CN113533513A - 一种钢轨损伤实时监测方法及其监测装置 - Google Patents

一种钢轨损伤实时监测方法及其监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钢轨损伤实时监测方法及其监测装置，方法包括：将待监测钢轨分为至少一钢轨监测区间，在钢轨监测区间的任一基准线两侧对称布置至少一组压电传感器阵列，其中，任一组压电传感器阵列均包括一个激励传感器和一个接收传感器；根据每组激励传感器与接收传感器的传播路径，分别采集基准线两侧的对称传播路径上的lamb波响应信号；对lamb波响应信号进行补偿，获得重构信号；比较基准线两侧的重构信号，若重构信号的差信号最大变化值大于预设阈值，发送钢轨监测区间存在损伤的信息。本发明实施例的技术方案无需采集被监测结构初始毫无损伤的基准信号，即可确定对称结构钢轨的损伤情况，提高了无基准对称结构的监测效率。

Description

一种钢轨损伤实时监测方法及其监测装置
技术领域
本发明涉及钢轨监测技术领域，特别涉及一种钢轨损伤实时监测方法及其监测装置。
背景技术
随着铁路营业里程和客货运量的快速发展，在役钢轨数量越来越多，重负荷工作的钢轨数量也不断增加。钢轨在服役期间，需长期承受列车车轮的挤压和冲击，工况恶劣，钢轨承受的应力比较集中，长期服役钢轨难免会出现弯曲变形、磨耗、腐蚀、表面缺陷、裂纹、压溃、剥离掉块等各种损伤。钢轨作为地面基础设备，其工作状态好坏直接影响列车运输安全。列车通过损伤的钢轨会带来巨大安全隐患，甚至会导致脱轨、颠覆等重大行车事故的发生。因损伤致列车脱轨、颠覆重大行车事故告诉我们，加强钢轨损伤进行实时监测，对保障列车安全运行具有十分重要意义。
目前，广泛应用于钢轨健康检测的方式主要为的超声波无损检测 (NDT),它利用声、光、磁等特点，在不损害和不影响钢轨性能的前提下，检测钢轨内部缺陷，并确定缺陷位置、大小等。钢轨探伤车采用了超声波无损检测技术实现钢轨损伤检测。2012年国家铁路局发布的《钢轨探伤车运用管理办法》中详细阐述了钢轨探伤车在检测钢轨健康状态中的应用。其中检测项目重点包括了钢轨轨头、扣件、钢轨波浪磨耗、焊缝等。但是探伤车的检测效果受钢轨表面粗糙程度、清洁度和几何形状的影响较大，使得钢轨探伤车对钢轨焊缝、轨底等复杂部位检测效率低。
除超声波无损检测外，目前国内外在钢轨损伤检测方面研究较多的方式主要有超声检测、人工巡视检测、射线检测、磁粉检测、涡流检测等。
超声检测可具体分为电磁超声检测(EMAT)、激光超声检测。超声检测技术是目前钢轨健康检测中应用最广泛的技术。
电磁超声检测(EMAT)：利用电磁耦合激励和接受超声波。EMAT 无需将传感器与被检测工件表面进行物理接触，因此无需进行打磨。对于高温部件可实现远距离运行和利用冷却循环保持温度恒定实现探伤。但是EMAT探头安装有保护层，当保护层厚度和保护层表面距待检结构表面距离之和大于1mm时，将使得EMAT探头检测信号较差，影响探测结果。Chahbaz采用EMAT探头产生的体应力波和导应力波对钢轨的健康状态进行检测。魏小源通过优化压电超声换能器实现长距离检测钢轨损伤。
激光超声检测：在封闭介质空间中使用脉冲激光束产生声波，通过检测声波实现对结构的无损检测。Jiang提出将非接触激光超声检测技术与变模分解(VMD)相结合的定量检测方法，实现了对钢轨轨头表面斜裂纹的视觉检测[17]。Pathak提出了基于激光诱导超声导波传播有限元模拟的钢轨轨底裂纹检测技术。
人工巡视检测属于传统检测方法，其中主要包括三种方式(1)机械测量方式；(2)非接触测量手段。例如打磨车与轨检车结合的动态监测；(3)便携式的监测方式。传统检测方法可通过测量钢轨轮廓尺寸判断钢轨磨损，操作简单，但具有自动化检测程度低、效率低下、工作量大、受人为因素影响大、可靠性差、成本高，对密集的铁路线路适应性较差等缺点。
射线检测：利用射线衍射特性对被测结构透照，检查其内部缺陷。 Mcnulty采用射线检测***检测铝热焊钢轨焊缝内部焊接缺陷。徐杰提出采用射线检测钢轨与辙叉U形坡口处的不锈钢过渡层，实现钢轨焊缝损伤识别]。
磁粉检测：通过磁化由铁磁材料制成的工件，使磁力线通过。磁通从一种介质到另一种介质时，如果磁导率相同，磁力线在工件内部均匀分布；磁导率不同，在介面上的磁力线方向会发生突变，在工件表面形成漏磁场引起磁粉聚集成磁痕现象判断缺陷。北京铁道科学仪器设备有限公司研究使用磁粉检测钢轨表面缺陷的优缺点，并介绍磁粉检测在工务段中的应用。朱欣欣分析道岔钢轨常见缺陷及其产生原因，并采用磁粉检测观察不同缺陷的磁痕特征。
涡流检测：基于电磁感应原理检测结构损伤，无需破坏和接触试件，常用于检测结构表面裂缝、孔洞、夹杂等缺陷。涡流检测的缺点主要有不适应于检测复杂结构、检测深度浅、对于试件材质、形状要求较高。Kishore利用涡流技术研究了钢轨轨头表面裂纹和轨头表面浅凹型缺陷。EV使用多通道涡流探伤仪检测直轨或斜轨连接的螺栓接头、闪光焊钢轨焊缝和铝热钢轨焊缝处的损伤。
以上无损检测方式都具有干扰列车正常运行、耗时长、仅限于结构表面检测、无法实现实时监测、对钢轨特殊部位(例如，焊缝、道岔轨头等)难以检测、对人力物力方面有较高要求等缺点。这些缺点不仅会导致漏检、误检，还无法实现及时预警。这与日益增长的更高要求的钢轨损伤检测需求相矛盾，业界急需一种新型手段实现对钢轨焊缝损伤进行准确并高效的识别和监测。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种通用的、执行效率较高、准确率也较高的钢轨损伤实时监测方法钢轨损伤实时监测方法及其监测装置。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种钢轨损伤实时监测方法，包括：
将待监测钢轨分为至少一钢轨监测区间，在所述钢轨监测区间的任一基准线两侧对称布置至少一组压电传感器阵列，其中，任一组所述压电传感器阵列均包括一个激励传感器和一个接收传感器；
根据每组所述激励传感器与所述接收传感器的传播路径，分别采集所述基准线两侧的对称传播路径上的lamb波响应信号；
对所述lamb波响应信号进行一致性补偿，以获得重构信号；
比较基准线两侧的所述重构信号，并计算所述重构信号的差信号，若所述差信号最大变化值大于预设阈值，发送所述钢轨监测区间存在损伤的信息；否则，发送所述钢轨监测区间不存在损伤的信息。
优选地，所述一致性补偿计算公式为：
Figure BDA0003139437190000041
其中，Errormax表示补偿后的相对误差值；uinitial(t)表示初始测量信号；unew(t)表示重构信号。
优选地，对所述lamb波响应信号进行一致性补偿，以获得重构信号，包括：
对所述lamb波响应信号进行Hilbert变换，以获得变换后的lamb 波响应信号；
经过Hilbert变换后的Lamb波响应信号为：
Figure BDA0003139437190000042
其中，g(t)表示复解析函数的实部；
Figure BDA0003139437190000043
表示复解析函数的虚部，且
Figure BDA0003139437190000044
A(t)表示g(t)的瞬时幅度；φ(t)表示g(t)的瞬时相位。
优选地，所述方法包括：
其中，激励传感器为一个或多个；
当所述激励传感器为一个时，可与其他任一接收传感器配合生成传播路径。
优选地，根据每组所述激励传感器与所述接收传感器的传播路径，分别采集所述基准线两侧的对称传播路径上的lamb波响应信号之后，所述方法还包括：
采用卷积平滑法对对称路径的lamb波响应信号进行去噪处理。
优选地，所述预设阈值为0.08V。
优选地，所述基准线至少包括钢轨焊缝。
本发明实施例还提供一种钢轨损伤实时监测装置，包括：
布置模块，用于将待监测钢轨分为至少一钢轨监测区间，在所述钢轨监测区间的任一基准线两侧对称布置至少一组压电传感器阵列，其中，任一组所述压电传感器阵列均包括一个激励传感器和一个接收传感器；
采集模块，用于根据每组所述激励传感器与所述接收传感器的传播路径，分别采集所述基准线两侧的对称传播路径上的lamb波响应信号；
补偿模块，用于对所述lamb波响应信号进行一致性补偿，获得重构信号；
判断模块，比较基准线两侧的所述重构信号，并计算所述重构信号的差信号，若所述差信号最大变化值大于预设阈值，发送所述钢轨监测区间存在损伤的信息；否则，发送所述钢轨监测区间不存在损伤的信息。
优选地，所述一致性补偿和压力补偿的计算公式为：
Figure BDA0003139437190000051
其中，Errormax表示补偿后的相对误差值；uinitial(t)表示初始测量信号；unew(t)表示重构信号。
优选地，所述补偿模块包括变换子模块；所述变换子模块用于对所述lamb波响应信号进行Hilbert变换，以获得变换后的lamb波响应信号；
经过Hilbert变换后的Lamb波响应信号为：
Figure BDA0003139437190000061
其中，g(t)表示复解析函数的实部；
Figure BDA0003139437190000062
表示复解析函数的虚部，且
Figure BDA0003139437190000063
A(t)表示g(t)的瞬时幅度；φ(t)表示g(t)的瞬时相位。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：本发明实施例的技术方案在所述钢轨监测区间的任一基准线两侧对称布置压电传感器阵列，然后根据每组压电传感器的的所述激励传感器与所述接收传感器的传播路径，采集所述每条传播路径上的lamb波响应信号，对所述lamb波响应信号进行一致性补偿，获得重构信号，计算基准线两侧的所述重构信号，以获得差信号，若所述差信号最大变化值大于预设阈值，则说明所述钢轨监测区间存在损伤的信息；否则，说明所述钢轨监测区间不存在损伤的信息；本发明可实现以下有益效果：
(1)无需采集被监测结构初始毫无损伤的基准信号，即可确定对称结构钢轨的损伤情况，提高了无基准对称结构的监测效率；
(2)通过对响应信号进行补偿，可以提高损伤监测的可行性。
附图说明
图1为本发明的钢轨损伤实时监测方法的实施例的流程图；
图2(a)为本发明的钢轨损伤实时监测方法实施例的无损伤情况下，补偿后的对称路径(L2,L11)的响应信号对比；
图2(b)为本发明的钢轨损伤实时监测方法的实施例的无损伤情况下，补偿后的对称路径(L2,L11)的响应信号对比包络图；
图2(c)为本发明的钢轨损伤实时监测方法的实施例损伤情况下，补偿后的对称路径(L2,L11)响应信号对比；
图2(d)为本发明的钢轨损伤实时监测方法的实施例损伤情况下，补偿后的对称路径(L2,L11)响应信号对比包络图；
图3(a)为本发明的钢轨损伤实时监测方法的实施例无损伤情况下，补偿后的对称路径(L7,L16)的响应信号对比；
图3(b)为本发明的钢轨损伤实时监测方法的实施例的无损伤情况下，补偿后的对称路径(L7,L16)的响应信号对比包络图；
图3(c)为本发明的钢轨损伤实时监测方法的实施例损伤情况下，补偿后的对称路径(L7,L16)响应信号对比；
图3(d)为本发明的钢轨损伤实时监测方法的实施例损伤情况下，补偿后的对称路径(L7,L16)响应信号对比包络图；
图4为本发明的钢轨损伤实时监测方法的实施例的补偿后的对称路径(L2,L11)的差信号对比图；
图5为本发明的钢轨损伤实时监测方法的实施例的补偿后的对称路径(L7,L16)的差信号对比图；
图6为本发明的钢轨损伤实时监测装置的实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
现有技术中的无损检测方式都具有干扰列车正常运行、耗时长、仅限于结构表面检测、无法实现实时监测，以至于导致漏检、误检，还无法实现及时预警。本实施例技术方案提供了一种采用基于兰姆波 (Lamb波)的结构健康监测技术(Structure HealthMonitoring,缩写为SHM)，来对钢轨损伤进行实时监测方法。
SHM方法能实现对结构进行实时监测和损伤预警，及时反馈结构的健康状态，并利用现场的无损传感技术采集数据，通过对信号进行分析监测结构的损伤或预警结构的早期退化。SHM的实现分为主动和被动监测，主动监测与被动监测相比，前者可直接发现已有或潜在缺陷，后者无法直接评估结构是否有损伤。
基于Lamb波的SHM方法属于主动监测方法，可以实现将传感器长期安装在结构表面，满足长期损伤监测的需求。Lamb波是超声导波的一种，在结构中能实现以较少能量损耗传播较远距离，可实现长距离大面积的结构健康监测。
与常用的无损检测技术相比，基于Lamb波的SHM的优点表现在(1) 实时监测结构，损伤发生时可及时预警；(2)可探测钢轨特殊部位，扩大监测结构范围；(3)不影响铁路列车正常运行；(4)操作简单，节省人力物力；(5)大范围快速检测；(6)适用于复杂结构；(7) 检测费用低；(8)使用时间长。
基于Lamb波的SHM方法可分为以下4个步骤：
(1)选择适宜的压电陶瓷传感器作为激励和接收传感器，并对传感器设置对应的激励中心频率、中心幅值、延时等参数；
(2)在被测结构上，布置传感器，构造传播路径；
(3)使用激励传感器产生激励信号，接收传感器接收Lamb波信号；
(4)对接收信号进行数据分析处理，进而进行损伤识别。
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
图1为本发明的钢轨损伤实时监测方法的实施例的流程图，如图1 所示，本实施例的钢轨损伤实时监测方法，具体可以包括如下步骤：
S101，将待监测钢轨分为至少一钢轨监测区间，在所述钢轨监测区间的任一基准线两侧对称布置至少一组压电传感器阵列，其中，任一组所述压电传感器阵列均包括一个激励传感器和一个接收传感器；
为描述方便，本发明技术方案以焊缝为例，将焊缝作为基准线，来检测焊缝附近的钢轨损坏情况。本领域技术人员可以知道，本发明技术方案不限于检测焊缝，在具体实施可以选择任一位置作为基准线，只要在基准线两侧对称布置的压电传感器阵列对称即可检测钢轨损坏情况。
考虑到钢轨中存在着严重的边界反射，因此本实施例选择钢轨监测区间长度至少为50米，选取的焊缝为钢轨的中间区段，这样可以大大减少钢轨断面引起的边界反射现象。
本实施例采用压电陶瓷片(piezoelectric ceramic material，缩写为PZT)作为压电传感器。压电陶瓷片材质为PZT-5J,直径大小为 7mm。该压电传感器相较于普通的压电陶瓷片具有不易碎、便于携带、反复使用于试验中等优点。此外，该传感器在驱动和传感以及采集信号都表现优异，压电性能和界电性都处于较为稳定的状态。该型号传感器的具体参数如表1-1所示：
表1-1 PZT-5J性能参数
Figure BDA0003139437190000091
S102，根据每组所述激励传感器与所述接收传感器的传播路径，分别采集所述基准线两侧的对称传播路径上的lamb波响应信号。
值得注意的是，PZT既可以作为激励传感器，也可以作为接收传感器。在布置压电传感器阵列时，其中，可以选择其中一个处于适当位置的PZT作为激励传感器，只要形成的传播路径为对称路径即可。也可以使基准线一侧的每个PZT之间，两两传播，形成多条传播路径。本实施例采用第二种方式。
在其中一个实施例中，选择一宽2cm的焊缝作为基准线，在该焊缝两侧分别对称布置3个PZT，共6个PZT，分别用P1至P6来表示。传感器P1和P4的中心点距离钢轨轨顶处为6cm。传感器布置的方式为：传感器在焊缝两侧对称布置，以焊缝中心线为y轴，以P3和P6 所在直线为x轴建立坐标系。可以得到传感器的坐标如表1-2所示。
表1-2钢轨焊缝处传感器阵列(单位：mm)
Figure BDA0003139437190000101
在其中一个实施例中，为了确保在钢轨焊缝处采集的响应信号的可分析性，可采集了多个参数设置下的传播路径。在另一个实施例中，为了减少几个传感器同时接收响应信号对信号带来的干扰性，且下一组采集信号开始时必须等上一组的信号消散才可开始新一轮的采集信号。
本实施例在对称压电传感器阵列中共采集18条Lamb波响应信号传播路径。各个传播路径中所对应的传感器编号如表1-3所示。
表1-3 Lamb波信号传播路径及传感器编号
Figure BDA0003139437190000102
Figure BDA0003139437190000111
在钢轨焊缝处采集的响应信号的对称路径可见表1-4：
表1-4信号对称路径
Figure BDA0003139437190000112
S103，对所述lamb波响应信号进行一致性补偿，获得重构信号。
事实上，Lamb波信号的一致性补偿分为两大类，即包括传感器性能补偿和压力补偿。
其中，压力补偿是指在不同压力下对接收的Lamb波响应信号进行相位补偿和幅值补偿。求得对应的补偿指数的过程。首先利用希尔伯特(英文为Hilbert)变换获取Lamb信号的瞬时幅值和瞬时相位信息，结合Logistic模型获取相应的幅值补偿指数，通过重构接收信号来进行压力补偿，除去压力效应所带来的不利影响。
根据Hilbert变换，接轨接收到的Lamb波响信号为u(t)，其对应的解析表达式可表示为：
Figure BDA0003139437190000113
其中，u(t)表示lamb波响应信号。
Lamb波响应信号的瞬时幅值A(t)和瞬时相位φ(t)可表示为：
Figure BDA0003139437190000121
Figure BDA0003139437190000122
其中，u(t)表示lamb波响应信号。
设在结构上接收的基准信号为uo(t)，表示在压力FO条件下采集的；令每次测量信号为uF(t)，表示在压力F下采集的。在这两个信号之间计算相应的相位补偿指数和幅值补偿指数，并将其对当前信号进行修正，完成压力补偿。
Figure BDA0003139437190000123
Figure BDA0003139437190000124
其中，φF(t)表示压力F下的瞬时相位；φB(t)表示基准压力下的瞬时相位；A(F)表示压力F下的瞬时幅值；GB(t)表示基准压力下的解析表达式；GF(t)表示压力F下的解析表达式。
由公式(2)得到瞬时相位差，同时
Figure BDA0003139437190000125
也称为相位补偿指数。
相位随着压力的变化呈现一条水平线的趋势。但是为避免因测量误差对测量信号相位的影响。因此选择两个基准信号的相位校正测量信号的相位。
Figure BDA0003139437190000126
其中，φB1(t)表示第一个基准压力下的瞬时相位；φB2(t)表示第二个基准压力下的瞬时相位。
因此，可将相位补偿指数改写为：
Figure BDA0003139437190000131
Figure BDA0003139437190000132
其中，
Figure BDA0003139437190000133
表示相位补偿后的补偿信号；Re()取实部，即求其纯阻性阻抗。
计算幅值补偿指数时,首先,需要通过计算基准信号与经过相位补偿后的信号之间的误差值。其次，通过Logistic拟合压力-幅值变化曲线，得到幅值变化曲线。最后，使用最小均方误差准则得到误差值的最小值，根据差值最小值得到对应的A(F)，此时，A(F)即为压力F下的幅值补偿指数。
Figure BDA0003139437190000134
其中，uB(t)表示在基准压力下采集的测量信号；
Figure BDA0003139437190000135
表示相位补偿后的补偿信号；e(t)计算基准信号与经过相位补偿后的信号之间的误差值。
将相位补偿后的测量信号进行幅值补偿，则可得到完整的压力补偿。压力补偿后的补偿信号uFR(t)为：
Figure BDA0003139437190000136
其中，A(F)表示压力F下的瞬时幅值；
Figure BDA0003139437190000137
表示对
Figure BDA0003139437190000138
取实部；
Figure BDA0003139437190000139
表示对
Figure BDA00031394371900001310
取实部。
本实施例在具体实施时，大多数人经常计算基准信号和测量信号的幅值差来判别所测结构是否存在损伤。在此基础上，本文传感器性能补偿和压力补偿的标准，计算方式为：
Figure BDA00031394371900001311
其中，Errormax表示补偿后的相对误差值；uinitial(t)表示初始测量信号；unew(t)表示重构信号。
补偿后的相对误差值越小，初始信号和补偿信号之间的一致性越好。
请参见附图2，为对称路径(L2,L11)的lamb波响应信号进行PZT 性能补偿和压力补偿得到补偿后的重构信号。从图2-(a)至图2-(d) 可以看到，重构后的两条对称路径的信号幅值和相位都得到了较好的补偿。
请参见附图3，为对称路径(L7,L16)的lamb波响应信号进行PZT 性能补偿和压力补偿得到补偿后的重构信号。由图中3-(a)至3-(d) 可以看到，重构后的两条对称路径的信号幅值和相位也都得到了较好的补偿。
S104，比较基准线两侧的所述重构信号，并计算所述重构信号的差信号，若所述差信号最大变化值大于预设阈值，向所述数控中心发送所述钢轨监测区间存在损伤的信息；否则，向所述数控中心发送所述钢轨监测区间不存在损伤的信息。
在本发明的其中一个实施例中，可以将预设阈值设为0.08V。本领域技术人员应该可以知道，在其他实施例中，可以根据实际情况，确定其他预设阈值。
如图4所示，为对称路径(L2,L11)之间的有损伤情况下的重构信号的差信号和无损伤情况下的重构信号的差信号。可以看到无损伤情况下差信号的最大幅值约为0.05V，小于0.08V，说明在该对称路径上没有损伤。有损伤情况下，差信号最大的幅值约为0.15V，明显大于 0.08V，因此可判断该对称路径上存在损伤。
由图5所示，为对称路径(L7,L16)之间的有损伤情况下的重构信号的差信号和无损伤情况下重构信号的差信号。可以看到无损伤情况下差信号的最大幅值约为0.08V，或者可以认为等于0.08V。可说明在该对称路径上没有损伤。有损伤情况下，对称路径的差信号最大的幅值约0.25V，明显大于0.08V，因此可判断该对称路径上存在损伤。
可见，对称路径的差信号可以判断出对称路径中是否存在损伤，即无需采集基准信号就可实现损伤的监测。
经过传感器性能补偿和压力补偿后，当激励传感器和接收传感器的布置一致或者完全对称时，对函数表达式进行分析，是影响函数式的主要因素。当一致时，发生变化，Lamb波信号对应的波动方程应该相同；当发生改变时，波动方程才会发生改变。当激励传感器和接收传感器之间出现损伤时,超声Lamb波需要绕过损伤，因此信号的传播路径增大，因此会导致传播距离增大，引起两个对称路径的信号产生差异性。
钢轨焊缝处近似为左右对称的结构。在焊缝左右两测均匀布置传感器时，即等同于对称布置PZT阵列。根据上述原理叙述，可知该阵列相互对称的路径可获得相同的响应信号。某一路径处出现损伤，则会导致对称路径上接收的响应信号产生差异。钢轨发生损伤后，对称的传感器之间传播路径发生改变，波传播碰到损伤时一部分波损失，一部分波将绕开损伤继续向前传播，因此将传播距离变长。当损伤不在传感器的对称轴上时，传播距离则产生差异。因此可以通过对称信号的差异性实现对损伤的判定。
本发明的技术方案基于对称方式的无基准损伤监测原理，并将一致性补偿法与该原理融合得到了更加高效的损伤监测方法。该方法不仅仅适用于简单的铝板、钢板还适用于钢轨焊缝的复杂结构。
(1)当激励传感器和接收传感器的布置完全对称时，通过分析 Lamb波信号波动方程u(x,t)，得出传播距离x是影响信号的主要因素。因此当激励传感器和接收传感器之间出现损伤时,超声Lamb波需要绕过损伤，因此传播距离x增大，波动方程发生改变，则引起对称路径的响应信号的幅值和相位发生明显改变。
(2)将钢轨焊缝作为研究对象，以轨头-轨腰的对称路径(L2,L11) 和轨头-轨底的对称路径(L7,L16)为例进行分析。两条对称路径说明了基于对称方式的无基准损伤监测原理与信号一致性补偿方法结合可实现钢轨焊缝处的损伤识别，验证了该方法的可行性。
综上所述，通过对响应信号进行补偿，可以提高损伤监测的可行性。基于对称方式的无基准损伤监测可应用到更多的对称结构中，无需采集被监测结构初始毫无损伤的基准信号，提高了无基准对称结构的监测效率。
本发明实施例具有以下有益效果：本发明实施例的技术方案在所述钢轨监测区间的任一基准线两侧对称布置压电传感器阵列，然后根据每组压电传感器的的所述激励传感器与所述接收传感器的传播路径，采集所述每条传播路径上的lamb波响应信号，对所述lamb波响应信号进行一致性补偿，获得重构信号，计算基准线两侧的所述重构信号，以获得差信号，若所述差信号最大变化值大于预设阈值，则说明所述钢轨监测区间存在损伤的信息；否则，说明所述钢轨监测区间不存在损伤的信息；本发明可实现以下有益效果：
(1)无需采集被监测结构初始毫无损伤的基准信号，即可确定对称结构钢轨的损伤情况，提高了无基准对称结构的监测效率；
(2)通过对响应信号进行补偿，可以提高损伤监测的可行性。
图6为本发明的钢轨损伤实时监测装置的实施例的示意图。如图6 所示，本实施例的物流运输装置，具体可以包括布置模块601、采集模块602、补偿模块303和判断模块604。
布置模块601，用于将待监测钢轨分为至少一钢轨监测区间，在所述钢轨监测区间的任一基准线两侧对称布置至少一组压电传感器阵列，其中，任一组所述压电传感器阵列均包括一个激励传感器和一个接收传感器；
采集模块602，用于根据每组所述激励传感器与所述接收传感器的传播路径，分别采集所述基准线两侧的对称传播路径上的lamb波响应信号；
补偿模块603，用于对所述lamb波响应信号进行一致性补偿，获得重构信号；
判断模块604，比较基准线两侧的所述重构信号，并计算所述重构信号的差信号，若所述差信号最大变化值大于预设阈值，发送所述钢轨监测区间存在损伤的信息；否则，发送所述钢轨监测区间不存在损伤的信息。
其中，所述一致性补偿和压力补偿的计算公式为：
Figure BDA0003139437190000171
其中，Errormax表示补偿后的相对误差值；uinitial(t)表示初始测量信号；unew(t)表示重构信号。
其中，所述补偿模块包括变换子模块6031；所述变换子模块用于对所述lamb波响应信号进行Hilbert变换，以获得变换后的lamb波响应信号；
经过Hilbert变换后的Lamb波响应信号为：
Figure BDA0003139437190000172
其中，g(t)表示复解析函数的实部；
Figure BDA0003139437190000173
表示复解析函数的虚部，且
Figure BDA0003139437190000174
A(t)表示g(t)的瞬时幅度；φ(t)表示g(t)的瞬时相位。
本实施例的钢轨损伤实时监测装置，是与实施例一所述的钢轨损伤实时监测方法对应的装置实施例，通过采用上述模块对钢轨进行损伤监测的实现机制与上述图1所示实施例的钢轨损伤实时监测方法的实现机制相同，详细可以参考上述图1所示实施例的记载，在此不再赘述。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种钢轨损伤实时监测方法，其特征在于，包括：
将待监测钢轨分为至少一钢轨监测区间，在所述钢轨监测区间的任一基准线两侧对称布置至少一组压电传感器阵列，其中，任一组所述压电传感器阵列均包括一个激励传感器和一个接收传感器；
根据每组所述激励传感器与所述接收传感器的传播路径，分别采集所述基准线两侧的对称传播路径上的lamb波响应信号；
对所述lamb波响应信号进行一致性补偿，以获得重构信号；
比较基准线两侧的所述重构信号，并计算所述重构信号的差信号，若所述差信号最大变化值大于预设阈值，发送所述钢轨监测区间存在损伤的信息；否则，发送所述钢轨监测区间不存在损伤的信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一致性补偿计算公式为：
Figure FDA0003139437180000011
其中，Errormax表示补偿后的相对误差值；uinitial(t)表示初始测量信号；unew(t)表示重构信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述lamb波响应信号进行一致性补偿，以获得重构信号，包括：
对所述lamb波响应信号进行Hilbert变换，以获得变换后的lamb波响应信号；
经过Hilbert变换后的Lamb波响应信号为：
Figure FDA0003139437180000012
其中，g(t)表示复解析函数的实部；
Figure FDA0003139437180000013
表示复解析函数的虚部，且
Figure FDA0003139437180000014
A(t)表示g(t)的瞬时幅度；φ(t)表示g(t)的瞬时相位。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
其中，激励传感器为一个或多个；
当所述激励传感器为一个时，可与其他任一接收传感器配合生成传播路径。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据每组所述激励传感器与所述接收传感器的传播路径，分别采集所述基准线两侧的对称传播路径上的lamb波响应信号之后，所述方法还包括：
采用卷积平滑法对对称路径的lamb波响应信号进行去噪处理。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设阈值为0.08V。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基准线至少包括钢轨焊缝。
8.一种钢轨损伤实时监测装置，其特征在于，包括：
布置模块，用于将待监测钢轨分为至少一钢轨监测区间，在所述钢轨监测区间的任一基准线两侧对称布置至少一组压电传感器阵列，其中，任一组所述压电传感器阵列均包括一个激励传感器和一个接收传感器；
采集模块，用于根据每组所述激励传感器与所述接收传感器的传播路径，分别采集所述基准线两侧的对称传播路径上的lamb波响应信号；
补偿模块，用于对所述lamb波响应信号进行一致性补偿，获得重构信号；
判断模块，比较基准线两侧的所述重构信号，并计算所述重构信号的差信号，若所述差信号最大变化值大于预设阈值，发送所述钢轨监测区间存在损伤的信息；否则，发送所述钢轨监测区间不存在损伤的信息。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述一致性补偿和压力补偿的计算公式为：
Figure FDA0003139437180000021
其中，Errormax表示补偿后的相对误差值；uinitial(t)表示初始测量信号；unew(t)表示重构信号。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述补偿模块包括变换子模块；所述变换子模块用于对所述lamb波响应信号进行Hilbert变换，以获得变换后的lamb波响应信号；
经过Hilbert变换后的Lamb波响应信号为：
Figure FDA0003139437180000031
其中，g(t)表示复解析函数的实部；
Figure FDA0003139437180000032
表示复解析函数的虚部，且
Figure FDA0003139437180000033
A(t)表示g(t)的瞬时幅度；φ(t)表示g(t)的瞬时相位。
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