CN202814931U - 一种基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置，装置包括超声换能器阵列、发射模块、频率选择模块、控制模块、接收模块、测温模块和人机交互操作平台；控制模块分别与接收模块、发射模块、频率选择模块、测温模块以及人机交互操作平台连接；发射模块与超声波换能器阵列、频率选择模块和控制模块连接；接收模块与超声波换能器阵列、控制模块和人机交互操作平台连接。该装置使用频谱认知与自适应技术进行超声钢轨探伤检测，根据探伤环境的不同选用不同超声检测频率以及超声传播速率，同时用波束成形技术发射动态聚焦和偏转的超声波定位缺陷的精确位置，实现对钢轨缺陷形状、大小和位置的检测，具有高精度、自适应、抗干扰等优点。

Description

一种基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置

技术领域

本实用新型涉及超声探伤技术领域，具体涉及一种基于频谱认知、使用超声波换能器阵列进行自适应钢轨探伤的装置。

背景技术

近年来，随着铁路的不断提速，钢轨质量的要求也越来越高。列车在制动、加速以及通过钢轨间的焊接缝、弯道、岔道时，对钢轨产生摩擦、挤压等作用，随着使用时间的逐渐增长，钢轨容易产生老化、磨损、断裂等问题。超声无损检测技术由于具有不介入被测工件、不影响设备正常工作等优点，在钢轨探伤方面得到广泛的应用。对于工业探伤而言，被测工件的缺陷往往都在毫米级以下，对缺陷的判断定位要求非常高。尤其对于钢轨来说，安全至关重要，因此对于缺陷定位的准确度要求就更高了。在钢轨探伤的过程中，很多因素都会影响对缺陷判断的准确性，如被测工件温度、环境中的各种电磁噪声和物理噪声等。

传统的超声波检测一般采用脉冲反射法，发射端发射短时脉冲波到被测工件内，若被测工件有裂缝、细纹等缺陷，则发射波和底面的反射回波之间会出现一个或多个缺陷反射回波。测量缺陷反射回波相对于发射波的时延，结合已知的超声波在被测工件中的传播速度，就可以很容易地得到缺陷与发射端之间的距离，估算出缺陷的位置；而对缺陷反射回波进行细致分析就可以得到缺陷的大小、形状等信息。传统的钢轨超声探伤方法存在以下缺点：

(1)传统的钢轨超声探伤方法并未考虑到探伤环境周围的其它机械波对接收回波的干扰，进而影响探伤的准确性。由于环境的复杂性，探伤环境中可能存在复杂的杂波干扰。随机选取的频率如果与这些杂波的频率有重叠，信号的接收会受到严重的干扰，会造成缺陷回波的判断失误；

(2)传统的钢轨超声探伤方法一般采用随机选取可用频段中的某个频率进行探伤，没有考虑到使用探伤频率的不同对探伤准确性造成的影响。一方面，使用较高频率的超声波有利于抑制衍射，并且高频超声波的方向性较好，利于检测微小的缺陷；而另一方面，高频超声波由于方向性过强，回波接收较困难，会导致回波丢失，从而影响检测结果。同时，不同的频率成分在不同的探伤材料中的传播效果也有很大的不同。例如，当被检材料透声性优良，而重复频率选择过高时，还会出现所谓“游动波”，特别在钢(例如5CrNiMo、1Cr11Ni2W2MoV、Cr17Ni2等）或铝合金锻件中容易出现。而当频率过低时，两次的探伤波之间间隔太大，会造成“漏检”，也就是检测不够细致，容易漏检微小缺陷；

(3)温度会影响超声在钢轨中的传播速度，但传统的钢轨超声探伤***对不同温度下的探伤并没有区别对待。例如常温下(20°C-30°C)横波在16MnR钢中的传播速度是3220m/s，在50°C时，声波在16MnR中的横波速度为3150m/s；在此温度下，如果钢轨中存在一条与发射端垂直距离为10cm的裂缝，那么若继续使用常温下的传播速度，则会把缺陷误判为与发射端垂直距离11cm处。在探伤过程中，由于天气变化和探伤装置对钢轨的摩擦都会很容易造成钢轨表面温度变化。因此，需要根据温度的变化对声速进行修正。另一方面，超声换能器压电材料的性能会随温度的变化而不同，最佳工作频率也会随着温度变化而产生差异。由于超声换能器具有较窄的通频带，所以对发射信号的频率准确度要求比较高，只有当发射信号的频率准确地与超声波换能器的中心频率匹配时，换能器才能达到最佳的功率输出效果。因此当温度变化量超过一定值时必须重新检测最佳频率，保证换能器始终工作在最佳频率下。

实用新型内容

针对目前技术所存在的上述不足，本实用新型提出一种基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置。该方法使用频谱认知与自适应技术进行超声钢轨探伤检测，根据探伤环境的不同选用不同的超声检测频率以及超声传播速率，同时用波束成形技术发射动态聚焦和偏转的超声波定位缺陷的精确位置，实现对钢轨缺陷形状、大小和位置的检测，具有高精度、自适应、抗干扰等优点。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置，包括超声换能器阵列、发射模块、频率选择模块、控制模块、接收模块、测温模块和人机交互操作平台。其中控制模块分别与接收模块、发射模块、频率选择模块、测温模块以及人机交互操作平台连接；发射模块与超声波换能器阵列、频率选择模块和控制模块连接；接收模块与超声波换能器阵列、控制模块和人机交互操作平台连接。其中所述超声波换能器阵列用于超声波发射与接收过程中声电信号的相互转换；所述发射模块用于驱动超声波换能器阵列发射超声波；所述接收模块用于接收和处理超声回波信号；所述频率选择模块用于超声发射频率的合成与选择；所述测温模块用于测量被测工件的温度；所述控制模块接收初次扫描的各个频率下的探测回波，由计算单元中的频率估计算法计算反射回波的频率漂移量。

上述一种基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置中，所述发射模块包括若干个与超声波换能器阵列相连的发射单元，每个发射单元均由顺次连接的波形缓存器、D/A转换器和功率放大器组成；所述接收模块包含若干个与超声波换能器阵列相连的接收单元，每个发射单元均由顺次连接的程控放大器、滤波检波器、A/D转换器和采样缓存器组成；所述控制模块包括控制单元、计算单元、存储单元；所述频率选择模块由频率选择器与频率合成器组成；

上述一种基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置在探伤过程中，控制模块中的计算单元计算反射回波的频率漂移量，选择回波频率漂移量最小即信道环境最好的频率作为最佳探伤频率；测温模块实时监测钢轨温度，当温度变化量超过一定阈值时，停止探伤，更新声速数据，同时使用频率选择模块重新检测可用频率，选择最佳频率进行探伤；在初步检测得到缺陷的大致区域之后，发射模块使用波束成形技术发射动态聚焦和偏转的超声波定位缺陷的精确位置。计算单元分析缺陷回波数据得到缺陷的形状、大小位置等特征信息，并将缺陷特征信息存储于存储单元中的缺陷数据库。

基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤方法，具体包括以下步骤：

步骤1，频率合成器在可用频段内合成一组发射频率，选取一个完整无损的测试用工件，频率选择器依次选择可用频率发送给发射模块控制超声波换能器阵列向测试工件发射探测波；

步骤2，发射模块驱动超声波换能器阵列按照行列顺序依次扫描测试工件，控制模块将通过工件的底面回波信号逐个接收，存储单元存储各个频段接收的底面回波信号频率，计算单元计算各频率反射回波的频率漂移量，选择漂移量最小的频率为最佳探伤频率；

步骤3，选用若干存在典型缺陷的标准试块，控制单元在换能器阵列平面内建立一个直角坐标系，使发射模块驱动超声波换能器阵列的行列依次扫描测试工件的行列方向，得到被测工件沿行列方向上的回波信号。将由回波信号分析出来的缺陷的精确位置、实际形状和大小存入缺陷数据库；

步骤4，发射模块驱动超声波换能器阵列选择最佳频率向行列两个方向上发射探伤脉冲波，超声波换能器阵列接收被测工件在行列两个方向上的扫描回波信号，经过接收模块处理后发送至控制模块，控制模块中的计算单元根据预先设定好的幅度阈值，利用行列两个方向上的所述预扫描回波信号判断是否存在缺陷，如果存在缺陷，则计算缺陷点的大致位置坐标，从而得到缺陷点的大致区域；

步骤5，控制模块中的控制单元根据缺陷所在的大致区域计算每个阵元发射超声波的幅度和延时，控制每个阵元对缺陷所在的大致区域发射动态聚焦和偏转的超声波来完成集中扫描，超声波换能器阵列接收集中扫描所获得的缺陷反射回波，经过接收模块的处理后输出到控制模块。

步骤6，控制模块根据集中扫描所获得的缺陷反射回波的回波特性，搜索存储单元中的缺陷数据库，利用相似缺陷的信息判断缺陷的实际大小和形状；同时计算单元计算出缺陷的精确位置；最后把缺陷的精确位置、实际大小和形状输出到人机交互操作平台，并更新缺陷数据库。

步骤7，人机交互操作平台的显示单元接收控制模块的输出信息，采用三维成像技术将缺陷的精确位置、实际大小和形状使用三维立体图的形式显示出来。

上述一种基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤方法，当发射波与底面反射回波之间存在其它回波，且该回波幅度超过一定阈值时，认为该回波是缺陷反射回波，被测工件内存在缺陷。

上述一种基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤方法，当测温模块监测的环境温度变化量超过阈值时，停止探伤，换用测试钢块，重新检测最佳频率。检测到最佳频率后，采用最佳频率重新开始探伤。

与现有的技术相比，本实用新型具有以下优点和效果：

1、***开始探伤前，先预扫描所有可用频段，通过控制模块计算得出回波频率漂移量最小的频率，然后进行探伤，保证了探伤过程始终工作在最佳信道环境中，从而克服了传统探伤***中随机选取探伤频段造成缺陷定位不准确的缺点。

2、本***中的测温模块随时监控被测工件温度，当温度改变量超过阈值时，停止探伤，再次换用测试工件测试频率。此过程可保证探伤过程始终进行在频率漂移量最小，即信道环境最好的条件下；同时根据温度来调整声速，保证缺陷定位的准确性，另外，测温模块的自动监测温度的过程能使探伤***自适应地工作在各种环境温度下。

3、探伤过程中先确定缺陷的大致区域，再采用超声换能器阵列的波束成形技术集中扫描缺陷所在的大致区域，能提高扫描的精度，容易对微小缺陷进行准确定位。

4、采用建立缺陷数据库的形式将探测到的缺陷信息存储起来一方面便于在集中扫描微小缺陷的过程中根据相似回波信息判断缺陷的形状大小能信息，另一方面便于在以后探伤时提供参考，能大大缩减探伤的时间并提高准确率，实用性强。

附图说明

图1是基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置结构示意图；

图2是基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置的工作流程图；

图3是实施方式中采用超声阵列的坐标图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施和保护范围不限于此。

本实用新型的装置结构图如图1所示，本实用新型提出的一种基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置，包括超声波换能器阵列1、发射模块2、频率选择模块3、控制模块4、接收模块5、人机交互操作平台6和测温模块7。其中控制模块4分别与发射模块2、频率选择模块3、接收模块5、测温模块7以及人机交互操作平台6连接；发射模块2与超声波换能器阵列1、频率选择模块3和控制模块4连接；接收模块5与超声波换能器阵列1、控制模块4和人机交互操作平台6连接。

所述发射模块2包括若干个与超声波换能器阵列相连的发射单元，每个发射单元均由顺次连接的波形缓存器23、D/A转换器22和功率放大器21组成；所述接收模块5包含若干个与超声波换能器阵列相连的接收单元，每个发射单元均由顺次连接的程控放大器51、滤波检波器52、A/D转换器53和采样缓存器54组成。

所述控制模块4包括控制单元41、计算单元42、存储单元43。存储单元43存储预先设定好的控制信息，具体包括各种典型缺陷试块的的反射波波形、频率估计算法、设定好的温度变化阈值以及缺陷回波的幅度阈值。

所述控制模块4中的计算单元42在预扫描阶段，利用存储模块4中的频率估计算法，计算各频段反射回波的频率漂移量。在探伤过程中接收反射波，根据设定的幅度阈值，利用超声波换能器阵列行列预扫描的回波信号判断是否存在缺陷，若存在缺陷，则计算缺陷的大致区域；所述控制单元41首先控制超声波换能器阵列分别按行和列对被测工件进行行列方向上的预扫描，存在缺陷时，根据缺陷的大致区域计算每个阵元发射波的幅度和延时，控制每个阵元的发射来完成集中扫描，获得发射波和缺陷反射回波之间的时延，再根据缺陷波的波形幅度和相位值判断缺陷的类型，更新存储单元43中的缺陷数据库。当测温电路显示温度变化量超过阈值时，***停止探伤，换用完整无损的测试工件再次检测最佳探伤频段，同时将本次所测温度存入数据库，且更新计算单元42中的温度值。

所述频率选择模块3包括频率选择器31与频率合成器32；其中频率选择器31选用四选一频率选择器；频率合成器32选用AD9958型双通道数字频率合成器；频率合成器32根据控制单元41的指令，在预扫描阶段将可用的超声频段分成若干个频段，合成多个预扫描频率，然后由发射模块2根据频率选择器所选取的频率，控制超声波换能器阵列1逐个发送预扫描信号波。

上述基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置，在使用装置进行钢轨探伤前，首先通过人机交互操作平台6将检测环境内可用频段存储于存储单元43中，人机交互操作平台6向控制模块4发出指令，控制单元41向频率合成器32发出指令，频率合成器32将可用频段均分成若干段，频率选择器31逐段频率选择传递给发射模块2，超声波换能器阵列1逐个频段发射探伤波对完整无损的测试工件进行预扫描。接收模块5分别接收预扫描回波信号，发送给控制模块4，计算单元42调用频率估计算法计算回波的频率，选出漂移量最小的频率作为最佳探伤频率，控制模块将最佳频率传递给频率合成器4，频率选择器3选用已经计算出来的最佳频率通过发射模块2控制超声波换能器阵列1向被测钢轨发射探伤波探伤。如果存在缺陷，控制模块6则计算缺陷的大致区域，并控制发射模块2集中扫描缺陷所在的大致区域，超声波换能器阵列1接收集中扫描所获得的缺陷反射回波，经过接收模块5的处理后发送到控制模块4。控制模块4搜索存储单元43的缺陷数据库，判断缺陷的实际大小和形状，同时精确计算缺陷的位置，把缺陷的精确位置、实际大小和形状输出到人机交互操作平台6，并更新数据库，最后采用三维成像技术把缺陷的精确位置、实际大小和形状显示出来。其中，所述测温模块7在探伤过程中，如果监测的环境温度变化量超过阈值，则所述人机交互操作平台6通过控制面板发出控制指令(开始指令、结束指令）；显示单元接收控制模块的输出信息，采用三维成像技术，把缺陷的精确位置、实际大小和形状用三维立体图的形式、显示出来。

如图2所示，本实施例实现一种基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤方法，其工作流程包括以下步骤：

步骤1，选取一个完整无损的标准测试用钢块，利用人机交互操作平台6输入目前可用的频段，频率合成器32在可用频段内合成一组发射频率，频率选择器31将可用频段内的频率逐个发送给发射模块2。发射模块2驱动超声波换能器阵列1按照行列顺序依次扫描测试工件；

步骤2，接收模块5处理反射回波后发射给控制模块4中的计算单元42利用存储模块中的频率估计算法计算各扫描频点上各自的反射回波的频率漂移量，然后选出信道环境最好即频率漂移量最小的频率作为本次探伤用频率。本实施例使用基于最小二乘法的频率估计算法，具体算法步骤如下：

①  提取反射回波相位                                                

                       (公式1)

其中T为反射回波采样间隔，

为初相，

为频差;

②令

，

则相位方程表示为

                             (公式2)

③为了得到

、

要求                   (公式3)

取最小值，通过求偏导数可最终得：

                                      (公式4)

                           (公式5)

则                           (公式6)

其中T是进行回波频率估计计算时的采样时间间隔，2n+1为采样样本总数，

为最终计算出来的回波频率相对于发射波频率漂移。

步骤3，选用若干具有典型缺陷的标准试块，如图3所示，控制模块4中的控制单元41在换能器阵列面内建立一个直角坐标系，使发射模块2驱动超声波换能器阵列1的每行依次预扫描试块的行方向，得到试块沿行方向上的回波信号；再使发射模块2驱动超声波换能器阵列1的每列依次预扫描试块的列方向，得到试块沿列方向的回波信号。将由回波信号分析出来的缺陷的精确位置、实际形状和大小存入缺陷数据库；

步骤4，超声波换能器阵列1分别接收被测工件水平面和垂直面的行和列这两个方向上的预扫描回波信号，经过接收模块5的处理后发送给控制模块4。控制模块4中的计算单元42根据其内部预先设定好的幅度阈值，利用行列预扫描的回波信号判断是否存在缺陷，(当发射波和地面反射回波之间存在其它回波，且该回波的幅度大于阈值时，则认为该回波是缺陷反射回波，被测工件内存在缺陷)。扫描被测工件水平面时，如果存在缺陷，则利用关系式来计算缺陷的大致位置，其中x是行方向上缺陷回波与发射点之间的距离，y是列方向上缺陷回波与发射点之间的距离，C是根据钢轨温度修正过的声速数据，T是缺陷回波和发射波之间的延时；扫描被测工件垂直面时，如果存在缺陷，则利用关系式

来计算缺陷的大致位置，其中其中y是行方向上缺陷回波与发射点之间的距离，z是列方向上缺陷回波与发射点之间的距离。得到坐标（x,y）和（x,z），当x值较接近时，则认为坐标（x,y,z）处即为缺陷大致位置的中心区域；

步骤5，控制模块4中的控制单元41采用波束成形技术，根据缺陷所在的大致区域计算每个阵元发射超声波的幅度和延时，控制每个阵元的发射，对缺陷所在的大致区域发射动态聚焦和偏转的超声波来完成集中扫描，超声波换能器阵列1集中扫描获得的反射回波由接收模块5处理后发送给控制模块4；

步骤6，控制模块4根据集中扫描所获得的缺陷反射回波的回波特性(例如回波高度、回波形状等)，搜索存储单元43中的缺陷数据库，利用相似缺陷的参考信息判断缺陷的实际大小和形状。同时计算单元42利用关系式

 (其中，x、y分别为水平面行列方向扫描得到的缺陷点与发射端的距离，y、z分别为垂直面行列方向扫描得到的缺陷点与发射端的距离；C为声速，T为集中扫描发射波与缺陷回波之间的时延)计算缺陷的精确位置和形状。最后把缺陷的精确位置、实际大小和形状一起输出到人机交互操作平台，并更新缺陷数据库；

步骤7，人机交互操作平台6的显示单元接收控制模块4的输出信息，采用三维成像技术，把缺陷的精确位置、实际大小和形状用三维立体图的形式显示出来；

步骤8，选择是否继续探伤，是则转步骤4，否则，结束探伤。

本实用新型的探伤过程中，测温模块随时监控钢轨温度，当温度变化量超过阈值时，转步骤2；否则继续探伤。本实施例中的温度变化量采用公式

计算，其中

是当前时刻测温模块检测到的钢轨温度，

是存储单元43中的温度值。

本实用新型采用探伤前先测频率的方式，保证了探伤所用频率的有效性和可靠性；采用测温模块监控钢轨温度，当温度变化量超过阈值时停止探伤，再次换用测试件检测最佳探伤频率，保证了探伤过程中本装置能自适应地工作在最佳频率。

以上所述，仅为本实用新型方法较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置，其特征在于包括超声换能器阵列、发射模块、频率选择模块、控制模块、接收模块、测温模块和人机交互操作平台；其中控制模块分别与接收模块、发射模块、频率选择模块、测温模块以及人机交互操作平台连接；发射模块与超声波换能器阵列、频率选择模块和控制模块连接；接收模块与超声波换能器阵列、控制模块和人机交互操作平台连接；其中所述超声波换能器阵列用于超声波发射与接收过程中声电信号的相互转换；所述发射模块用于驱动超声波换能器阵列发射超声波；所述接收模块用于接收和处理超声回波信号；所述频率选择模块用于超声发射频率的合成与选择；所述测温模块用于测量被测工件的温度；所述控制模块接收初次扫描的各个频率下的探测回波，并计算回波的频率漂移量。

2.根据权利要求1所述的基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置，其特征在于，所述发射模块包括若干个与超声波换能器阵列相连的发射单元，每个发射单元均由顺次连接的波形缓存器、D/A转换器和功率放大器组成。

3.根据权利要求1所述的基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置，其特征在于，所述接收模块包含若干个与超声波换能器阵列相连的接收单元，每个发射单元均由顺次连接的程控放大器、滤波检波器、A/D转换器和采样缓存器组成。

4.根据权利要求1~3任一项所述的基于频谱认知的自适应超声钢轨探伤装置，其特征在于，所述控制模块包括控制单元、计算单元和存储单元；所述频率选择模块由频率选择器与频率合成器组成。

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