CN106198760A - 一种基于双阵列探头的钢轨焊缝超声成像检测方法及*** - Google Patents

一种基于双阵列探头的钢轨焊缝超声成像检测方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于双阵列探头的钢轨焊缝超声成像检测方法，在被测钢轨上布置一发射阵列探头与一接收阵列探头；将所述接收阵列探头固定吸附于所述被测钢轨上，所述发射阵列探头前后移动或是依次放置于若干固定位置点上，使超声波覆盖所述被测钢轨的焊缝；所述接收阵列探头接收所述发射阵列探头发射的超声波经所述焊缝的缺陷表面反射后的超声回波；通过确定所述接收阵列探头上的阵列晶片接收焊缝缺陷反射的超声波回波声束的起始和终点位置，计算所述缺陷的高度值。本发明实施例还公开了一种基于双阵列探头的钢轨焊缝超声成像检测的***。采用本发明，能够快速、有效、全面地对钢轨焊缝中存在的各种平面状缺陷进行检测，有效提高检测效率和检测结果可靠性。

Description

一种基于双阵列探头的钢轨焊缝超声成像检测方法及***
技术领域
本发明涉及一种超声无损检测技术，尤其涉及基于双阵列探头的钢轨焊缝超声成像检测方法及***。
背景技术
对于钢轨焊缝的检测，尤其是涉及钢轨焊缝中存在的平面状缺陷，如光斑、灰斑、裂纹、未焊透及疲劳裂纹等，这些缺陷的存在不仅减小了钢轨的有效截面，而且还可能造成应力集中，使钢轨焊缝直接拉开或使钢轨折断，因而是最危险的缺陷。这些平面状的缺陷，采用超声波进行检测时，其反射波按照反射定律在其他方向传播而无法沿入射路径返回，因而采用单个探头难以实现检测，因此一般采用双探头进行检测。常规检测方法是采用两只单晶片的探头进行K型扫查或者串列式扫查。K型扫查时，两只单晶片探头分别放置在相对的两个探测面上，一只探头发射超声波，另一只探头接收超声波，扫查时，两只探头需要相对或相背等速移动，当焊缝中存在平面状缺陷时，缺陷的反射波会被接收阵列探头接收；串列式扫查时，两只单晶片探头一前一后同时放置在一个探测面上，距离焊缝近侧的一只探头发射超声波，距离焊缝远侧的一只探头接收超声波，两只探头也需要相对或相背等速移动，当焊缝中存在平面状缺陷时，发射阵列探头发出的超声波经缺陷和钢轨底面两次反射后被接收阵列探头接收。采用K型扫查或串列式扫查时，由于采用单晶片探头，为了实现焊缝整个高度的扫查，两只探头必须相对或相背等速移动，因而采用手工操作很难完成，一般都需要配备专业的扫查装置。然而钢轨焊缝需要检测的部位包括轨头K型扫查、轨底K型扫查以及轨腰串列式扫查，且由于钢轨结构的特殊性，要保证探头的耦合效果对扫查装置的要求非常苛刻，而且由于检测工作量大，扫查装置的调节安装也比较费时费力，并且工作时需要检测人员操作扫查装置实现相对或相背等速移动探头，因而检测人员劳动强度大，检测结果易受检测人员的操作经验及疲劳程度影响。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于双阵列探头的钢轨焊缝超声成像检测方法。可无需设计复杂的扫查装置就能够快速、有效、全面地对钢轨焊缝中存在的光斑、灰斑、裂纹、未焊透及疲劳裂纹等平面状缺陷进行有效检测，能够明显降低检测人员的劳动强度，提高检测效率和检测结果可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于双阵列探头的钢轨焊缝超声成像检测方法，包括以下步骤：
在被测钢轨上布置一发射阵列探头与一接收阵列探头进行串列式扫查或K型扫查；
使所述发射阵列探头工作于单声束或扇形或线形扫描方式；
将所述接收阵列探头固定吸附于所述被测钢轨上，所述发射阵列探头前后移动或是依次放置于的若干固定位置点上，使声波覆盖所述被测钢轨的焊缝；
所述接收阵列探头接收的所述发射阵列探头发射的超声波经所述焊缝的缺陷表面反射的超声回波；
通过确定所述接收阵列探头上阵列晶片接收到的所述焊缝的缺陷反射的超声波回波声束的起始和终点位置，计算所述缺陷的高度值。
进一步地，使用的所述接收阵列探头具有带状的探头本体、设置于所述探头本体下端的软接触薄膜套；所述探头本体上具有磁吸棒，边沿具有刻度标尺带，所述探头本体底面并排设置有若干垂直其长度方向的阵列晶片，所述刻度标尺带用于指示阵列晶片的位置信息，所述软接触薄膜套使所述探头本体水平或具有倾角。
更进一步地，当所述发射阵列探头工作于单声束扫描方式时，所述发射阵列探头在指定区域范围内前后移动，当所述发射阵列探头工作于扇形扫描方式时，所述发射阵列探头依次放置于的若干固定位置点上。
更进一步地，所述若干固定位置点的确定方式为：首先根据发射阵列探头的扇形扫描角度范围，移动发射阵列探头调节发射阵列探头入射点与所述焊缝中心线的距离，使扇形扫描最大角度的声束位于所述焊缝检测区域上端点从而确定第一个固定位置，接着继续在钢轨上直线移动发射阵列探头，使发射阵列探头扇形扫描最大角度声束位于第一个固定位置时的最小角度声束的宽度位置，从而确定第二个固定点，以所述第二个固定点作为新起点以同样的方式确定其他位置点，直到所有位置点的扇形扫描声束覆盖整个钢轨焊缝需要检测的区域。
更进一步地，所述扇形扫描是激发所述发射阵列探头中的全部或部分晶片，使激发晶片形成的声束在设定的角度范围内以一定的步进值变换角度扫过扇形区域。
更进一步地，所述发射阵列探头可在双阵列探头工作方式和单阵列探头工作方式中切换，当所述发射阵列探头工作于单阵列探头工作方式时，其工作于自发自收模式。
更进一步地，所述接收阵列探头以相控阵线形扫描方式工作，将其阵列晶片分成不同的晶片组，所述晶片组可以是一个或多个晶片，每组激活晶片组接收某一特定角度的声束，通过循环改变起始激活晶片的位置，使接收声束沿晶片阵列方向循环前后移动。
相应地，本发明实施例还提供了一种用于双阵列探头的钢轨焊缝超声波成像检测的***，包括一发射阵列探头、一接收阵列探头以及相控阵超声检测设备；
所述发射阵列探头、接收阵列探头在被测钢轨上进行串列式扫查或K型扫查；所述发射阵列探头具有相控阵超声楔块以及安装于所述相控阵超声楔块的相控阵超声探头，所述相控阵超声探头包括探头本体以及多个条状矩形晶片；
所述接收阵列探头包括带状的探头本体、设置于所述探头本体下端的软接触薄膜套；所述探头本体上具有磁吸棒，边沿具有刻度标尺带，所述探头本体底面设置有阵列晶片，所述阵列晶片包括多个条状矩形晶片，阵列晶片依次排列在所述探头本体上，所述刻度标尺带用于指示阵列晶片的位置信息，所述软接触薄膜套使所述探头本体水平或具有倾角；
所述相控阵超声检测设备使所述发射阵列探头、接收阵列探头工作于双阵列探头工作方式或单阵列探头工作方式，工作于单阵列探头工作方式时，所述发射阵列探头工作于自发自收方式；
所述相控阵超声检测设备获取所述接收阵列探头上阵列晶片接收到的所述焊缝缺陷反射的超声波回波声束的起始和终点位置，计算所述缺陷的高度值。
其中，所述发射阵列探头工作于单声束或扇形或线形扫描方式。
其中，所述发射阵列探头、接收阵列探头均还具有单总线器件，所述相控阵超声检测设备通过所述单总线器件进行识别与交换数据。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明无需设计复杂的扫查装置就能够快速、有效、全面地对钢轨焊缝中存在的光斑、灰斑、裂纹、未焊透及疲劳裂纹等平面状缺陷进行检测，能够明显降低检测人员的劳动强度，提高检测效率和检测结果可靠性。
附图说明
图1是钢轨焊缝轨腰串列式扫查的示意图；
图2是钢轨焊缝轨头K型扫查的示意图；
图3是钢轨焊缝轨底K型扫查的示意图；
图4是发射阵列探头的结构示意图；
图5是接收阵列探头的结构示意图；
图6是相控阵扇形扫描原理的示意图；
图7是相控阵单声束扫描原理的示意图；
图8是相控阵线形扫描原理的示意图；
图9是轨腰串列式扇形扫描原理的示意图；
图10是轨腰串列式单声束扫描原理的示意图；
图11是轨头K型扇形扫描原理的示意图；
图12是轨头K型单声束扫描原理的示意图；
图13是轨底K型扇形扫查原理的示意图；
图14是轨头K型单声束扫描原理的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本发明实施例的一种基于双阵列探头的钢轨焊缝超声成像检测方法，首先，进行钢轨焊缝轨腰串列式扫查时，如图1所示，在钢轨1的焊缝2一侧的钢轨踏面8上一前一后布置两个阵列探头，距离焊缝近侧的阵列探头作为发射阵列探头3，距离焊缝远侧的阵列探头作为接收阵列探头4，发射阵列探头和接收阵列探头通过耦合剂均贴在钢轨踏面上；进行钢轨焊缝轨头K型扫查时，如图2所示，在钢轨焊缝一侧的钢轨轨头两个侧面7各布置一个阵列探头，其中一个阵列探头作为发射阵列探头3，另一个阵列探头作为接收阵列探头4，发射阵列探头和接收阵列探头通过耦合剂均贴在钢轨轨头的两侧的侧面上；进行钢轨焊缝轨底K型扫查时，如图3所示，在钢轨焊缝一侧的钢轨轨底两个侧面6各布置一个阵列探头，其中一个阵列探头作为发射阵列探头3，另一个阵列探头作为接收阵列探头4，发射阵列探头和接收阵列探头通过耦合剂均贴在钢轨轨底两侧的侧面上。其次，发射阵列探头和接收阵列探头分别与相控阵超声检测设备5相应的端口相连接。然后，启动相控阵超声检测设备对钢轨焊缝进行检测，发射阵列探头沿着钢轨轴向方向进行前后移动或者放置在某几个固定的位置点，接收阵列探头采用不可移动的方式紧贴吸附固定在钢轨指定位置上，发射阵列探头发射超声波的同时，接收阵列探头同步进行超声波的接收，相控阵超声检测设备根据接收阵列探头接收到的信号进行图像化显示，检测人员根据检测图像显示判定钢轨焊缝中的缺陷信息。
作为钢轨焊缝检测使用的相控阵超声检测设备，具有双阵列探头工作方式和单阵列探头工作方式，并且两种工作方式可自动进行切换。双阵列探头工作方式时：两个阵列探头配套组合使用，一个阵列探头工作在发射模式，另一个阵列探头工作在接收模式，发射模式的阵列探头只发射超声波，接收模式的阵列探头只接收超声波，发射模式可以设置为相控阵扇形扫描方式、相控阵线形扫描方式或相控阵单声束扫描方式，接收模式可以设置为相控阵线形扫描方式；单阵列探头工作方式时：接到相控阵超声检测设备的阵列探头均工作在自发自收模式，即阵列探头发射超声波的同时进行接收超声波，自发自收模式的阵列探头可设置为相控阵扇形扫描方式、相控阵线形扫描方式或相控阵单声束扫描方式，并且自发自收时发射与接收的扫描方式一样。
作为钢轨焊缝检测使用的相控阵超声检测设备，具有利用单总线（1-wire）工作原理来实现阵列探头的自动识别和参数的设置。相控阵超声检测设备识别阵列探头的方法为：相控阵超声检测设备启动时，对接到设备上的阵列探头中的1-wire器件进行初始化、对1-wire器件进行识别和交换数据，以此实现阵列探头的自动识别和参数设置。
作为钢轨焊缝检测使用的相控阵超声检测设备，具有探头耦合监控的功能，接到相控阵超声检测设备的阵列探头工作在自发自收模式，根据接收到超声波信号的情况自动判别探头的耦合情况，提供失耦报警功能。在进行钢轨焊缝检测的过程中，相控阵超声检测设备自动间隔一定时间进行耦合监控扫描并提供耦合情况显示和报警。
如图4所示，作为发射阵列探头3的阵列探头，其包括相控阵超声探头31和相控阵超声楔块32。相控阵超声探头31包括探头本体、阵列晶片33和1-wire器件34，阵列晶片33包括多个条状矩形晶片，1-wire器件34通过相控阵超声检测设备的访问从而识别探头的类型和参数；相控阵超声楔块具有底面、与底面相对的斜面，以及与底面、斜面相邻的竖直侧面，相控阵超声探头安装在相控阵超声楔块的斜面上，相控阵超声探头与相控阵楔块之间通过耦合剂紧密结合。
如图5所示，作为接收阵列探头4的阵列探头，其包括探头本体41、阵列晶片42、1-wire器件43、磁吸附带44、刻度标尺带45及软接触薄膜套46。探头本体41由柔韧性材料制成带状，阵列晶片42包括多个条状矩形晶片，阵列晶片依次排列在探头本体41上，阵列晶片42与1-wire器件43布置于探头本体的底面；磁吸附带44位于探头本体的上表面，每间隔一定距离布置有磁吸棒，磁吸棒的排列方式与阵列探头的长度方向垂直，磁吸附带具有对铁磁性材料吸附的功能，实现阵列探头吸附在钢轨表面上；刻度标尺带45位于探头本体的上表面的磁吸附带的一侧，具有标尺刻度值，指示阵列晶片的位置信息，同时可作为尺子的测量功能；1-wire器件为该阵列探头的身份识别器件，通过相控阵超声检测设备的访问从而识别该阵列探头的类型和参数；软接触薄膜套46位于探头本体底部，薄膜套内充满液体，薄膜套具有一定倾斜角度，有利于超声波的接收。
发射模式中使用的相控阵扇形扫描方式，是激发所述发射阵列探头中的全部或部分晶片，使激发晶片形成的声束在设定的角度范围内以一定的步进值变换角度扫过扇形区域，如图6所示。
发射模式中使用的相控阵单声束扫描方式，是激发所述发射阵列探头中的全部或部分晶片，使激发晶片形成只有一条特定角度的超声波声束，如图7所示。
接收模式中使用的相控阵线形扫描方式，是指以相同的聚集法则施加在阵列探头中的不同晶片组，晶片组可以是一个或多个晶片，每组激活晶片组接收某一特定角度的声束，通过循环改变起始激活晶片的位置，使接收声束沿晶片阵列方向循环前后移动，实现类似常规手动超声波检测探头前后移动的检测效果，如图8所示。
进行钢轨焊缝轨腰串列式扫查，发射阵列探头工作在相控阵扇形扫描，如图9所示，通过发射阵列探头固定在某一个位置实现钢轨焊缝轨腰一定高度区域的检测，通过将发射阵列探头依次放置在某几个固定的位置点上，实现钢轨焊缝轨腰整个高度全覆盖检测，当钢轨焊缝轨腰区域存在平面状缺陷时，发射阵列探头发出的超声波经缺陷表面和钢轨底面二次反射后被接收阵列探头接收，相控阵超声检测设备根据发射阵列探头扇形扫描声束确定接收阵列探头阵列晶片长度，同时将接收阵列探头接收到的信号进行显示。
进行钢轨焊缝轨腰串列式扫查，发射阵列探头工作在相控阵单声束扫描，如图10所示，通过发射阵列探头在轨头踏面指定区域前后移动实现钢轨焊缝轨腰特定高度区域的检测，当钢轨焊缝轨腰区域存在平面状缺陷时，发射阵列探头发出的超声波经缺陷表面和钢轨底面二次反射后被接收阵列探头接收，相控阵超声检测设备根据发射阵列探头单声束确定接收阵列探头阵列晶片长度，同时将接收阵列探头接收到的信号进行显示。
进行钢轨焊缝轨头K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵扇形扫描，如图11所示，通过发射阵列探头固定在某一个位置实现钢轨焊缝轨头一定宽度区域的检测，通过将发射阵列探头依次放置在某几个固定的位置点上实现钢轨焊缝轨头整个宽度全覆盖检测，当钢轨焊缝轨头区域存在平面状缺陷时，发射阵列探头发出的超声波经缺陷表面反射后被接收阵列探头接收，相控阵超声检测设备根据发射阵列探头扇形扫描声束确定接收阵列探头阵列晶片长度，同时将接收阵列探头接收到的信号进行显示。
进行钢轨焊缝轨头K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵单声束扫描，如图12所示，通过发射阵列探头在轨头侧面指定位置区域前后移动探头实现钢轨焊缝轨头一定宽度区域的检测，当钢轨焊缝轨头区域存在平面状缺陷时，发射阵列探头发出的超声波经缺陷表面反射后被接收阵列探头接收，相控阵超声检测设备根据发射阵列探头单声束确定接收阵列探头阵列晶片长度，同时将接收阵列探头接收到的信号进行显示。
进行钢轨焊缝轨底K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵扇形扫描，如图13所示，将发射阵列探头固定在某一个位置实现钢轨焊缝轨底一定宽度区域的检测，通过将发射阵列探头依次放置在某几个固定的位置点上实现钢轨焊缝轨底区域整个宽度全覆盖检测，当钢轨焊缝轨底区域存在平面状缺陷时，发射阵列探头发出的超声波经缺陷表面反射后被接收阵列探头接收，相控阵超声检测设备根据发射阵列探头扇形扫描声束确定接收阵列探头阵列晶片长度，同时将接收阵列探头接收到的信号进行显示。
进行钢轨焊缝轨底K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵单声束扫描，如图14所示，通过将发射阵列探头在轨底侧面指定位置区域前后移动探头实现钢轨焊缝轨底一定宽度区域的检测，当钢轨焊缝轨底区域存在平面状缺陷时，发射阵列探头发出的超声波经缺陷表面反射后被接收阵列探头接收，相控阵超声检测设备根据发射阵列探头单声束确定接收阵列探头阵列晶片长度，同时将接收阵列探头接收到的信号进行显示。
以下将对发射阵列探头与接收阵形探头的工作步骤进行详细说明。
进行钢轨焊缝轨腰串列式扫查，发射阵列探头工作在相控阵扇形扫描方式时，发射阵列探头位置固定点的确定方法为：首先根据发射阵列探头的扇形扫描角度范围，移动发射阵列探头调节发射阵列探头入射点与钢轨焊缝中心线的距离，使扇形扫描最大角度的声束位于钢轨焊缝轨腰高度检测的上端点从而确定第1个固定位置，接着继续在钢轨踏面上移动发射阵列探头，使发射阵列探头扇形扫描最大角度声束位于第１个固定位置时的最小角度声束的高度位置，从而确定第２个固定点，以第２个固定点作为起点，以同样的方式确定其他位置点，直到所有位置点的扇形扫描声束覆盖整个轨腰需要检测的高度区域。
进行钢轨焊缝轨腰串列式扫查，发射阵列探头工作在相控阵扇形扫描方式时，接收阵列探头阵列晶片长度的确定方法为：首先根据设定发射阵列探头的扇形扫描角度范围，将扇形扫描角度范围的最大角度声束位于钢轨焊缝轨腰检测高度范围的上端点，根据上端点反射波经钢轨底面反射后与钢轨踏面的交点作为接收阵列探头阵列晶片的接收声束起点；其次，在踏面上移动发射阵列探头将扇形扫描角度范围的最小角度声束位于轨腰检测高度范围的下端点，根据下端点反射波经钢轨底面反射与钢轨踏面的交点作为接收阵列探头阵列晶片的接收声束终点；最后根据确定的声束起点和声束终点确定晶片阵列的长度和位置。
进行钢轨焊缝轨腰串列式扫查，发射阵列探头工作在相控阵单声束扫描方式时，发射阵列探头移动范围和接收阵列探头的阵列晶片长度的确定方法为：首先移动发射阵列探头调节发射阵列探头入射点与钢轨焊缝中心线的距离，将发射阵列探头声束位于轨腰检测高度范围的上端点，此时发射阵列探头的位置为可移动范围的起点，根据上端点反射波经钢轨底面反射后与钢轨踏面的交点作为接收阵列晶片的声束起点；其次，将发射阵列探头声束位于轨腰检测高度范围的下端点，此时发射阵列探头的位置为可移动范围的终点，根据下端点反射波经钢轨底面反射与钢轨踏面的交点作为接收阵列探头阵列晶片的声束终点；最后根据确定的声束起点和声束终点确定晶片阵列的长度及位置。
进行钢轨焊缝轨头K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵扇形扫描方式时，发射阵列探头位置固定点的确定方法为：首先根据发射阵列探头的扇形扫描角度范围，移动发射阵列探头调节发射阵列探头入射点与钢轨焊缝中心线的距离，使扇形扫描最大角度的声束位于钢轨轨头宽度检测的上端点从而确定第１个固定位置，接着继续在钢轨轨头侧面上移动发射阵列探头，使发射阵列探头扇形扫描最大角度声束位于第１个固定位置时的最小角度声束的宽度位置，从而确定第２个固定点，同样的方式确定其他位置点，直到所有位置点的扇形扫描声束覆盖整个轨头需要检测的宽度区域。
进行钢轨焊缝轨头K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵扇形扫描方式时，接收阵列探头中的阵列晶片长度的确定方法为：首先根据设定发射阵列探头的扇形扫描角度范围，将扇形扫描角度范围的最大角度声束位于轨头检测宽度范围的上端点，根据上端点反射波与钢轨轨头侧面的交点作为接收阵列探头阵列晶片的接收声束起点；其次，移动发射阵列探头，将扇形扫描角度范围的最小角度声束位于轨头检测宽度范围的下端点，根据下端点反射波与钢轨轨头侧面的交点作为接收阵列探头阵列晶片的接收声束终点；最后根据确定的声束起点和声束终点确定晶片阵列的长度和位置。
进行钢轨焊缝轨头K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵单声束扫描方式时，发射阵列探头移动范围和接收阵列探头中的阵列晶片长度的确定方法为：首先移动发射阵列探头调节发射阵列探头入射点与钢轨焊缝中心线的距离，将声束位于轨头检测宽度范围的上端点，此时发射阵列探头的位置为可移动范围的起点，根据上端点反射波与钢轨轨头侧面的交点作为接收阵列晶片的声束起点；其次，将发射阵列探头声束位于轨头检测宽度范围的下端点，此时发射阵列探头的位置为可移动范围的终点，根据下端点反射波与钢轨轨头侧面的交点作为接收阵列探头阵列晶片的声束终点；最后根据确定的声束起点和声束终点确定晶片阵列的长度及位置。
进行钢轨焊缝轨底K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵扇形扫描方式时，发射阵列探头位置固定点的确定方法为：首先根据发射阵列探头的扇形扫描角度范围，移动发射阵列探头调节发射阵列探头入射点距离钢轨焊缝中心线的距离，使扇形扫描最大角度的声束位于钢轨轨底宽度检测的上端点从而确定第１个固定位置，接着继续在钢轨轨底侧面上移动发射阵列探头，使发射阵列探头扇形扫描最大角度声束位于第１个固定位置时的最小角度声束的宽度位置，从而确定第２个固定点，同样的方式确定其他位置点，直到所有位置点的扇形扫描声束覆盖整个轨底需要检测的宽度区域。
进行钢轨焊缝轨底K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵扇形扫描方式时，接收阵列探头中的阵列晶片长度的确定方法为：首先根据设定发射阵列探头的扇形扫描角度范围，将扇形扫描角度范围的最大角度声束位于轨底检测宽度范围的上端点，根据上端点反射波与钢轨轨底侧面的交点作为接收阵列探头阵列晶片的接收声束起点；其次，将扇形扫描角度范围的最小角度声束位于轨底检测宽度范围的下端点，根据下端点反射波与钢轨轨底侧面的交点作为接收阵列探头阵列晶片的接收声束终点；最后根据确定的声束起点和声束终点确定晶片阵列的长度和位置。
进行钢轨焊缝轨底K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵单声束扫描方式时，发射阵列探头移动范围和接收阵列探头的阵列晶片长度的确定方法为：首先移动发射阵列探头调节发射阵列探头入射点距离钢轨焊缝中心线的距离，将声束位于轨底检测宽度范围的上端点，此时发射阵列探头的位置为可移动范围的起点，根据上端点反射波与钢轨轨底侧面的交点作为接收阵列晶片的声束起点；其次，将发射阵列探头声束位于轨底检测宽度范围的下端点，此时发射阵列探头的位置为可移动范围的终点，根据下端点反射波与钢轨轨底侧面的交点作为接收阵列探头阵列晶片的声束终点；最后根据确定的声束起点和声束终点确定晶片阵列的长度及位置。
作为钢轨焊缝检测使用的相控阵超声检测设备中图像显示方法为：相控阵检测设备根据接收阵列探头中使用线形扫描参数设置，将检测结果显示为线形扫描图像，当发射阵列探头工作在相控阵扇形扫描方式时，仪器显示的线形扫描图像与发射阵列探头位置对应的实时图像，当发射阵列探头工作在相控阵单声束扫描方式时，仪器显示的线形扫描图像中的每一条声束具有幅度峰值记忆保持的功能，即图像刷新时，线形扫描图像的每一条声束的超声波信号只保留最大幅度峰值信息。
作为钢轨焊缝检测使用的相控阵检测设备中缺陷信息识别方法为：根据相控阵检测设备中显示的线形扫描图像，当线形扫描图像中的某个声束接收到缺陷的反射回波，即可确定该回波是由钢轨焊缝中的哪个反射点反射的超声波。
钢轨焊缝轨腰串列式扫查，发射阵列探头工作在相控阵扇形扫描方式，缺陷位置的确定公式为：
（1）
公式（1）中：d gy (n)为轨腰检测线形扫描图像中第n条声束表示的钢轨焊缝轨腰中缺陷反射点的深度；d1表示钢轨焊缝轨腰检测扇形扫描覆盖的上端点深度,d2表示钢轨焊缝轨腰检测扇形扫描覆盖的下端点深度；N表示线形扫描图像中的超声波声束总数；n表示线形扫描图像中的某一条声束，其中1≤n≤N。因此当线形扫描图像中出现连续的声束均有缺陷反射回波，根据连续有反射回波的边缘声束n1和n2，利用d gy (n2) - d gy (n1)即可算出轨腰平面状缺陷的高度值。
钢轨焊缝轨腰串列式扫查，发射阵列探头工作在相控阵单声束扫描方式，缺陷位置的确定公式为：
（2）
公式（2）中：d gy (n)为轨腰检测线形扫描图像中第n条声束表示的钢轨焊缝轨腰中缺陷反射点的深度；d1表示钢轨焊缝轨腰检测需要覆盖的上端点深度,d2表示钢轨焊缝轨腰检测需要覆盖的下端点深度；N表示线形扫描图像中的超声波声束总数；n表示线形扫描图像中的某一条声束，其中1≤n≤N。因此当线形扫描图像中出现连续的声束均有缺陷反射回波，根据连续有反射回波的边缘声束n1和n2，利用d gy (n2) - d gy (n1)即可算出轨腰平面状缺陷的高度值。
钢轨焊缝轨头K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵扇形扫描方式，缺陷位置的确定公式为：
（3）
公式（3）中：d gt (n)为轨头检测线形扫描图像中第n条声束表示钢轨焊缝轨头中缺陷反射点的宽度位置；d3表示钢轨焊缝轨头检测扇形扫描覆盖宽度区域的上端点位置,d4表示钢轨焊缝轨头检测扇形扫描覆盖宽度区域的下端点位置；N表示线形扫描图像中的超声波声束总数；n表示线形扫描图像中的某一条声束，其中1≤n≤N。因此当线形扫描图像中出现连续的声束均有缺陷反射回波，根据连续有反射回波的边缘声束n1和n2，利用d gt (n2) -d gt (n1)即可算出轨头平面状缺陷的宽度值。
钢轨焊缝轨头K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵单声束扫描方式，缺陷位置的确定公式为：
（4）
公式（4）中：d gt (n)为轨头检测线形扫描图像中第n条声束表示钢轨焊缝轨头中缺陷反射点的宽度位置；d3表示钢轨焊缝轨头检测宽度区域的上端点位置,d4表示钢轨焊缝轨头检测宽度区域的下端点位置；N表示线形扫描图像中的超声波声束总数；n表示线形扫描图像中的某一条声束，其中1≤n≤N。因此当线形扫描图像中出现连续的声束均有缺陷反射回波，根据连续有反射回波的边缘声束n1和n2，利用d gt (n2) - d gt (n1)即可算出轨头平面状缺陷的宽度值。
钢轨焊缝轨底K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵扇形扫描方式，缺陷位置的确定公式为：
（5）
公式（5）中：d gd (n)表示轨底检测线形扫描图像中第n条声束表示钢轨焊缝中轨底缺陷反射点的宽度位置；d5表示钢轨焊缝轨底检测扇形扫描覆盖宽度区域的上端点位置,d6表示钢轨焊缝轨底检测扇形扫描覆盖宽度区域的下端点位置；N表示线形扫描图像中的超声波声束总数；n表示线形扫描图像中的某一条声束，其中1≤n≤N。因此当线形扫描图像中出现连续的声束均有缺陷反射回波，根据连续有反射回波的边缘声束n1和n2，利用d gd (n2)-d gd (n1)即可算出轨底平面状缺陷的宽度值。
钢轨焊缝轨底K型扫查，发射阵列探头工作在相控阵单声束扫描方式，缺陷位置的确定公式为：
（6）
公式（6）中：d gd (n)表示轨底检测线形扫描图像中第n条声束表示钢轨焊缝中轨底缺陷反射点的宽度位置；d5表示钢轨焊缝轨底检测宽度区域的上端点位置,d6表示钢轨焊缝轨底检测宽度区域的下端点位置；N表示线形扫描图像中的超声波声束总数；n表示线形扫描图像中的某一条声束，其中1≤n≤N。因此当线形扫描图像中出现连续的声束均有缺陷反射回波，根据连续有反射回波的边缘声束n1和n2，利用d gd (n2)- d gd (n1)即可算出轨底平面状缺陷的宽度值。
本发明实施例对应还提供了一种用于双阵列探头的钢轨焊缝超声波成像检测的***，包括一发射阵列探头、一接收阵列探头以及相控阵超声检测设备。
作为钢轨焊缝检测使用的相控阵超声检测设备，具有双阵列探头工作方式和单阵列探头工作方式，并且两种工作方式可自动进行切换。双阵列探头工作方式时：两个阵列探头配套组合使用，一个阵列探头工作在发射模式，另一个阵列探头工作在接收模式，发射模式的阵列探头只发射超声波，接收模式的阵列探头只接收超声波，发射模式可以设置为相控阵扇形扫描方式、相控阵线形扫描方式或相控阵单声束扫描方式，接收模式可以设置为相控阵线形扫描方式；单阵列探头工作方式时：接到相控阵超声检测设备的阵列探头均工作在自发自收模式，即阵列探头发射超声波的同时进行接收超声波，自发自收模式的阵列探头可设置为相控阵扇形扫描方式、相控阵线形扫描方式或相控阵单声束扫描方式，并且自发自收时发射与接收的扫描方式一样。
作为钢轨焊缝检测使用的相控阵超声检测设备，具有利用单总线（1-wire）工作原理来实现阵列探头的自动识别和参数的设置。相控阵超声检测设备识别阵列探头的方法为：相控阵超声检测设备启动时，对接到设备上的阵列探头中的1-wire器件进行初始化、对1-wire器件进行识别和交换数据，以此实现阵列探头的自动识别和参数设置。
作为钢轨焊缝检测使用的相控阵超声检测设备，具有探头耦合监控的功能，接到相控阵超声检测设备的阵列探头工作在自发自收模式，根据接收到超声波信号的情况自动判别探头的耦合情况，提供失耦报警功能。在进行钢轨焊缝检测的过程中，相控阵超声检测设备自动间隔一定时间进行耦合监控扫描并提供耦合情况显示和报警。
如图4所示，作为发射阵列探头3的阵列探头，其包括相控阵超声探头31和相控阵超声楔块32。相控阵超声探头31包括探头本体、阵列晶片33和1-wire器件34，阵列晶片33包括多个条状矩形晶片，1-wire器件34通过相控阵超声检测设备的访问从而识别探头的类型和参数；相控阵超声楔块具有底面、与底面相对的斜面，以及与底面、斜面相邻的竖直侧面，相控阵超声探头安装在相控阵超声楔块的斜面上，相控阵超声探头与相控阵楔块之间通过耦合剂紧密结合。
如图5所示，作为接收阵列探头4的阵列探头，其包括探头本体41、阵列晶片42、1-wire器件43、磁吸附带44、刻度标尺带45及软接触薄膜套46。探头本体41由柔韧性材料制成带状，阵列晶片42包括多个条状矩形晶片，阵列晶片依次排列在探头本体41上，阵列晶片42与1-wire器件43布置于探头本体的底面；磁吸附带44位于探头本体的上表面，每间隔一定距离布置有磁吸棒，磁吸棒的排列方式与阵列探头的长度方向垂直，磁吸附带具有对铁磁性材料吸附的功能，实现阵列探头吸附在钢轨表面上；刻度标尺带45位于探头本体的上表面的磁吸附带的一侧，具有标尺刻度值，指示阵列晶片的位置信息，同时可作为尺子的测量功能；1-wire器件为该阵列探头的身份识别器件，通过相控阵超声检测设备的访问从而识别该阵列探头的类型和参数；软接触薄膜套46位于探头本体底部，薄膜套内充满液体。
软接触薄膜套使探头本体41水平或是具有一定倾斜角度，有利于超声波的接收。
相控阵超声检测设通过上述方法，获得接收阵列探头上阵列晶片接收焊缝缺陷反射的超声波回波声束的起始和终点位置，计算所述缺陷的高度值。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双阵列探头的钢轨焊缝超声成像检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
在被测钢轨上布置一发射阵列探头与一接收阵列探头进行串列式扫查或K型扫查；
使所述发射阵列探头工作于单声束或扇形或线形扫描方式；
将所述接收阵列探头固定吸附于所述被测钢轨上，所述发射阵列探头前后移动或是依次放置于若干固定位置点上，使超声波覆盖所述被测钢轨的焊缝；
所述接收阵列探头接收所述发射阵列探头发射的超声波经所述焊缝的缺陷表面反射的超声波回波；
通过确定所述接收阵列探头上的阵列晶片接收到的所述焊缝的缺陷反射的超声波回波声束的起始和终点位置，计算所述缺陷的高度值。
2.据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用的所述接收阵列探头具有带状的探头本体、设置于所述探头本体下端的软接触薄膜套；所述探头本体上具有磁吸棒，边沿具有刻度标尺带，所述探头本体底面并排设置有若干垂直其长度方向的阵列晶片，所述刻度标尺带用于指示阵列晶片的位置信息，所述软接触薄膜套使所述探头本体水平或具有倾角。
3.据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述发射阵列探头工作于单声束扫描方式时，所述发射阵列探头在指定区域范围内前后移动，当所述发射阵列探头工作于扇形扫描方式时，所述发射阵列探头依次放置于若干固定位置点上。
4.据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述若干固定位置点的确定方式为：首先根据发射阵列探头的扇形扫描角度范围，移动发射阵列探头调节发射阵列探头入射点与所述焊缝中心线的距离，使扇形扫描最大角度的声束位于所述焊缝检测区域上端点从而确定第一个固定位置，接着继续在钢轨上直线移动发射阵列探头，使发射阵列探头扇形扫描最大角度声束位于第一个固定位置时的最小角度声束的宽度位置，从而确定第二个固定点，以所述第二个固定点作为新起点以同样的方式确定其他位置点，直到所有位置点的扇形扫描声束覆盖整个钢轨焊缝需要检测的区域。
5.据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述扇形扫描是激发所述发射阵列探头中的全部或部分晶片，使激发晶片形成的声束在设定的角度范围内以一定的步进值变换角度扫过扇形区域。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射阵列探头可在双阵列探头工作方式和单阵列探头工作方式中切换，当所述发射阵列探头工作于单阵列探头工作方式时，其工作于自发自收模式。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述接收阵列探头以相控阵线形扫描方式工作，将其阵列晶片分成不同的晶片组，所述晶片组可以是一个或多个晶片，每组激活晶片组接收某一特定角度的声束，通过循环改变起始激活晶片的位置，使接收声束沿晶片阵列方向循环前后移动。
8.一种权利要求1所使用的***，其特征在于，包括一发射阵列探头、一接收阵列探头以及相控阵超声检测设备；
所述发射阵列探头、接收阵列探头在被测钢轨上进行串列式扫查或K型扫查；所述发射阵列探头具有相控阵超声楔块以及安装于所述相控阵超声楔块的相控阵超声探头，所述相控阵超声探头包括探头本体以及多个条状矩形晶片；
所述接收阵列探头包括带状的探头本体、设置于所述探头本体下端的软接触薄膜套；所述探头本体上具有磁吸棒，边沿具有刻度标尺带，所述探头本体底面设置有阵列晶片，所述阵列晶片包括多个条状矩形晶片，阵列晶片依次排列在所述探头本体上，所述刻度标尺带用于指示阵列晶片的位置信息，所述软接触薄膜套使所述探头本体水平或具有倾角；
所述相控阵超声检测设备使所述发射阵列探头、接收阵列探头工作于双阵列探头工作方式或单阵列探头工作方式，工作于单阵列探头工作方式时，所述发射阵列探头工作于自发自收方式；
所述相控阵超声检测设备获取所述接收阵列探头上阵列晶片接收到的所述焊缝缺陷反射的超声波回波声束的起始和终点位置，计算所述缺陷的高度值。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述发射阵列探头工作于单声束或扇形或线形扫描方式。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述发射阵列探头、接收阵列探头均还具有单总线器件，所述相控阵超声检测设备通过所述单总线器件进行识别与交换数据。
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