一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置和方法

1.本发明是涉及一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置和方法，属于轨道板裂纹缺陷自动检测的技术领域。


背景技术：

[0002][0003]
目前，超声体波法对轨道板裂纹深度的检测灵敏度较高，但该方法难以实现轨道板全断面、远距离检测；磁粉检测法、涡流检测法、漏磁检测法、射线检测法和机器视觉检测法仅能实现轨道板表面或近表面的裂纹深度检测，无法探测内部裂纹深度；声发射技术虽然可以探测轨道板全断面的裂纹深度，但仅局限于对新产生的或正在发展中的裂缝进行探测，无法识别既有的、状态比较稳定的裂缝，且受外界环境噪声干扰较大。


技术实现要素：

[0004]
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置和方法。
[0005]
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006]
一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置，包括扫查支架，所述扫查支架上设有均能在竖直方向伸缩的换能器伸缩连接器和阵列伸缩连接器，所述换能器伸缩连接器和阵列伸缩连接器的底部分别对应连接有空气耦合超声换能器和mems线性阵列，所述空气耦合超声换能器信号连接有超声脉冲信号发生器，所述mems线性阵列信号连接有多路信号采集卡，所述多路信号采集卡信号连接有pc机，所述pc机与超声脉冲信号发生器信号连接。
[0007]
一种实施方案，所述扫查支架包括竖直设置的两支撑架，两支撑架之间连接有水平连接架，在两支撑架的顶部两侧水平设有一对相互平行的短轨道电动滑台，在一对短轨道电动滑台的顶部活动连接有一对相互平行的长轨道电动滑台，在一对长轨道电动滑台上分别活动设有一滑动平台，所述换能器伸缩连接器和阵列伸缩连接器分别安装于与其相对应的滑动平台上。
[0008]
一种优选方案，所述水平连接架上设有托盘，所述多路信号采集卡、超声脉冲信号发生器和pc机均安装于该托盘内。
[0009]
一种优选方案，两支撑架的底部均设有滚轮。
[0010]
一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的方法，包括如下步骤：
[0011]
s1、将基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置固定在待测轨道板表面；
[0012]
s2、pc机通过编码产生激励信号，该激励信号由超声脉冲信号发生器施加给空气耦合超声换能器，空气耦合超声换能器向待测轨道板发射超声波，超声波在待测轨道板内传播，并在裂纹处形成超声散射波被mems线性阵列所接收，形成多通道接收信号；
[0013]
s3、多通道接收信号传输至多路信号采集卡，经多路信号采集卡处理后再传输至
pc机；
[0014]
s4、pc机利用二维傅里叶变换法获取多通道接收信号在f-k域内的幅度谱，通过求解最小化目标函数方法，最终准确计算出裂纹深度。
[0015]
一种实施方案，步骤s2中，所述pc机通过nlfm barker编码方式生成激励信号。
[0016]
一种实施方案，步骤s3中，多路信号采集卡内部集成有多种信号处理电路，以对多通道接收信号进行直流分量去除、滤波、放大和a/d转换处理。
[0017]
一种实施方案，步骤s4中，所述二维傅里叶变换法的关系式为：
[0018]up
(t,x)是来自待测轨道板的超声多通道接收信号，是u
p
(t,x)经过二维傅里叶变换后所得到的f-k域幅度谱；将所得到的f-k域幅度谱的谱峰处所对应的横坐标值记为f
peak
、所对应的纵坐标值记为k
peak
，然后按如下公式计算瑞利波速cr：
[0019][0020]
一种实施方案，步骤s4中，所述的最小化目标函数包括最小化目标函数1和最小化目标函数2；
[0021]
所述的最小化目标函数1的限制条件为：minl1(c
p
，cs)，
[0022]
其中，c
p
是纵波声速，和分别是纵波声速的下限和上限；cs是横波声速，和分别是横波声速的下限和上限；l1是所述的最小化目标函数1，l1的计算公式为：
[0023][0024]
其中，的值分别为3200m/s、4000m/s、1700m/s、2400m/s，通过在matlab的优化函数“fmincon”中实施内点算法即能获得该最小化目标函数1的最优解；
[0025]
所述的最小化目标函数2的限制条件为：minl2(d)，
[0026]
其中，d
lower
≤d≤d
upper
，d是轨道板裂纹的深度，d
lower
和d
upper
分别是轨道板裂纹深度的下限和上限，l2是所述的最小化目标函数2，l2的计算公式为：
[0027][0028]
其中，n
s0
是指来自超声多通道接收信号中的基本对称型兰姆波模态s0的总数，n
a0
是指来自超声多通道接收信号中的反对称型兰姆波模态a0的总数；
[0029]
和分别是指在频率fi下由超声多通道接收信号所得频散曲线中的s0模态的波数和a0模态的波数；k
s0
(fi)和k
a0
(fi)分别是指在频率为fi下理论频散曲线中的s0 模态的波数和a0模态的波数。
[0030]
相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：
[0031]
本发明提供的基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置和方法，能实现非
接触式自动获取被测轨道板全区域的裂纹深度分布，具有检测速度快、检测精度高等优点，为轨道板裂纹深度的快速、准确检测提供了新途径，具有显著应用价值。
附图说明
[0032]
图1是本发明实施例提供的一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置的主视图；
[0033]
图2是本发明实施例提供的一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置的侧视图；
[0034]
图3是本发明实施例提供的一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置的俯视图；
[0035]
图4是本发明实施例提供的一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的方法的原理框图；
[0036]
图5是本发明实施例提供的一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的方法的算法流程图；
[0037]
图中标号示意如下：1、扫查支架；1-1、支撑架；1-2、水平连接架；2、换能器伸缩连接器；3、阵列伸缩连接器；4、空气耦合超声换能器；5、mems线性阵列；6、超声脉冲信号发生器；7、多路信号采集卡；8、pc机；9、承载板；10、短轨道电动滑台；11、长轨道电动滑台；12、滑动平台；13、托盘；14、滚轮。
具体实施方式
[0038]
以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步清楚、完整地描述。
[0039]
实施例
[0040]
请结合图1至图3所示：本发明提供的一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置，包括扫查支架1，所述扫查支架1上设有均能在竖直方向伸缩的换能器伸缩连接器 2和阵列伸缩连接器3，所述换能器伸缩连接器2和阵列伸缩连接器3的底部分别对应连接有空气耦合超声换能器4和mems线性阵列5，所述空气耦合超声换能器4信号连接有超声脉冲信号发生器6，所述mems线性阵列5信号连接有多路信号采集卡7，所述多路信号采集卡7信号连接有pc机8，所述pc机8与超声脉冲信号发生器6信号连接。
[0041]
本实施例中，所述换能器伸缩连接器2和阵列伸缩连接器3均采用市售产品即可，只要其可用于安装空气耦合超声换能器4和mems线性阵列5，且能够在竖直方向上可以自动伸缩即可。
[0042]
本实施例中，换能器伸缩连接器2的材质为聚丙烯。此外，换能器伸缩连接器2的底部可转动的设有用于承载空气耦合超声换能器4的承载板9，承载板9的中心设有与空气耦合超声换能器4相适配的安装孔，安装的时候，空气耦合超声换能器4底部朝下卡在承载板9上，并通过紧固件(螺丝、螺母等)紧固连接，承载板9可绕换能器伸缩连接器2作圆周转动，通过调整承载板9可以改变空气耦合超声换能器4与轨道板垂线的夹角
ɑ
，进而可调节空气耦合超声换能器4的入射角度。
[0043]
本实施例中，阵列伸缩连接器3的材质为聚丙烯，阵列伸缩连接器3与mems线性阵列5之间可以通过螺丝连接。
[0044]
本实施例中，空气耦合超声换能器4采用市售产品即可。
[0045]
本实施例中，mems线性阵列5采用市售产品即可，具体的，mems线性阵列5由64 个spu0410lr5h-qb微机电麦克风排列而成，相邻麦克风之间的间距是5mm，超声波在待测轨道板内传播，并在裂纹处形成超声散射波，被mems线性阵列5所接收，从而形成多通道接收信号。
[0046]
本实施例中，超声脉冲信号发生器6采用市售产品即可，与空气耦合超声换能器4信号连接，以用于向空气耦合超声换能器4施加激励信号。
[0047]
本实施例中，多路信号采集卡7采用市售产品即可，其内部可集成有多种信号处理电路，可对多通道接收信号进行直流分量去除、滤波、放大和a/d转换处理，并将处理后的多通道接收信号传输至pc机8。
[0048]
本实施例中，pc机8采用市售产品即可，其可通过nlfm barker编码方式生成激励信号，该激励信号由超声脉冲信号发生器6施加给空气耦合超声换能器4；此外，pc机8接收所述多路信号采集卡7传输的多通道接收信号，根据所述二维傅里叶变换法，计算得到多通道接收信号在f-k域下的幅度谱，并完成最小化目标函数的计算，最终获取裂纹的深度。
[0049]
本实施例中，扫查支架1采用现有技术即可，以用于承载和安装检测装置的其他组件。具体的，请参见图1至图3所示，所述扫查支架1包括竖直设置的两支撑架1-1，两支撑架 1-1之间连接有水平连接架1-2，在两支撑架1-1的顶部两侧水平设有一对相互平行的短轨道电动滑台10，在一对短轨道电动滑台10的顶部活动连接有一对相互平行的长轨道电动滑台11，在一对长轨道电动滑台11上分别活动设有一滑动平台12，所述换能器伸缩连接器2 和阵列伸缩连接器3分别安装于与其相对应的滑动平台10上。换能器伸缩连接器2和阵列伸缩连接器3通过短轨道电动滑台10、长轨道电动滑台11、滑动平台12与扫查支架1相连，并可相对于扫查支架1移动。
[0050]
具体的，短轨道电动滑台10、长轨道电动滑台11、滑动平台12均采用市售产品即可，短轨道电动滑台10、长轨道电动滑台11的端部均对应安装有驱动电机，长轨道电动滑台11 在相应的驱动电机的驱动下沿着短轨道电动滑台10直线移动，滑动平台12在相应的驱动电机的驱动下沿着长轨道电动滑台11直线移动，滑动平台12在移动过程中，带动换能器伸缩连接器2和阵列伸缩连接器3移动，进而带动对应的空气耦合超声换能器4和mems线性阵列5实现移动，从而可以在水平方向调节空气耦合超声换能器4和mems线性阵列5 的位置。这部分连接关系及驱动原理均属于现有技术，在此处就不再一一赘述。
[0051]
此外，所述水平连接架1-2上设有托盘13，所述多路信号采集卡7、超声脉冲信号发生器6和pc机8均安装于该托盘13内。托盘13的底面是栅格结构，栅格中镂空，安装的时候，接线可通过栅格镂空与多路信号采集卡7、超声脉冲信号发生器6及pc机8相连接。托盘13的顶面是钉耙造型的夹边，固定在水平连接架1-2的侧面。
[0052]
此外，所述支撑架1-1的底部设有滚轮14，以便于移动装置整体，所述滚轮14可以为单向滚轮。
[0053]
请再参见图4和图5所示，本实施例提供的一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的方法，包括如下步骤：
[0054]
s1、将上述的基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置固定在待测轨道板表面；
[0055]
s2、pc机8通过nlfm barker编码产生激励信号，该激励信号由超声脉冲信号发生器6施加给空气耦合超声换能器4，空气耦合超声换能器4向待测轨道板发射超声波，超声波在待测轨道板内传播，并在裂纹处形成超声散射波被mems线性阵列5所接收，形成多通道接收信号；
[0056]
s3、多通道接收信号传输至多路信号采集卡7，经多路信号采集卡7进行直流分量去除、滤波、放大和a/d转换处理后再传输至pc机8；
[0057]
s4、pc机8利用二维傅里叶变换法获取多通道接收信号在f-k域内的幅度谱，通过求解最小化目标函数方法，最终准确计算出裂纹深度：
[0058]
其中，所述二维傅里叶变换法的关系式为：
[0059]up
(t,x)是来自待测轨道板的超声多通道接收信号，是u
p
(t,x)经过二维傅里叶变换后所得到的f-k域幅度谱；将所得到的f-k域幅度谱的谱峰处所对应的横坐标值记为f
peak
、所对应的纵坐标值记为k
peak
，然后按如下公式计算瑞利波速cr：
[0060][0061]
其中，所述的最小化目标函数包括最小化目标函数1和最小化目标函数2；
[0062]
所述的最小化目标函数1的限制条件为：minl1(c
p
，cs)，
[0063]
其中，c
p
是纵波声速，和分别是纵波声速的下限和上限；cs是横波声速，和分别是横波声速的下限和上限；l1是所述的最小化目标函数1，l1的计算公式为：
[0064][0065]
其中，的值分别为3200m/s、4000m/s、1700m/s、2400m/s，通过在matlab的优化函数“fmincon”中实施内点算法即能获得该最小化目标函数1的最优解；
[0066]
所述的最小化目标函数2的限制条件为：minl2(d)，
[0067]
其中，d
lower
≤d≤d
upper
，d是轨道板裂纹的深度，d
lowe
r和d
upper
分别是轨道板裂纹深度的下限和上限，l2是所述的最小化目标函数2，l2的计算公式为：
[0068][0069]
其中，n
s0
是指来自超声多通道接收信号中的基本对称型兰姆波模态s0的总数，n
a0
是指来自超声多通道接收信号中的反对称型兰姆波模态a0的总数；
[0070]
和分别是指在频率fi下由超声多通道接收信号所得频散曲线中的s0模态的波数和a0模态的波数；k
s0
(fi)和k
a0
(fi)分别是指在频率为fi下理论频散曲线中的s0 模态的波数和a0模态的波数；
[0071]
这样，经过pc机8处理，即可完成最小化目标函数1和2的计算，最终获得轨道板裂
纹的深度d的值。
[0072]
最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。