检小车行驶至需要缺陷检测的钢轨线路段，所述轨检小车的顶部设有超声信号发射接收仪，所述轨检小车的前端设有三维运动机构，所述三维运动机构的左右两侧分别对称设有与钢轨相适配的、能够容纳水的水槽，所述水槽的内部设有水浸超声相控阵传感器，所述水槽的底部开口，水槽通过水与钢轨相连接，所述水浸超声相控阵传感器与超声信号发射接收仪信号连接，所述超声信号发射接收仪信号连接有计算机；S2、随着轨检小车的移动，超声信号发射接收仪驱动水浸超声相控阵传感器向下发射超声波，超声波通过水槽内部水的耦合作用传输至钢轨内部并被钢轨内部的缺陷反射，反射形成的超声回波被水浸超声相控阵传感器所接收从而形成全矩阵超声回波信号，全矩阵超声回波信号传输至超声信号发射接收仪，经超声信号发射接收仪传输至计算机；S3、计算机对接收的全矩阵超声回波信号进行成像处理，实现钢轨缺陷的可视化检测。2.根据权利要求1所述的基于水浸超声相控阵传感器实现钢轨缺陷检测的方法，其特征在于，步骤S3所述的成像处理包括如下操作：S31、计算机对接收的全矩阵超声回波信号进行处理，获取钢轨缺陷散射信号；S32、进行成像区域网格划分与层间界面参数确定；S33、采用射线轨迹追踪方法计算超声波的旅行时间；S34、根据超声传播原理依次计算指向性补偿系数、透射补偿系数、衰减补偿系数，用于增强声束能量；S35、采用DTA
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TFM成像方法对钢轨缺陷进行成像，实现钢轨缺陷的可视化检测。3.根据权利要求2所述的基于水浸超声相控阵传感器实现钢轨缺陷检测的方法，其特征在于，步骤S31的具体操作如下：S311、去除直达波和直流分量：根据水浸超声相控阵传感器的发射位置和接收位置的水平间距除以超声波的声速求得直达波的传播时间，在此时间的基础上叠加激励信号的持续时间作为直达波的截取时刻，将全矩阵超声回波信号截取时刻之前的波形置零，完成直达波的去除；在此基础上，计算每个超声回波信号的直流分量，并将其去除；S312、带通滤波和归一化：将去除直达波和直流分量后的超声回波信号通过带通滤波器执行滤波，然后对每个超声回波信号做归一化处理。4.根据权利要求3所述的基于水浸超声相控阵传感器实现钢轨缺陷检测的方法，其特征在于，步骤S32的具体操作如下：S321、成像区域网格划分：将整个成像的区域进行网格划分，且设定水浸超声相控阵传感器所在的水平位置为坐标横轴X，经过水浸超声相控阵传感器中心作垂线，设置为坐标纵轴Z；S322、层间界面参数确定：设分界面处的折射点为R，则水体与钢轨的分界面函数为：z
R
＝f(x
R
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；分界面上折射点R的切线斜率为：
k1＝f'(x
R
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；分界面上折射点R的法线斜率为：则分界面R处的入射角度为：5.根据权利要求4所述的基于水浸超声相控阵传感器实现钢轨缺陷检测的方法，其特征在于，步骤S33的具体操作如下：S331、折射角度的确定：sinα1C1＝sinβ1C2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)；式(5)中，C1和C2分别是水和钢轨中的超声波声速，α1是超声波从水中入射到钢轨时的入射角，β1是超声波在钢轨中的折射角；由公式(4)和公式(5)联立可得分界面R处的折射角度为：设发射传感器的中心位于A(x
A
,0)，待求网格点位于S(x
S
,z
S
)，为了准确求取超声波的旅行时间，需根据网格点位置的不同分几种情况加以考虑，具体如下：S332、网格点位于第一层水体内：当网格点位于第一层水体内时，超声波由发射传感器A传播至网格点S所需的旅行时间为：式中AS表示A到S的距离；S333、网格点位于第二层钢轨内：
①
、当网格点位于发射传感器A的正下方时，即x
S
＝x
A
；此时，超声波自发射传感器点A传播至分界面点Q，再传播至网格点S所需的旅行时间为：式中AQ表示A到Q的距离，QS表示Q到S的距离；
②
、当网格点位于发射传感器A的左侧时，即x
S
＜x
A
，设置符号标志symb＝
‑
1；过点A作垂线与分界面交于点Q，过点S作垂线与分界面交于点K，则折射点P位于KQ段，在点P沿着水平方向按照每次步进为1个网格间距自点Q向点K移动的过程中，折射线段终点S1(x1,z)沿着水平方向自右向左移动，逐渐逼近网格点S(x
S
,z
S
)，将点S与S1在水平方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：范国鹏，项延训，朱文发，谢林峰，张海燕，张辉，杨晶晶，张韩飞，金栩城，曹怡君，姚志伟，
申请(专利权)人：华东理工大学浙江省轨道检测科技服务有限公司，
类型：发明
国别省市：