CN110672718B - 用于钢轨踏面检测的电磁超声点聚焦/发散表面波方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，包括：电磁超声点聚焦/发散表面波探头、阻抗匹配网络、脉冲功率放大器、信号发生器、前置放大器、二级滤波放大电路、数据采集卡、LabVIEW软件检测界面、运动控制器、机械行走/旋转装置。在实现在线自动化检测的同时，可以实现微小缺陷包括斜裂纹的准确定量检测，以及实现裂纹倾角的有效检测。

Description

用于钢轨踏面检测的电磁超声点聚焦/发散表面波方法及其 装置

技术领域

本发明属于非接触超声波检测技术领域，可实现对钢轨踏面微小缺陷和踏面两侧斜裂纹的在线快速检测。

背景技术

铁路运输在我国的交通运输***中占据着重要的地位。钢轨作为铁路运输中的关键部件，与列车每个车轮实际接触面积只有100多mm²，但要承受和传递数十吨重的载荷；再加上近年来列车速度的提升和货运的频繁、重载，钢轨的损伤愈加严重。由于轮轨滚动接触疲劳而产生的钢轨踏面裂纹是钢轨常见的失效表现形式。斜裂纹是钢轨踏面最常见的裂纹形态，其进一步地扩展将导致钢轨突然断裂，由此而造成的人员伤亡和经济损失是巨大的。

国内外铁道部门通常采用常规超声表面波技术来实现对钢轨踏面裂纹的自动化检测，它需要耦合剂(水、甘油)才能实现探头与被测零件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高，因此很难用于钢轨在线快速检测。电磁超声换能器利用电磁感应的原理实现超声波的激励和接收，具有非接触、无需耦合剂的特点，可以用于钢轨踏面的快速在线检测。

目前电磁超声技术已经被用于钢轨的在线检测；但是，采用电磁超声点聚焦/发散表面波技术并结合步进电机驱动旋转的方式以产生不同指向角的表面波声束，实现踏面微小缺陷和踏面两侧斜裂纹的准确定量/分析尚未见报道。关于钢轨电磁超声检测技术的专利主要综述如下：

申请号201110436682.7，其名称为“高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置及其检测方法”。该专利通过多个探头联合以实现对高速列车车轮踏面不同缺陷的检测，但它并未涉及钢轨踏面的在线检测。

申请号200320111599.3，其名称为“铁路机车、车辆车轮踏面在线自动化探伤装置”。该专利通过在踏面外侧布置多个电磁超声探头以实现对火车轮踏面的在线检测，但它未涉及钢轨踏面的在线检测。

申请号200810137486.8，其名称为“钢轨踏面缺陷快速扫查方法及其装置”。该专利使用曲折线圈电磁超声探头在踏面上产生表面波，通过一发两收的探头模式，使用脉冲反射法和透射法相结合的方式，对缺陷量化精度高；但它未涉及可以旋转的点聚焦/发散电磁超声表面波技术。

申请号201310258586.7，其名称为“一种用于检测钢轨轨头踏面缺陷的电磁超声换能器”。该专利采用由磁化器和曲折线圈组合而成的电磁超声表面波探头，实现了对钢轨踏面的缺陷检测，但是并未涉及可以旋转的点聚焦/发散电磁超声表面波技术。

申请号201620295730.3，其名称为“电磁超声波钢轨探伤装置”。该专利通过在底座的下方置有四个通道超声波探头的方式对钢轨进行检测，但它并未提及超声探头的组合形式。

申请号201711375553.5，其名称为“钢轨轨腰电磁超声检测探头及电磁超声检测装置”。该专利采用电磁超声直入射体波/斜入射体波/表面波技术实现对轨腰的缺陷检测。

上述几种专利均描述了采用电磁超声技术对钢轨/车轮进行检测的方法和装置，但是均未涉及采用可以旋转的点聚焦/发散电磁超声表面波技术。

发明专利内容

本发明在实现在线自动化检测的同时，可以实现对微小缺陷包括斜裂纹的准确定量检测，以及实现裂纹倾角的有效检测。具体技术方案如下：

一种用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，包括：电磁超声点聚焦/发散表面波探头、阻抗匹配网络、脉冲功率放大器、信号发生器、前置放大器、二级滤波放大电路、数据采集卡、LabVIEW软件检测界面、运动控制器、机械行走/旋转装置。

进一步地，所述电磁超声点聚焦/发散表面波探头，采用圆弧曲折线圈与垂直充磁的永磁体组合使用的方式，不仅可以产生聚焦的表面波，还可以产生发散表面波。

进一步地，所述运动控制器和机械行走/旋转装置，一方面可以实现电磁超声点聚焦/发散表面波探头在钢轨踏面的自动行走；另外一方面可以实现所述电磁超声点聚焦/发散表面波探头圆弧形曲折线圈在检测过程中沿中心旋转运动，并将旋转角度信息实时反馈给LabVIEW 软件检测界面。

进一步地，所述脉冲功率放大器和信号发生器配合使用，可以为电磁超声探头提供瞬态功率达5KW-15KW的射频电流，驱动电磁超声点聚焦/发散表面波探头中的激励线圈并在钢轨踏面中激发点聚焦/发散表面波；和/或，

所述前置放大器、二级滤波放大电路和数据采集卡配合使用，可以将电磁超声点聚焦/ 发散表面波探头中接收线圈所捕获的微弱电信号经过多级滤波放大，并通过模数转换为数字信号，送入LabVIEW软件检测界面中；和/或

所述阻抗匹配网络一方面用于实现电磁超声表面波探头中激励线圈与脉冲功率放大器输出阻抗之间的阻抗匹配，将激励功率最大化地转移至激励线圈；另一方面可以解决电磁超声点聚焦/发散表面波探头中接收线圈与前置放大器输入阻抗之间的阻抗差异问题，实现接收线圈捕获的微弱感生功率能最大化地转移至前置放大器，最终提高电磁超声表面波探头的换能效率。

进一步地，所述LabVIEW软件检测界面主要功能包括：1)、电磁超声激励参数调整，所述电磁超声激励参数包括电流幅值、频率、持续时间、触发间隔；2)、电磁超声接收参数调整，所述电磁超声接收参数调整包括增益倍数、滤波参数、平均次数；3)、电磁超声探头的行走与旋转动作；4)、超声回波数据的记录与分析，缺陷的定量与定位分析。

进一步地，在所述LabVIEW检测界面中，通过RS232串口总线，控制信号发生器生成持续时间和周期数可调的正弦脉冲串，经过脉冲功率放大器可以产生放大以后的大幅值脉冲激励电流，并通过阻抗匹配网络，送入电磁超声表面波探头中的激励线圈；电磁超声点聚焦/ 发散表面波探头的激励部分在洛伦兹力和磁致伸缩效应的共同作用下，在钢轨踏面上激发出点聚焦/发散表面波，并沿着钢轨的长度方向进行传播；当遇到微小缺陷或裂纹时，将会反射得到缺陷回波；当缺陷回波到达电磁超声表面波探头的接收线圈正下方，根据逆洛伦兹力和逆磁致伸缩效应，将在电磁超声点聚焦/发散表面波探头的接收部分感应出微弱的感生电压信号；感生电压信号经过前置放大器和二级滤波放大电路的滤波、放大后，将得到在数据采集卡的量程之内的、信噪比较高的电压信号，再经过数据采集卡的模数转换功能，转换为数字信号，并通过NET或PCI-E传输总线，送入LabVIEW软件界面中进行信号的分析和处理。

进一步地，通过调整曲折线圈相邻导线间距d，可以激励出不同频率f的点聚焦/发散表面波，其中d和f需要满足：d＝c_s/2f，式中c_s表示钢轨踏面的表面波声速；和/或，

通过调整电磁超声点聚焦/发散表面波探头的激励线圈的圆弧角α和接收线圈的圆弧角β及其圆弧曲折线圈的半径，可以改变点聚焦/发散表面波的声压分布。

进一步地，通过圆弧形曲折线圈沿着中心轴旋转，并在钢轨踏面产生不同方向的超声声束，可以实现不同区域的微小缺陷和不同取向裂纹的检测；同一个圆弧形曲折线圈EMAT既可以产生点聚焦表面波实现微小缺陷的检测，也可以产生发散的表面波，以实现踏面两侧直裂纹/斜裂纹的检测；根据踏面斜裂纹的最大回波幅值所对应的电磁超声探头旋转角度，确定裂纹的倾斜角。

进一步地，所述电磁超声点聚焦/发散表面波探头包括如下结构：不锈钢外壳主要用于保护探头内部的永磁体、曲折线圈等结构，以及屏蔽外部环境的电磁干扰信号；步进电机通过旋转杆和弹性保持板与圆弧曲折线圈相连，所述圆弧曲折线圈上方为柔性支撑结构，用于施加一定的压力保证圆弧形曲折线圈与钢轨的复杂踏面相互贴合；所述圆弧形曲折线圈下方为柔性耐磨层；在所述电磁超声点聚焦/发散表面波探头中安装滚动轴承，用于保证探头与钢轨踏面之间存在0.5-1mm提离。

一种采用上述装置的检测方法，包括如下步骤：

步骤一：LabVIEW软件检测界面控制信号发生器产生频率/周期数/重复频率可调的正弦脉冲串，并通过脉冲功率放大器的放大作用得到大功率射频脉冲电流；

步骤二：电磁超声点聚焦/发散表面波探头中的激励线圈在大功率射频脉冲电流的作用下，根据洛伦兹力和磁致伸缩效应，在钢轨表面上产生点聚焦/发散表面波；

步骤三：点聚焦/发散表面波在钢轨踏面中传播，当遇到微小缺陷或踏面两侧裂纹时，将产生缺陷回波，并被电磁超声点聚焦/发散表面波探头中的接收线圈获取，转为感生电压信号；通过LabVIEW软件检测界面控制前置放大器和二级放大电路的增益倍数和滤波参数，将微弱感生电压信号进行滤波和放大，并经过数据采集卡的模数转换，送入LabVIEW软件检测界面中；

步骤四：LabVIEW软件检测界面发出运动指令，通过运动控制器驱动机械旋转装置，带动电磁超声点聚焦/发散表面波探头中的圆弧曲折线圈沿中心轴进行旋转，并实时记录不同旋转角度时对应的超声回波信号；

步骤五：将最大超声回波幅值对应的缺陷回波的飞行时间t进行定位分析，根据公式 L＝c_s*t/2算缺陷到试样表面的距离L，其中c_s为钢轨表面波声速；将最大超声回波幅值对应的缺陷回波幅值进行定位分析，与事先预知的圆孔或裂纹进行缺陷回波信号对比，确定缺陷的当量大小；

步骤六：LabVIEW软件检测界面发出运动指令，通过运动控制器驱动机械行走装置，带动电磁超声点聚焦/发散表面波探头沿钢轨长度方向运动至预定位置，再重复步骤一至步骤五，直至完成全部钢轨踏面的检测。

本发明专利所产生的技术效果。

通过采用非接触电磁耦合的方式在钢轨踏面上产生点聚焦/发散表面波，并实现点聚焦/ 发散表面波声束主轴的旋转，根据缺陷主反射面时对应的超声回波幅值最高这一特性，来确定微小缺陷或者踏面两侧裂纹的主反射面。该技术在实现在线自动化检测的同时，可以实现微小缺陷包括斜裂纹的准确定量检测，以及实现裂纹倾角的有效检测。

本发明为用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波方法及其装置，可以用于钢轨踏面的快速在线检测，并采用圆弧形曲折线圈以非接触、无耦合的方式产生点聚焦/ 发散表面波，采用数字信号处理技术和自动控制技术，实现在检测过程中实时调整表面波的声束轴线指向，找到微小缺陷或裂纹的主反射面，可以用于精确地测定钢轨踏面不同倾角裂纹的当量大小和位置。

附图说明

图1为本发明的硬件原理框图。

图2为基于洛伦兹力的电磁超声表面波的换能原理。

图3为基于磁致伸缩效应的电磁超声表面波的换能原理。

图4为圆弧形曲折线圈示意图。

图5为圆弧形曲折线圈电磁超声探头产生点聚焦表面波检测钢轨踏面的微小缺陷示意图。

图6为圆弧形曲折线圈电磁超声探头产生发散表面波检测钢轨踏面两侧直裂纹和斜裂纹示意图。

图7为圆弧形曲折线圈电磁超声探头沿中心旋转并检测不同取向裂纹示意图。

图8为电磁超声探头检测有缺陷时的波形示意图。

图9为电磁超声探头结构示意图。

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所示，本发明的钢轨缺陷检测装置是由非接触电磁超声表面波探头、信号发生器、脉冲功率放大器、前置放大器、二级滤波放大电路、数据采集卡、装有电磁超声检测界面的中央处理***、机械行走/旋转装置和运动控制器组成。

在LabVIEW检测界面中，通过RS232串口总线，控制信号发生器生成持续时间和周期数可调的正弦脉冲串，经过脉冲功率放大器可以产生放大以后的大幅值脉冲激励电流，并通过阻抗匹配网络，送入电磁超声表面波探头中的激励线圈。电磁超声表面波探头的激励部分在洛伦兹力和磁致伸缩效应的共同作用下，在钢轨踏面上激发出点聚焦/发散表面波，并沿着钢轨的长度方向进行传播。当遇到微小缺陷或裂纹时，将会反射得到缺陷回波。当缺陷回波到达电磁超声表面波探头的接收线圈正下方，根据逆洛伦兹力和逆磁致伸缩效应，将在电磁超声表面波的接收部分感应出微弱的感生电压信号。感生电压信号经过前置放大器和二级滤波放大电路的滤波、放大后，将得到在数据采集卡的量程之内的、信噪比较高的电压信号，再经过数据采集卡的模数转换功能，转换为数字信号，并通过NET或PCI-E传输总线，送入 LabVIEW软件界面中进行信号的分析和处理。

如图4所示，通过调整曲折线圈相邻导线间距d，可以激励出不同频率f的点聚焦/发散表面波，其中d和f需要满足：d＝c_s/2f，式中c_s表示钢轨踏面的表面波声速。当钢轨踏面表面波声速为2900m/s时，0.5MHz表面波对应的线圈导线间距d为2.9mm，0.3MHz表面波对应的线圈间距d约为4.83mm。圆弧形曲折线圈主要采用柔性FPC技术制造，基板厚度可以为0.1-0.3mm，导线高度为1-2盎司。通过调整激励线圈的圆弧角α和接收线圈的圆弧角β及其圆弧曲折线圈的半径，可以改变点聚焦/发散表面波的声压分布。通常情况下，β角略大于α角1-2°。

如图7所示，通过控制步进电机带动圆弧形曲折线圈，使其沿着中心轴旋转，并在钢轨踏面产生不同方向的超声声束，可以实现不同区域的微小缺陷和不同取向裂纹的检测。同一个圆弧形曲折线圈EMAT既可以产生点聚焦表面波实现微小缺陷(例如踏面中部区域以下浅层表面的微小核伤/内部裂纹)的检测，也可以产生发散的表面波，以实现踏面两侧直裂纹/斜裂纹的检测。根据踏面斜裂纹的最大回波幅值所对应的电磁超声探头旋转角度，确定裂纹的倾斜角。

如图8所示，若钢轨踏面存在缺陷，在钢轨端面回波之前会出现缺陷回波，根据回波的波高、波形等信息判断出缺陷的位置和大小。

如图9所示，不锈钢外壳主要用于保护探头内部的永磁体、曲折线圈等结构，以及屏蔽外部环境的电磁干扰信号。步进电机通过旋转杆和弹性保持板与圆弧曲折线圈相连，上方为柔性支撑结构，用于施加一定的压力保证圆弧形曲折线圈与钢轨的复杂踏面相互贴合。圆弧形曲折线圈下方为特定硬度的柔性耐磨层，避免曲折线圈与钢轨踏面的直接接触摩擦，造成曲折线圈急剧磨损，而导致提前失效。在电磁超声表面波探头中安装滚动轴承，用于保证探头与钢轨踏面之间存在0.5-1mm提离。

本发明中，电磁超声探头主要基于洛伦兹力和磁致伸缩机理设计。探头中的圆弧形曲折线圈采用柔性FPC技术制造，在微小外力作用下，可以与复杂的钢轨踏面完美贴合。探头中的永磁铁采用牌号为N35-N52、沿垂直方向充磁的方形铷铁硼，宽度为60-80mm，长度为 80-100mm，高度为20-40mm。以0.45MHz表面波为例，激励线圈最短圆弧对应的半径为74mm，圆弧角为20°；接收线圈最短圆弧对应的半径为120mm，圆弧角为26°。激励线圈和接收线圈匝数均为10匝。在激励线圈和接收线圈的正上方放置铜板，板厚为0.45MHz对应的铜材料集肤深度的1-2倍。铜板面积足以覆盖整个激励线圈或接收线圈，主要用于避免在永磁体中产生的表面波所引起的噪音，用于提高钢轨踏面中表面波信号的信噪比。

在电磁超声表面波探头的激励部分通过频率为0.1MHz-0.5MHz、周期数为5-10、幅值为 10-100A的正弦脉冲串激励电流。在铁磁性金属材料中，圆弧形曲折线圈电磁超声探头主要存在洛伦兹力和磁致伸缩效应。钢轨踏面表面质点在洛伦兹力和磁致伸缩应变的作用下产生高频振动并以表面波的形式沿着钢轨表面传播。当表面波遇到踏面缺陷，将与缺陷发生散射和波形转换，通过对超声回波的幅值、飞行时间以及波包形态、数量等时频特征的分析，可以确定缺陷的位移、大小和性质。上述功能的实现可以借助LabVIEW软件界面中的算法实现。

同一圆弧形曲折线圈EMAT可以产生点聚焦表面波，实现踏面中部区域以下浅层表面的微小核伤/内部裂纹的检测，也可以产生发散表面波，以实现踏面两侧直裂纹/斜裂纹的检测。

电磁超声表面波探头沿着钢轨踏面的长度方向进行扫查，在行进过程中，通过控制步进电机带动圆弧形曲折线圈，使其沿着中心轴旋转，并在钢轨踏面产生不同方向的超声波声束，可以实现不同区域的微小缺陷和不同取向裂纹的检测。当裂纹的倾角与超声波声束中心轴垂直时，裂纹对应的回波幅值达到最大，由此可以根据踏面斜裂纹的最大回波幅值所对应的电磁超声探头旋转角度，确定裂纹的倾斜角。

钢轨踏面电磁超声表面波探头的配置形式如图9所示。

基于洛伦兹力机理的电磁超声点聚焦/发散表面波的换能机理如图2所示。当电磁超声探头中的激励线圈在高频大电流的作用下，在钢轨踏面表面形成脉冲涡流J_e，在永磁体提供的垂直偏置磁场B_s的作用下，产生洛伦兹力f_L。

基于磁致伸缩机理的电磁超声点聚焦/发散表面波的换能机理如图3所示。通以高频大电流的激励线圈在试样表面形成动态磁场H_d，并在与永磁体提供的静态磁场H_s共同作用下，产生周期性的拉伸和收缩变形，即磁致伸缩应变ε_d。钢轨踏面表面质点在洛伦兹力和磁致伸缩应变的作用下产生表面波，并沿着钢轨表面传播。表面波沿钢轨踏面传播，遇到缺陷后，会发生反射形成缺陷回波。根据逆洛伦兹力或逆磁致伸缩效应，反射回来的超声波在钢轨踏面振动，引起周围磁场的变化，在线圈中感生出电压信号，并作为超声波信号被接收。

电磁超声表面波探头中的圆弧形曲折线圈主要设计参数如图4所示。通过调整曲折线圈导线间距d，利用超声波的相长干涉，可以激发不同频率的表面波。采用激励线圈和接收线圈分离的方式，一方面可以减小脉冲功放自带电噪音对接收线圈的影响，另一方面可以减小激励线圈的阻抗和提高接收线圈的阻抗，可以尽可能增强电磁超声探头的换能效率。

如图5和图6所示，圆弧性曲折线圈在一侧可以形成点聚焦表面波，在另一侧则可以形成发散表面波。通过调整激励线圈的圆弧角α和接收线圈的圆弧角β及其圆弧曲折线圈的半径，可以改变点聚焦表面波和发散表面波的声压分布特性。减小激励线圈和接收线圈的圆弧角以及增大圆弧形曲折线圈的半径，可以增加表面波的有效检测范围，但是缺陷的检测灵敏度将降低；增加激励线圈和接收线圈的圆弧角以及减小圆弧形曲折线圈的半径，可以减小表面波的有效检测范围，但可以提高缺陷的检测灵敏度。

如图7所示，当电磁超声表面波探头中的圆弧形线圈在步进电机的带动下旋转时，点聚焦/发散表面波的声速主轴也将发生偏转，当超声波声束中心与微小缺陷的主反射面垂直时，或者与斜裂纹的主反射面垂直时，缺陷回波的幅值将达到最大。由于超声检测中，通常以缺陷的最大反射波幅值作为缺陷定量分析的依据。因此，上述方法可以实现在线自动化检测时，实现微小缺陷包括斜裂纹的准确定量检测，以及实现裂纹倾角的有效检测。

根据逆洛伦兹力机理和逆磁致伸缩机理，当表面波遇到端面或者微小裂纹时，将返回超声回波，可以被电磁超声表面波探头中的接收线圈接收到，经过几次放大滤波后，通过数据采集卡输入到计算机中，通过LabVIEW软件中的信号分析处理模块，获取发射信号和缺陷回波信号的时间差t。则被测试样中缺陷离上表面的距离L为L＝c_s*t/2，从而完成缺陷的定位分析。将缺陷回波幅值与预制不同缺陷对比试样的缺陷回波幅值对比，可以完成缺陷的定量分析。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (7)

1.一种用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，其特征在于，包括：电磁超声点聚焦/发散表面波探头、阻抗匹配网络、脉冲功率放大器、信号发生器、前置放大器、二级滤波放大电路、数据采集卡、LabVIEW软件检测界面、运动控制器、机械行走/旋转装置；

所述电磁超声点聚焦/发散表面波探头，采用圆弧曲折线圈与垂直充磁的永磁体组合使用的方式，不仅可以产生聚焦的表面波，还可以产生发散表面波；

所述运动控制器和机械行走/旋转装置，一方面可以实现电磁超声点聚焦/发散表面波探头在钢轨踏面的自动行走；另外一方面可以实现所述电磁超声点聚焦/发散表面波探头圆弧形曲折线圈在检测过程中沿中心旋转运动，并将旋转角度信息实时反馈给LabVIEW软件检测界面；

通过圆弧形曲折线圈沿着中心轴旋转，并在钢轨踏面产生不同方向的超声声束，可以实现不同区域的微小缺陷和不同取向裂纹的检测；同一个圆弧形曲折线圈EMAT既可以产生点聚焦表面波实现微小缺陷的检测，也可以产生发散的表面波，以实现踏面两侧直裂纹/斜裂纹的检测；当表面波的主声束与缺陷的主反射面垂直时，可以获取最大回波幅值，根据踏面斜裂纹的最大回波幅值所对应的电磁超声探头旋转角度，确定裂纹的倾斜角。

2.如权利要求1所述的用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，其特征在于，所述脉冲功率放大器和信号发生器配合使用，可以为电磁超声探头提供瞬态功率达5KW-15KW的射频电流，驱动电磁超声点聚焦/发散表面波探头中的激励线圈并在钢轨踏面中激发点聚焦/发散表面波；和/或，

所述前置放大器、二级滤波放大电路和数据采集卡配合使用，可以将电磁超声点聚焦/发散表面波探头中接收线圈所捕获的微弱电信号经过多级滤波放大，并通过模数转换为数字信号，送入LabVIEW软件检测界面中；和/或

所述阻抗匹配网络一方面用于实现电磁超声表面波探头中激励线圈与脉冲功率放大器输出阻抗之间的阻抗匹配，将激励功率最大化地转移至激励线圈；另一方面可以解决电磁超声点聚焦/发散表面波探头中接收线圈与前置放大器输入阻抗之间的阻抗差异问题，实现接收线圈捕获的微弱感生功率能最大化地转移至前置放大器，最终提高电磁超声表面波探头的换能效率。

3.如权利要求1所述的用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，其特征在于，所述LabVIEW软件检测界面主要功能包括：1)、电磁超声激励参数调整，所述电磁超声激励参数包括电流幅值、频率、持续时间、触发间隔；2)、电磁超声接收参数调整，所述电磁超声接收参数调整包括增益倍数、滤波参数、平均次数；3)、电磁超声探头的行走与旋转动作；4)、超声回波数据的记录与分析，缺陷的定量与定位分析。

4.如权利要求1所述的用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，其特征在于，在所述LabVIEW检测界面中，通过RS232串口总线，控制信号发生器生成持续时间和周期数可调的正弦脉冲串，经过脉冲功率放大器可以产生放大以后的大幅值脉冲激励电流，并通过阻抗匹配网络，送入电磁超声表面波探头中的激励线圈；电磁超声点聚焦/发散表面波探头的激励部分在洛伦兹力和磁致伸缩效应的共同作用下，在钢轨踏面上激发出点聚焦/发散表面波，并沿着钢轨的长度方向进行传播；当遇到微小缺陷或裂纹时，将会反射得到缺陷回波；当缺陷回波到达电磁超声表面波探头的接收线圈正下方，根据逆洛伦兹力和逆磁致伸缩效应，将在电磁超声点聚焦/发散表面波探头的接收部分感应出微弱的感生电压信号；感生电压信号经过前置放大器和二级滤波放大电路的滤波、放大后，将得到在数据采集卡的量程之内的、信噪比较高的电压信号，再经过数据采集卡的模数转换功能，转换为数字信号，并通过NET或PCI-E传输总线，送入LabVIEW软件界面中进行信号的分析和处理。

5.如权利要求1所述的用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，其特征在于，通过调整曲折线圈相邻导线间距d，可以激励出不同频率f的点聚焦/发散表面波，其中d和f需要满足：d＝cs/2f，式中cs表示钢轨踏面的表面波声速；和/或，

通过调整电磁超声点聚焦/发散表面波探头的激励线圈的圆弧角α和接收线圈的圆弧角β及其圆弧曲折线圈的半径，可以改变点聚焦/发散表面波的声压分布。

6.如权利要求1所述的用于钢轨踏面快速在线检测的电磁超声点聚焦/发散表面波装置，其特征在于，所述电磁超声点聚焦/发散表面波探头包括如下结构：不锈钢外壳主要用于保护探头内部的永磁体、曲折线圈结构，以及屏蔽外部环境的电磁干扰信号；步进电机通过旋转杆和弹性保持板与圆弧曲折线圈相连，所述圆弧曲折线圈上方为柔性支撑结构，用于施加一定的压力保证圆弧形曲折线圈与钢轨的复杂踏面相互贴合；所述圆弧形曲折线圈下方为柔性耐磨层；在所述电磁超声点聚焦/发散表面波探头中安装滚动轴承，用于保证探头与钢轨踏面之间存在0.5-1mm提离。

7.一种采用如上述权利要求1-6所述装置的检测方法，包括如下步骤：

步骤一：LabVIEW软件检测界面控制信号发生器产生频率/周期数/重复频率可调的正弦脉冲串，并通过脉冲功率放大器的放大作用得到大功率射频脉冲电流；

步骤二：电磁超声点聚焦/发散表面波探头中的激励线圈在大功率射频脉冲电流的作用下，根据洛伦兹力和磁致伸缩效应，在钢轨表面上产生点聚焦/发散表面波；

步骤三：点聚焦/发散表面波在钢轨踏面中传播，当遇到微小缺陷或踏面两侧裂纹时，将产生缺陷回波，并被电磁超声点聚焦/发散表面波探头中的接收线圈获取，转为感生电压信号；通过LabVIEW软件检测界面控制前置放大器和二级放大电路的增益倍数和滤波参数，将微弱感生电压信号进行滤波和放大，并经过数据采集卡的模数转换，送入LabVIEW软件检测界面中；

步骤四：LabVIEW软件检测界面发出运动指令，通过运动控制器驱动机械旋转装置，带动电磁超声点聚焦/发散表面波探头中的圆弧曲折线圈沿中心轴进行旋转，并实时记录不同旋转角度时对应的超声回波信号；

步骤五：将最大超声回波幅值对应的缺陷回波的飞行时间t进行定位分析，根据公式L＝c_s*t/2算缺陷到试样表面的距离L，其中c_s为钢轨表面波声速；将最大超声回波幅值对应的缺陷回波幅值进行定位分析，与事先预知的圆孔或裂纹进行缺陷回波信号对比，确定缺陷的当量大小；

步骤六：LabVIEW软件检测界面发出运动指令，通过运动控制器驱动机械行走装置，带动电磁超声点聚焦/发散表面波探头沿钢轨长度方向运动至预定位置，再重复步骤一至步骤五，直至完成全部钢轨踏面的检测。

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