一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測裝置及方法

2023-10-22 08:41:37

專利名稱：一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及電磁超聲檢測技術，具體說是一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測裝
置及方法。
(二)
背景技術：
車輪是列車運行中極為重要的部件，不僅承受列車及其負載的重量，而且還要通 過與鋼軌相接觸的輪箍部分傳遞機車運行所需的驅動力和制動力。因此，列車車輪必須保 持良好的狀態，否則會嚴重影響行車安全。然而，由於裝配不合理、緊急制動、運行時間長等 多種因素，車輪輪箍在運行一段時間後會產生擦傷、剝離、裂紋等缺陷。目前，車輪輪箍缺陷 檢測方式主要分靜態檢測和動態檢測兩種方式。靜態檢測主要包括渦流、壓電超聲、磁粉3 種。這些方式雖在一定程度上能夠探測輪箍踏面表面及近表面裂紋，但存在很多不足之處 如僅能做到靜態檢測(即對拆卸後的車輪進行檢測)、需要對輪箍表面進行預處理(如清潔 或充磁)、多以人工判別為主等，不僅檢測效率很低，而且容易誤判。同時，國內目前逐步興 起的動態檢測(即列車車輪在線檢測)，如基於加速度傳感器、位移傳感器、雷射傳感器以 及CCD傳感器的檢測方案雖然能夠對列車車輪的幾何參數或擦傷、剝離等體積性缺陷進行 在線測量，但因傳感器的自身特點均無法完成車輪輪箍踏面及其近表面處的裂紋檢測。
隨著我國現代化鐵路的建設和列車提速的要求，迫切需要一種能對車輪輪箍進行 全面、精確、高效的在線檢測裝置。 電磁超聲是一種新的無損檢測技術。與傳統的壓電超聲相比，電磁超聲技術無需 使用聲耦合劑，無需對車輪踏面進行預處理，檢測裝置結構簡單，可以實現高速車輪輪箍缺 陷在線檢測。同時電磁超聲換能器可以方便地產生各種類型的超聲波。超聲波在車輪中傳 播衰減小，對缺陷的敏感度很高，可以實現車輪輪箍缺陷地有效檢測。例如，中國實用新型 專利(申請號200320111599. 3，申請日2003. 11. 20)公開了一種"鐵路機車、車輛車輪踏面 在線自動化探傷裝置"，所述的探傷裝置由探頭、前置箱、計算機和固定座等幾部分組成，可 以對車輪踏面以下15mm的範圍進行檢測；中國發明專利(申請號200710176817.4，申請 日期2007. 11. 5)公開了 "一種火車車輪表面自動電磁超聲檢測裝置和方法"，該裝置主要 由車輪踏面換能器、車輪輪緣換能器、計算機、脈衝發生器、脈衝串產生器、功率放大器、檢 波器以及機械裝置等組成，可以對車輪踏面及近表面進行檢測。兩個申請均描述了對車輪 踏面檢測的裝置和方法，但由於均採用電磁超聲表面波對車輪進行檢測，因此其檢測範圍 僅局限於車輪踏面表面下一定範圍內，並不能實現車輪輪箍的全面檢測。
(三)

發明內容
本發明的目的在於提供一種無需使用聲耦合劑、無需配備複雜的機械結構和盛裝 耦合劑的容器、檢測裝置結構簡單、對缺陷大小量化精度高的一種基於電磁超聲斜入射體 波的檢測裝置及方法。
本發明的目的是這樣實現的所述的一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測裝置，它是由電磁超聲探頭陣列和電磁超聲探傷儀組成的，電磁超聲探頭陣列通過屏蔽線連接電 磁超聲探傷儀。
本發明還有以下技術特徵 (1)所述的電磁超聲探傷儀包括發射電路、接收電路、數據採集電路、微處理器、顯 示單元和存儲單元，發射電路連接微處理器，微處理器連接數據採集電路、顯示單元和存儲 單元，數據採集電路連接接收電路。
(2)所述的電磁超聲探頭陣列包括30組電磁超聲發射、接收探頭，每段鋼軌上分
布15組探頭。每組探頭包括一個電磁超聲發射接收探頭A和一個電磁超聲接收探頭B。 本發明一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測方法，工作步驟如下 步驟一 將電磁超聲探頭陣列安裝嵌入鋼軌，並與電磁超聲探傷儀連接； 步驟二 車輪到來時，觸發微處理器工作發出控制信號給發射電路，信號為脈衝串
的形式，頻率lMHz，持續時間5us ; 步驟三發射電路驅動電磁超聲探頭A發射電磁超聲斜入射體波； 步驟四斜入射體波在車輪輪箍中傳播，當遇到缺陷時，部分能量會發生反射，其
餘會繼續傳播，遇到端面時發生反射，再通過接收探頭B進行接收； 步驟五電磁超聲探頭接收的超聲信號經接收電路進行放大濾波，然後由數據採
集電路在微處理器的控制下將該信號採集並暫存在微處理器的內存單元中； 步驟六微處理器對採集到電磁超聲回波信號進行快速數位訊號處理，提取缺陷
特徵； 步驟七微處理器將根據反射回波信號確定缺陷的有無，並對其大小進行量化；
步驟八微處理器將處理結果在顯示單元上實時顯示；並將處理前後的數據存儲 在存儲單元中； 步驟九返回運行步驟二。 本發明所述的一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測裝置及方法，通過電磁超聲斜 入射體波檢測車輪輪箍缺陷，可以實現車輪輪箍缺陷高效、高速的檢測。本發明使用電磁超 聲技術實現車輪輪箍缺陷檢測，檢測過程無需使用聲耦合劑，無需配備複雜的機械結構和 盛裝耦合劑的容器，檢測裝置結構簡單，使用一個發射接收探頭和一個接收探頭對車輪輪 箍缺陷進行檢測，通過端面反射波和缺陷反射波雙重檢測，對缺陷大小進行量化的精度高， 本發明可以實現對車輪輪箍缺陷的在線檢測。
(四)


圖1為本發明的總體結構框圖； 圖2為本發明的超聲檢測示意圖； 圖3為本發明的檢測無缺陷時探頭波形示意圖； 圖4為本發明的檢測車輪輪箍踏面有剝離時探頭波形示意圖； 圖5為本發明的檢測車輪輪箍內部有裂紋時探頭波形示意圖。
(五)
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
實施例l，結合圖1、圖2，本發明一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測裝置，它是 由電磁超聲探頭陣列(8)和電磁超聲探傷儀(3)組成的，電磁超聲探頭陣列(8)通過屏蔽 線連接電磁超聲探傷儀(3)。
本發明還有以下技術特徵 所述的電磁超聲探傷儀(3)包括發射電路(7)、接收電路(1)、數據採集電路(2)、 微處理器(4)、顯示單元(6)和存儲單元(5)，發射電路(7)連接微處理器(4)，微處理器 (4)連接數據採集電路(2)、顯示單元(6)和存儲單元(5)，數據採集電路(2)連接接收電路 (1)。 所述的電磁超聲探頭陣列(8)包括30組電磁超聲發射、接收探頭，每段鋼軌上分 布15組探頭。每組探頭包括一個電磁超聲發射接收探頭A和一個電磁超聲接收探頭B。
本發明一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測方法，工作步驟如下
步驟一 將電磁超聲探頭陣列(8)安裝嵌入鋼軌，並與電磁超聲探傷儀(3)連接；
步驟二 車輪到來時，觸發微處理器(4)工作發出控制信號給發射電路(7)，信號 為脈衝串的形式，頻率lMHz，持續時間5us ; 步驟三發射電路(7)驅動電磁超聲探頭A發射電磁超聲斜入射體波； 步驟四斜入射體波在車輪輪箍中傳播，當遇到缺陷時，部分能量會發生反射，其
餘會繼續傳播，遇到端面時發生反射，再通過接收探頭B進行接收； 步驟五電磁超聲探頭接收的超聲信號經接收電路(1)進行放大濾波，然後由數 據採集電路(2)在微處理器(4)的控制下將該信號採集並暫存在微處理器(4)的內存單元 中； 步驟六微處理器(4)對採集到電磁超聲回波信號進行快速數位訊號處理，提取 缺陷特徵； 步驟七微處理器(4)將根據反射回波信號確定缺陷的有無，並對其大小進行量 化； 步驟八微處理器(4)將處理結果在顯示單元(6)上實時顯示；並將處理前後的 數據存儲在存儲單元(5)中；
步驟九返回運行步驟二。 實施例2，結合圖2、圖3，本發明一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測裝置及方 法，所述的超聲檢測探頭每組由具有收發一體功能的超聲探頭A和具有接收功能的超聲探 頭B組成，具有一發兩收功能。檢測裝置工作過程如下微處理器(4)發出控制信號給發射 電路(7)，發射電路(7)驅動超聲探頭A發出斜入射體波。斜入射體波在車輪輪箍中傳播， 傳播速度約3000m/s，當遇到缺陷時部分能量會發生發射，其餘能量繼續傳播，遇到端面時 會發生反射。超聲探頭A接收缺陷反射回波，超聲探頭B接收端面反射回波，超聲波在車輪 輪箍傳播路徑如圖2所示。超聲探頭A和超聲探頭B接收到的超聲信號經接收電路(1)調 理後，由數據採集電路(2)採集後暫存在微處理器(4)的內存單元中。微處理器(4)將兩 個探頭接收到的信號經快速數位訊號處理，提取缺陷特徵。微處理器(4)將根據超聲探頭A 的反射回波信號確定缺陷的有無，如果有缺陷，將進一步根據缺陷回波時間確定缺陷位置， 根據缺陷反射回波的強度並結合超聲探頭B中斷面信號衰減的大小對該缺陷大小進行量 化。最後，微處理器(4)將處理結果通過顯示單元(6)進行實時顯示，並將處理前後的數據存儲在存儲單元(5)中。 實施例3，結合圖2、圖3、圖4、圖5， 一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測裝置及方 法，所述的車輪輪箍缺陷在線檢測裝置，每組超聲探頭由兩個超聲探頭組成——超聲探頭A 和超聲探頭B，其中超聲探頭A既做發射又做接收，超聲探頭B做接收使用。在進行檢測之 前，首先將超聲探頭A、 B嵌入鋼軌，並利用其對無缺陷的車輪進行檢測，記錄此時超聲探頭 B接收到的超聲波幅值。在實際檢測時，如圖4所示，當車輪輪箍內部有缺陷時，超聲波遇 到缺陷時會發生反射，超聲探頭A將接收到反射回波信號，同時由於部分超聲能量的反射， 超聲探頭B接收到的端面反射波會有衰減；如圖5所示，當車輪輪箍踏面存在剝離、擦傷，此 時超聲探頭A將接收不到反射回波，而由於提離距離變大，超聲探頭B接收到的端面反射信 號強度將比在無剝離、擦傷時有一定程度的衰減。通過測量探頭A接收到的缺陷反射回波 信號的有無、強度並結合探頭B接收到的透射波衰減的程度即可對缺陷大小及類型進行量 化。
權利要求
一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測裝置，它是由電磁超聲探頭陣列(8)和電磁超聲探傷儀(3)組成的，其特徵在於電磁超聲探頭陣列(8)通過屏蔽線連接電磁超聲探傷儀(3)。
2. 根據權利要求1所述的一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測裝置，其特徵在於所述的電磁超聲探傷儀(3)包括發射電路(7)、接收電路(1)、數據採集電路(2)、微處理器(4) 、顯示單元(6)和存儲單元(5)，發射電路(7)連接微處理器(4)，微處理器(4)連接數 據採集電路(2)、顯示單元(6)和存儲單元(5)，數據採集電路(2)連接接收電路(1)。
3. 根據權利要求1所述的一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測裝置，其特徵在於所 述的電磁超聲探頭陣列(8)包括30組電磁超聲發射、接收探頭，每段鋼軌 上分布15組探 頭。每組探頭包括一個電磁超聲發射接收探頭A和一個電磁超聲接收探頭B。
4. 一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測方法，其特徵在於工作步驟如下步驟一 將電磁超聲探頭陣列(8)安裝嵌入鋼軌，並與電磁超聲探傷儀(3)連接； 步驟二 車輪到來時，觸發微處理器(4)工作發出控制信號給發射電路(7)，信號為脈衝串的形式，頻率lMHz，持續時間5us ;步驟三發射電路(7)驅動電磁超聲探頭A發射電磁超聲斜入射體波；步驟四斜入射體波在車輪輪箍中傳播，當遇到缺陷時，部分能量會發生反射，其餘會 在輪箍中繼續傳播，遇到端面時發生反射，再通過接收探頭B進行接收；步驟五電磁超聲探頭接收的超聲信號經接收電路(1)進行放大濾波，然後由數據採 集電路(2)在微處理器(4)的控制下將該信號採集並暫存在微處理器(4)的內存單元中；步驟六微處理器(4)對採集到電磁超聲回波信號進行快速數位訊號處理，提取缺陷 特徵；步驟七微處理器(4)將根據反射回波信號確定缺陷的有無，並對其大小進行量化； 步驟八微處理器(4)將處理結果在顯示單元(6)上實時顯示，並將處理前後的數據存 儲在存儲單元(5)中；步驟九返回運行步驟二。
全文摘要
本發明提供一種無需使用聲耦合劑、無需配備複雜的機械結構和盛裝耦合劑的容器、檢測裝置結構簡單、對缺陷大小量化精度高的一種基於電磁超聲斜入射體波的檢測裝置及方法。它是由電磁超聲探頭陣列和電磁超聲探傷儀組成的，電磁超聲探頭陣列通過屏蔽線連接電磁超聲探傷儀。本發明通過電磁超聲斜入射體波檢測車輪輪箍缺陷，可以實現車輪輪箍缺陷高效、高速的檢測。本發明使用電磁超聲技術實現車輪輪箍缺陷檢測，無需配備複雜的機械結構和盛裝耦合劑的容器，使用一個發射接收探頭和一個接收探頭對車輪輪箍缺陷進行檢測，通過端面反射波和缺陷反射波雙重檢測，對缺陷大小進行量化的精度高。本發明可以實現對車輪輪箍缺陷的在線檢測。
文檔編號G01N29/04GK101706477SQ20091007319
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月12日 優先權日2009年11月12日
發明者馮劍釗, 康磊, 李智超, 王淑娟, 米武軍, 翟國富, 蘇日亮 申請人:哈爾濱工業大學