[發明專利]一種履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件及其探傷方法

有效

• 申請號: 201110449210.5
• 申請日: 2011-12-27
• 公開（公告）號: CN102565198A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 韋崗;余業林;曹燕
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01N29/24
• 分類號: G01N29/24;G01N29/04
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

1.一種履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件，其特征在于包括若干個履帶片，每個履帶片包括履帶片片基以及內嵌在履帶片片基中的超聲波探頭陣列、電池、壓力傳感器、超聲波收發電路、轉換器和UWB通信模塊；所述電池與超聲波收發電路、轉換器和UWB通信模塊連接；超聲波收發電路、UWB通信模塊、壓力傳感器分別與轉換器連接，超聲波收發電路還與超聲波探頭陣列連接；所述壓力傳感器負責檢測履帶片的壓力狀態；所述超聲波收發電路將連續多頻調制超聲波信號轉發給相應的超聲波探頭，超聲波收發電路還緩存各個超聲波探頭接收到的反射波信號并傳至轉換器；所述轉換器包括A/D和D/A轉換器，負責模擬信號與數字信號之間的轉換；所述UWB通信模塊主要負責將后臺處理子系統產生的連續多頻調制超聲波信號傳送至超聲波收發電路，同時將各超聲波探頭接收的反射波信號及壓力傳感器的信號傳送給后臺處理子系統進行處理。

2.根據權利要求1所述的履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件，其特征在于所述超聲波探頭陣列中行與行平行布置，列與列對齊布置；超聲波探頭陣列中與鋼軌長度方向平行的兩側超聲波探頭采用60°~80°傾斜角布置，用來探測軌頭內的核傷和橫裂；超聲波探頭陣列中位于陣列中部的若干超聲波探頭采用0°傾斜角布置，用來探測軌頭、軌腰和軌底的水平裂紋和縱裂紋；位于所述兩側和中部以外的超聲波探頭采用30°~50°傾斜角布置，用來探測軌腰及螺栓孔損傷；所述傾斜角為超聲波探頭發射方向與鋼軌橫截面的夾角。

3.根據權利要求2所述的履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件，其特征在于傾斜角為60°~80°的超聲波探頭的超聲波頻率為4~5MHz，傾斜角為0°超聲波探頭的超聲波頻率為3~4MHz，傾斜角為30°~50°的超聲波探頭的超聲波頻率為2~3MHz。

4.根據權利要求1所述的履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件，其特征在于所述壓力傳感器布置在履帶片片基的中部。

5.根據權利要求1所述的履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件，其特征在于所述電池采用微型電池，微型電池用彈性材料與所述超聲波收發電路、轉換器和UWB通信模塊一起固定在履帶片片基內。

6.根據權利要求1所述的履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件，其特征在于履帶片片基采用橡膠材料，履帶片片基表面加裝透聲外膜，履帶片片基與透聲外膜之間的縫隙用透聲耦合液填充。

7.權利要求1~6任一項所述無線超聲波探頭組件的探傷方法，其特征在于包括如下步驟：

（1）履帶片接觸鋼軌后，履帶片片基內的壓力傳感器感受到壓力，產生接觸觸發信號經A/D轉換器進行模數轉換后通過UWB通信模塊傳至后臺處理子系統；

（2）后臺處理子系統接收到接觸觸發信號后控制該履帶片處于工作狀態；履帶片內的超聲波探頭的工作狀態包括發送和接收；若在某一時刻后臺處理子系統判定某個超聲波探頭A應為發射狀態，則產生連續多頻調制超聲波信號經模數轉換后通過后臺處理子系統的UWB通信模塊以UWB信號的形式傳至該履帶片；

（3）履帶片上的UWB通信模塊接收到后臺處理子系統傳來UWB信號，經D/A轉換器進行數模轉換后還原成連續多頻調制超聲波信號傳輸至超聲波收發電路；超聲波收發電路根據傳來的連續多頻調制超聲波信號控制所述超聲波探頭A發出相應頻率的超聲波波束進行鋼軌探傷；

（4）所述超聲波探頭A發出的超聲波波束經鋼軌反射回來的方向有一個超聲波探頭B,則后臺處理子系統判定超聲波探頭B為接收狀態；超聲波探頭B接收從超聲波探頭A發出并經鋼軌內部反射回來的超聲波信號，經A/D轉換器模數轉換后通過履帶片內的UWB通信模塊以UWB信號的形式傳至后臺處理子系統；

（5）后臺處理子系統接收到所述超聲波探頭B傳回來的信號后對信號進行分析處理，判斷超聲波波束從探頭A發出經鋼軌反射至超聲波探頭B的路徑內鋼軌有無損傷；

（6）當履帶片脫離鋼軌時，履帶片片基內的壓力傳感器感受到壓力消失，產生脫離觸發信號經A/D轉換器模數轉換后通過履帶片內的UWB通信模塊傳至后臺處理子系統；后臺處理子系統接收到脫離觸發信號后判斷本履帶片已經和鋼軌脫離，于是停止該履帶片超聲波信號的收發，則該履帶片處于等待狀態，直至下一個循環開始。

8.根據權利要求7所述的探傷方法，其特征在于每一束超聲波波束在鋼軌中傳播時對應一條確定的路徑：對于有一定傾斜角的超聲波探頭發出的超聲波波束，該超聲波波束確定的路徑就是一條左右對稱的折線，若鋼軌軌頭或軌腰出現損傷，這種損傷會同時影響通過該位置的入射波束和經軌頭底面或者軌底底面反射后的反射波，這兩束超聲波波束的交點就是損傷的位置，同時，對于同一處損傷，會有多束入射波和反射波在該位置相交形成多個交點，根據這多個交點的分布，準確描繪出鋼軌損傷的形狀及大小；而對于垂直布置的超聲波探頭，每束超聲波波束及其反射波束只通過鋼軌的某一個切面，若鋼軌的某個切面對應的軌頭、軌腰和軌底出現水平裂紋或縱裂紋，根據反射波返回的時間、能量和波形就能直接確定裂紋的位置及形狀。