CN114200008A - 铁路轨道板结构内部病害车载无损检测***及方法 - Google Patents

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CN114200008A CN202111515238.4A CN202111515238A CN114200008A CN 114200008 A CN114200008 A CN 114200008A CN 202111515238 A CN202111515238 A CN 202111515238A CN 114200008 A CN114200008 A CN 114200008A
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Abstract

本发明属于工程无损检测技术领域，公开了铁路轨道板结构内部病害车载无损检测***及方法，包括非接触声发射阵列检测***布置，电磁冲击锤激发信号，声发射多通道主机进行数据采集，小车移动、信号再次激发、数据再采集，数据合成，数据成像，缺陷差异分析，成果输出。本发明从轨道板上方进行阵列检测，能够无损地检测轨道板内病害情况，识别轨道板内病害位置、深度及砂浆脱空情况；传感器阵列以非接触方式与轨道板保持恒距，便于移动检测，传感器阵列具有扩展性，可根据检测精度要求增加减少传感器数量，同时以轨道电动车为载体、多通道主机接收数据，采集效率高。

Description

铁路轨道板结构内部病害车载无损检测***及方法
技术领域
本发明属于工程无损检测技术领域，尤其涉及一种铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测***及方法。
背景技术
目前，轨道板状态对于高速行驶的列车安全至关重要，但受列车荷载、振动、风雨侵蚀及温度变化等因素影响，轨道板难免会出现裂缝、脱空的缺陷，这些缺陷会引起混凝土结构钢筋锈蚀，导致耐久性变差，在维修之前如何快速、准确、无损查明缺陷位置及规模是非常有必要。
对于混凝土裂缝的检测，多是人工肉眼识别或裂缝刻度尺近距离检测，精度低，人为影响大，近年来，有人采用图像识别技术进行裂缝检测，虽然平面检测精度高，但是无法检测裂缝深度；当前，对于裂缝深度检测，有超声波检测方案，但是多为一发一收模式，需要逐步扩大收发距，效率较低，而且高速铁路天窗在夜间、时间短，对于传统裂缝检测技术难度大。铁路轨道板内脱空多发生于轨道板与支承层之间，属于隐伏缺陷，外观检查类方法难以检测，必须采用弹性波反射的方法进行检测。目前，多采用接触式加速度计进行脱空检测，并且多是单通道发射、单通道接收模式，存在分辨率差、效率低的问题，所以需要研发高效率、高精度的无损检测方法及装备。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测***及方法，可以解决轨道板及下方砂浆病害的检测难题，同时提高检测效率。所述技术方案如下：
该铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法包括以下步骤：
步骤一、非接触声发射阵列检测***布置；
将电动轨道小车搬运至铁路轨道之上，然后将供电电瓶、声发射多通道主机放置在电动轨道小车之上，并固定；利用供电电缆将供电电瓶与声发射多通道主机连接，然后利用激发源控制电缆、信号传输电缆将电磁冲击锤、声发射传感器阵列分别与声发射多通道主机进行连接；
步骤二、电磁冲击锤激发信号，声发射多通道主机进行数据采集；
由声发射多通道主机控制电磁冲击锤向下方的无砟轨道板进行一次锤击，电动轨道小车每次行进的过程中，电磁冲击锤将进行一次锤击，激发的弹性波信号沿无砟轨道板向前传播；声发射多通道主机开始接收声发射传感器阵列采集的弹性波信号；
步骤三、小车移动、信号再次激发、数据再采集；
在完成数据采集后，电动轨道小车持续向前移动，在上一次锤击后，声发射多通道主机实时接收测距编码器测距信息，当移动距离每次达到设定距离时，声发射多通道主机控制电磁冲击锤再次向下方的无砟轨道板进行锤击，声发射多通道主机再次接收声发射传感器阵列采集的信号，每完成一次数据采集，数据文件继续保存于声发射多通道主机项目目录；
步骤四、数据合成；
对经过步骤二、步骤四中采集的数据文件进行合成，构建弹性波合成数据，数据中包含：激发点位置、接收点位置，采样间隔、采样点数、信号幅值；
步骤五、数据成像；
对合成后的数据进行成像，数据成像包含四部分内容：建立弹性纵波速度模型、重构弹性纵波信号序列、信号序列互相关叠加成像和信号序列振幅聚焦成像；
步骤六、缺陷差异分析；
在数据成像完成后，首先将时间成像剖面纵向时间与信号序列振幅聚焦成像中计算的ν做相乘，换算为深度；然后，将时间叠加成像剖面与振幅聚焦成像剖面进行叠加，形成最终成像剖面，横向为位置，纵向为深度；最后，依据步骤五中的成像结果，与无缺陷模型的成像剖面进行做差ε-ε0，形成差异剖面，ε为信号振幅；
步骤七、成果输出；
依据步骤六种分析结果，绘制沿线路方向的铁路无砟轨道板检测断面，包含结构内部病害的位置、规模及定量评价结果。
在一个实施例中，在步骤二中，完成一次数据采集，数据以二进制文件形式保存于声发射多通道主机建立的项目目录，数据文件内包含文件头和采集信号，文件头存放工程名称、激发点位置(xs,ys)、接收点位置(xr,yr)，采样间隔Δt、采样点数N，信号序列ξ按采样点次序存放。
在一个实施例中，在步骤四中，数据合成的方法为：读取全部数据文件，文件头为总激发数、采样间隔Δt、采样点数N、每一次的激发点位置(xs,ys)和接收点位置(xr,yr)，信号序列ξ按激发次序、采样次序依次按行存放，合成后数据文件仍以二进制文件存放。
在一个实施例中，在步骤五中，建立弹性纵波速度模型包括：
根据结构尺寸和强度建立弹性纵波层状速度模型，铁路的结构从上至下依次为无砟轨道板、砂浆垫层、下伏混凝土基础；根据轨道结构建立二维空间模型，设定弹性纵波速度，完成了二维纵波速度模型的建立。
在一个实施例中，在步骤五中，重构弹性纵波信号序列包括：
基于无砟轨道板层状结构弹性纵波速度模型和观测位置，计算源点激发、接收点不同时刻的弹性波信号序列，为与观测数据进行相关成像做准备，由于计算依据反射原理，所以该序列主要反映层界面；重构弹性纵波信号序列步骤实施方式是加载步骤四采集的数据，获取激发点、接收点位置，基于无砟轨道板结构弹性纵波速度模型，通过求解弹性波位移方程
Figure BDA0003406681940000031
和速度应力方程
Figure BDA0003406681940000032
其中，u为位移场，v为介质中声波的传播速度，p为应力，vx和vz分别为质点在横纵两个方向上的弹性纵波速度，本模型采用各向同性，所以vx＝vz。
在一个实施例中，在步骤五中，信号序列互相关叠加成像包括：
在弹性纵波信号序列重构完成之后，开展信号序列互相关叠加成像，用于识别层界面的变化；
信号序列互相关叠加成像实施方式为对同时刻的重构纵波信号序列与步骤四采集的数据序列进行互相关计算，表达式：S(x,t)R(x,t)，S(x,t)和R(x,t)分别代表空间位置x、外推时刻为t的重构信号与实测信号，在对同时刻的重构信号与实测信号互相关运算之后，然后将所有时刻的值叠加成像，
Figure BDA0003406681940000041
T为总时间长度，如果深部层界面不明显，可采用归一化计算公式进行叠加成像：
Figure BDA0003406681940000042
或
Figure BDA0003406681940000043
最终形成时间序列相关成像剖面，横向为位置，纵向为时间。
在一个实施例中，在步骤五中，信号序列振幅聚焦成像包括：
在对信号序列随时间变化相关叠加之后，开展随位置变化的信号序列振幅聚焦成像，振幅聚焦成像主要是通过多通道阵列识别内部缺陷点，用于识别目标体内部缺陷点；
首先进行走时的计算：
Figure BDA0003406681940000044
其中，tm为无砟轨道板内目标点与观测点间的走时，rm为传感器与无砟轨道板内目标点的距离，h为无砟轨道板内目标点与观测点间的水平距离，dm为无砟轨道板内目标点与观测点间的垂直距离，ν为超声波在无砟轨道板中传播的平均速度，ν的计算：假设激发时刻为t0，时间单位μs，然后从八个声波检波曲线自动读取首波到达时间，相邻两道之间的时间做差Δt，进一步通过公式νi＝L/Δt，L为两声波传感器间距，计算获取两道间的速度νi，最后通过公式
Figure BDA0003406681940000051
计算测区间的平均弹性波波速；
走时计算完毕后，通过式
Figure BDA0003406681940000052
对弹性波信号进行振幅叠加聚焦成像，当目标体内部存在缺陷时，相应位置、时刻纵波序列会形成强反射，通过多次叠加，可以增强缺陷部位的信号强度；其中，R(dm,tm)为第m次实测纵波信号序列，R(xi,yi)为接收点(xi,yi)的振幅聚焦成像序列，N为采集信号总数，N＝轨道车移动距离/20厘米，最终形成振幅聚焦成像剖面，横向为位置，纵向为深度；
最后，将时间成像剖面纵向时间与振幅聚焦成像中计算的ν做相乘，换算为深度，并将时间叠加成像剖面与振幅聚焦成像剖面进行叠加，形成最终成像剖面，横向为位置，纵向为深度。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测***，该铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测***包括：
设置在铁路轨道上的电动轨道小车，以及设置在电动轨道小车上方的声发射多通道主机、供电电瓶；
电动轨道小车下方悬挂有电磁冲击锤、声发射传感器阵列、吸音板和测距编码器；
在所述电动轨道小车上方设置的声发射多通道主机与供电电瓶之间通过供电电缆连接；
所述电动轨道小车下方悬挂的电磁冲击锤通过激发源橡胶条固定在电动轨道小车下方，电磁冲击锤与声发射多通道主机通过激发源控制电缆连接；
所述电动轨道小车下方悬挂的声发射传感器阵列与声发射多通道主机通过信号传输电缆连接。
在一个实施例中，所述电动轨道小车下方悬挂测距编码器与电动轨道小车后车轴通过皮带连接，测距编码器与声发射多通道主机通过测距信号电缆连接；
所述声发射传感器阵列由八个声发射传感器本体组成，布置在横杆之下，等间隔布置，横杆通过传感器橡胶条固定在电动轨道小车下方。
在一个实施例中，所述吸音板位于电磁冲击锤和声发射传感器阵列之间，吸音板与电磁冲击锤、第一道声发射传感器本体横向距离相同；
所述电磁冲击锤冲击至无砟轨道板表面，电磁冲击锤受电磁继电器控制。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
1、本发明从轨道板上方进行阵列检测，能够无损地检测轨道板内病害情况，识别轨道板内病害位置、深度及砂浆脱空情况；
2、传感器阵列以非接触方式与轨道板保持恒距，便于移动检测，传感器阵列具有扩展性，可根据检测精度要求增加减少传感器数量，同时以轨道电动车为载体、多通道主机接收数据，采集效率高；
3、本发明中无损检测***的电磁冲击锤4采用电磁继电器控制，冲击力度、间隔可控，可按设定距离自动激发，激发的弹性波能量稳定，数据一致性好；
4、检测***随搭载***移动自动激发弹性波、自动数据采集，依据采集数据快速成像，极速生成轨道板弹性波断面，自动化程度高；
5、本发明与现有一些技术在无砟轨道板内部病害测试的性能对比情况，可以看到本发明的检测方法精度高、缺陷定位准确、成像直观，既能识别病害位置、又能检测病害深度及规模，同时自动化程度高、成像快速、效率高，可为铁路保养、维护提供有效技术支撑。
与现有技术对比表
Figure BDA0003406681940000061
Figure BDA0003406681940000071
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本发明实施例提供的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测***的连接结构示意图
图2是本发明实施例提供的铁路轨道板车载非接触声发射阵列无损检测方法流程图
图3是本发明实施例提供的无病害轨道板结构模型及检测效果图；
其中，图3(a)为无病害轨道板结构模型；(b)为成像结果。
图4是本发明实施例提供的含病害轨道板结构模型及成像效果图；
其中，图4(a)为含病害轨道板结构模型；图4(a)为成像结果。
图5是本发明实施例提供的铁路轨道板结构检测结果图
图中：1、电动轨道小车；2、声发射多通道主机；3、供电电瓶；4、电磁冲击锤；5、声发射传感器阵列；6、供电电缆；7、激发源控制电缆；8、信号传输电缆；9、声发射传感器本体；10、横杆；11、传感器橡胶条；12、激发源橡胶条；13、吸音板；14、测距信号电缆；15、无砟轨道板；16、测距编码器；17、皮带。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本发明所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本发明所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，该铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测***，包括设置在铁路轨道之上的电动轨道小车1以及设置在电动轨道小车1上方的声发射多通道主机2、供电电瓶3，电动轨道小车1下方悬挂有电磁冲击锤4、声发射传感器阵列5、吸音板13和测距编码器16。钢轨通过扣件固定于无砟轨道板15上，电动轨道小车1位于钢轨之上。
在所述电动轨道小车1上方设置的声发射多通道主机2与供电电瓶3之间通过供电电缆6连接。
所述电动轨道小车1下方悬挂的电磁冲击锤4通过激发源橡胶条12固定在电动轨道小车1下方，电磁冲击锤4与声发射多通道主机2通过激发源控制电缆7连接。
所述电动轨道小车1下方悬挂的声发射传感器阵列5与声发射多通道主机2通过信号传输电缆8连接。
所述电动轨道小车1下方悬挂的测距编码器16与电动轨道小车1后车轴通过皮带17连接，测距编码器16与声发射多通道主机2通过测距信号电缆14连接。所述声发射传感器阵列5由8个声发射传感器本体9组成，布置在横杆10之下，等间隔布置、间距20厘米，横杆10通过传感器橡胶条11固定在电动轨道小车1下方。所述吸音板13位于电磁冲击锤4和声发射传感器阵列5之间，吸音板13与电磁冲击锤4、第一道声发射传感器本体9横向距离均为20厘米。所述电磁冲击锤4可冲击至无砟轨道板15表面，电磁冲击锤4受电磁继电器控制，可稳定激发弹性波，冲击力度、间隔可控。
如图2所示，本发明还提供了一种铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法，包括以下步骤：
S1、非接触声发射阵列检测***布置；
***连接按照图1所示方式实施，通过人工将电动轨道小车1搬运至铁路轨道之上，然后将供电电瓶3、声发射多通道主机2放置在电动轨道小车1之上，并固定。利用供电电缆6将供电电瓶3与声发射多通道主机2连接，然后利用激发源控制电缆7、信号传输电缆8将电磁冲击锤4、声发射传感器阵列5分别与声发射多通道主机2进行连接。
S2、电磁冲击锤4激发信号，声发射多通道主机2进行数据采集；
由声发射多通道主机2控制电磁冲击锤4向下方的无砟轨道板15进行一次锤击，电动轨道小车1每行进20厘米，电磁冲击锤4进行一次锤击，激发的弹性波信号沿无砟轨道板15向前传播；同时刻，声发射多通道主机2开始接收声发射传感器阵列5采集的信号，采样率>1M/s，即采样间隔Δt＝1μs，完成一次数据采集，数据以二进制文件形式保存于声发射多通道主机2建立的项目目录，数据文件内包含文件头和采集信号，文件头存放工程名称、激发点位置(xs,ys)、接收点位置(xr,yr)，采样间隔Δt、采样点数N，信号序列ξ按采样点次序存放。
S3、小车移动、信号再次激发、数据再采集：
在上次数据采集后，电动轨道小车1持续向前移动，在上一次锤击后，声发射多通道主机2实时接收测距编码器16测距信息，当移动距离每次达到20厘米时，声发射多通道主机2控制电磁冲击锤4再次向下方的无砟轨道板15进行锤击，声发射多通道主机2再次接收声发射传感器阵列5采集的信号，每完成一次数据采集，数据文件继续保存于声发射多通道主机2项目目录。
S4、数据合成：
经过步骤S2、S3中采集的数据文件进行合成，构建弹性波合成数据，数据中包含：激发点位置、接收点位置，采样间隔、采样点数、信号幅值；
合成方法：读取全部数据文件，文件头为总激发数、采样间隔Δt、采样点数N、每一次的激发点位置(xs,ys)和接收点位置(xr,yr)，信号序列ξ按激发次序、采样次序依次按行存放，合成后数据文件仍以二进制文件存放。
S5、数据成像：
对S4的数据进行成像，数据成像包含四部分内容：建立弹性纵波速度模型、重构弹性纵波信号序列、信号序列互相关叠加成像和信号序列振幅聚焦成像。
(1)建立弹性纵波速度模型
根据无砟轨道板15结构尺寸和强度建立弹性纵波层状速度模型，铁路的结构从上至下依次为无砟轨道板15、砂浆垫层、下伏混凝土基础，无砟轨道板15一般为20厘米厚、砂浆垫层3-10厘米厚，下伏基础混凝土50厘米厚，无砟轨道板15的强度C50、砂浆垫层强度C30、下伏混凝土基础C40，根据轨道结构建立二维空间模型，并将无砟轨道板15弹性纵波速度设定为4200m/s，砂浆垫层弹性纵波速度3800m/s，下伏混凝土基础弹性纵波速度4000m/s，至此完成了二维纵波速度模型的建立。
(2)重构弹性纵波信号序列
基于无砟轨道板15层状结构弹性纵波速度模型和观测位置，计算源点激发、接收点不同时刻的弹性波信号序列，为与观测数据进行相关成像做准备，由于计算依据反射原理，所以该序列主要反映层界面。重构弹性纵波信号序列步骤实施方式是加载步骤S4采集的数据，获取激发点、接收点位置，基于无砟轨道板15结构弹性纵波速度模型，通过求解弹性波位移方程
Figure BDA0003406681940000101
和速度应力方程
Figure BDA0003406681940000111
其中，u为位移场，v为介质中声波的传播速度，p为应力，vx和vz分别为质点在横纵两个方向上的弹性纵波速度，本模型采用各向同性，所以vx＝vz，获得随时间前进不同时刻的纵波信号序列，采样间隔、采样点数与步骤S4中一致。
(3)在弹性纵波信号序列重构完成之后，开展信号序列互相关叠加成像
该步骤主要用于识别层界面的变化，信号序列互相关叠加成像实施方式为对同时刻的重构纵波信号序列与步骤S4采集的数据序列进行互相关计算，表达式：S(x,t)R(x,t)，S(x,t)和R(x,t)分别代表空间位置x、外推时刻为t的重构信号与实测信号，在对同时刻的重构信号与实测信号互相关运算之后，然后将所有时刻的值叠加成像，
Figure BDA0003406681940000112
T为总时间长度，如果深部层界面不明显，可采用归一化计算公式进行叠加成像：
Figure BDA0003406681940000113
或
Figure BDA0003406681940000114
最终形成时间序列相关成像剖面，横向为位置(单位：米)，纵向为时间(单位：秒)。
(4)在对信号序列随时间变化相关叠加之后，开展随位置变化的信号序列振幅聚焦成像，振幅聚焦成像主要是通过多通道阵列识别内部缺陷点，该步骤主要用于识别目标体内部缺陷点。
首先进行走时的计算：
Figure BDA0003406681940000115
其中，tm为无砟轨道板15内目标点与观测点间的走时，rm为传感器与无砟轨道板15内目标点的距离，h为无砟轨道板15内目标点与观测点间的水平距离，dm为无砟轨道板15内目标点与观测点间的垂直距离，ν为超声波在无砟轨道板15中传播的平均速度，ν的计算：假设激发时刻为t0，时间单位μs，然后从8个声波检波曲线自动读取首波到达时间，相邻两道之间的时间做差Δt，进一步通过公式νi＝L/Δt(L为两声波传感器间距)计算获取两道间的速度νi，最后通过公式
Figure BDA0003406681940000121
计算测区间的平均弹性波波速。
走时计算完毕后，通过式
Figure BDA0003406681940000122
对弹性波信号进行振幅叠加聚焦成像，当目标体内部存在缺陷时，相应位置、时刻纵波序列会形成强反射，通过多次叠加，可以增强缺陷部位的信号强度。其中，R(dm,tm)为第m次实测纵波信号序列，R(xi,yi)为接收点(xi,yi)的振幅聚焦成像序列，N为采集信号总数，N＝轨道车移动距离/20厘米，最终形成振幅聚焦成像剖面，横向为位置(单位：米)，纵向为深度(单位：厘米)。
最后，将时间成像剖面纵向时间与振幅聚焦成像中计算的ν做相乘，换算为深度，并将时间叠加成像剖面与振幅聚焦成像剖面进行叠加，形成最终成像剖面，如图3(b)、图4(b)所示，横向为位置(单位：米)，纵向为深度(单位：米)。
S6、缺陷差异分析：
在步骤S5完成后，首先将时间成像剖面纵向时间与步骤五种，信号序列振幅聚焦成像中计算的ν做相乘，换算为深度，然后，将时间叠加成像剖面与振幅聚焦成像剖面进行叠加，形成最终成像剖面，横向为位置(单位：米)，纵向为深度(单位：厘米)，最后，依据第五步骤中的成像结果(图4b)，与无缺陷模型的成像剖面(图3b)进行做差ε-ε0，形成差异剖面(图5)，ε为信号振幅，如图5所示，成像中激发主频为50kHz，采样间隔为50μs，可以清晰分辨无砟轨道板15结构内部病害。
利用公式
Figure BDA0003406681940000123
分区段对铁路无砟轨道板15结构进行缺陷程度的定量分析，其中δ为残差，N为区段内单元总数，i为内部单元编号，εi为第i个单元的信号振幅，ε0为第i个单元的设计模型信号振幅。
S7、成果输出：
依据S6中分析结果，绘制沿线路方向的铁路无砟轨道板15检测断面，包含结构内部病害的位置、规模及定量评价结果。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法，其特征在于，所述铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法包括以下步骤：
步骤一、非接触声发射阵列检测***布置；
将电动轨道小车(1)搬运至铁路轨道之上，然后将供电电瓶(3)、声发射多通道主机(2)放置在电动轨道小车(1)之上，并固定；利用供电电缆(6)将供电电瓶(3)与声发射多通道主机(2)连接，然后利用激发源控制电缆(7)、信号传输电缆(8)将电磁冲击锤(4)、声发射传感器阵列(5)分别与声发射多通道主机(2)进行连接；
步骤二、电磁冲击锤(4)激发信号，声发射多通道主机(2)进行数据采集；
由声发射多通道主机(2)控制电磁冲击锤(4)向下方的无砟轨道板(15)进行一次锤击，电动轨道小车(1)每次行进的过程种，电磁冲击锤(4)将进行一次锤击，激发的弹性波信号沿无砟轨道板(15)向前传播；声发射多通道主机(2)开始接收声发射传感器阵列(5)采集的信号；
步骤三、小车移动、信号再次激发、数据再采集；
在完成数据采集后，电动轨道小车(1)持续向前移动，在上一次锤击后，声发射多通道主机(2)实时接收测距编码器(16)测距信息，当移动距离每次达到设定距离时，声发射多通道主机(2)控制电磁冲击锤(4)再次向下方的无砟轨道板(15)进行锤击，声发射多通道主机(2)再次接收声发射传感器阵列(5)采集的信号，每完成一次数据采集，数据文件继续保存于声发射多通道主机(2)项目目录；
步骤四、数据合成；
对经过步骤二、步骤四中采集的数据文件进行合成，构建弹性波合成数据，数据中包含：激发点位置、接收点位置，采样间隔、采样点数、信号幅值；
步骤五、数据成像；
对合成后的数据进行成像，数据成像包含四部分内容：建立弹性纵波速度模型、重构弹性纵波信号序列、信号序列互相关叠加成像和信号序列振幅聚焦成像；
步骤六、缺陷差异分析；
在数据成像完成后，首先将时间成像剖面纵向时间与信号序列振幅聚焦成像中计算的ν做相乘，换算为深度；然后，将时间叠加成像剖面与振幅聚焦成像剖面进行叠加，形成最终成像剖面，横向为位置，纵向为深度；最后，依据步骤五中的成像结果，与无缺陷模型的成像剖面进行做差ε-ε0，形成差异剖面，ε为信号振幅；
步骤七、成果输出；
依据步骤六种分析结果，绘制沿线路方向的铁路无砟轨道板(15)检测断面，包含结构内部病害的位置、规模及定量评价结果。
2.根据权利要求1所述的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法，其特征在于，在步骤二中，完成一次数据采集，数据以二进制文件形式保存于声发射多通道主机(2)建立的项目目录，数据文件内包含文件头和采集信号，文件头存放工程名称、激发点位置(xs,ys)、接收点位置(xr,yr)，采样间隔Δt、采样点数N，信号序列ξ按采样点次序存放。
3.根据权利要求1所述的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法，其特征在于，在步骤四中，数据合成的方法为：读取全部数据文件，文件头为总激发数、采样间隔Δt、采样点数N、每一次的激发点位置(xs,ys)和接收点位置(xr,yr)，信号序列ξ按激发次序、采样次序依次按行存放，合成后数据文件仍以二进制文件存放。
4.根据权利要求1所述的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法，其特征在于，在步骤五中，建立弹性纵波速度模型包括：
根据结构尺寸和强度建立弹性纵波层状速度模型，铁路的结构从上至下依次为无砟轨道板(15)、砂浆垫层、下伏混凝土基础；根据轨道结构建立二维空间模型，设定弹性纵波速度，完成了二维纵波速度模型的建立。
5.根据权利要求1所述的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法，其特征在于，在步骤五中，重构弹性纵波信号序列包括：
基于无砟轨道板(15)层状结构弹性纵波速度模型和观测位置，计算源点激发、接收点不同时刻的弹性波信号序列，为与观测数据进行相关成像做准备，由于计算依据反射原理，所以该序列主要反映层界面；重构弹性纵波信号序列步骤实施方式是加载步骤四采集的数据，获取激发点、接收点位置，基于无砟轨道板(15)结构弹性纵波速度模型，通过求解弹性波位移方程
Figure FDA0003406681930000031
和速度应力方程
Figure FDA0003406681930000032
其中，u为位移场，v为介质中声波的传播速度，p为应力，vx和vz分别为质点在横纵两个方向上的弹性纵波速度，本模型采用各向同性，所以vx＝vz。
6.根据权利要求1所述的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法，其特征在于，在步骤五中，信号序列互相关叠加成像包括：
在弹性纵波信号序列重构完成之后，开展信号序列互相关叠加成像，用于识别层界面的变化；
信号序列互相关叠加成像实施方式为对同时刻的重构纵波信号序列与步骤四采集的数据序列进行互相关计算，表达式：S(x,t)R(x,t)，S(x,t)和R(x,t)分别代表空间位置x、外推时刻为t的重构信号与实测信号，在对同时刻的重构信号与实测信号互相关运算之后，然后将所有时刻的值叠加成像，
Figure FDA0003406681930000033
T为总时间长度，如果深部层界面不明显，可采用归一化计算公式进行叠加成像：
Figure FDA0003406681930000034
或
Figure FDA0003406681930000035
最终形成时间序列相关成像剖面，横向为位置，纵向为时间。
7.根据权利要求1所述的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法，其特征在于，在步骤五中，信号序列振幅聚焦成像包括：
在对信号序列随时间变化相关叠加之后，开展随位置变化的信号序列振幅聚焦成像，振幅聚焦成像主要是通过多通道阵列识别内部缺陷点，用于识别目标体内部缺陷点；
首先进行走时的计算：
Figure FDA0003406681930000041
其中，tm为无砟轨道板(15)内目标点与观测点间的走时，rm为传感器与无砟轨道板(15)内目标点的距离，h为无砟轨道板(15)内目标点与观测点间的水平距离，dm为无砟轨道板(15)内目标点与观测点间的垂直距离，ν为超声波在无砟轨道板(15)中传播的平均速度，ν的计算：假设激发时刻为t0，时间单位μs，然后从八个声波检波曲线自动读取首波到达时间，相邻两道之间的时间做差Δt，进一步通过公式νi＝L/Δt，L为两声波传感器间距，计算获取两道间的速度νi，最后通过公式
Figure FDA0003406681930000042
计算测区间的平均弹性波波速；
走时计算完毕后，通过式
Figure FDA0003406681930000043
对弹性波信号进行振幅叠加聚焦成像，当目标体内部存在缺陷时，相应位置、时刻纵波序列会形成强反射，通过多次叠加，可以增强缺陷部位的信号强度；其中，R(dm,tm)为第m次实测纵波信号序列，R(xi,yi)为接收点(xi,yi)的振幅聚焦成像序列，N为采集信号总数，N＝轨道车移动距离/20厘米，最终形成振幅聚焦成像剖面，横向为位置，纵向为深度；
最后，将时间成像剖面纵向时间与振幅聚焦成像中计算的ν做相乘，换算为深度，并将时间叠加成像剖面与振幅聚焦成像剖面进行叠加，形成最终成像剖面，横向为位置，纵向为深度。
8.一种实现如权利要求1-7任意一项所述铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测***，其特征在于，该铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测***包括：
设置在铁路轨道上的电动轨道小车(1)，以及设置在电动轨道小车(1)上方的声发射多通道主机(2)、供电电瓶(3)；
电动轨道小车(1)下方悬挂有电磁冲击锤(4)、声发射传感器阵列(5)、吸音板(13)和测距编码器(16)；
在所述电动轨道小车(1)上方设置的声发射多通道主机(2)与供电电瓶(3)之间通过供电电缆(6)连接；
所述电动轨道小车(1)下方悬挂的电磁冲击锤(4)通过激发源橡胶条(12)固定在电动轨道小车(1)下方，电磁冲击锤(4)与声发射多通道主机(2)通过激发源控制电缆(7)连接；
所述电动轨道小车(1)下方悬挂的声发射传感器阵列(5)与声发射多通道主机(2)通过信号传输电缆(8)连接。
9.根据权利要求8所述的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测***，其特征在于，所述电动轨道小车(1)下方悬挂的测距编码器(16)与电动轨道小车(1)后车轴通过皮带(17)连接，测距编码器(16)与声发射多通道主机(2)通过测距信号电缆(14)连接；
所述声发射传感器阵列(5)由八个声发射传感器本体(9)组成，布置在横杆(10)之下，等间隔布置，横杆(10)通过传感器橡胶条(11)固定在电动轨道小车(1)下方。
10.根据权利要求8所述的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测***，其特征在于，所述吸音板(13)位于电磁冲击锤(4)和声发射传感器阵列(5)之间，吸音板(13)与电磁冲击锤(4)、第一道声发射传感器本体(9)横向距离相同；
所述电磁冲击锤(4)冲击至无砟轨道板(15)表面，电磁冲击锤(4)受电磁继电器控制。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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