专利名称：超声导波铁轨实时在线无损探伤检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种无损探伤检测技术，具体的说是一种超声导波铁轨实时在线无损探伤检测装置。
背景技术：
导波可用于三种状态的检测短距离< Im ；中等距离约彡5m ；远距离约彡100m。远距离超声导波检测，能够从一个单独传感器的位置检测到结构件的大范围，节省了传统的超声波或涡流方法扫查所要求耗费的时间。传感器沿结构件传送导波，接收返回的回波进行处理，显示出缺陷或结构件的其它特征。手工式钢轨探伤作业的工艺方法经过近20几年的使用，已经比较成熟，伤损的检出率较高，可靠性较好，在保证铁路运输安全方面发挥了重要作用。但是随着铁路向高速重载的方向发展，以手推式探伤小车为主，大型探伤车为辅的状况明显地暴露出不足之处1)手推式人工探伤小车探伤作业效率低。其检测速度一般为2-3公里/小时，每天的作业量为一个区间(一般为7-10公里)。这种手推式探伤小车探伤速度低，明显地不能适应提速后新的要求。2)手工钢轨探伤作业方式需要投入大量的人力，不符合铁道部减员增效的政策。 如果改用实时在线的探伤方式，所需人员还不到手工探伤人员的百分之一。3)目前铁路上采用的效率最高的13台大型钢轨探伤车最高检测速度为40公里 /小时，作业方式为停顿式作业，即发现伤损后，探伤车需停下，用小型探伤仪复核后再继续检测，占道时间长，运输组织上不易安排。4)大型探伤车的核伤检出率低，误判率高，然而随着列车速度的提高，核伤成为影响运输安全的巨大隐患，对核伤的检出变得更为重要。目前，我国用于铁轨探伤的技术主要以超声波束检测为主，传统的超声波技术，采用0-70度脉冲回波模式的传感器在铁路中心线表面运行。普通斜探头能够确定铁轨的深度，也可以检测夹渣、水平裂纹等。由于被测器件无损探伤的检测范围直接受到传感器所覆盖区域的限制，导波铁轨检测系统，已在实例铁轨中进行了实测，长度从5-20米，包含各种人工的缺陷。使用传统超声波波束技术检测大型结构件的速度缓慢，如果要检测整个结构件，就需要进行逐点扫查。因此，要开发和应用实时在线的无损探伤系统，就需要寻求一种新的适合于铁轨工况的检测技术。
实用新型内容针对传统的超声波技术对铁轨进行探伤检测存在检测范围直接受到传感器所覆盖区域的限制、检测速度缓慢等不足之处，本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够完成长距离检测且检测速度快而准确的超声导波铁轨实时在线无损探伤检测装置。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是本实用新型超声导波铁轨实时在线无损探伤检测装置具有导波传感器阵列、超声波激发/接收及AD转换设备、数据无线传输设备以及终端数据接收与检测设备，其中导波传感器阵列的输出信号与超声波激发/接收及AD转换设备连接，超声波激发/接收及AD 转换设备的数据通过数据无线传输装置送至数据接收机。所述导波传感器阵列为多组，每四组传感器阵列配备一套超声波激发/接收及AD 转换设备，在同一地点的四根铁轨，包括上行及下行线路各二根铁轨上各安装一组导波传感器阵列。并行设置的四根铁轨每间隔规定距离为一个检测点；所述规定距离为450 500 米；导波传感器阵列布置在轨头下方、轨腰和轨底的上面，每组分三列，每列相距四分之一波长，各个导波传感器压紧在铁轨的相应部位。本实用新型具有以下有益效果及优点与传统的超声波波束探伤技术相比，导波检测有如下优势1.本实用新型对于平板或弯板、管子、管道、复合层结构或其它自然的导波，从单个探头位置上完成长距离的检测，检测距离可达500米。2.本实用新型建立适当的声波共振，通过适当的波型和频率选择或调谐，达到全面良好的缺陷检测和估算效果。3.本实用新型取得的灵敏度比标准常规超声波波束检测或其它NDT方法所取得的灵敏度高，可达0. 2mm。4.本实用新型在水、涂层、或保温层、复合层结构或混凝土结构检测中，具有高灵敏度的检测性能。5.在高速铁路的轨道上安装传感器阵列，通过无线控制、发射、接收技术，可实现高速铁轨的无人检测；由于导波检测的简易性和快速性，能够达到较高的成本效益，通常相当于标准常规超声波束和其他NDT技术检测所需费用的10%，检测效率高，人员成本低。6.导波传感器的配置便于大范围的检测，可以解决每组传感器阵列配备一套检测主机的问题，节省三套昂贵的主机费用，但由此而来的是检测频率的降低，但仍可以实现每分钟一次的检测速度。
图1为本实用新型检测系统电气结构示意图；图2为本实用新型检测系统布置示意图；图3为超声波激发/接收及AD转换设备中的信号波形数据产生部分结构示意图；图4为本实用新型中四组导波传感器阵列布置示意图；图5为本实用新型中每组导波传感器阵列在铁轨上的布置示意图；图6为本实用新型中每组导波传感器布置图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型作进一步阐述。如图1、2所示，本实用新型超声导波铁轨实时在线无损探伤检测装置具有导波传感器阵列1、超声波激发/接收及AD转换设备2、数据无线传输设备3以及数据接收机4，其中导波传感器阵列1的输出信号与超声波激发/接收及AD转换设备2连接，超声波激发/接收及AD转换设备2的数据通过数据无线传输装置3送至数据接收机4。所述导波传感器阵列1为多组，每四组传感器阵列配备一套超声波激发/接收及AD转换设备2，在同一地点的四根铁轨，包括上行及下行线路各二根铁轨上各安装一组导波传感器阵列1 ；并行设置的四根铁轨每间隔规定距离为一个检测点；上述规定距离为 450 500 米。导波传感器阵列1布置在轨头T下方、轨腰Y和轨底D的上面，每组分三列，每列相距四分之一波长，采用机械装置将各个导波传感器101压紧，如图5、6所示。为实现本实用新型的最佳性价比，铁轨无损探伤系统的设备安装采用每四组传感器阵列配备一套检测主机即超声波激发/接收及AD转换设备2的方式进行，如图4所示， 在同一地点的四根铁轨(上行及下行线路各二根铁轨)上各安装一组导波传感器阵列1， 由检测主机对四组传感器阵列1进行巡检，并通过数据无线传输设备将检测信号传输到管理终端即数据接收机。采取这种方案，可以解决每组传感器阵列1配备一套检测主机的问题，节省三套昂贵的主机费用，但由此而来的是检测频率的降低，但仍可以实现每分钟一次的检测速度。本实施例中，每450 500米四根铁轨为一个检测点，终端管理设备所需微机及机组设备由用户自行按要求配备，对于道叉的检测同样适用于此安装方案。超声波激发/接收及A/D转换设备(本实施例采用的型号为U2000)包括信号波形数据产生、数据传输存储和转换输出3个部分。信号波形的产生在计算机上实现，通过编程产生各种所需要的正负方波波形，并对信号进行时频分析以及可视化处理。数据传输存储就是将计算机上采用软件产生的数字波形，运用USB2. 0技术，采用 FPGA芯片控制产生传输时序逻辑，将数据传输存储到D/A转换控制板的SRAM芯片。信号波形的输出采用FPGA芯片控制12位D/A转换芯片AD568输出模拟量信号， 经过集成运放的放大，产生各种高频信号。输出模拟信号的幅度为士 5. 12伏，最高频率为 IOM赫兹，主工作频率3 赫兹。信号波形数据产生部分如图3所示。在计算机上即用户界面模块编程，通过波形产生�？椴髦植ㄐ危⑶医陨纤胁ㄐ瓮üㄐ蜗允灸？樵谟没Ы缑婺？樯鲜迪挚墒踊挥墒莘治瞿？槎圆ㄐ尾？椴母髦植ㄐ巫鞲道镆侗浠唬玫礁髦植ㄐ蔚钠涤蛱匦郧撸桓萸咛卣鞯闵烧穹缦撸⒔涞拥狡涤蛱匦郧呱希坏雍蟮钠涤蚯咦鞣锤道镆侗浠唬玫奖淦�、变幅波，并实现其可视化；将以上波形采样后，通过格式变换，转换成为D/A转换器能识别的数据，再通过波形显示�？橛捎没Ы缑婺？槭毙邢允�。；外部数据存取�？槭嵌圆ㄐ尾？椴牟ㄐ问菔毙写嫒。┦莘治瞿？楹筒ㄐ蜗允灸？樗婊寥〉饔�。实现数据通信功能，数据传输速度达到480Mb/s。选用带智能USB接口的单片机， 将SIE，USB2.0通信接口协议、可编程外设接口整合到单片机集成电路中。集成的USB收发�？橛險SB总线的D十和D—引脚相连。功能强大的串行接口引擎(SIE)以硬件的方式实现USB通信接口协议、进行串行数据译码和错误更正，以及其他USB所要求的信号级操作等，最后发送数据字节到USB端口或从USB端口接收数据。它实现的数据传输速度有两种 全速 12Mb/s,高速 480Mb/s。由于是高速A/D采集，为了使整个系统获得尽可能好的性能，在电路和布线设计中采用了如下措施①为了避免各个信号间的串扰和保证信号的完整性；PCB设计中采用了多层板， 通过使用大面积的电源线路和接地层，使信号线与地或电源平面之间形成一个紧耦合层， 从而减少了信号线之间的串扰。②综合使用滤波电容、合理布局和布线等减少电源部分的扰动，电源选用线性稳压电源。A/D和前端处理电路同一电源地输出，减少电源波动对数据采集的影响。③在布线时采用圆弧拐角布线技术，减少信号线的辐射和反射，降低串扰。④仔细解决单元和系统的接地问题，模拟公共地和数字公共地分开，选一点通过低值表贴电阻(1 2Ω)或直接连接。⑤元件尽量采用表面封装器件，减少元器件的距离，减少寄生电感和电容。可调节的正负方波激发方式可以充分满足超声波导波发射的大功率要求；基于 USB2. 0接口的高速采集系统，可更方便、更灵活的高速处理信号和二次开发；结合UT-Scan 处理、分析软件，可分别进行X轴、Y轴的平面成像和立体图像合成；超小型体积便于现场检测使用；系统在windowsXP下工作，性能稳定、使用方便。数据无线传输装置(本实施例中采用的型号为DTU7500)采用移动无线数据传输卡，通过RS232接口将主机收到的探伤数据接入到数据传输单元中，此数据包括铁轨的身份识别号码、检测时间、探伤数据等，并上传到终端接收装置上。数据接收机作为终端数据接收与检测装置(本实施例中采用的型号为DRU7800) 可设置分级权限的终端管理，按不同的管理职责设定不同的管理权限，实现具体管理部门、 各上级管理部门的不同监管。用户管理终端通过有线或无线网络接收各种探伤数据，在终端管理计算机中显示各部位检测点的数据及图形信息，可由管理者自行设定查看的部位，在监控的轨道上出现伤损现象时，计算机提出报警信息，提示出现问题的轨道位置、伤损现象，供管理者及时采取措施进行处理。检测系统性能分析1)检测距离达到250米以上，每组传感器阵列探测距离为500米；2)检测灵敏度和发现缺陷的能力由于长距离检测的需要，超声导波采用的检测频率较低，检测灵敏度保持原有水平(超声波检测发现缺陷的大小约为波长的1/2)。3)对缺陷的判定问题可以采用设定闸门或阈值线的自动报警，结合人工分析的方式，可以减少误报及漏报的现象产生，也可以及时判断伤损的具体现象。本实用新型技术参数
权利要求1.一种超声导波铁轨实时在线无损探伤检测装置，其特征在于具有导波传感器阵列、超声波激发/接收及AD转换设备、数据无线传输设备以及终端数据接收与检测设备，其中导波传感器阵列的输出信号与超声波激发/接收及AD转换设备连接，超声波激发/接收及AD转换设备的数据通过数据无线传输装置送至数据接收机。
2.按权利要求1所述的超声导波铁轨实时在线无损探伤检测装置，其特征在于所述导波传感器阵列为多组，每四组传感器阵列配备一套超声波激发/接收及AD转换设备，在同一地点的四根铁轨，包括上行及下行线路各二根铁轨上各安装一组导波传感器阵列。
3.按权利要求2所述的超声导波铁轨实时在线无损探伤检测装置，其特征在于并行设置的四根铁轨每间隔规定距离为一个检测点。
4.按权利要求3所述的超声导波铁轨实时在线无损探伤检测装置，其特征在于所述规定距离为450 500米。
5.按权利要求2所述的超声导波铁轨实时在线无损探伤检测装置，其特征在于导波传感器阵列布置在轨头下方、轨腰和轨底的上面，每组分三列，每列相距四分之一波长，各个导波传感器压紧在铁轨的相应部位。
专利摘要本实用新型涉及一种超声导波铁轨实时在线无损探伤检测装置，具有导波传感器阵列、超声波激发/接收及AD转换设备、数据无线传输设备以及终端数据接收与检测设备，其中导波传感器阵列的输出信号与超声波激发/接收及AD转换设备连接，超声波激发/接收及AD转换设备的数据通过数据无线传输装置送至数据接收机。本实用新型对于平板或弯板、管子、管道、复合层结构或其它自然的导波，从单个探头位置上完成长距离的检测，检测距离可达500米，能够达到全面良好的缺陷检测和估算效果。
文档编号G01N29/12GK202305483SQ20112042119
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者李星宇, 潘俊锋 申请人:沈阳海泰仪表工业有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
