CN105136913A - 用于钢轨轨底缺陷检测的磁致伸缩式剪切导波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钢轨轨底缺陷检测的磁致伸缩式剪切导波换能器。其磁致伸缩层共有两组，每组三片，缠绕偏置线圈后耦合于钢轨轨底左右两侧和轨底底面；换能器主体覆盖于磁致伸缩层，使激励线圈层与其相贴合，保护层边缘耦合于钢轨表面使换能器得以固定。本发明一次安装后可长久使用，基于磁致伸缩效应，能够在钢轨轨底激发出单一模态的剪切导波，使用两组激励单元产生的导波完美叠加，有效地增加了发射导波的能量，提高检测效率和精度。若本发明实施后，即可达到检测钢轨轨底缺陷的目的，若在大范围的铁路线上安装本换能器，配合多通道数据收发***即可形成监测网络，在线实时监测钢轨轨底健康，对产生的缺陷报警，预防事故发生。

Description

用于钢轨轨底缺陷检测的磁致伸缩式剪切导波换能器

技术领域

本发明涉及超声导波换能器，尤其是涉及一种用于钢轨轨底缺陷检测的磁致伸缩式剪切导波换能器。

背景技术

随着现代社会的不断发展，铁路的运输能力得到大幅提升.相应而生的铁路安全问题也愈加受到重视，由此，寻找一种有效的钢轨检测方法变得十分迫切。影响钢轨使用寿命的缺陷主要出现在钢轨轨底位置，以横向裂纹为准。在重载荷高强度的工况下，轨底的细小裂纹会迅速增长，甚至导致钢轨断裂，引起严重的后果。现有的轨道检测方法以探伤车和人工巡检为主，这种逐点式的检测方法效率低下，检测时需将线路停运，针对我国铁路运输任务繁重、车流密度大的特点，这种方法显然并不适用。而导波的长距离传输和对缺陷敏感的能力使其适用于钢轨轨底的大范围快速检测。考虑到铁路运输的实际情况，导波换能器应当集成化，装卸方便，安装牢固。

目前我国对于钢轨超声导波无损检测技术的研究较少，专利号为CN201320077451.6的实用新型专利提出“一种电致伸缩超声导波铁轨检测***”，使用一种下端开口的长方体状的电致伸缩传感器通过水膜耦合于钢轨轨头，实现导波信号的接收。实用时，这种方法检测效果不佳，无法检测轨底缺陷，影响正常行车，不适用于运输任务繁重的铁路线。专利号为CN201110021864.8的发明专利提出“长距离探测钢轨轨底缺陷的超声导波装置及方法”，可实现轨底缺陷的探测，其方法为在轨底安装四个压电式换能器产生弯曲模态的导波进行缺陷检测，这种方法的缺点是前期工作时间长，换能器需要耦合，高频振动下换能器易脱落，换能效率不高。现有的技术针对钢轨超声导波检测，尚无一种针对轨底缺陷的高集成化，装拆方便，安装后可长期使用的换能器。

发明内容

为克服背景技术领域中对钢轨导波无损检测存在的问题,本发明的目的在于提供一种用于钢轨轨底缺陷检测的磁致伸缩式剪切导波换能器，一次安装可长期使用的专门针对钢轨轨底缺陷检测。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括磁致伸缩层和换能器主体；其中：

磁致伸缩层有两组：第一组左侧磁致伸缩片、第一组底部磁致伸缩片和第一组右侧磁致伸缩片为一组，第二组左侧磁致伸缩片、第二组底部磁致伸缩片和第二组右侧磁致伸缩片为另一组，每组为三片；所述六片磁致伸缩片两面都对称、等距开有槽，槽的深度与偏置线圈的导线直径相同，槽内分别缠绕有左侧偏置线圈，底部偏置线圈和右侧偏置线圈后，再分别耦合于钢轨轨底左侧上表面、轨底底面和轨底右侧上表面；

换能器主体依次包括：第一支架层，激励线圈层，第二支架层，背衬层，保护层和电缆线接口；

激励线圈层中设有两组间隔分布的激励单元，每组激励单元包括：第一组右侧激励单元、第一组底部激励单元和第一组左侧激励单元；第二组左侧激励单元、第二组底部激励单元和第二组右侧激励单元；六个激励单元均包括：四个沿着钢轨长度方向均匀分布的梳状阵列，相邻激励单元之间的梳状阵列通过软质排线连接；

激励线圈层的激励单元镶嵌在第一支架层和第二支架层的框架内，起到吸声减震作用的背衬层，位于保护层和第二支架层之间，电缆线接口装在保护层底面；换能器主体覆盖于磁致伸缩层，使激励单元与磁致伸缩层其相贴合，保护层边缘耦合于钢轨表面使换能器得以固定。

所述两组左侧磁致伸缩片、底部磁致伸缩片和右侧磁致伸缩片分别缠绕左侧偏置线圈、底部偏置线圈和右侧偏置线圈，并分别通入稳定直流电以提供稳定的偏置磁场，耦合时，需要保证磁致伸缩层的偏置磁场方向朝向相同且与钢轨延伸方向垂直。

所述激励线圈层中两组间隔分布的激励单元间距和两组磁致伸缩片的间距相同。

所述激励线圈层中两组间隔分布的激励单元间距和换能器所激励导波的波长相同。

所述换能器主体为柔性，能夠弯曲以贴合钢轨表面曲线，保护层材料为铝合金。

所述六片磁致伸缩片的材料为FeNi合金、NiCo合金、FeAl合金或FeAlV合金。

所述激励线圈层的激励单元和磁致伸缩层的偏置线圈与电缆线接口连接。

本发明具有的有益效果是：

本发明利用线圈提供偏置磁场，解决了剩磁法存在的材料中磁性随着时间推移而消退的问题，本发明一次安装后可长久使用，基于磁致伸缩效应，能够在钢轨轨底激发出单一模态的剪切导波，使用两组激励单元产生的导波完美叠加，有效地增加了发射导波的能量，提高检测效率和精度。本发明实施后，即可达到检测钢轨轨底缺陷的目的，若在大范围的铁路线上安装本换能器，配合多通道数据收发***即可形成监测网络，在线实时监测钢轨轨底健康，对产生的缺陷报警，预防事故发生。

附图说明

图1是本发明的安装示意图。

图2是本发明的磁致伸缩层的结构示意图。

图3是本发明的换能器主体的结构分解图。

图4是本发明的激励线圈层的结构示意图。

图5是本发明的磁致伸缩层的结构示意图。

图6是实施例的安装示意图。

图7是实施例中所测得的信号图。

图中：1、钢轨，2、换能器主体，3、第一组左侧磁致伸缩片，4、第二组左侧磁致伸缩片，5、偏置磁场方向，6、第二组右侧磁致伸缩片，7、第二组底部磁致伸缩片，8、第一组底部磁致伸缩片，9、第一组右侧磁致伸缩片，10、第一支架层，11、激励线圈层，12、第二支架层，13、背衬层，14、电缆线接口，15、保护层，16、第一组右侧激励单元，17、第一组底部激励单元，18、第一组左侧激励单元，19、电流方向，20、相邻梳状阵列间距，21、第二组左侧激励单元，22、第二组底部激励单元，23、第二组右侧激励单元，24、软质排线，25、激励单元间距，26、左侧偏置线圈，27、左侧偏置线圈电流方向，28、底部偏置线圈，29、底部偏置线圈电流方向，30、右侧偏置线圈电流方向，31、右侧偏置线圈，32、一号缺陷，33、二号缺陷，34、一号缺陷对应的波包信号，35、二号缺陷对应的波包信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图5所示，本发明包括磁致伸缩层和换能器主体2；其中：

磁致伸缩层有两组：第一组左侧磁致伸缩片3、第一组底部磁致伸缩片8和第一组右侧磁致伸缩片9为一组，第二组左侧磁致伸缩片4、第二组底部磁致伸缩片7和第二组右侧磁致伸缩片6为另一组，每组为三片；左侧磁致伸缩片长度与右侧磁致伸缩片相同，底部磁致伸缩片的长度与钢轨底面的宽度相同；所述六片磁致伸缩片两面都对称、等距开有槽，槽与短边平行，槽的深度与偏置线圈的导线直径相同，所有槽的宽度保持一致，槽内分别缠绕有左侧偏置线圈26，底部偏置线圈28和右侧偏置线圈31后，再分别耦合于钢轨1轨底左侧上表面、轨底底面和轨底右侧上表面。

如图3、图4所示，换能器主体2依次包括：第一支架层10，激励线圈层11，第二支架层12，背衬层13，保护层15和电缆线接口14；激励线圈层中设有两组间隔分布的激励单元，每组激励单元包括：第一组右侧激励单元16、第一组底部激励单元17和第一组左侧激励单元18；第二组左侧激励单元21、第二组底部激励单元22和第二组右侧激励单元23；六个激励单元均包括：四个沿着钢轨长度方向均匀分布的梳状阵列，相邻激励单元之间的梳状阵列通过软质排线24连接。

如图1、图3所示，激励线圈层11的激励单元镶嵌在第一支架层10和第二支架层12的框架内，起到吸声减震作用的背衬层13，位于保护层15和第二支架层12之间，电缆线接口14装在保护层15底面；换能器主体2覆盖于磁致伸缩层，使激励单元与磁致伸缩层其相贴合，保护层15边缘耦合于钢轨1表面使换能器得以固定。

如图2所示，所述两组左侧磁致伸缩片、底部磁致伸缩片和右侧磁致伸缩片分别缠绕左侧偏置线圈26、底部偏置线圈28和右侧偏置线圈31，并分别通入稳定直流电以提供稳定的偏置磁场，耦合时，需要保证磁致伸缩层的偏置磁场方向5朝向相同且与钢轨延伸方向垂直。

所述激励线圈层中两组间隔分布的激励单元间距25和两组磁致伸缩片的间距相同。

所述激励线圈层中两组间隔分布的激励单元间距25和换能器所激励导波的波长相同。

如图1所示，所述换能器主体2为柔性，能夠弯曲以贴合钢轨表面曲线，保护层15材料为铝合金。

所述六片磁致伸缩片的材料为FeNi合金、NiCo合金、FeAl合金或FeAlV合金。

所述激励线圈层的激励单元和磁致伸缩层的偏置线圈与电缆线接口14连接。

本发明的工作原理如下：

本发明安装前，第一组左侧磁致伸缩片3、第一组底部磁致伸缩片8、第一组右侧磁致伸缩片9和第二组左侧磁致伸缩片4、第二组底部磁致伸缩片7、第二组右侧磁致伸缩片6已经过开槽处理，槽的深度与偏置线圈的导线直径相同。安装时，将所述的第一组左侧磁致伸缩片3、第一组底部磁致伸缩片8、第一组右侧磁致伸缩片9和第二组左侧磁致伸缩片4、第二组底部磁致伸缩片7、第二组右侧磁致伸缩片6，如图5所示，缠绕左侧偏置线圈26、底部偏置线圈28、右侧偏置线圈31，然后按如图2方式通过耦合剂固定到钢轨轨底左侧上表面、轨底底面和轨底右侧上表面，再将换能器主体2包裹在磁致伸缩层外侧，使相应位置的第一组右侧激励单元16、第一组底部激励单元17、第一组左侧激励单元18和第二组左侧激励单元21、第二组底部激励单元22、第二组右侧激励单元23和磁致伸缩层相贴合。使用耦合剂将保护层15的边缘与钢轨轨底耦合，使整个换能器固定在钢轨1轨底。安装好后的换能器，如图6所示。

在电缆线接口14连接电缆线，左侧偏置线圈26、底部偏置线圈28和右侧偏置线圈31中分别通入稳定直流电以在磁致伸缩层中产生稳定的偏置磁场，如图5所示，27为左侧偏置线圈电流方向，29为底部偏置线圈电流方向，30为右侧偏置线圈电流方向，每个激励单元中的四个梳状阵列中分别通以经过汉宁窗调制的5周期正弦电流信号，这四路正弦信号的相位依次相差90度，电流方向19如图4所示。相邻梳状阵列间隔20为换能器所激励导波的波长的1/4，两组激励单元间距25等于换能器所激励导波的波长，以这样的方式，因导波的相干作用，每个激励单元中的四个梳状阵列激励的导波叠加在一起，两个激励单元激励的导波二次聚焦产生了模态单一的剪切式导波并沿着钢轨轨底向前传播。

本实施例中，钢轨1上预先设置了两处缺陷，分别为一号缺陷32和二号缺陷33。导波作用于缺陷即会产生一个反射回波，反射回波沿着与激励导波相反方向传播并被换能器接收，反射回波使换能器中的磁致伸缩材料层发生机械形变，由于逆磁致伸缩效应的存在。机械形变引起磁致伸缩材料层内磁场的变化，从而在激励线圈层中感应出电压。精确计算激励信号和接收回波感应出的电压信号之间的时间差，减半后再乘以该模态导波的波速即可求得换能器与缺陷之间的距离，从而确定缺陷在钢轨中的精确位置。缺陷的大小可从回波电压信号的幅值获得。从图7中可知，一号缺陷对应的波包信号34和二号缺陷对应的波包信号35所在位置与导波激励端的距离分别为0.9m和1.5m，测试数据与缺陷位置实际测量数据准确吻合，充分证明了本发明定位缺陷的准确性。

上述的实施例只是用来解释本发明，本发明的具体实施方法包括但不限于上述提到的方法，在本发明的权利要求范围内对本发明的任何修改都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于钢轨轨底缺陷检测的磁致伸缩式剪切导波换能器，其特征在于：包括磁致伸缩层和换能器主体（2）；其中：

磁致伸缩层有两组：第一组左侧磁致伸缩片（3）、第一组底部磁致伸缩片（8）和第一组右侧磁致伸缩片（9）为一组，第二组左侧磁致伸缩片（4）、第二组底部磁致伸缩片（7）和第二组右侧磁致伸缩片（6）为另一组，每组为三片；所述六片磁致伸缩片两面都对称、等距开有槽，槽的深度与偏置线圈的导线直径相同，槽内分别缠绕有左侧偏置线圈（26），底部偏置线圈（28）和右侧偏置线圈（31）后，再分别耦合于钢轨（1）轨底左侧上表面、轨底底面和轨底右侧上表面；

换能器主体（2）依次包括：第一支架层（10），激励线圈层（11），第二支架层（12），背衬层（13），保护层（15）和电缆线接口（14）；

激励线圈层中设有两组间隔分布的激励单元，每组激励单元包括：第一组右侧激励单元（16）、第一组底部激励单元（17）和第一组左侧激励单元（18）；第二组左侧激励单元（21）、第二组底部激励单元（22）和第二组右侧激励单元（23）；六个激励单元均包括：四个沿着钢轨长度方向均匀分布的梳状阵列，相邻激励单元之间的梳状阵列通过软质排线（24）连接；

激励线圈层（11）的激励单元镶嵌在第一支架层（10）和第二支架层（12）的框架内，起到吸声减震作用的背衬层（13），位于保护层（15）和第二支架层（12）之间，电缆线接口（14）装在保护层（15）底面；换能器主体（2）覆盖于磁致伸缩层，使激励单元与磁致伸缩层其相贴合，保护层（15）边缘耦合于钢轨（1）表面使换能器得以固定。

2.根据权利要求1所述的一种用于钢轨轨底缺陷检测的磁致伸缩式剪切导波换能器，其特征在于：所述两组左侧磁致伸缩片、底部磁致伸缩片和右侧磁致伸缩片分别缠绕左侧偏置线圈（26）、底部偏置线圈（28）和右侧偏置线圈（31），并分别通入稳定直流电以提供稳定的偏置磁场，耦合时，需要保证磁致伸缩层的偏置磁场方向（5）朝向相同且与钢轨延伸方向垂直。

3.根据权利要求1所述的用于一种钢轨轨底缺陷检测的磁致伸缩式剪切导波换能器，其特征在于：所述激励线圈层中两组间隔分布的激励单元间距（25）和两组磁致伸缩片的间距相同。

4.根据权利要求1所述的一种用于钢轨轨底缺陷检测的磁致伸缩式剪切导波换能器，其特征在于：所述激励线圈层中两组间隔分布的激励单元间距（25）和换能器所激励导波的波长相同。

5.根据权利要求1所述的一种用于钢轨轨底缺陷检测的磁致伸缩式剪切导波换能器，其特征在于：所述换能器主体（2）为柔性，能夠弯曲以贴合钢轨表面曲线，保护层（15）材料为铝合金。

6.根据权利要求1所述的一种用于钢轨轨底缺陷检测的磁致伸缩式剪切导波换能器，其特征在于：所述六片磁致伸缩片的材料为FeNi合金、NiCo合金、FeAl合金或FeAlV合金。

7.根据权利要求1所述的一种用于钢轨轨底缺陷检测的磁致伸缩式剪切导波换能器，其特征在于：所述激励线圈层的激励单元和磁致伸缩层的偏置线圈与电缆线接口（14）连接。