一种钢轨焊缝超声检测系统及其检测方法与流程

本发明涉及一种检测系统及其检测方法，特别是一种钢轨焊缝超声检测系统及其检测方法。

背景技术：

钢轨焊缝探伤一直是铁路无损检测的难点，目前国内国外都没有公认的好办法，针对钢轨接头处焊缝，主要采用超声波进行检测。

目前，在国内铁路工务部门检测过程中，针对钢轨焊缝中体积型缺陷，主要采用大角度单晶斜探头、直探头检测，在钢轨的轨头踏面和轨脚斜坡面使用a型脉冲反射式超声进行扫查，在钢轨轨头踏面需要分别用斜探头和直探头进行扫查，用斜探头进行锯齿形扫查，斜探头扫查过程中需要保持一定的偏转角，用直探头在钢轨踏面作横向和纵向移动扫查，在轨脚斜面用斜探头进行锯齿形扫查，斜探头扫查过程中需要保持一定的偏转角；针对钢轨焊缝中面积型缺陷，采用双探头法进行在踏面进行串列式扫查，采用双探头法在轨头侧面及轨底侧面进行k型扫查。

工务部门在钢轨焊缝检测过程中通过探伤作业人员，对超声波探伤仪a扫波形进行监看，并根据经验进行判断是否存在伤损，这种探伤方法严重依赖于探伤工的操作，效率低、且易出现误探和漏探。针对上述钢轨焊缝超声探伤工作中效率低、易漏探等情况，中国专利第201610968932.4号公开了“一种钢轨焊缝超声波检测装置及检测方法”，该发明采用多个a型超声探头同时对钢轨焊缝进行检测，一定程度上提高了效率。但该发明提供的钢轨焊缝超声波检测装置无法对钢轨整个截面全覆盖检测，检测过程中仍需要人工补充扫查较多位置。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种轨焊缝超声检测系统及其检测方法，对钢轨截面进行有效全覆盖检测。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种钢轨焊缝超声检测系统，其特征在于：包含扫查模块、超声相控阵模块和成像处理模块，扫查模块用于扫查钢轨各面情况，超声相控阵模块与扫查模块连接用于产生超声信号并将接收返回的超声信号转换为数字信号，成像处理模块与超声相控阵模块连接用于从超声相控阵模块获取数据进行显示、成像、存储、分析。

进一步地，所述扫查模块包含框架、导向杆、传动组件、第一支臂、第二支臂、踏面第一相控阵探头、踏面第二相控阵探头、轨底斜面第一相控阵探头、轨底斜面第二相控阵探头、踏面第一探头、踏面第二探头、轨头侧面第一探头、轨头侧面第二探头、轨底侧面第一探头、轨底侧面第二探头和探头信号分配器，导向杆水平设置并且导向杆两端固定在框架上，第一支臂和第二支臂滑动设置子导向杆上并且第一支臂和第二支臂设置在传动组件上由传动组件驱动沿导向杆滑动，踏面第一相控阵探头、轨底斜面第一相控阵探头、踏面第一探头、轨头侧面第一探头、轨底侧面第一探头固定在第一支臂上，踏面第二相控阵探头、轨底斜面第二相控阵探头、踏面第二探头、轨头侧面第二探头、轨底侧面第二探头固定在第二支臂上，踏面第一相控阵探头、踏面第二相控阵探头、轨底斜面第一相控阵探头、轨底斜面第二相控阵探头、踏面第一探头、踏面第二探头、轨头侧面第一探头、轨头侧面第二探头、轨底侧面第一探头和轨底侧面第二探头与探头信号分配器连接由探头信号分配器分配信号。

进一步地，所述传动组件与电机连接由电机驱动，电机与电池组连接由电池组进行供电。

进一步地，所述传动组件包含同步带、第一同步带轮和第二同步带轮，第一同步带轮和第二同步带轮分别转动设置在框架两侧，同步带设置在第一同步带轮和第二同步带轮上，第一同步带轮与电机连接由电机驱动，第二同步带轮上设置有编码器，第一支臂和第二支臂分别与同步带固定连接。

进一步地，所述第一支臂固定在同步带上侧，第二支臂固定在同步带下侧，第一支臂和第二支臂沿相反方向滑动。

进一步地，所述框架上侧设置有红外准直器。

进一步地，所述成像处理模块包括电源单元、电源分配板、工控板、显示器、键盘板、安全及通讯接口板、指示灯和报警器，电源单元连接电源分配板，电源分配板连接工控板、显示器、安全及通讯接口板，提供工控板、显示器和安全及通讯接口板工作所需电源，工控板连接键盘板、显示器和安全及通讯接口板，安全及通讯接口板连接指示灯和报警器，工控板通过信号传输线连接超声相控阵模块，电源分配板连接超声相控阵模块并为其提供工作所需电源。

一种钢轨焊缝超声检测方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：连接上电，首先将各部件连续上电，成像处理模块向电源分配板发出电源指令，将超声相控阵模块上电，然后成像处理模块通过数据线与超声相控阵模块进行连接，对超声相控阵模块进行参数设置和数据读取；

步骤2：初始化，超声相控阵模块通过信号线、探头分配器项探头组发出信号并收回超声信号，扫查模块通过传动单元将探头组移动到初始位置；成像处理模块将编码器的值置为初值，将成像显示置为空；

步骤3：校准灵敏度，在试块上校准本钢轨焊缝检测系统中各个探头的灵敏度；

步骤4：校准完毕探头灵敏度后，用户向成像处理模块发出检测操作指令，并同时向扫查模块发出扫查指令，探头组开始移动，超声相控阵模块将从探头组获取的超声数据实时传输到成像处理系统，成像处理模块进行实时成像处理，并生成指定a扫和图谱；探头组到达终点位置后，成像处理模块将检测数据和成像数据存储到存储器。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明将超声相控阵技术和传统a超技术有机的进行了结合，所开发的钢轨焊缝超声检测系统充分利用超声相控阵扇扫覆盖范围大的特征，实现了超声声束对钢轨截面全覆盖，配合探头组的移动，实现对钢轨焊缝区域全覆盖检测，并在软件中加入钢轨仿真图，判伤更加简便、快捷。

附图说明

图1是本发明的一种钢轨焊缝超声检测系统的示意图。

图2是本发明的一种钢轨焊缝超声检测系统的扫查模块示意图。

图3是本发明的一种钢轨焊缝超声检测系统的扫查模块俯视图。

图4是本发明的一种钢轨焊缝超声检测系统的连接框图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的一种钢轨焊缝超声检测系统，包含扫查模块、超声相控阵模块和成像处理模块，扫查模块用于扫查钢轨各面情况，超声相控阵模块与扫查模块连接用于产生超声信号并将接收返回的超声信号转换为数字信号，成像处理模块与超声相控阵模块连接用于从超声相控阵模块获取数据进行显示、成像、存储、分析。

扫查模块与超声相控阵模块通过多芯信号线和编码器线相连，超声相控阵模块与成像处理模块通过信号传输线相连。扫查模块通过多芯信号线与超声相控阵模块实现双向通信，超声相控阵模块通过编码器获取位置信号，超声相控阵模块与成像处理模块通过信号传输线双向通信。扫查模块负责稳定可靠的扫查，包括探头的运动、探头与钢轨的耦合、编码器的脉冲产生及传输，是超声检测的辅助工装。超声相控阵模块负责产生超声信号并将接收返回的超声信号转换为数字信号，是超声相控阵检测的核心部件。成像处理模块负责从超声相控阵模块获取数据进行显示、成像、存储、分析等工作，是超声相控阵检测中与探伤人员交互信息的关键。

如图2和3所示，扫查模块包含框架15、导向杆14、传动组件9、第一支臂7、第二支臂8、踏面第一相控阵探头1、踏面第二相控阵探头2、轨底斜面第一相控阵探头3a、轨底斜面第二相控阵探头3b、踏面第一探头4a、踏面第二探头4b、轨头侧面第一探头5a、轨头侧面第二探头5b、轨底侧面第一探头6a、轨底侧面第二探头6b和探头信号分配器，导向杆14水平设置并且导向杆14两端固定在框架15上，第一支臂7和第二支臂8滑动设置子导向杆14上并且第一支臂7和第二支臂8设置在传动组件9上由传动组件9驱动沿导向杆14滑动，踏面第一相控阵探头1、轨底斜面第一相控阵探头3a、踏面第一探头4a、轨头侧面第一探头5a、轨底侧面第一探头6a固定在第一支臂7上，踏面第二相控阵探头2、轨底斜面第二相控阵探头3b、踏面第二探头4b、轨头侧面第二探头5b、轨底侧面第二探头6b固定在第二支臂8上，踏面第一相控阵探头1、踏面第二相控阵探头2、轨底斜面第一相控阵探头3a、轨底斜面第二相控阵探头3b、踏面第一探头4a、踏面第二探头4b、轨头侧面第一探头5a、轨头侧面第二探头5b、轨底侧面第一探头6a和轨底侧面第二探头6b与探头信号分配器连接由探头信号分配器分配信号。

传动组件9与电机10连接由电机10驱动，电机10与电池组11连接由电池组11进行供电。传动组件9包含同步带、第一同步带轮和第二同步带轮，第一同步带轮和第二同步带轮分别转动设置在框架15两侧，同步带设置在第一同步带轮和第二同步带轮上，第一同步带轮与电机10连接由电机10驱动，第二同步带轮上设置有编码器13，第一支臂7和第二支臂8分别与同步带固定连接。第一支臂7固定在同步带上侧，第二支臂8固定在同步带下侧，第一支臂7和第二支臂8沿相反方向滑动。传动组件9为同步带轮和同步带传动结构，亦可为链轮和链板传送结构、滚轮和钢丝绳传动结构，传动组件9与电机10通过联轴器链接。框架15上侧设置有红外准直器12。

踏面第一探相控阵探头1、踏面第二相控阵探头2、轨底斜面第一相控阵探头3a、轨底斜面第二相控阵探头3b、踏面第一探头4a、踏面第二探头4b、轨头侧面第一探头5a、轨头侧面第二探头5b、轨底侧面第一探头6a和轨底侧面第二探头6b检测钢轨焊缝中体积型缺陷和面积型缺陷，超声相控阵模块整合编码器编译的位置信号和探头信号分配器通过多芯信号线传来的超声信号。踏面第一探相控阵探头1检测钢轨轨头、轨腰及轨腰延伸部，踏面第二相控阵探头2检测检测钢轨轨头、轨腰及轨腰延伸部，其中，踏面第一相控阵探头1扇扫声束面垂直于钢轨与钢轨平行,踏面第二探相控阵探头2扇扫声束面垂直于钢轨与钢轨截面平行。轨底斜面第一相控阵探头3a布置于轨底斜面上，与钢轨成一定的偏转方向，检测钢轨对侧轨脚和轨底三角区，轨底斜面第一相控阵探头3a和轨底斜面第二相控阵探头3b的检测范围覆盖了整个钢轨轨底和轨底三角区。踏面第一探头4a和踏面第二探头4b布置于钢轨踏面，采用双探头串列式扫查对轨头、轨腰及轨腰延伸部面积型缺陷进行检测，轨头侧面第一探头5a和轨头侧面第二探头5b，采用双探头k型扫查对轨头区域面积型缺陷进行检测；轨底侧面第一探头6a和轨底侧面第二探头6b布置于钢轨轨底侧面，采用双探头k型扫查对轨底区域面积型缺陷进行检测。

如图4所示，成像处理模块包括电源单元、电源分配板、工控板、显示器、键盘板、安全及通讯接口板、指示灯和报警器，电源单元连接电源分配板，电源分配板连接工控板、显示器、安全及通讯接口板，提供工控板、显示器和安全及通讯接口板工作所需电源，工控板连接键盘板、显示器和安全及通讯接口板，安全及通讯接口板连接指示灯和报警器，工控板通过信号传输线连接超声相控阵模块，电源分配板连接超声相控阵模块并为其提供工作所需电源。

相控阵板卡分出4路相控阵通道和6路常规通道，4路相控阵通道连接至相控阵探头，6路常规通道连接至6个常规探头。成像处理模块从超声相控阵获取数据后，将超声信号以a扫、p扫、b扫、c扫和d扫形式在屏幕上直接显示，并监控是否超标，超标则发出警报信号。成像处理模块生成的伤损图谱中设置有钢轨轮廓仿真，利于伤损的识别。钢轨焊缝超声检测系统结构上由超声相控阵模块和成像处理模块组成的超声相控阵主机和扫查模块组成。钢轨焊缝超声检测系统总体架构：工控板、超声相控阵的硬件架构，主机内部用信号传输线连接工控板和超声相控阵模块，操作系统运行于工控板上，上位机软件运行在操作系统上。工控板采用工业计算机主板，超声相控阵板卡为不小于64通道专业相控阵板卡，工业计算机主板与相控阵板卡采用usb3.0数据传输线，操作系统选用嵌入式操作系统，上位机软件为自主开发的钢轨超声相控阵检测软件。电源单元安装在主机机壳内，提供电源供电至电源分配板，并通过电源分配板向计算机主板、相控阵板卡、安全和通讯接口板供电；显示采用高亮液晶显示器，亮度达到600流明，室外作业清晰可见，同时配备工业级触摸屏；主机的操作面板采用轻触开关构成的键盘面板为主体，配合工业级触摸屏，提供方便可靠的人机交互界面。

一种钢轨焊缝超声检测方法，包含以下步骤：

步骤1：连接上电，首先将各部件连续上电，成像处理模块向电源分配板发出电源指令，将超声相控阵模块上电，然后成像处理模块通过数据线与超声相控阵模块进行连接，对超声相控阵模块进行参数设置和数据读取；

步骤2：初始化，超声相控阵模块通过信号线、探头分配器项探头组发出信号并收回超声信号，扫查模块通过传动单元将探头组移动到初始位置；成像处理模块将编码器的值置为初值，将成像显示置为空；

步骤3：校准灵敏度，在试块上校准本钢轨焊缝检测系统中各个探头的灵敏度；

步骤4：校准完毕探头灵敏度后，用户向成像处理模块发出检测操作指令，并同时向扫查模块发出扫查指令，探头组开始移动，超声相控阵模块将从探头组获取的超声数据实时传输到成像处理系统，成像处理模块进行实时成像处理，并生成指定a扫和图谱；探头组到达终点位置后，成像处理模块将检测数据和成像数据存储到存储器。

本发明将超声相控阵技术和传统a超技术有机的进行了结合，所开发的钢轨焊缝超声检测系统充分利用超声相控阵扇扫覆盖范围大的特征，实现了超声声束对钢轨截面全覆盖，配合探头组的移动，实现对钢轨焊缝区域全覆盖检测，并在软件中加入钢轨仿真图，判伤更加简便、快捷。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。