CN110907363A - 基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***，具有接触线跟随装置和激光超声检测装置；接触线跟随装置包括升降弓、传动机构和半剖面腔体；升降弓安装置于检测列车车顶，升降弓的两侧通过对应的两组相同的传动机构与半剖面腔体连接；激光超声检测装置安装于半剖面腔体内，激光超声检测装置包含控制处理单元、激光超声激发装置和超声接收装置；激光超声激发装置和超声接收装置安装于激光超声检测调节机构上。本发明提出接触线跟随装置，解决了接触线“之”字型、非直线铺设带来的行驶中无法跟随检测的问题，接触线跟随装置结构简单，相比于电气装置，可行性可靠性强，成本更低，并可继续朝减轻重量，减小振动等方向优化，可改进空间大。

Description

基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***及检测方法

技术领域

本发明涉及激光超声波探伤领域，具体涉及一种给予高铁授电的接触线表面的疲劳 裂纹或其他可能裂纹的检测***及检测方法。

背景技术

铁路安全一直是铁路运输中最受关注的问题，尤其如今更加高速的动车与高 铁的安全问题更加引人注目。给高铁供电的接触网***中的接触线是一个很敏 感的***，其承受着高电压、大电流、高速摩擦、大悬挂张力等综合作用。在 长期运行中，在接触线的接触表面易产生疲劳裂纹或其他可能细小裂纹，裂纹 会因为张力逐渐向内延伸，严重时会导致接触线的崩断，危害行车安全，所以 加强对可能产生细微裂纹的接触线的无损探伤至关重要。

目前，已有针对铁路接触线磨损检测，其一般主要方法是通过列车顶部架 设高频摄像头对接触线拍照，然后通过算法空间模拟出接触线的完整结构，最 终比较出它的接触下表面已磨损掉的部分，判断损耗情况。而针对接触线的裂 纹检测方面，由于接触线按“之”字型悬挂列车上方空间，探伤检测时跟随困 难，且传统接触式超声探伤方法无法满足现实要求，所以现如今并未有较好的 解决方法。

高铁开通运行以来，由于弓网(受电弓与接触网)***导致的事故时有发 生。给高铁供电的接触网中的接触线是一个很敏感的***，其承受着高电压、 大电流、高速摩擦、大悬挂张力等综合作用。

目前，对于接触线多是针对磨耗方面的研究与检测，或高铁行驶与接触线 之间振动的影响。但接触线除此之外还承受大悬挂张力。高铁运行时，受电弓 与接触网之间的接触压力在100N左右，相对速度达到80m/s，长时间就会可能 存在接触线表面与内部出现肉眼可见或不可见的细微裂纹情况。在2.5万公里 的高铁里程面前，接触线存在的损伤就使得安全隐患的基数巨大，难以察觉， 维护困难。而高铁夜晚停运维护，这就让接触线的检测留存了时间与可能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种依托于接触线跟随装置，在检测车行驶的过程中，完成激光超声检测装置的激光发射头与检测探头等元件稳定跟随并无接触对准接触线，可以保持检测***能够平稳地跟随接触线，并进行检测，同 时检测接触线下表面是否存在的裂纹，以及判断裂纹的深度与角度，最终判断 危险的基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***及检测方法。

实现本发明目的的技术方案是：一种基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***， 具有接触线跟随装置和激光超声检测装置；所述接触线跟随装置包括升降弓、传动机构 和半剖面腔体；所述升降弓安装置于检测列车车顶，升降弓的两侧通过对应的两组相同的传动机构与半剖面腔体连接；所述激光超声检测装置安装于半剖面腔体内，激光超声 检测装置包含控制处理单元、激光超声激发装置和超声接收装置；所述控制处理单元位 于检测车的车厢内；所述激光超声激发装置和超声接收装置安装于激光超声检测调节机 构上。

上述技术方案所述升降弓包括悬梁长边、悬梁宽边、上臂、上导杆、下臂、下导杆、气动控制箱、升弓装置以及通过紧固件固定于检测列车车顶的底架；所述悬梁长边和悬 梁宽边组成悬梁弓头；所述下臂一端通过转轴连接底架，另一端与上臂铰接相连，下臂 上设有钢索导轨，并通过钢索导轨与升弓装置相连，下臂中设有空气管路，上端端部位 置通过软管连接至上臂中的空气管路；所述升弓装置固定在底架并带动下臂绕轴转动， 升弓装置包括升弓气源泵、气囊式气缸和导盘；所述升弓气源泵的充气口与气囊式气缸 的进气口相连；所述导盘与气囊式气缸的推杆相连，导盘和钢索导轨之间设有拉紧的用 于带动下臂绕轴向上运动进行升弓工作的钢索；所述下导杆两端分别接在上臂一端与底 架上；所述上导杆一端接下臂，另一端连接悬梁宽边；所述悬梁长边上与接触线摩擦接 触位置附有炭滑条；所述炭滑条中有接入上臂一端的空气管路的气腔，整体气路内充有 压缩空气；所述气动控制箱安装于底架上，气动控制箱的进气端通过三通接头的一个出 气口连接至升弓气源泵，出气端连接空气管路和炭滑条中的气腔，所述三通接头的另一 个出气口接气囊式气缸；所述气囊式气缸与置于气动控制箱内的快速排气阀相连接；

所述传动机构包括四副双杆传动结构，且两两分置于一侧，所述双杆传动结构的两 端分别连接悬梁宽边与半剖面腔体的外壁；每副双杆传动结构的内弯侧的中心处放置一 拉杆弹簧；

所述半剖面腔体的内侧壁前后各固定有一对倾斜设置且指向接触线中心轴线的支 撑杆，半剖面腔体底部中心处有一个矩形凹槽，其内镶嵌有激光超声检测调节机构；所述支撑杆的前端具有凹面圆桶滚轮，支撑杆的内部后端与半剖面腔体之间置有缓振弹 簧；所述凹面圆桶滚轮的凹面曲线贴合接触线的外轮廓，并与接触线滚动接触，凹面圆 桶滚轮的轮高度与悬梁长边维持在同一水平高度。

上述技术方案所述激光超声检测调节机构包括5个位置可调的滑动底座；所述滑动 底座下半部分为圆柱型，并从矩形凹槽底部的槽孔穿过，其外侧有用于与螺母配合固定的螺纹，中心有贯穿整个滑动底座且用于导线或光纤从底部穿过的圆孔，滑动底座上半 部分为“凸”字形，其台阶位置与半剖面腔体的矩形凹槽的槽口齐平；所述半剖面腔体 底部中心的矩形凹槽的槽口两侧分别固定有对应的刻有标度的尺度条，两尺度条的近半 剖面腔体中轴线端卡住滑动底座；所述滑动底座顶部平面具有标识箭头。

上述技术方案所述控制处理单元包括用于控制光纤激光器的开启与关闭，以及光纤 激光器的脉冲激光发射的各项参数的激光器控制模块；

用于对三个电磁声能检测器的传送回的数据信号进行处理，判断是否出现超过报警 阈值的缺陷以及判断是否危险的级别，并结合位置记录模块将缺陷予以定位的数据分析 模块；

所述数据分析模块包括用于接受和存储全部的电磁声能检测器的数据信号的存储 单元以及通过每个电磁声能检测器传回的数据信号进行高速运算处理，并根据运算结果 确定是否触发位置记录模块留下当前地理位置标记，以及根据裂纹幅度判定危险的级别，根据预设将高危险的裂纹幅度给出优先维修提示的运算单元的处理器；

用于显示实时的接受波形信号与地图界面的显示模块；

用于实时定位检测车当前位置的位置记录模块；

以及用于***安全与数据保护的安全保障模块；

所述激光超声激发装置包括有光纤激光器、光纤准直器与线型聚焦单元；所述光纤 激光器位置在检测车的车顶部，靠近升降弓的底架，与半剖面腔体内的光纤准直器通过光纤相连，光纤与各检测器的导线则依附在升降弓的上臂和下臂上；所述光纤准直器的 尾端嵌入固定在一个滑动底座中心的圆孔上，剩余部分置于线型聚焦台座的内部；

所述超声接受装置包括光电检测器、第一横波-电磁声能检测器、第二横波-电磁声 能检测器、声表面波-电磁声能检测器和用于采集声表面波-电磁声能检测器、第一横波-电磁声能检测器与第二横波-电磁声能检测器的信号，以及接受光电检测器的触发信号的高速数据采集器。

上述技术方案所述第三个滑动底座上安装线性聚焦台座，其余四个均固定右安装台 座；每个滑动底座的顶部均有双导轨斜槽，双导轨斜槽方向与半剖面腔体轴线方向垂直， 且双导轨斜槽与安装台座底部的内凹斜槽相吻合，且斜槽等长等宽并附有螺丝孔；所述 声表面波-电磁声能检测器、第二横波-电磁声能检测器、光电检测器和第一横波-电磁声能检测器依次安装于对应的安装台座上；所述线型聚焦单元安装于线性聚焦台座上， 且位于半剖面腔体的中心线上；所述光电检测器的方向对准激光线光源预照射在接触线 的位置，光电检测器包括光敏电阻和调制器；所述光敏电阻将探测到的待测物体表面的 微弱光信号转换为电信号；所述调制器对转换的电信号进行调制，与线光源光信号特征 相匹配，并提供给高速数据采集器一个触发信号进行数据采集，同时也提供给控制单元 的安全保障模块一个确定信号。

上述技术方案所述半剖面腔体的轴向两端均通过紧固件安装有挡风板；所述挡风板 中间的突出台前端有一对螺丝孔，其位置与半剖面腔体中心的矩形凹槽底端的突出梁上 的两螺丝孔对齐，并通过螺丝固定。

上述技术方案所述四个安装台座在半剖面腔体轴线方向垂直的两侧平面上平整，与 半剖面腔体轴线方向平行的两侧面上具有两对调节旋钮，调节旋钮内部前段为贴合并挤 压检测器的橡胶贴片；

上述技术方案所述线性聚焦台座与半剖面腔体轴线方向平行的两内壁上装导轨，且 其中一侧的两个光具座能透过槽孔并根据外侧壁上的刻度上下调节高度。

一种用于基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***的检测方法，包括以下步骤：

S1：控制处理单元的数据分析模块控制高速数据采集器只接受第一横波-电磁声能 检测器的数据信号；具体为：在激光线光源与安装在其前的第一横波-电磁声能检测器之间距离为35～60mm，当选定此范围的任一数值a时，检测车在两次脉冲间隔时间内前 进距离d’需小于或等于a，判断为不存在接触线断节漏检；当线光源扫描靠近裂纹时， 脉冲激光在物体表面激发出声波，包括声表面波、横波与纵波，此时第一横波-电磁声 能检测器的时域波形将检测到第一个波峰；声表面波经过金属表面再到达裂纹底部时， 在裂纹底部叠加并发生模式转换，一部分能量转变为衍射横波向外传播，此时激光线光 源前第一横波-电磁声能检测器将检测到第二个波峰，控制处理单元的数据分析模块判 断为裂纹后，发送信号给高速数据采集器，触发接受全部的电磁声能检测器数据信号， 以便下一次激光脉冲再激发声表面波时进一步得到具体数值，计算得出裂纹深度及取 向；同时，数据分析模块触发信号给位置记录模块，标记下此刻位置信息，待第二步再 次确认，是否存储留存信息；

S2：在满足高速数据采集器被触发接受全部的电磁声能检测器数据信号后，激光线 光源移动到裂纹处之前，光纤激光器(321)能产生下一次激光脉冲，以便能够对此裂 纹具体数据的进行再次检测的条件下，当激光线光源移动到靠近裂纹左侧位置时，激发 产生新的声波；具体为：首先，激光脉冲激发产生声表面波R，纵波L和横波S，并向 金属表面四周传播，忽略头波，此时，声表面波-电磁声能检测器检测到其将产生第一 个波峰，数据分析模块则记下此时刻的时间点为T_R0；同样，第二横波-电磁声能检测器 的时域波形也检测到第一个波峰，记录下此时刻的时间点为T_S0；

然后，声表面波R沿着金属上表面向右传播，即沿检测前进方向传播，传递到裂纹边界处时，一部分在边界处发生反射，即反射波，沿着原传播方向的反方向在上表面传 播，声表面波-电磁声能检测器将检测到第二个波峰，记下此时刻的时间点为T_R1；另一 部分沿着裂纹边界绕射，传播到裂纹的另一侧，即为透射波，可传至第一横波-电磁声 能检测器处；还有一部分沿裂纹内壁传播到裂纹底端时，在底端叠加并发生模式转换， 一部分能量以横波的形式自凹槽底端向四周传播，为声表面波模式转换而来的横波分量 SR；另一部分能量继续沿凹槽内表面以声表面波的形式传播，为声表面波分量RR；

随着超声波继续在试块内部传播，这一部分的横波SR传至试块的表面最终被第二横波-电磁声能检测器检测到第二个波峰，记下此时刻的时间点为T_S1；另外，先沿凹槽 表面继而沿金属试件表面传播的声表面波分量RR也在横波分量SR信号之后被声表面波 -电磁声能检测器检测到，产生第三个波峰，记下此时刻的时间T_R2；

当检测车继续前进，激光线光源扫在裂纹的右侧，此时，声表面波-电磁声能检测器将只检测到两个波峰，第一个为从声表面波凹槽右侧绕至左侧的透射波，第二个波峰 为从凹槽底部传回的声表面波分量RR；此种情况无法计算裂纹深度h，只可判断有无裂 纹。

S3软件计算；具体为：首先，需获得声表面波与横波在铜镁合金接触线中的传播速度，分别表示为V_R和V_S,再设从脉冲激发点传出声波开始，到凹槽底端处传回的横波分 量SR和声表面波分量RR模式的超声波到达探测点所花费的时间分别为

和

线 光源发出的激光脉冲在金属表面产生超声波的时间点为T；则

T_R＝T_R0-t_R1,T_S＝T_S0-t_S1……………(2)

由此算出脉冲激发时的时间点T，取由声表面波与横波得出的超声激发时间点的平 均值；其中t_R1、t_S1为理论上无裂纹时脉冲激发超声到声表面波-电磁声能检测器与横波-电磁声能检测器检测到第一波峰所需花费的时间，为固定值；d₁为已知的第二横波-电 磁声能检测器距激光线光源的固定距离，d₃为已知的声表面波-电磁声能检测器距第二 横波-电磁声能检测器的固定距离；此时利用声表面波的反射波接收距离不小于第一波 峰接收距离为由判断：

t₂×V_R＝d≥d₁+d₃……………(4)

其中t₂＝T_R1-T，判断此式是否满足，若是，则说明线光源在裂纹左侧或裂纹之上激发脉冲，进行下一步运算；若不是，则说明线光源在裂纹的右侧激发，此时再确定声 表面波-电磁声能检测器有两个波峰，则直接判断为存在裂纹，不进行下一步运算；

其中，等式中除d₂外，其他参数皆为已知数值，即可求出激光线光源激发脉冲的位置点距凹槽的距离d₂的数值；

由式(6)和(7)得出：

即可求出试块金属表面的裂纹的深度h；

求出凹槽底端距离声表面波-电磁声能检测器的直线距离a的数值；

表面凹槽的左边缘与金属试块上表面呈α角，

再根据三角余弦定理，则有

即可求出裂纹的取向角度α，继而判断数值的正确性与给出裂纹危险等级；

数据分析模块危险裂纹评级完成，将S1位置记录模块标记的位置信息与裂纹等级及数值存储于存储单元中，以备查看和显示模块显示。当经过两个周期脉冲内，声表面 波与两横波检测器的裂纹均为无损裂纹的波形时，数据分析模块则将再次只留有第一横 波-电磁声能检测器待机采集数据，以待下一次裂纹出现。

上述技术方案所述步骤S3具体为：当50°≤α≤140°时,各超声波分量易于辨认 且横波分量SR随α角变化而变化的特征明显，因此利用这些信号分量随α角的变化， 综合上述公式(1)至(11)，可以容易地计算出表面裂纹的取向以及深度信息；

当α>140°或α<50°，横波分量SR与RR的到达时间提取表面凹槽的角度及深度 信息将难以利用，舍弃当前计算结果α值与h值；

若检测运算出的裂纹深度与角度数值予以舍弃，但确定为裂纹的，数据分析模块给 予中度危险裂纹等级；保留裂纹运算结果的，根据裂纹深度预设划分值，给出危险度评级，且类别为单裂纹；

当存在两个及两个以上间隔毫米级以上的裂纹，声波在裂纹之间会形成多种形式的 反射、震荡、叠加的波形，明显异于单裂纹波形，不利于取值计算，但此时可确认存在 裂纹类别，此种情况给出高度危险等级，类别为多裂纹。

采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：

(1)本发明提出接触线跟随装置，解决了接触线“之”字型、非直线铺设带来的 行驶中无法跟随检测的问题。接触线跟随装置结构简单，相比于电气装置，可行性可靠 性强，成本更低，并可继续朝减轻重量，减小振动等方向优化，可改进空间大。

(2)本发明提出的激光超声检测装置依托于接触线跟随装置，解决接触线的裂纹的检测、分析、危险评估、位置记录等问题，无需过多的检测人员参与，预先设定好系 统，便可边检测车前进行驶边检测，自动化水平高，省人力。

(3)本发明激光超声检测装置的检测设计，实现在一次检测中对同一裂纹的两次检测，第一个激光脉冲激发超声后可判一段距离内是否存在裂纹，下一激光脉冲二可确 认裂纹更多信息，用于计算裂纹深度与角度，一次预判，二次确认，降低误检率，具有 更高的可靠性；并可在非多个裂纹集中出现时，可运算得出单裂纹的深度与角度，得到 有关裂纹的信息更多；而在多个裂纹集中时，毫米级间隔、较集中也可确认多裂纹，给 出高危险判断，百微米级内间隔、高度集中时，也附有调节激光线光源线宽，降低漏检 几率措施。

(4)本发明激光超声检测装置与接触线跟随装置结合，综合考虑机械与电气的安全，考略脱离跟随的安全保护，电气等问题故障安全保护，具有良好的安全性考量。

(5)本发明考虑节能措施，检测过程中，无裂纹出现时，只保留一检测器待机并 采集数据，减小存储压力与电能损耗。

(6)本发明给出激光超声检测装置的装置合理选型、且列出激光器参数、检测器位置与检测车速度之间合理搭配的区间，关系计算，可根据不同需要搭配使用，适用面 多；整个***也可满足检测车将检测速度提升到百公里每小时。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本 发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的声波检测工作过程流程图；

图2为本发明的升降弓安装位置示意图；

图3为本发明的悬梁弓头的俯视图；

图4为本发明的半剖面腔体支撑杆位置的剖面图；

图5为本发明的接触线悬挂点连接图与裂纹示意图；

图6为本发明的半剖面腔体截面图；

图7为本发明的滑块底座、安装台座与线性聚焦台座结构图；

图8为本发明的半剖面腔体结构俯视图；

图9为本发明的挡风板结构图；

图10为本发明的接触线跟随装置3D结构图与检测器安装图；

图11为本发明的冲击力-弹簧缓冲结构图；

图12为本发明的折线圈产生/检测声表面波原理图；

图13为本发明的横波检测时域波形图；

图14为本发明的金属表面声波传播过程图；

图15为本发明的声表面波检测时域波形图；

图16为本发明的裂纹参数计算简化示意图；

附图中标号为：列车101，接触线跟随装置200，接触线201，悬挂节点202，裂纹203，升降弓210、悬梁长边211、悬梁宽边212、上臂213、上导杆214、下臂215、下 导杆216、气动控制箱217、升弓装置218，底架219，传动机构220，拉杆弹簧221， 半剖面腔体230，支撑杆240，凹面圆桶滚轮241，激缓振弹簧242，激光超声检测调节 机构250，滑动底座251，螺母252，尺度条253，安装台座254，线性聚焦台座255， 挡风板260，突出台261，突出梁262，控制处理单元310，光纤激光器321，光纤准直 器322，线性聚焦单元323，光具座324，超声接收装置330，光电检测器331，第一横 波-电磁声能检测器332，第二横波-电磁声能检测器333，声表面波-电磁声能检测器 334。

具体实施方式

(实施例1)

一种基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***，具有接触线跟随装置200和激光 超声检测装置；接触线跟随装置200包括升降弓210、传动机构220和半剖面腔体230； 升降弓210安装置于检测列车101车顶，升降弓210的两侧通过对应的两组相同的传动 机构220与半剖面腔体230连接；激光超声检测装置安装于半剖面腔体230内，激光超 声检测装置包含控制处理单元310、激光超声激发装置和超声接收装置330；控制处理 单元310位于检测车的车厢内，便于操作人员的控制操作，它包括激光器控制模块、数 据分析模块、显示模块、位置记录模块以及安全保障模块。激光超声激发装置和超声接 收装置330安装于激光超声检测调节机构250上。

如图1，升降弓210结构与安装位置和控制类似高铁的受电弓，均置于列车101车顶。升降弓210整体结构，如图10，包括悬梁长边211、悬梁宽边212、上臂213、上 导杆214、下臂215、下导杆216、气动控制箱217、升弓装置218以及通过紧固件固定 于检测列车101车顶的底架219，其中悬梁长边211、悬梁宽边212与上臂213、下臂 215由较轻的铝合金材料构成。升弓装置218包含升弓气源泵、气囊式气缸和导盘，升 弓气源泵对气囊式气缸充气，气囊式气缸胀大推动导盘向其前方运动，导盘和钢索轨道 间拉紧的钢索带动下臂215绕轴向上运动，进行升弓工作；排气时，气囊式气缸回缩， 升降弓210降弓。下臂215一端连接底架219，另一端与上臂213铰接相连，而其上设 有钢索导轨，通过钢索导轨与升弓装置218相连，升弓装置218便可带动下臂215绕轴 转动；下臂215中还设有空气管路，端末通过软管连接至上臂213中的空气管路，整体 作为自动降弓装置的气路。下导杆216两端分别接在上臂213一端与底架219上，用于 调整最大升弓高度。上导杆214一端接下臂215，另一端接悬梁宽边212，用于调整悬 梁在运动时均处于水平位置。悬梁长边211上与接触线201摩擦接触部分附有炭滑条， 炭滑条中有气腔，接入上臂213一端的空气管路，整体气路内充有压缩空气，若炭滑条 磨损到限或断裂，自动降弓装置工作，迅速降弓。

自动降弓装置主要由气动控制箱217、碳滑块和相应的空气路管组成，升弓气源经过三通接头，一路进气囊式气缸供升弓使用，另一路进气动控制箱217，从气动控制箱 217出来后，进入空气路管和炭滑条内的气腔，当滑条磨损到限或断裂漏气、或撞击导 致气路内的气压下降，自动降弓装置被触发，气动控制箱217内的快速排气阀工作，将 升弓装置218的气囊式气缸内空气迅速排出，升降弓210便依靠自重脱离接触，保护设 备安全。

同时可触发快速排气阀工作的还有半剖面腔体230脱离跟随时的保护机制，此部分 是为检测半剖面腔体230是否发生离跟随接触线的情况。

为缓冲运行时的冲击力，参考图10，悬梁宽边212与悬梁长边211连接的四角处均设有横向弹簧(悬梁宽边方向)，如图11中(a)；悬梁宽边212中间底部轴座与上臂213 通过转动轴连接，上臂213端末连接在转动轴外的轴承外圈上，两条上臂213端末的宽 轴承一端与悬梁宽边212中间底部轴座之间设有纵向弹簧(悬梁长边方向)，如图11中 (b)；此两处结构使滑条在检测车运行方向上移动灵活，而且能够缓冲各方向上的冲击 力，以维持接触线跟随装置200的平稳跟随。

升降弓210的悬梁宽边212通过传动机构220与半剖面腔体230连接。传动机构220包括四副双杆传动结构，两两分置于一侧，连接悬梁宽边212与半剖面腔体230的外壁。 另外，每副双杆内弯侧的中心处，放置一拉杆弹簧221，见图3与图10，使半剖面腔体 230灵活跟随摆动时能够具有快速回位功能，停止工作时由于四个拉杆弹簧221平均作 用，半剖面腔体230也可回归中间初始位置。除此之外，拉杆弹簧221也可以抵消一部 分传动机构220来回惯性摆动与不必要的晃动。为保证跟随机构整体的灵活性，传动机 构220与230半剖面腔体可使用质量轻、韧性好、强度高的其他非金属材料制成。

半剖面腔体230的内固定四个支撑杆240，如图4支撑杆截面图，其前端为凹面圆桶滚轮241，凹面曲线贴合接触线201外轮廓，与接触线201在列车行驶时滚动接触， 采用绝缘橡胶材料，也可减小一部分接触转向时的冲击力。支撑杆240位置分别位于半 剖面腔体230内侧壁前后各一对，且斜向下45°或其他合适角度对准于接触线201中心 轴线，达到不刮蹭接触线201上部悬挂节点202，如图5。另外，支撑杆3内部后端与 半剖面腔体230之间置有缓振弹簧242，给予支撑杆240前段滚轮跟随接触线201在行 驶时时的一个力的缓冲。此外，支撑杆240顶端的凹面圆桶滚轮241的轮高度与悬梁长 边211维持在同一水平高度。综上，综合减小检测车行进时对跟随装置带来的在水平与 垂直方向上的扰动。

如图4中，半剖面腔体230底部中心处有一个矩形凹槽，如图6，半剖面腔体轴线 方向(长度方向)剖面图，其内镶嵌5个滑动底座251。滑动底座251下半部分为圆柱 型，从矩形凹槽底部的槽孔穿过，其外侧有螺纹，中心有圆孔。圆孔贯穿整个滑动底座， 用于导线或光纤从底部穿过；外侧螺纹用于与螺母252配合使用，从而固定滑动底座251。而滑动底座251上半部分为“凸”字型，如图4以及图7的(a)、(b)，其在半剖 面腔体230截面方向上等齐平整，在轴线方向上两侧向内收缩。收缩部分的距离则被倒 梯形的尺度条253的下边所遮盖阻挡，且两个尺度条253各固定于半剖面腔体230底部 中心的矩形凹槽顶部两侧，由此可卡住滑动底座251。另外，参考图8可见，尺度条253 倒梯形的上边刻有标度，与滑动底座251顶部平面的标识箭头配合使用，便可显示每个 滑动底座251所在位置与彼此之间的距离。

此外，图7中(a)、(b)、(d)与(e)，每个滑动底座251的顶部均有双导轨斜槽， 斜槽方向与半剖面腔体230轴线方向垂直。此斜槽与安装台座254底部的内凹斜槽相吻 合，且斜槽等长等宽并附有螺丝孔，便于安装固定。四个安装台座254，在半剖面腔体 230轴线方向垂直的两侧平面上平整，另两侧平面上则附有两对四个调节旋钮，旋钮内 部前段为不同形状橡胶贴片，贴合检测器并不损坏，外部为旋钮，旋转推进，挤压固定 内部需要安装的检测器。如图7中(c)，线性聚焦台座255，其与四个安装台座254大 小、结构相似，不同之处在于：一、壁厚加强，二、与半剖面腔体230轴线方向平行的 两侧面上的两对调节旋钮，改为两内壁加装导轨，且其中一侧两光具座324透过槽孔， 可在外侧壁处，根据刻度上下调节高度。

五个滑动底座251、螺母252、尺度条253、四个安装台座254与一个线性聚焦台座255构成激光超声检测调节机制250。图6,五个滑动底座251从左至右，除第三个安装 线性聚焦台座255外，其他四个皆固定安装台座254；在安装台座254或线性聚焦台座 255之上，从左至右则分别安装声表面波-电磁声能检测器334、第二横波-电磁声能检 测器333、线性聚焦单元323、光电检测331、第一横波-电磁声能检测器332，如图10。 且从左至右即为检测方向。

图9(a)、(b)分别为挡风板260的截面图和俯视图，其宽度与半剖面腔体230等 宽，高度下可覆盖旋紧的螺母252，上至支撑杆240的凹面圆桶滚轮241的底端。挡风 板260中间的突出台261前端有一对螺丝孔，其位置与半剖面腔体230中心的矩形凹槽 底端的突出梁262上的两螺丝孔对齐，通过螺丝固定在半剖面腔体230的前后，如图3 中挡风板260所在位置所示，突出梁262请参见图6与图8。

激光的功率密度I必须达到一定值才能在材料中激发出可检测的声波动，即温度升 高导致局部热膨胀产生的样品局部可检测应变，这时的I值称之为起始阈值。伴随着可检测声震动的激发，I值增加导致晶格动能增加，但还在样品的弹性限度之内的，均称 之为热弹机制激发超声。再继续增加I值，以至晶格动能超出弹性限度时，样品被照射 处出现熔融和溶蚀现象，并伴有等离子体飞出等现象的，称之融蚀机制激发超声。此时 材料表面由于吸收激光温度骤升至融点，造成材料表面产生轻微的损伤，应当避免。

对金属来说，一般区分两种机制的材料吸收激光功率密度的阈值约为10MW/cm ²。起始阈值I一般在WM/cm²量级，使样品融蚀的激光临界I0值叫做融蚀阈值，一般为几 十WM/cm²或更高，并且与材料性质和光波长有关。

将激光激发超声控制在热弹机制内时，其过程为：当功率密度I在热弹范围内的激光照射金属表面时，一部分光能被反射，一部分被吸收(一般金属材料吸收激光的比例 很低)。若吸收的光脉冲能全部变成热脉冲(又称热波)，使表面局域温度升高。在金属 材料中用激光照射局部加热约400ns后，热波就消失了。热脉冲的到达速率小于1MHz， 故可认为热波与声波是独立的。

而金属吸收光脉冲变为的热波又分为两方面。一方面，由于样品的热导性使热能向 其他部份传播。随着频率f的增加，热传递速度比声波速度小得多，因而对纳秒量级尤其是皮秒量级的脉冲激光激发超声时，热导性可忽略不记。另一方面，在温升处因热膨 胀而产生应变应力场，导致材料局部发生快速热膨胀，产生宽带超声波。

但热弹机制下激发超声信号的幅值较低，检测信噪比差，常通过脉冲激光的空间调 制来提高信噪比。因而可通过将激光点光源调制成线光源，利用线源产生的信号幅度相比于利用点源,在激光入射能量相同的前提下要强得多(大约强5～10倍)。同时由于线 源的能量沿线长方向分布，且在线源条件下近场区的声表面波振幅随接收距离的增大而 衰减很小，因而这样既降低了能量密度，又可以增大扫描范围。另外在近场范围内，使 用线光源激发超声波无需考虑探测位置对信号幅度的影响。

其次，激光超声检测装置的安装位置与工作模式如下：

如图7中的(a)与(c)，光纤准直器322出射圆形光斑，光照比较均匀、准直， 可调节光照面积大小，圆形光斑直径要求范围0.6～2.5mm。线型聚焦单元323包括一对 柱面透镜，两透镜轴线相互垂直放置，前一柱面透镜轴线与光轴(光纤准直器322出射 光方向)重合，光线沿光轴入射，后一透镜为凹柱面镜，凹面朝里(朝下)，其凹柱面 镜的轴线平行于接触线201横截面也垂直于光轴，两柱面镜固定于两光具座324上，垂 直方向上微调距离。两者位置关系为，光纤准直器322的尾端嵌入固定在一个滑动底座 251中心的圆孔上，剩余部分置于线型聚焦台座255的内部，调节好圆形光斑直径后， 另需要求光纤准直器322的顶端贴合柱面透镜的底端。而线型聚焦台座255位于图6中 从左至右的第三个滑动底座251上。

激光经线型聚焦单元323可调节线长为5～10mm，线宽仍为0.6～2.5mm的线光源，线长方向仍呈高斯分布，其线长中心对准接触线201底部中心位置，方向平行于接触线 201横截面。

光纤激光器321位置在检测车的车顶部，靠近升降弓210的底架219，与半剖面腔体230内的光纤准直器322通过光纤相连，光纤与各检测器的导线则依附在升降弓210 的上臂213和下臂215上；

光纤激光器321为脉冲光纤激光器的一种，可选调Q光纤激光器(脉冲宽度为ns量级)。其包括机体与光纤，机体安装于检测车车顶或其他车***置，使其平稳不晃动， 光纤紧贴着升降弓210的上下臂，最终穿过螺母252、半剖面腔体230底槽孔与滑动底 座251，连接光纤准直器322上。光纤激光器321的单脉冲能量为0.1～50mJ，重复频 率100～5kHz，波长可为S-波段(1460～1530nm)或C-波段(1530～1565nm)，本实例可 选1.4um，脉宽为纳秒级，约2～80ns之间。经光纤与线型聚焦单元323的空间调制得 到的线光源，激励超声表面波带宽在0.5～5MHz之间，主声束可以以一定的半扩散角沿 物体表面纵向传播，当传播一定距离后，其主声束即可横向全覆盖整个待测物体表面。 此外，光纤选取适当长度，满足升降弓210的升降使用与半剖面腔体230的水平摆动跟 随。另外，光纤外层覆保护层，保证弯曲度与韧性度，耐用。

光电检测器331安装于光纤准直器322前的安装台座254内，也位于半剖面腔体230内的中心线上，方向对准激光线光源预照射在接触线201的位置，可通过安装台座254 的两侧四个调节旋钮来调节探头需要角度，不同形状的橡胶贴片进一步固定。

光电检测器331包括高灵敏度的光敏电阻以及调制器，光敏电阻将探测到的待测物 体表面的微弱光信号转换为电信号，调至器对转换的电信号进行调制，与线光源光信号特征相匹配，提供高速数据采集器一个响应快、增益高、噪声小的触发信号，同时也提 供给控制处理单元310的安全保障模块一个确定信号。当安全保障模块确认***开启， 激光激发、列车运行时，光电检测器331持续1秒以上，始终未反馈回与正常在接触线201上反射得到的等同强度光信号，则控制处理单元310的安全保障模块判断激光线光 源未照射到接触线上，且半剖面腔体230脱离跟随，给出声灯警告，安全保障模块并发 送命令给升降弓210的气动控制箱，快速排气阀工作，迅速排出气囊式气缸内空气，降 下升降弓。

声表面波-电磁声能检测器334位于图6中从左至右的第一个滑动底座251上，其安装位置到激光线光源在接触线201上的照射点之间约30～80mm，可见图14。声表面 波-电磁声能检测器334可接收距离在约100mm内的在物体表面传播的声表面波，实际 保持与接触线201底面约3～10mm的间距，保持超声检测的灵敏度。它由探伤线圈、永 磁体、多级放大器、滤波检波器以及模数转换模块组成，探伤线圈、多级放大器、滤波 检波器以及模数转换模块依次电性连接。其传感探头作为检测器即为实现电磁声能换能 器EMAT产生声波的逆过程(电磁声能换能器一般是由线圈和强磁场组成，当高频电流 流过线圈时，会在导体与邻近的表面感生涡流。如果与此同时导体受到静磁场作用，则 涡流与静磁场相互作用产生洛伦兹力，也就产生了声波)。声表面波-电磁声能检测器334 的探伤线圈近距离靠近物体表面，用于探测声表面波信号；多级放大器用于对信号进行 放大；滤波检波器用于对放大后的声表面波信号进行滤波检波，滤去干扰杂波以及其他 不明显的可能检测到的纵波或横波的波形，留下声表面波特征信号。

如图12，探伤线圈采用回折形射频线圈，永磁体的磁场与物体表面平行，磁力线沿线圈切线方向，且垂直于导线，由此成为加强声表面波检测灵敏度的电磁声能换能器。 此外，检测器还包括保护外壳，声表面波-电磁声能换能器334的多级放大器、滤波检 波器以及模数转换模块等电子组件置于其中，用于屏蔽探伤过程中的电磁干扰以及防 护。

第一横波-电磁声能检测器332、第二横波-电磁声能检测器333与声表面波-电磁声 能检测器334安装位置与结构类似，位置安装在图6中从左至右的第五与第二个滑动底座251上。因激光线光源激发超声的主声束扩散至整个接触线201，需要一定距离，见 图5，接触线201横街面的面积约为150mm²，而这个距离d最小在接触线201宽度一半 以上，考虑声表面波的在有检测车行驶相反速度下的充分传播和安装间距问题，距离d 取约为接触线201宽度的14mm。所以如图14，第二横波-电磁声能检测器333安装距离 激光线光源后15～30mm处，同时也在声表面波-电磁声能检测器之前。第一横波-电磁 声能检测器332在激光线光源的前面35～60mm，此距离是考虑到激光超声检测装置需满 足检测的第一条件。而第二横波-电磁声能检测器333与声表面波-电磁声能检测器334 之间的相隔距离需要不扰乱各自的磁场，不影响检测工作。若效果不理想则可在半剖面 腔体230内的这两个声波检测器之间加上片金属薄片，用于隔绝检测器之间的电磁干扰。 第一横波-电磁声能检测器332和第二横波-电磁声能检测器333两者也均包含探伤线 圈、永磁体、多级放大器、滤波检波器以及模数转换模块及保护外壳，不同之处在于： 第一横波-电磁声能检测器332和第二横波-电磁声能检测器333的永磁体磁场垂直于物 体表面，探伤线圈为加强横波检测灵敏度的pcb蝶形线圈。各检测器的安装位置如图10。

高速数据采集器用于采集声表面波-电磁声能检测器334、第一横波-电磁声能检测 器332与第二横波-电磁声能检测器333的信号，以及接受光电检测器331的触发信号。光电探测器331检测到脉冲激光信号后产生触发高速数据采集器进行数据采集的信号。 高速数据采集器可以基于FPGA和ARM9架构实现，其最大采样速率可以达到100M SPS， 可以实现高速运动状态下信号的采集。

控制处理单元310包括激光器控制模块、数据分析模块、显示模块、位置记录模块和安全保障模块。激光器控制模块用于控制光纤激光器321的开启与关闭，以及光纤激 光器321的脉冲激光发射的各项参数。数据分析模块用于对三个电磁声能检测器的传送 回的数据信号进行处理，判断是否出现超过报警阈值的缺陷以及判断是否危险的级别， 并结合位置记录模块将缺陷予以定位；数据分析模块包括存储单元以及运算单元的处理 器，其存储单元用于接受和存储全部的电磁声能检测器的数据信号，运算单元通过每个 电磁声能检测器传回的数据信号进行高速运算处理，并根据运算结果确定是否触发位置 记录模块留下当前地理位置标记，以及根据裂纹幅度判定危险的级别，根据预设，将高 危险的裂纹幅度给出优先维修提示。具体的裂纹算法判断见下文声波检测工作过程。位 置记录模块用于实时定位检测车当前的位置，检测车启动时开启，其包括GPS或北斗导 航模块，并结合已有的铁路干线地图，给出较精确的位置标记。安全保障模块用于*** 安全与数据保护，其包括警示红灯与提示喇叭，除了判断半剖面腔体230脱离跟随，给 出声灯警告，降下升降弓210外，还保护***工作异常、死机、掉电、短路或过载等情 况数据和安全保护，数据保护可以用闪存实现数据的缓存，安全保护可以用接触器、断 路器、继电器组合完成，接触器只是控制，热继电器是通过断开接触器来实现过载保护， 断路器则是短路保护。显示模块包括液晶显示屏或示波器，用于显示实时的接受波形信 号与地图界面，当然其具体种类在发明实施例中并不作为限定。

(1)光纤激光器321重复频率f为100～5kHz，其出射的激光经空间调制为线光源，线光源的线宽Lw为0.6～2.5mm，线长Ll为5～10mm。第一横波-电磁声能换能器332 到激光线光源在接触线201上的照射点之间距离d约35～60mm。因而接触线201的裂纹 检测速度约为V＝f×d，则选取一般情况下f为1kHz，d为50mm，将带入得 1000×50×10^-3＝50m/s，约为180km/h，即检测车一般速度可达每小时百公里。实际检 测时，为尽量避免跟随结构200的传动机构220、半剖面腔体230与接触线201三者因 速度过快带来不必要的有害振动，检测车的行进需要酌情降速。

(2)目的检测主要对象为微裂纹与裂纹。金属产生裂纹有如下几种情况：微裂纹:长度小于2mm，宽度小于0.2mm；裂纹：长度2～5mm，宽度0.2～0.5mm；裂缝:长度大 于5mm，宽度大于0.5mm；开裂:全宽度上的裂缝。其中金属线产生微裂纹与裂纹的情况 出现几率较高。

目的检测主要对象——裂纹的补充范围：深度不超5mm，裂纹取向角度50° ≤α≤140°。取激光线光源的线宽为裂纹宽度的至少一倍，以便可覆盖并超过裂纹宽， 防止裂纹出现位置较密集(两裂纹间隔百微米之内)，当激光照射在第一个裂纹上方时， 有几率可以在当前裂纹的右侧(检测前进方向)及裂纹内壁，或两侧及裂纹内壁均有声 表面波，声波便可沿裂缝内壁和金属表面传播，即可检测当前裂纹，也不漏检下一个裂 纹，最终减少漏测裂纹的几率。本实施例可取线光源的线宽约1mm。线光源的线宽增加， 激发的超声信号中心频率降低，但中心频率的幅值增加，增加裂纹底端因发生模式转换 而产生的横波的可检测性，而激光线源的线长宽缩短，则可提高激发超声的频带宽度， 实际运用根据需要选取合适值。

(3)横波与声表面波在金属中传播速度约为0m/s，横波较声表面波略快一点，而纵波的速度则约是横波的两倍，约为6000m/s。例如：在金属铝中，纵波速度6010m/s， 横波速度3160m/s，声表面波速度2975m/s。因而由声表面波速度可以估算出，从线光 源到裂纹再反射回声表面波-电磁声能检测器，此间最大可能传播距离约110mm (30+80mm)，声表面波花费的时间约为30μs量级，若检测车在100km/h左右速度运行， 则检测车在此时间内前进距离在0.834mm及以下，而跟随接触线201的半剖面腔体内的 激光线光源与检测器等，此时因非直线前进，前进距离将更小，可以抵消忽略不计。因 此可认为从线光源激发声波到完成检测的全过程(十几微秒至几十微秒的时间)，检测 器与激光线光源相对于接触线201是处于相对静止状态。

(4)激光超声检测装置需满足检测第一条件：在检测前进的过程中不存在接触线201断节漏检。光纤激光器的重复频率还需要满足第二条件：在高速数据采集器被触发 接受全部的电磁声能检测器数据信号后，激光线光源移动到裂纹处之前，光纤激光器能 产生下一次激光脉冲，以便利用再次检测此裂纹的具体数据来参与软件计算。例如：光 纤激光器的重复频率为800Hz，记为F，常待机检测的第一横波-电磁声能检测器安装在 激光线光源前40mm处，记为D，检测车前进的速度V约为27.8m/s(100km/h)，则检测 车在两次激光脉冲之间的时间间隔内前进的距离为d’＝V÷F<D，即 27.8÷800＝0.03475m＝34.75mm＜40mm。即在检测车前进距离达到一次脉冲可检测的 40mm距离之前，光纤激光器已产生下一次激光脉冲，

满足第一条件，不会因检测车速度过快而在两次激光脉冲之间的时间间隔内前进距 离超出一次脉冲可检测得有效距离D。

另外，在检测方向为向右时，因第一次脉冲检测有裂纹后而得到触发的高速数据采 集器，此时便可通过第二横波与声表面波检测器采集得到软件计算需求的数据，此数据是在第二次脉冲于裂纹左侧激发声波的这一情况后产生并检测得到的有效数据。这样便满足了第二条件。

若要提高检测车速度，则相应的需要提高光纤脉冲器的重复频率。反之则都需降低。 因此，也由此计算方法，可粗略确定第一横波-电磁声能检测器332安装在激光线光源前的35～60mm处，距离取值适当。

声波检测工作过程如下：

如图5所示，接触线201的接触面的裂纹203，为了方便叙述如何检测此裂纹，本 实施例采用长宽深为3mm*200μm*1mm的凹槽代替实际情况的裂纹，100mm*12mm*12mm金 属试块代替示意截面积150mm²的接触线201，如图6。

第一步：控制处理单元310的数据分析模块控制高速数据采集器只接受第一横波-电磁声能检测器332的数据信号。检测过程中横波时域波形图参见图13，具体声波传播 过程见第二步。

在激光线光源与安装在其前的第一横波-电磁声能检测器332之间距离为35～60mm，当选定此范围的任一数值a时，检测车在两次脉冲间隔时间内前进距离d’需小 于或等于a，判断为不存在接触线断节漏检；当线光源扫描靠近裂纹时，脉冲激光在物 体表面激发出的声波，包括声表面波、横波与纵波，此时第一横波-电磁声能检测器332 的时域波形将检测到第一个波峰。声表现波经过金属表面再到达裂纹底部时，在裂纹底 部叠加并发生模式转换，一部分能量转变为衍射横波(即剪切波)向外传播，此时激光 线光源前第一横波-电磁声能检测器332将检测到第二个波峰，控制处理单元310的数 据分析模块判断为裂纹后，发送信号给高速数据采集器，触发接受全部的电磁声能检测 器数据信号，以便下一次激光脉冲再激发声表面波时进一步得到具体数值，计算得出裂 纹深度及取向。同时，数据分析模块触发信号给位置记录模块，标记下此刻位置信息， 当第二步再次确认，是否存储留存信息。

此外，由于在裂纹附近激发超声时，在裂纹底部发生散射的能量在总能量中比重较 小，以及在传播过程中的衰减，达到裂纹底端发生模式转换而产生的横波分量不易察觉。 所以第一横波-电磁声能检测器332安装在激光线光源前，前进检测时第一横波-电磁声 能检测器332比较靠近裂纹处，能够减小横波的接受距离，同时，上文提及激光输出线光源，增加信号幅值，提高检测信噪比；线光源线宽增加，中心频率的幅值增加；最终 加强横波分量的可检测性。第二横波-电磁声能检测器333也是如此，在下一次脉冲激 发超声时，因检测车前进几十毫米的小段距离，也将比较靠近裂纹处，减小横波分量的 接受距离。

第二步：满足第一、第二条件时，当激光线光源移动到裂纹左侧比较近处，必会激发产生新的声波。

此时，声表面波的传播过程如下，请参见图14：

首先，激光脉冲激发产生声表面波R，纵波L和横波S(忽略头波)。并向金属表面 四周传播，此时，声表面波-电磁声能检测器334检测到，时域波形图见图15，其将产 生第一个波峰，数据分析模块则记下此时刻的时间点为T_R0。同样，第二横波-电磁声能 检测器333的时域波形也检测到第一个波峰，记录下此时刻的时间点为T_S0。

然后，声表面波R沿着金属上表面向右(即检测前进方向)传播(实线)，传递到 裂纹(即凹槽)边界处时，一部分在边界处发生反射，即反射波，沿着原传播方向的反 方向在上表面传播(虚线)，声表面波-电磁声能检测器334将检测到第二个波峰，记下 此时刻的时间点为T_R1；另一部分沿着裂纹边界绕射，传播到裂纹的另一侧(双点划线)， 即为透射波，可传至第一横波-电磁声能检测器332处，因其检测数据不参与计算，故 接收波形及数据的内容此处不再赘述；还有一部分沿裂纹内壁传播到裂纹底端时，在底 端叠加并发生模式转换，一部分能量以横波的形式自凹槽底端向四周传播(点线)，称 为声表面波模式转换而来的横波分量SR；另一部分能量继续沿凹槽内表面以声表面波的 形式传播(点划线)，称为声表面波分量RR。

随着超声波继续在试块内部传播，这一部分的横波SR传至试块的表面最终被第二横波-电磁声能检测器333检测到第二个波峰，记下此时刻的时间点为T_S1。另外，先沿 凹槽表面继而沿金属试件表面传播的声表面波RR(点划线)也在SR信号之后被声表面 波-电磁声能检测器334检测到，产生第三个波峰，记下此时刻的时间TR2。当检测车继 续前进，当激光线光源扫在裂纹的右侧，此时，声表面波-电磁声能检测器334将只检 测到两个波峰，第一个为从声表面波凹槽右侧绕至左侧的透射波，第二个波峰为从凹槽 底部传回的声表面波分量RR。此种情况无法计算裂纹深度h，只可判断有无裂纹。

第三步，软件计算：检测全过程中，检测器与激光线光源相对于接触线201可认为处于相对静止状态，简化了运算过程。如图16。试块上给出含凹槽(表示裂纹)的表面 示意图，金属表面的裂纹的深度为h，宽度小于0.5mm。激光线光源激发脉冲的位置点 距凹槽的距离d2，此距离为未知；第二横波-电磁声能检测器333距激光线光源固定距 离为d1，为已知；声表面波-电磁声能检测器334距第二横波-电磁声能检测器333的固 定距离为d3，为已知。d1+d2的距离远大于凹槽宽度，所以可以近似的将凹槽的两侧看 成紧贴在一起而声表面波又可以独立在其两侧传播。表面凹槽的的左边缘与金属试块上 表面呈α角，为了进一步简化计算，忽略由于一定范围(50°≤α≤140°)内的α 角变化而引起的h的变化，近似的认为凹槽的两条边缘不随α角改变。凹槽底端距离 334的直线距离分别为a。

首先，需获得声表面波与横波在铜镁合金接触线201中的传播速度，分别表示为VR和VS,再设从脉冲激发点传出声波开始，到凹槽底端处传回的横波分量SR和声表面波分 量RR模式的超声波到达探测点所花费的时间分别为

和

线光源发出的激光脉 冲在金属表面产生超声波的时间点为T。则

T_R＝T_R0-t_R1,T_S＝T_S0-t_S1……………(2)

由此算出脉冲激发时的时间点T,取由声表面波与横波得出的超声激发时间点的平 均值。其中t_R1、t_S1为理论上无裂纹时脉冲激发超声到声表面波-电磁声能检测器334与横波-电磁声能检测器333检测到第一波峰所需花费的时间，为固定值。此时利用声表 面波的反射波接收距离不小于第一波峰接收距离为由判断：

t₂×V_R＝d≥d₁+d₃……………(4)

其中t₂＝T_R1-T，判断此式是否满足，若是，则说明线光源在裂纹左侧或裂纹之上激发脉冲，进行下一步运算；若不是则说明线光源在裂纹的右侧激发，此时再确定声表 面波-电磁声能检测器334只有两个波峰，则直接判断为存在裂纹，不进行下一步运算。

其中，等式中除d₂外，其他参数皆为已知数值，即可求出d2的距离。

即可求出裂纹深度。

求出斜边a值。再根据三角余弦定理，则有

即可求出裂纹的取向角度α。

继而判断数值的正确性与给出裂纹危险等级。

当50°≤α≤140°时,各超声波分量易于辨认且信号SR随α角变化而变化的特征 明显，因此利用这些信号分量随α角的变化，综合上述公式，可以容易地计算出表面 裂纹的取向以及深度信息。当α>140°或α<50°，信号SR与RR的到达时间提取表面 凹槽的角度及深度信息将难以利用，舍弃当前计算结果α值与h值。

检测出的裂纹深度h也不宜超过5mm，信号SR与RR的到达时间均随着表面裂纹深度的增加而成线性延迟趋势，并且两信号的幅值也随着表面裂纹的深度的增加而发生衰减及展宽。因而裂纹深度h运算结果约在4～5mm之间或超过时，认为计算数值不够精 确，予以舍弃。

若检测运算出的裂纹深度与角度数值予以舍弃，但确定为裂纹的，数据分析模块给 予中度危险裂纹等级；保留裂纹运算结果的，根据裂纹深度预设划分值，给出危险度评级，本实施例将裂纹深度h小于0.2mm以下评级为轻度危险裂纹，0.2～0.4mm为中低度 危险裂纹；0.4～0.6mm为中度危险裂纹；0.6～0.8mm为中高度危险裂纹；0.8mm以上为 高度危险裂纹，类别为第一种：单裂纹。

利用此种计算方法，需要在待检测裂纹的前后范围(声表面波-电磁声能检测器334 与第一横波-电磁声能检测器332之间的距离)内只有一个。两个及两个以上较近裂纹(间隔在毫米级以上)，声波在裂纹之间会形成多种形式的反射、震荡、叠加、波形较 为复杂，明显异于单裂纹波形，不利于取值计算，但此时可确认存在裂纹类别。此种情 况给出高度危险等级，类别为第二种：多裂纹。

数据分析模块危险裂纹评级完成，将第一步位置记录模块标记的位置信息与裂纹等 级及数值存储于存储单元中，以备查看和显示模块显示。当经过两个周期脉冲内，声表面波与两横波检测器的裂纹均为无损裂纹的波形时，数据分析模块则将再次只留有第一横波-电磁声能检测器332待机采集数据，以待下一次裂纹出现。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细 说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***，其特征在于：具有接触线跟随装置(200)和激光超声检测装置；所述接触线跟随装置(200)包括升降弓(210)、传动机构(220)和半剖面腔体(230)；所述升降弓(210)安装置于检测列车(101)车顶，升降弓(210)的两侧通过对应的两组相同的传动机构(220)与半剖面腔体(230)连接；所述激光超声检测装置安装于半剖面腔体(230)内，激光超声检测装置包含控制处理单元(310)、激光超声激发装置和超声接收装置(330)；所述控制处理单元(310)位于检测车的车厢内；所述激光超声激发装置和超声接收装置(330)安装于激光超声检测调节机构(250)上。

2.根据权利要求1所述的基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***，其特征在于：所述升降弓(210)包括悬梁长边(211)、悬梁宽边(212)、上臂(213)、上导杆(214)、下臂(215)、下导杆(216)、气动控制箱(217)、升弓装置(218)以及通过紧固件固定于检测列车(101)车顶的底架(219)；所述悬梁长边(211)和悬梁宽边(212)组成悬梁弓头；所述下臂(215)一端通过转轴连接底架(219)，另一端与上臂(213)铰接相连，下臂(215)上设有钢索导轨，并通过钢索导轨与升弓装置(218)相连，下臂(215)中设有空气管路，上端端部位置通过软管连接至上臂(213)中的空气管路；所述升弓装置(218)固定在底架(219)并带动下臂(215)绕轴转动，升弓装置(218)包括升弓气源泵、气囊式气缸和导盘；所述升弓气源泵的充气口与气囊式气缸的进气口相连；所述导盘与气囊式气缸的推杆相连，导盘和钢索导轨之间设有拉紧的用于带动下臂(215)绕轴向上运动进行升弓工作的钢索；所述下导杆(216)两端分别接在上臂(213)一端与底架(219)上；所述上导杆(214)一端接下臂(215)，另一端连接悬梁宽边(212)；所述悬梁长边(211)上与接触线(201)摩擦接触位置附有炭滑条；所述炭滑条中有接入上臂(213)一端的空气管路的气腔，整体气路内充有压缩空气；所述气动控制箱(217)安装于底架(219)上，气动控制箱(217)的进气端通过三通接头的一个出气口连接至升弓气源泵，出气端连接空气管路和炭滑条中的气腔，所述三通接头的另一个出气口接气囊式气缸；所述气囊式气缸与置于气动控制箱(217)内的快速排气阀相连接；

所述传动机构(220)包括四副双杆传动结构，且两两分置于一侧，所述双杆传动结构的两端分别连接悬梁宽边(212)与半剖面腔体(230)的外壁；每副双杆传动结构的内弯侧的中心处放置一拉杆弹簧(221)；

所述半剖面腔体(230)的内侧壁前后各固定有一对倾斜设置且指向接触线(201)中心轴线的支撑杆(240)，半剖面腔体(230)底部中心处有一个矩形凹槽，其内镶嵌有激光超声检测调节机构(250)；所述支撑杆(240)的前端具有凹面圆桶滚轮(241)，支撑杆(240)的内部后端与半剖面腔体(230)之间置有缓振弹簧(242)；所述凹面圆桶滚轮(241)的凹面曲线贴合接触线(201)的外轮廓，并与接触线(201)滚动接触，凹面圆桶滚轮(241)的轮高度与悬梁长边(211)维持在同一水平高度。

3.根据权利要求2所述的基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***，其特征在于：所述激光超声检测调节机构(250)包括5个位置可调的滑动底座(251)；所述滑动底座(251)下半部分为圆柱型，并从矩形凹槽底部的槽孔穿过，其外侧有用于与螺母(252)配合固定的螺纹，中心有贯穿整个滑动底座且用于导线或光纤从底部穿过的圆孔，滑动底座(251)上半部分为“凸”字形，其台阶位置与半剖面腔体(230)的矩形凹槽的槽口齐平；所述半剖面腔体(230)底部中心的矩形凹槽的槽口两侧分别固定有对应的刻有标度的尺度条(253)，两尺度条(253)的近半剖面腔体(230)中轴线端卡住滑动底座(251)；所述滑动底座(251)顶部平面具有标识箭头。

4.根据权利要求1所述的基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***，其特征在于：所述控制处理单元(310)包括用于控制光纤激光器(321)的开启与关闭，以及光纤激光器(321)的脉冲激光发射的各项参数的激光器控制模块；

用于对三个电磁声能检测器的传送回的数据信号进行处理，判断是否出现超过报警阈值的缺陷以及判断是否危险的级别，并结合位置记录模块将缺陷予以定位的数据分析模块；

所述数据分析模块包括用于接受和存储全部的电磁声能检测器的数据信号的存储单元以及通过每个电磁声能检测器传回的数据信号进行高速运算处理，并根据运算结果确定是否触发位置记录模块留下当前地理位置标记，以及根据裂纹幅度判定危险的级别，根据预设将高危险的裂纹幅度给出优先维修提示的运算单元的处理器；

用于显示实时的接受波形信号与地图界面的显示模块；

用于实时定位检测车(101)当前位置的位置记录模块；

以及用于***安全与数据保护的安全保障模块；

所述激光超声激发装置包括有光纤激光器(321)、光纤准直器(322)与线型聚焦单元(323)；所述光纤激光器(321)位置在检测车的车顶部，靠近升降弓(210)的底架(219)，与半剖面腔体(230)内的光纤准直器(322)通过光纤相连，光纤与各检测器的导线则依附在升降弓(210)的上臂(213)和下臂(215)上；所述光纤准直器(322)的尾端嵌入固定在一个滑动底座(251)中心的圆孔上，剩余部分置于线型聚焦台座(255)的内部；

所述超声接受装置(330)包括光电检测器(331)、第一横波-电磁声能检测器(332)、第二横波-电磁声能检测器(333)、声表面波-电磁声能检测器(334)和用于采集声表面波-电磁声能检测器(334)、第一横波-电磁声能检测器(332)与第二横波-电磁声能检测器(333)的信号，以及接受光电检测器(331)的触发信号的高速数据采集器。

5.根据权利要求3所述的基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***，其特征在于：所述第三个滑动底座(251)上安装线性聚焦台座(255)，其余四个均固定右安装台座(254)；每个滑动底座(251)的顶部均有双导轨斜槽，双导轨斜槽方向与半剖面腔体(230)轴线方向垂直，且双导轨斜槽与安装台座(254)底部的内凹斜槽相吻合，且斜槽等长等宽并附有螺丝孔；所述声表面波-电磁声能检测器(334)、第二横波-电磁声能检测器(333)、光电检测器(331)和第一横波-电磁声能检测器(332)依次安装于对应的安装台座(254)上；所述线型聚焦单元(323)安装于线性聚焦台座(255)上，且位于半剖面腔体(230)的中心线上；所述光电检测器(331)的方向对准激光线光源预照射在接触线(201)的位置，光电检测器(331)包括光敏电阻和调制器；所述光敏电阻将探测到的待测物体表面的微弱光信号转换为电信号；所述调制器对转换的电信号进行调制，与线光源光信号特征相匹配，并提供给高速数据采集器一个触发信号进行数据采集，同时也提供给控制单元(310)的安全保障模块一个确定信号。

6.根据权利要求1至5任一所述的基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***，其特征在于：所述半剖面腔体(230)的轴向两端均通过紧固件安装有挡风板(260)；所述挡风板(260)中间的突出台(261)前端有一对螺丝孔，其位置与半剖面腔体(230)中心的矩形凹槽底端的突出梁(262)上的两螺丝孔对齐，并通过螺丝固定。

7.根据权利要求5所述的基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***，其特征在于：四个安装台座(254)在半剖面腔体(230)轴线方向垂直的两侧平面上平整，与半剖面腔体(230)轴线方向平行的两侧面上具有两对调节旋钮，调节旋钮内部前段为贴合并挤压检测器的橡胶贴片；

8.根据权利要求5所述的基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***，其特征在于：所述线性聚焦台座(255)与半剖面腔体(230)轴线方向平行的两内壁上装导轨，且其中一侧的两个光具座(324)能透过槽孔并根据外侧壁上的刻度上下调节高度。

9.一种用于权利要求1所述的一种基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测***的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：控制处理单元(310)的数据分析模块控制高速数据采集器只接受第一横波-电磁声能检测器(332)的数据信号；

具体为：在激光线光源与安装在其前的第一横波-电磁声能检测器(332)之间距离为35～60mm，当选定此范围的任一数值a时，检测车在两次脉冲间隔时间内前进距离d’需小于或等于a，判断为不存在接触线断节漏检；当线光源扫描靠近裂纹时，脉冲激光在物体表面激发出声波，包括声表面波、横波与纵波，此时第一横波-电磁声能检测器(332)的时域波形将检测到第一个波峰；声表面波经过金属表面再到达裂纹底部时，在裂纹底部叠加并发生模式转换，一部分能量转变为衍射横波向外传播，此时激光线光源前第一横波-电磁声能检测器(332)将检测到第二个波峰，控制处理单元(310)的数据分析模块判断为裂纹后，发送信号给高速数据采集器，触发接受全部的电磁声能检测器数据信号，以便下一次激光脉冲再激发声表面波时进一步得到具体数值，计算得出裂纹深度及取向；同时，数据分析模块触发信号给位置记录模块，标记下此刻位置信息，待第二步再次确认，是否存储留存信息；

S2：在满足高速数据采集器被触发接受全部的电磁声能检测器数据信号后，激光线光源移动到裂纹处之前，光纤激光器(321)能产生下一次激光脉冲，以便能够对此裂纹具体数据的进行再次检测的条件下，当激光线光源移动到靠近裂纹左侧位置时，激发产生新的声波；

具体为：首先，激光脉冲激发产生声表面波R，纵波L和横波S，并向金属表面四周传播，忽略头波，此时，声表面波-电磁声能检测器(334)检测到其将产生第一个波峰，数据分析模块则记下此时刻的时间点为T_R0；同样，第二横波-电磁声能检测器(333)的时域波形也检测到第一个波峰，记录下此时刻的时间点为T_S0；

然后，声表面波R沿着金属上表面向右传播，即沿检测前进方向传播，传递到裂纹边界处时，一部分在边界处发生反射，即反射波，沿着原传播方向的反方向在上表面传播，声表面波-电磁声能检测器(334)将检测到第二个波峰，记下此时刻的时间点为T_R1；另一部分沿着裂纹边界绕射，传播到裂纹的另一侧，即为透射波，可传至第一横波-电磁声能检测器(332)处；还有一部分沿裂纹内壁传播到裂纹底端时，在底端叠加并发生模式转换，一部分能量以横波的形式自凹槽底端向四周传播，为声表面波模式转换而来的横波分量SR；另一部分能量继续沿凹槽内表面以声表面波的形式传播，为声表面波分量RR；

随着超声波继续在试块内部传播，这一部分的横波SR传至试块的表面最终被第二横波-电磁声能检测器(333)检测到第二个波峰，记下此时刻的时间点为T_S1；另外，先沿凹槽表面继而沿金属试件表面传播的声表面波分量RR也在横波分量SR信号之后被声表面波-电磁声能检测器(334)检测到，产生第三个波峰，记下此时刻的时间T_R2；

当检测车继续前进，激光线光源扫在裂纹的右侧，此时，声表面波-电磁声能检测器(334)将只检测到两个波峰，第一个为从声表面波凹槽右侧绕至左侧的透射波，第二个波峰为从凹槽底部传回的声表面波分量RR；此种情况无法计算裂纹深度h，只可判断有无裂纹。

S3软件计算；具体为：

首先，需获得声表面波与横波在铜镁合金接触线(201)中的传播速度，分别表示为V_R和V_S,再设从脉冲激发点传出声波开始，到凹槽底端处传回的横波分量SR和声表面波分量RR模式的超声波到达探测点所花费的时间分别为

和

线光源发出的激光脉冲在金属表面产生超声波的时间点为T；则

T_R＝T_R0-t_R1,T_S＝T_S0-t_S1……………(2)

由此算出脉冲激发时的时间点T，取由声表面波与横波得出的超声激发时间点的平均值；其中t_R1、t_S1为理论上无裂纹时脉冲激发超声到声表面波-电磁声能检测器(334)与横波-电磁声能检测器(333)检测到第一波峰所需花费的时间，为固定值；d₁为已知的第二横波-电磁声能检测器(333)距激光线光源的固定距离，d₃为已知的声表面波-电磁声能检测器(334)距第二横波-电磁声能检测器(333)的固定距离；

此时利用声表面波的反射波接收距离不小于第一波峰接收距离为由判断：

t₂×V_R＝d≥d₁+d₃……………(4)

其中t₂＝T_R1-T，判断此式是否满足，若是，则说明线光源在裂纹左侧或裂纹之上激发脉冲，进行下一步运算；若不是，则说明线光源在裂纹的右侧激发，此时再确定声表面波-电磁声能检测器(334)只有两个波峰，则直接判断为存在裂纹，不进行下一步运算；

其中，等式中除d₂外，其他参数皆为已知数值，即可求出激光线光源激发脉冲的位置点距凹槽的距离d₂的数值；

由式(6)和(7)得出：

即可求出试块金属表面的裂纹的深度h；

求出凹槽底端距离声表面波-电磁声能检测器(334)的直线距离a的数值；

表面凹槽的左边缘与金属试块上表面呈α角，

再根据三角余弦定理，则有

即可求出裂纹的取向角度α，

继而判断数值的正确性与给出裂纹危险等级；

数据分析模块危险裂纹评级完成，将S1位置记录模块标记的位置信息与裂纹等级及数值存储于存储单元中，以备查看和显示模块显示。当经过两个周期脉冲内，声表面波与两横波检测器的裂纹均为无损裂纹的波形时，数据分析模块则将再次只留有第一横波-电磁声能检测器(332)待机采集数据，以待下一次裂纹出现。

10.根据权利要求9所述的一种基于激光超声的高铁接触线的裂纹检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：当50°≤α≤140°时,各超声波分量易于辨认且横波分量SR随α角变化而变化的特征明显，因此利用这些信号分量随α角的变化，综合上述公式(1)至(11)，可以容易地计算出表面裂纹的取向以及深度信息；

当α>140°或α<50°，横波分量SR与RR的到达时间提取表面凹槽的角度及深度信息将难以利用，舍弃当前计算结果α值与h值；

若检测运算出的裂纹深度与角度数值予以舍弃，但确定为裂纹的，数据分析模块给予中度危险裂纹等级；保留裂纹运算结果的，根据裂纹深度预设划分值，给出危险度评级，且类别为单裂纹；

当存在两个及两个以上间隔毫米级以上的裂纹，声波在裂纹之间会形成多种形式的反射、震荡、叠加的波形，明显异于单裂纹波形，不利于取值计算，但此时可确认存在裂纹类别，此种情况给出高度危险等级，类别为多裂纹。

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