专利名称：铁道微磁探伤仪及其探伤方法
技术领域：
本发明属于安全无损检测技术领域，具体涉及一种铁道微磁探伤 仪及其探伤方法。
背景技术：
我国铁路随着提速和重载的需要，对铁道线路本身的质量和安全 状态提出了更高的要求。目前，铁道的常规探伤采用超声波探伤法，其主要弊病是体重大(约80公斤)、携带不便、操作复杂(需6人同 时操作)，还需不断施加耦合剂--水(寒冬季节还需在水中加柴油， 以防结冰)，极为繁琐；而且，检测速度慢，对轴向缺陷的分辨率低、 小缺陷无法检出；同时，检测未实现智能化，需人工分析、判断；特 别是铁路道岔部位的探伤，迄今国内外还是一项空白，由于其截面不 规则，超声波和其他探伤方式如电涡流检测等均无能为力，目前只能 靠人工手锤敲和目视巡检解决。发明内容本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，利用微磁技术，提 供一种体积小巧、携带方便、操作简单、快捷准确的铁道微磁探伤仪， 这种仪器可以快速检出铁道伤损部位和程度，确定危险部位。同时， 本发明还要提供该铁道微磁探伤仪所使用的探伤方法。本发明的技术方案如下 一种铁道微磁探伤仪，包括一个可沿工 件表面运动的磁传感器装置，磁传感器装置与信号预处理器连接，信 号预处理器连接A/D转换器，计算机系统分别与磁传感器装置和A/D 转换器连接。如上所述的铁道微磁探伤仪，其中，所述的磁传感器装置包括一 个支架，支架内设有上、下两个磁传感器，构成互补差分结构，两个 磁传感器外均设有磁屏蔽罩，下部的磁传感器上方设有聚磁片，下部的磁屏蔽罩上方设有压紧弹簧，磁屏蔽罩下方设有铝质合金盖；磁传 感器连接非线性校正电路以及置位、复位电路。一种铁道微磁探伤方法，该方法通过沿工件表面运动的磁传感器 装置，测取缺陷泄漏的微磁信号，并转化为电信号输出到信号预处理 器；信号预处理器对信号进行放大、滤波、提纯，再经A/D转换器 变成数字信号，送入计算机；计算机对上述各部分实施控制，同时对 接收的信号进行数字滤波、信号分析、缺陷特征提取、缺陷判别与计 算、显示记录，实现裂纹等缺陷检测。如上所述的铁道微磁探伤方法，其中，该方法采用微磁缺陷磁荷 变异检测原理，建立缺陷磁荷模型，并根据缺陷磁荷模型确定泄漏磁 信号的缺陷特征，用于判别缺陷的存在。与传统的超声探伤法相比，本发明的有益效果是1、 检测速度快。由于微磁检测是一种被动检测，缺陷泄漏的微 磁信号一直存在，且磁信号以光速传播，因此磁传感器获取信号时间 少于0.1纳秒；超声检测是一种主动检测，其波速比光速小得多，探 测头获取信号时间大于4微秒。因此，微磁检测速度比超声检测高 10000倍，适于火车提速后的轨道、道岔探伤。2、 检测灵敏度高。微磁传感装置可获取小于l(T8 T的磁k号， 相当于宽度1微米、深度50微米、长100微米的缺陷泄漏的磁信号。 超声检测中，可分辨的缺陷通常在①1毫米以上(较为先进的仪器可 达①0.3毫米，但价格昂贵)，因此，微磁检测灵敏度比超声检测高 1000倍。3、 可靠性好。微磁检测灵敏度高，对于尺寸在宽度80微米、深 度500微米、长500微米以上的缺陷信号，能可靠捕捉。而且与超声 检测相比，可靠性高2倍以上，而且，不需外加条件，从而，消除了 外加的不稳定因素。 4、 检测工艺简便。微磁检测对被检工件表面状态要求低，不必 打磨、清洗，不需加耦合剂，可在有铁锈油污的条件下工作。5、 微磁检测过程对环境无污染，而且节能。6、 解决铁路道岔探伤检测的世界性难题。7、 为便携式，体积小、重量轻、携带方便、特别适宜铁道线路 流动现场检测的需要。8、 操作简单(一至二人即可)、判据客观(检测钢轨自有磁场)、 准确可靠、实用性强。9、 仪表为智能型，可以替代人工分析判断而直接输出检测结果。
图1是本发明的铁道微磁探伤仪原理框图；图2(a)是图1中所示的传感器探测装置的结构图；图2(b)是磁传感器非线性校正电路图；图3是磁传感器置位、复位电路图；图4是图1中所示的信号预处理器电路图；图5是图1中所示的计算机系统组成原理框图；图6是信号分析处理装置计算机实现流程图；图7是缺陷特征提取模块计算机实现流程图；图8是缺陷类别判别模块603计算机实现流程图；图9是缺陷类别模块计算机实现流程图；图io缺陷深度计算模块计算机实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步描述。 图1是本发明的铁道微磁探伤仪原理框图，包含磁传感器装置1、 信号预处理器2、、 A/D转换器3、计算机系统4。磁传感器装置l沿 工件表面扫描，获取被检工件缺陷泄漏的微磁信号，并转换为电信号 输送到信号预处理器2;信号预处理器2对信号进行放大、滤波、提 纯，并将信号送入A/D转换器3; A/D转换器将信号转换为数字信号， 并送计算机系统4。计算机系统4对上述各部分工作实施控制，同时 对接收的信号进行数字滤波、信号分析、缺陷特征提取、缺陷判别、 显示记录。图2 (a)是图1中的磁传感器装置结构图，包括一个支架22， 支架22内设有上、下两个磁传感器2B、 2A，两个磁传感器外均设有 磁屏蔽罩26、 21，下部的磁传感器2A上方设有聚磁片25，下部的 磁屏蔽罩21上方设有压紧弹簧23，磁屏蔽罩21下方设有铝质合金 盖24;磁传感器连接非线性校正电路以及置位、复位电路，支架上 部设有引线27。磁传感器2A、磁传感器2B构成互补差分结构，抵 消地磁、外界电磁干扰及材料晶粒不均匀、电源等引起的干扰。本实施例中的磁器件选用的HM201是一种用于检测转角的器 件，用于测材料泄漏磁场要对输出特性进行非线性校正，同时要进行 置位、复位以恢复检测灵敏度。图2(b)为用于非线性校正的电路，外加一惠斯通电桥与磁阻的电 桥相对应，使磁阻的Ai /R的变化是关于角度0轴对称，在45度角 范围内存在一个线性区域。在线性范围内，输出电压与外加磁场成正 比，即AF。"严57/K，其中S为磁阻传感器的灵敏度，可达3mv/lv/Oe， 线性范围在20e之内。图3是磁传感器置位、复位电路图。当磁传感器工作在有强干扰 的外磁场作用的环境中，其敏感轴方向上施加超过2xl(^T的磁场时， 会扰乱传感器磁阻内部磁畴的极化方向，改变传感器的输出特性，使 输出的信号变弱，灵敏度降低为此采用采用置位、复位电路来消除强 干扰磁场的影响，恢复传感器的灵敏度。为用于抵消变化环境磁场的置位复位电路，包含方波产生器31、 跟随器32、推挽开关电路(IRF7105) 33。方波产生器31产生5kHz 的方波信号送跟随器32置位控制电路(74HC04) 22、脉冲加工电路 (74HC04) 23、相位调整电路24、反相器(2N3904) 25、组成。如 磁传感器工作在有干扰的外磁场作用的环境中，其敏感轴方向上施加
超过2xl0々的磁场时，会扰乱传感器磁阻内部磁畴的极化方向，改 变传感器的输出特性，使输出的信号变弱，灵敏度降低。为此，采用 置位复位电流带，以一定的置位复位电流产生的磁场来消除干扰磁场 的影响，恢复传感器的灵敏度。由于传感器的输出电压的极性取决于 内部磁畴的极化方向，所以对传感器施加与置位脉冲方向相反的复位 脉冲，能够使磁畴方向反转，对外表现为传感器输出的极性反转。图 中由定时器21产生的方波脉冲经脉冲加工电路23 (A、 B、 C、 D) 整形后送相位调整电路24;若23A输出脉冲波为正，相位调整电路 24A的二极管截止，脉冲经延迟后送入23B，再经23C和反相器25 进行相位调整后送推挽开关电路26，使开关管26A导通；此时24B 的二极管导通，23A输出脉冲波几乎不经延迟就送入24D，经反相后 使推挽开关电路26的开关管26B截止，置复位电路进入置位状态， 置位电流通过电流带产生的磁场抵消环进磁场。若23A输出脉冲波 为负，24A的二极管导通，23A输出脉冲波几乎不经延迟就送入24B， 再经24C和反相器25进行相位调整后送推挽开关电路26，使开关管 26A截止；此时24B的二极管截止，脉冲经延迟后送入24D反相后 送推挽开关电路26，使开关管26 B导通，置复位电路进入复位状态， 通过电流带的电流反向，产生的磁场使传感器的特性恢复到零点，即 恢复原来的灵敏度。因此，相位调整电路24使推挽开关电路26在开 关管26A导通前开关管26B可靠截止；在开关管26B导通前开关管 26A可靠截止。方波产生器的脉冲波不断翻转，推挽开关电路26的 两个开关管26A、 26B轮流导通，不断置位复位，消除外界变化磁场 的干扰；置位控制电路22是通过计算机来控制置复位电路的工作。 当需要置复位时，计算机输出一脉冲，使定时器21的4端置高电平， 启动定时器工作，进行置复位；其他时间计算机输出低电平，封闭定 时器21的工作，置复位电路处于等待状态。图4是图1中信号预处理电路。信号预处理电路包含预处理放大 器41、滤波器42々信号预处理放大器包含放大器411、放大器412、放大器413， 3
个放大器由INA128组成，构成差分结构。其中放大器411放大由磁 阻传感器2A输送的信号，为检测传感放大器；放大器412放大由磁 阻传感器2B输送的信号，为参考传感放大器；放大器413为综合放 大器，放大抵消地磁、外界电磁干扰及电源等引起的干扰后的缺陷信 号，总增益在1 10000。放大器的输出管角6与滤波器42的电阻相连。滤波器42是一个二阶有源滤低通波器，由电阻A、及2、 A、 ^， 电容C7、 G和运算放大器OP07组成。当检测信号频率高于10kHz 时，电容C2近于短路，电路无输出；当信号频率低于10kHz时，电 容G近于开路，电路相当于一个同相放大器，电路输出低于10kHz 的信号，主要用于滤除高于10kHz的外界干扰信号，放大输出缓慢 变化信号，使电路3能检测慢变化磁信号，实现磁场绝对量检测。滤 波器的输出管角6通电阻A与计算机的A/D转换器输入口相连。A/D转换器3采用RM9的内置A/D转换器，转换分辨率12位， 转换速度100K样本/秒。图5是图1中的计算机系统组成图。计算机系统^^含计算机51、 显示记录装置52、电源53、信号分析处理装置54。计算机51采用三星公司的S3C2410型主板，它是RISC结构的 32位微处理器，基于ARM92T内核，采用五级流水线，生产工艺为 0.18微米CMOS,最高工作频率可达203MHz。S3C2410具有增强ARM体系的MMU(支持WinCE， EPOC32和 Linux )， 16kB的指令和数据高速缓存以及高速AMBA总线接口。 S3C32410常用于手持设备以及普通的嵌入式应用的集成系统，内嵌 的功能模块丰富，接口齐全，主要包括如下部分LCD控制器 (STN&TFT )， NAND Flash引导装入程序、系统管理(片选逻辑和SIR 控制器)，3通道UART， SD主口和多媒体卡接口、 2通道SPI和2 通道PLL。 4通道DMA, 4通道PWM时钟、I/O 口、 RTC， 8通道 10位ADC及触摸屏接口 、 IIC总线接口 、 IIS总线接携式智能仪器使 用的高性能、低功耗微处理器，具有USB主口和USB设备口、非常 适合于便铁道道岔探伤软件系统运行于移植到ARM9平台上的Linux 操作系统上。显示记录装置52由显示器和存储器组成。显示器为 PLANAR-EL320x256-FD7，宽温(—25°C +65°C )，彩色显示，使 各种数据、图表显示直观明了，在强光下可正常显示。计算机主要用于提取裂纹信息特征，判别缺陷为裂纹、划痕、点 蚀等，计算缺陷尺寸，界面设定及系统控制。电源53包含输出7.4V锂电池、TSD05-12s05型DC-DC模块， 输出5V、 1A。图6是计算机的信号分析处理装置54，包含数据采集模块601、 缺陷特征提取模块602、缺陷类别判别模块603、缺陷深度计算模块 604、记录显示模块605数据输入模块601完成数据输入。图7是缺陷特征提取模块602计算机实现流程图。在步骤701开 始后，步骤702将数据文件编号，步骤703读取数据文件0号；在步 骤704将0号文件数据滤波。滤波运用平滑估计方法，其步骤为(1) 由数据序列(Z,]构造一个新的数据序列{^'}。方法是从M中取每相邻的5位数的中位数构成{义'}，即取XI， X2， X3， X4， X5 的中位数X3 (记为Z;)，依此类推， 一直取到最后一位数，显然r的项数比原序列少四项。(2) 从化1中取每相邻的三位数的中位数构成新的数据序列M。(3) 最后的数据序列(;r卜i(+会《+i;C。(4) 分析Z-JT，检查是否有k.-;O;t (预定值)，如有则用一 内插值代替:c,。
在步骤704分段搜索信号变化幅度最大点，在706以缺陷判别幅 度标准衡量各个最大幅度点，符合要求的在707记为预判点。 针对铁道材料，经过多次实验，缺陷幅度标准为 裂纹为(105 1123)点，可表示为= -O.Olw3 + 6.1"2 -18" + 130 孑L洞为(315 836)点，可表示为t/ = 0.22w3 -3.2w2 + 49w + 260 点蚀为(207 321)点，可表示为"=(U"3 +《l"2 -16" + 230 划痕为(287 568)点,可表示为= 0.1 lw3 - 2.31m2 + 28w + 30 判别规则为凡幅度大于或等于105点的可作为缺陷幅度特征判据。各数据文件的数据处理完后，在步骤709记录，并在710读取 记录数据，在步骤711求取各预判点两恻各10点的幅度变化梯度， 并在712分析梯度是否连续最大，且具有正、负峰，符合要求的在 713判为缺陷并记录。针对铁道材料，经过多次实验，缺陷梯度标准为裂纹为(45 97)，可表示为G-0.078g2+3.4g + 41孔洞为(27 37)，可表示为<7 = 0.0178《2+5.化+ 11点蚀为(18 26)，可表示为G-0.011g2+1.4g + 61划痕为(13 21)，可表示为G-0.008g2+7.4g + 8判别规则为凡梯度大于或等于18的均可作为缺陷梯度特征判据。各数据文件的数据处理完后，在步骤718结束。 图8是缺陷判别模块603计算机实现流程图。流程在步骤801开 始后，步骤802读取记录的缺陷数据，并由步骤803、 804的幅度特 征函数、梯度特征函数进行缺陷判别，凡符合两函数要求的即为缺陷， 不符合的予以删除；属缺陷的在805进行记录。由于裂纹是缺陷中幅 度起点最低，划痕梯度起点最小，因此以裂纹幅度函数、划痕的梯度 函数为依据进行判别。判别缺陷类别的模式为设;c^i "(/"，2,…，")为对应第j个缺陷的n个特征参数；
《eiT(f-l，2,…，m)为对应的i种缺陷类别标准模型，L为待定模式， 如对任意S>0，满足<formula>formula see original document page 13</formula>则A力^"式/V式^尸,为幅度105、梯度13。即信号变化幅 度大于105，梯度大于13的均可判为缺陷.图9是缺陷类别判别模块604计算机实现流程图。在步骤901开 始后，步骤902读取记录缺陷数据，在903进行缺陷类别判别，凡符 合类别幅度特征函数、梯度特征函数要求的即可归为某类缺陷，不符 合的，记为新模式，再由人工确定。 一直到缺陷数据处理完后，在步 骤908记录。判别缺陷类别的模式为设 ￡/ "(;' = 1，2,.:")为对应第j个缺陷的n个特征参数； 《￡^(/ = 1,2，一,附)为对应的i种缺陷类别标准模型，L为待定模式， 如对任意sX)，满足<formula>formula see original document page 13</formula>为,式尸,。式^尸,为裂纹幅度"=-0.01"3+6.1"2—18" + 130，梯度G = 0.078g2+3.4g + 41; 孑L洞"=0.22w3—3.2m2+49m + 260，梯度G-0.0178g2+5.4g + ll; 点蚀t/ = 0.1w3+4.1m2-16m+ 230 ，梯度G = 0.011g2+1.4g + 61); 划痕t/ = 0.11w3-2.31w2+28w + 30，梯度G-0,008g2+7.4g + 8 。 图10是缺陷深度计算模块604计算机实现流程图。在步骤901 开始后，902读取缺陷参数，并在步骤903将参数代入公式计算"风式中d为深度，K为系数，Hm为幅度峰值。 针对铁道材料，经过多次实验，K=31。 一直到所有的缺陷参数处理完，在步骤906结束。
权利要求
1. 一种铁道微磁探伤仪，其特征在于该探伤仪包括一个可沿 工件表面运动的磁传感器装置，磁传感器装置与信号预处理器连接， 信号预处理器连接A/D转换器，计算机系统分别与磁传感器装置和 A/D转换器连接。
2. 如权利要求1所述的铁道微磁探伤仪，其特征在于所述的 磁传感器装置包括一个支架(22)，支架(22)内设有上、下两个磁 传感器(2B、 2A)，构成互补差分结构，两个磁传感器外均设有磁屏 蔽罩(21、 26)，下部的磁传感器(2A)上方设有聚磁片(25)，下 部的磁屏蔽罩(21)上方设有压紧弹簧(23)，磁屏蔽罩(21)下方 设有铝质合金盖(24);磁传感器连接非线性校正电路以及置位、复 位电路。
3. —种铁道微磁探伤方法，其特征在于该方法通过沿工件表 面运动的磁传感器装置，测取缺陷泄漏的微磁信号，并转化为电信号 输出到信号预处理器；信号预处理器对信号进行放大、滤波、提纯， 再经A/D转换器变成数字信号，送入计算机；计算机对上述各部分 实施控制，同时对接收的信号进行数字滤波、信号分析、缺陷特征提 取、缺陷判别与计算、显示记录，实现裂纹等缺陷检测。
4. 如权利要求3所述的铁道微磁探伤方法，其特征在于该方 法采用微磁缺陷磁荷变异检测原理，建立缺陷磁荷模型，并根据缺陷 磁荷模型确定泄漏磁信号的缺陷特征，用于判别缺陷的存在。
5. 如权利要求3或4所述的铁道微磁探伤方法，其特征在于缺 陷特征提取由计算机系统执行，针对铁道材料特性判别缺陷的幅度标 准为-裂纹为(105 1123)点，可表示为1/ = -0.01"3+6.1"2-18w + 130 孑L洞为(315 836)点，可表示为= 0.22w3 -3.2"2 + 49w + 260 点蚀为(207 321)点，可表示为U = O.l"3 + 4.1"2 -16" + 230划痕为(287 568)点，可表示为C7 = 0.1 lw3 -2.3 1m2 + 28m + 30 缺陷幅度判别规则为凡大于或等于105点的均可判为缺陷幅度 特征；判别缺陷梯度标准为裂纹为(45 97)，可表示为G-0.078g2+3.4g + 41 孔洞为(27 37)，可表示为G^0.0178g2+5.4g + 11 点蚀为(18 26)，可表示为G-0.011g2+1.4g + 61 划痕为(13 21)，可表示为G-0.008g2+7.4g + 8 缺陷梯度判别规则为凡梯度大于或等于18并具有正负峰的均 可判为缺陷梯度特征。
6. 如权利要求3或4所述的铁道微磁探伤方法，其特征在于 缺陷判别由计算机系统执行，针对铁道材料特性，缺陷判别规则为如待判检测数据中具有缺陷，则信号特征同时符合①缺陷幅度 判别规则；②缺陷梯度判别规则，由于裂纹是缺陷中幅度起点最低， 划痕梯度起点最小，因此，以裂纹幅度函数、划痕的梯度函数为依据 进行判别判别缺陷模式为设、.ei "(y、l,2，…，")为对应第j个缺陷的n个特征参数； A eiT(/"，2，…,m)为对应的i种缺陷类别标准模型，L为待定模式， 如对任意s〉0，满足则I/为模式尸,。式中A为幅度105、梯度13，即信号变化幅度大 于105，梯度大于13的均可判为缺陷。
7. 如权利要求3或4所述的铁道微磁探伤方法，其特征在于缺 陷类别判别由计算机系统执行，针对铁道材料特性，缺陷类别判别规 则为设 ei "(y-l,2,…，")为对应第j个缺陷的n个特征参数； 《eJT(:l,2，…，m)为对应的i种缺陷类别标准模型，L为待定模式，如对任意sX)，满足则^为模式尸,。式中尸,为裂纹幅度^/ = -0她3+6.1"2-18w + 130，梯度G-O扁g2+3.4g + 41;孑L洞幅度"=0.22w3 — 3.2m2 + 49w + 260 ，梯度G = 0.0178g2 + 5.4g + 11;点烛幅度^/ = 0.1"3+4.1"2-16" + 230，梯度G = O.Ollg2+1.4g + 61;划痕幅度^/ = 0.11"3-2.31"2+28" + 30，梯度G = O細g2+7.4g + 8 。
8.如权利要求3或4所述的铁道微磁探伤方法，其特征在于缺 陷深度计算由计算机系统执行，针对铁道材料特性，缺陷深度根据公 式计算<formula>formula see original document page 4</formula>式中d为深度，K为系数，/4为幅度峰值， 针对铁道材料，X=31。
全文摘要
本发明属于安全无损检测技术领域，具体涉及一种铁道微磁探伤仪及其探伤方法。铁道微磁探伤仪采用微磁缺陷磁荷变异检测原理实现缺陷检测，由磁传感器装置、信号预处理器、A/D转换器、计算机系统组成。检测中由传感装置测取缺陷泄漏的磁信号，并转化为电信号输出到信号预处理器；信号预处理器对信号进行放大、滤波、提纯，送入A/D转换器变成数字信号，再由计算机进行数字滤波、信号分析、缺陷特征提取、缺陷判别、缺陷计算、显示记录，同时对上述各部分实施控制，实现缺陷检测。该探伤仪用于铁道的损伤缺陷探测，缺陷检出可靠性比传统无损检测方法高2倍以上，工效提高5倍以上，同时解决了目前没有有效手段进行道岔探伤的世界性难题。
文档编号G01N27/82GK101122579SQ20071015162
公开日2008年2月13日 申请日期2007年9月25日 优先权日2007年9月25日
发明者徐章遂, 王祥国, 邵长胜 申请人:王祥国