用于钢轨探伤的超声导波斜探头及其探伤方法与流程

本发明涉及一种探伤装置及其探伤方法，尤其是一种用于钢轨探伤的超声导波斜探头及其探伤方法，属于无损检测技术领域。

背景技术：

钢轨探伤是保障列车安全运行的关键性工作之一。当前钢轨探伤一般使用超声波技术，通过超声波探头从轨头踏面向钢轨中发射脉冲声波并接收其反射波来检测损伤。超声波探伤技术每次发射脉冲声波只能检查探头周围的局部区域，在钢轨轨底两侧区域存在大面积的探伤盲区。虽然钢轨轨头损伤仍是造成断轨的主要因素，但近年来由于列车提速和重载列车的增多，轨底损伤造成断轨事件或事故的数量也呈现出上升的趋势。

涡流、射线、磁粉等无损检测方法，由于易受环境影响、可靠度不高、技术成熟度不足等各种因素而难以在钢轨探伤中应用。由于超声导波检测技术在长距离等截面构件无损检测中体现出独特的技术优势，使得基于超声导波的钢轨探伤方法近年来成为一个研究热点。

中国发明专利公开号为cn102520068a的“基于磁致伸缩和纵向超声导波的铁轨损伤检测方法”使用磁致伸缩换能器在钢轨中激发纵向超声导波来检测钢轨损伤，但基于磁致伸缩的超声导波信噪比低且难以在现场中方便应用。此外，该专利公开的技术主要适用于轨头探伤。

ibartoli等、jzhang等、卢超等利用锤击法进行钢轨超声导波探伤，但通过锤击法得到的导波信号中，导波模态识别度较低，因而要求导波接收换能器靠近损伤点，这在实际检测中往往是难以实现的。另外，锤击法也不适用于生产实践中。

近年来，基于激光超声及空气耦合的非接触式超声导波探伤也得到了长足发展，但目前在信噪比、精度、可推广性方面仍存在明显缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于钢轨探伤的超声导波斜探头，该探头采用厚度振动模式的压电晶片，信噪比高，成本低，便于推广，并且可用于轨头和轨底探伤，单次检测距离长。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述超声导波斜探头的探伤方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

用于钢轨探伤的超声导波斜探头，包括外壳、至少一个压电单元以及至少一个接口，每个压电单元设置在外壳内，包括楔块、压电晶片和电缆线，所述压电晶片为厚度振动模式的压电陶瓷片，所述楔块的一个表面与水平面成夹角，压电晶片垂直于振动方向的一个表面平贴在楔块的所述表面上，所述接口设置在外壳的一个表面上，并通过电缆线与压电晶片连接。

进一步的，每个压电单元还包括阻尼块，所述阻尼块与压电晶片垂直于振动方向的另一个表面紧贴。

进一步的，所述探头还包括吸声填充物，所述吸声填充物填充于外壳内除压电单元外的空余空间。

进一步的，所述压电单元为两个或两个以上时，两个或两个以上的压电单元在外壳内纵向排列和/或横向排列。

进一步的，所述接口为一个，且所述压电单元为一个时，该压电单元的压电晶片通过电缆线与该接口连接。

进一步的，所述接口为一个，且所述压电单元为两个或两个以上时，所有压电单元的压电晶片均通过电缆线与该接口连接。

进一步的，所述接口为两个或两个以上，且所述压电单元为两个或两个以上时，每个接口与其中一个压电单元的压电晶片连接，或与其中多个压电单元的压电晶片连接。

进一步的，所述外壳的底部外表面形成曲面形状。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述超声导波斜探头的探伤方法，所述方法包括：

在检测钢轨轨头时，将超声导波斜探头放置在钢轨轨头的踏面上方；

在检测钢轨轨底的一侧时，将超声导波斜探头放置在钢轨轨底的该侧上表面；

在检测钢轨轨底两侧时，将超声导波斜探头放置在钢轨轨底的两侧上表面；

在超声导波斜探头和钢轨之间使用超声波检测耦合剂；

将超声导波斜探头与外部设备进行连接，结合超声导波斜探头和选定的压电晶片，选择合适的检测频率进行超声导波钢轨探伤。

进一步的，所述选择合适的检测频率进行超声导波钢轨探伤，具体包括：

根据检测需求选取超声导波检测频率上限和频率下限；

在频率上限与频率下限之间的频率范围内按等间隔分出若干个频率点作为测点；

分别以所述测点为激发频率进行导波检测；

对每个测点的导波接收信号分别进行时频分析，得到每个测点导波接收信号的时频分析结果；

将频率上限、频率下限以及所述频率范围内每次检测的时频分析结果分别以时间、频率为轴展开，并将对应时间点、频率点的值分别相加，绘制出导波检测中激发频率对应于所述频率范围的导波时频分析图；

根据导波时频分析图，优选出合适的导波激发的中心频率和导波探伤分析频率/频段进行超声导波钢轨探伤。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的压电单元中的压电晶片采用厚度振动模式(te模)的压电陶瓷片，在十千赫兹至数百千赫兹的频率范围内具有良好响应，其信噪比高，成本低，结构形式上与传统超声波钢轨探伤所使用的探头相似，易于推广，与使用长度伸缩模式的超声导波探头相比，无须施加额外压力，操作方便。

2、本发明与传统超声波钢轨探伤技术相比，单次检测距离长，典型单次检测距离可达十米至数十米，探伤效率高。

3、本发明适用于钢轨轨头和钢轨轨底探伤，并且在钢轨轨头和钢轨轨底两侧无探伤盲区，在检测钢轨轨头时，可以将超声导波斜探头放置在钢轨轨头的踏面上方，在检测钢轨轨底的一侧时，可以将超声导波斜探头放置在钢轨轨底的该侧上表面，在检测钢轨轨底两侧时，可以将超声导波斜探头放置在钢轨轨底的两侧上表面，在超声导波斜探头和钢轨之间使用超声波检测耦合剂以确保检测效果。

4、本发明的压电单元设置了阻尼块，可为压电晶片的振动提供阻尼以减少脉冲宽度、提高分辨率，并为压电晶片提供支撑作用。

5、本发明的外壳还设置了吸声填充物，填充于外壳内除压电单元外的空余空间，可以吸收压电晶片向背面透射的声波以减少脉冲杂波。

6、本发明的外壳底部外表面形成曲面，以便更好地使超声导波斜探头放置在钢轨轨头或轨底。

7、本发明为了选择合适的检测频率，使用了时频分析技术，可获得导波在整个相关频域范围内的传播特性，使得能够方便、直观地利用多个实际信号的时频特性来优选出导波检测激发频率，以避免基于频散曲线的理论分析在选择导波激发频率时出现与实际导波检测之间不匹配的问题，还能方便地得到导波检测的分析频率。

附图说明

图1为本发明实施例1的超声导波斜探头结构示意图。

图2为本发明实施例1的超声导波斜探头中压电晶片的振动方向以及压电晶片与水平面成夹角i的示意图。

图3为本发明实施例1的超声导波斜探头中压电晶片的轴测图。

图4为本发明实施例1的超声导波斜探头中压电晶片的正视图。

图5为本发明实施例1的超声导波斜探头中压电晶片的俯视图。

图6为本发明实施例1的超声导波斜探头中压电晶片的侧视图。

图7为本发明实施例1的超声导波斜探头放置在钢轨轨头踏面的平面示意图。

图8为本发明实施例1的超声导波斜探头放置在钢轨轨头踏面的三维示意图。

图9为图8中a处的放大图。

图10为本发明实施例1的超声导波斜探头与信号激发和接收功能集成于一个通道的外部设备连接的示意图。

图11为本发明实施例2的两个超声导波斜探头分别与外部设备的激发通道和接收通道连接的示意图。

图12为本发明实施例3的两个超声导波斜探头分别与外部激发设备和外部接收设备连接的示意图。

图13为本发明实施例4的超声导波斜探头放置在钢轨轨底的一侧上表面的平面示意图。

图14为本发明实施例4的超声导波斜探头放置在钢轨轨底的一侧上表面的三维示意图。

图15为图14中b处的放大图。

图16为本发明实施例5的的超声导波斜探头放置在钢轨轨底的两侧上表面的平面示意图。

图17为本发明实施例6的超声导波斜探头内部两枚压电晶片纵向布置示意图。

图18为本发明实施例6的超声导波斜探头内部纵向布置的两枚压电晶片全部连接一个接口的示意图。

图19为本发明实施例7的超声导波斜探头内部四枚压电晶片横向布置示意图。

图20为本发明实施例7的超声导波斜探头内部横向布置的四枚压电晶片全部连接一个接口的示意图。

图21为本发明实施例8的超声导波斜探头的每个接口与内部纵向布置的一枚压电晶片连接的示意图。

图22为本发明实施例8的超声导波斜探头的两个接口分别与外部设备的激发通道和接收通道连接的示意图。

图23为本发明实施例9的超声导波斜探头的两个接口分别与外部激发设备和外部接收设备连接的示意图。

图24为本发明实施例10的超声导波斜探头的每个接口与内部横向布置的一枚压电晶片连接的示意图。

图25为本发明实施例11的超声导波斜探头的每个接口与内部横向布置的两枚压电晶片连接的示意图。

图26为本发明实施例12的超声导波斜探头的外壳底部外表面示意图。

图27为本发明实施例13的超声导波斜探头的外壳底部外表面示意图。

其中，1-外壳，2-接口，3-楔块，4-压电晶片，5-电缆线，6-阻尼块，7-吸声填充物，8-超声导波斜探头，9-钢轨，10-外部设备，11-外部激发设备，12-外部接收设备，13-底部外表面。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例提供了一种超声导波斜探头，该超声导波斜探头用于钢轨轨头探伤，与传统超声波钢轨探伤技术相比，单次检测距离长，典型单次检测距离可达十米至数十米，探伤效率高。

如图1和图2所示，本实施例的超声导波斜探头包括外壳1、一个压电单元以及一个接口2，所述压电单元包括楔块3、压电晶片4、电缆线5和阻尼块6，为了清楚看到压电晶片4在外壳1内的位置，在图2中仅示了外壳1、接口2和压电晶片4，而略去其它部分。

所述楔块3的一个表面与水平面成夹角i，本实施例中的夹角i的角度为41度。

如图3～图6所示，所述压电晶片4选用为厚度振动模式(te模)的压电陶瓷片，具体选用pzt-5型厚度振动模式(te模)的压电陶瓷片，振动模式从图3和图4中可以看到；压电晶片4的负极包边，其总长度l为12mm，有效长度l为10mm，宽度w为5mm，厚度d为0.5mm，该压电晶片4在10khz～300khz的范围内具有良好的响应，可满足常用频率范围内导波的激发和接收；压电晶片4垂直于振动方向的一个表面与水平面成夹角i平贴在楔块3的所述表面上，即压电晶片4与水平面也成20度，使压电晶片4的振动方向与楔块3的所述表面垂直。

所述阻尼块6与压电晶片4垂直于振动方向的另一个表面紧贴，阻尼块6具有为压电晶片4的振动提供阻尼以减少脉冲宽度提高分辨率，以及支撑压电晶片4的作用。

所述接口2可与电缆线5连接，通过电缆线5与压电晶片4连接，其设置在外壳1的一个表面上，具体地，本实施例为了方便接口2与压电晶片4进行连接，外壳1具有一个斜面，并使该接口2设置在外壳1的该斜面上。

本实施例的超声导波斜探头还包括吸声填充物7，所述吸声填充物7填充于外壳1内除压电单元外的空余空间，主要用于吸收压电晶片4向背面透射的声波以减少脉冲杂波。

本实施例用于检测钢轨轨头，如图7～图9所示，将超声导波斜探头8放置在钢轨9轨头的踏面上方，并在超声导波斜探头8和钢轨9之间使用超声波检测耦合剂以确保检测效果；如图10所示，将超声导波斜探头8的接口2连接至外部设备10，该外部设备10可为超声导波探伤仪，也可为具有信号激发和/或接收功能的其他设备，本实施例的外部设备10具体为信号激发和接收功能集成于一个通道的外部设备，在检测中，超声导波斜探头8的压电晶片4，通过逆压电效应实现导波的激发，并通过压电效应实现导波的接收。

本实施例在将超声导波斜探头8的接口2连接至外部设备10后，结合超声导波斜探头8和选定的压电晶片4，选择合适的检测频率进行超声导波钢轨轨头探伤。

所述选择合适的检测频率进行超声导波钢轨轨头探伤，具体包括：

1)根据检测需求选取超声导波检测频率上限和频率下限，频率上限记为fu，频率下限记为fl，它们之间的频率范围记为[fl，fu]。

2)在频率上限与频率下限之间的频率范围[fl，fu]内按等间隔δf分出若干个频率点作为测点，若干个频率点为fl+δf，fl+2*δf，fl+3*δf，……，fu。

3)分别以所述测点为激发频率进行导波检测。

为了方便对数据进行处理，本实施例可以在分别以所述测点为激发频率进行导波检测之前，设置检测的触发时刻和导波信号采样频率，使得每个测点的导波接收信号中导波激发时刻的时间标签相同，每次导波检测的导波接收信号采样频率一致。

如果在分别以所述测点为激发频率进行导波检测之前没有设置检测的触发时刻和导波信号采样频率，就需要在分别以所述测点为激发频率进行导波检测之后，将导波接收信号的时间轴平移，以使所有导波接收信号中导波激发时刻的时间标签相同，并将采样频率高的导波接收信号降采样，使得所有导波接收信号的采样频率一致，且最低采样频率满足采样定理的要求。

4)对每个测点的导波接收信号分别进行时频分析t(f,t)，得到每个测点导波接收信号的时频分析结果ai(i＝1,2,3,…)。

5)将频率上限fu、频率下限fl以及所述频率范围[fl，fu]内每次检测的时频分析结果ai(i＝1,2,3,…)分别以时间、频率为轴展开，并将对应时间点、频率点的值分别相加，绘制出导波检测中激发频率对应于所述频率范围的导波时频分析图。

6)根据导波时频分析图的导波模态，判断是否需要对所述频率范围内的子频段进行进一步分析，若是，进入步骤7)，否则进入步骤8)。

在本步骤中，如果导波时频分析图的导波模态过于复杂，需要对所述频率范围内的子频段进行进一步分析。

7)选取子频段并分别将该子频段的上下限作为频率上限和频率下限，返回步骤2)，以便重新绘制出导波时频分析图。

8)根据导波时频分析图，优选出合适的导波激发频率和分析频率/频段进行超声导波钢轨探伤，具体为：导波时频分析图可直观地呈现出不同导波模态在各频段的分布、强度和频散特征，根据导波时频分析图显示的导波模态数量、导波模态是否容易识别、幅值，通过综合导波模态数量少、易识别、幅值理想等原则优选出合适的导波激发频率和分析频率/频段进行超声导波钢轨探伤。

通过上述步骤的处理后，优选出50khz作为导波激发的中心频率，40～175khz作为导波探伤分析频率，以此完成钢轨轨头超声导波探伤。

实施例2：

本实施例的主要特点是：超声导波斜探头的结构同实施例1，如图11所示，用于钢轨轨头探伤，但超声导波斜探头8为两个，将两个超声导波斜探头8纵向(沿钢轨长度方向)居中放置于钢轨9轨头踏面上表面，并在超声导波斜探头8和钢轨9之间使用超声波检测耦合剂以确保检测效果，将两个超声导波斜探头8的接口2分别连接至外部设备10的激发通道和接收通道，与外部设备10的激发通道相连接的超声导波斜探头8，在检测中压电晶片4通过逆压电效应实现导波的激发，与外部设备10的接收通道相连接的超声导波斜探头8，在检测中压电晶片4通过压电效应实现导波的接收。

实施例3：

本实施例的主要特点是：超声导波斜探头的结构同实施例1，如图12所示，用于钢轨轨头探伤，将两个超声导波斜探头8纵向(沿钢轨长度方向)居中放置于钢轨9轨头踏面上表面，并在超声导波斜探头8和钢轨9之间使用超声波检测耦合剂以确保检测效果，但外部设备包括外部激发设备11和外部接收设备12，即信号的激发和接收功能，由不同的外部设备实现，将两个超声导波斜探头8的接口2分别连接至外部激发设备11和外部接收设备12，与外部激发设备11相连接的超声导波斜探头8，在检测中压电晶片4通过逆压电效应实现导波的激发，与外部接收设备12相连接的超声导波斜探头8，在检测中压电晶片4通过压电效应实现导波的接收。

实施例4：

本实施例的主要特点是：本实施例的超声导波斜探头的结构同实施例1，但用于钢轨轨底的一侧探伤，如图13～图15所示，将超声导波斜探头8放置在钢轨9轨底的一侧上表面。其余同实施例1、2或3。

实施例5：

本实施例的主要特点是：本实施例的超声导波斜探头的结构同实施例1，但用于钢轨轨底的两侧探伤，如图16所示，将超声导波斜探头8放置在钢轨9轨底的两侧上表面，本领域技术人员可以知道，轨底两侧可同时检测，也可先后依次检测。其余同实施例1、2或3。

实施例6：

本实施例的主要特点是：所述压电单元为两个，所述接口2为一个，两个压电单元在外壳1内纵向排列，即两枚压电晶片4在外壳1内纵向排列，如图17所示，两枚压电晶片4与水平面的夹角i可以相同，也可以不同，当每个枚压电晶片与水平面的夹角i不同时，阻尼块6与水平面的夹角、楔块3上与压电晶片4紧贴的斜面与水平面的夹角i，应随着压电晶片4与水平面的夹角i的改变而改变，使得每枚压电晶片4、每个楔块3和阻尼块6能够贴合；为了清楚看到各枚压电晶片4在外壳1内的位置，图17中仅示了外壳1、接口2和压电晶片4，而略去其它部分；两枚压电晶片4通过电缆线5与该接口2的连接如图18所示。其余同实施例1、2、3、4或5。

实施例7：

本实施例的主要特点是：所述压电单元为四个，所述接口2为一个，四个压电单元在外壳1内横向排列，即两枚压电晶片4在外壳1内横向排列，如图19所示，四枚压电晶片4与水平面的夹角i可以相同，也可以不同，当每个枚压电晶片与水平面的夹角i不同时，阻尼块6与水平面的夹角、楔块3上与压电晶片4紧贴的斜面与水平面的夹角i，应随着压电晶片4与水平面的夹角i的改变而改变，使得每枚压电晶片4、每个楔块3和阻尼块6能够贴合；为了清楚看到各枚压电晶片4在外壳1内的位置，图19中仅示了外壳1、接口2和压电晶片4，而略去其它部分；四枚压电晶片4通过电缆线5与该接口2的连接如图20所示。其余同实施例1、2、3、4或5。

实施例8：

本实施例的主要特点是：所述压电单元为两个，所述接口2为两个，两个压电单元在外壳1内纵向排列，即两枚压电晶片4在外壳1内纵向排列，且每个接口2与一枚压电晶片4连接，如图21所示，为了清楚看到各枚压电晶片4在外壳1内的位置，图21中仅示了外壳1、接口2、压电晶片4和电缆线5，而略去其它部分。

本实施例的超声导波斜探头用于钢轨轨头探伤，如图22所示，将超声导波斜探头8放置在钢轨9轨头的踏面上方，并在超声导波斜探头8和钢轨9之间使用超声波检测耦合剂以确保检测效果，将超声导波斜探头8的两个接口2分别连接至外部设备10的激发通道和接收通道，与外部设备10的激发通道相连接的一枚压电晶片4，在检测中压电晶片4通过逆压电效应实现导波的激发，与外部设备10的接收通道相连接的一枚压电晶片4，在检测中压电晶片4通过压电效应实现导波的接收，本领域技术人员可以理解的是，本实施例也可以对钢轨10轨底的一侧或两侧进行检测。

实施例9：

本实施例的主要特点是：超声导波斜探头8的结构同实施例8，如图23所示,用于钢轨轨头探伤，将超声导波斜探头8放置在钢轨9轨头的踏面上方，并在超声导波斜探头8和钢轨9之间使用超声波检测耦合剂以确保检测效果，但外部设备包括外部激发设备11和外部接收设备12，即信号的激发和接收功能，由不同的外部设备实现，将超声导波斜探头8的两个接口2分别连接至外部激发设备11和外部接收设备12，与外部激发设备11相连接的一枚压电晶片4，在检测中压电晶片4通过逆压电效应实现导波的激发，与外部接收设备12相连接的一枚压电晶片4，在检测中压电晶片4通过压电效应实现导波的接收。

实施例10：

本实施例的主要特点是：如图24所示，所述压电单元为两个，所述接口2为两个，两个压电单元在外壳1内横向排列，即两枚压电晶片4在外壳1内横向排列，且每个接口2与一枚压电晶片4连接，为了清楚看到各枚压电晶片4在外壳1内的位置，图24中仅示了外壳1、接口2、压电晶片4和电缆线5，而略去其它部分。其余同实施例1、2、3、4或5。

实施例11：

本实施例的主要特点是：如图25所示，所述压电单元为四个，所述接口2为两个，四个压电单元在外壳1内横向排列，即四枚压电晶片4在外壳1内横向排列，且每个接口2分别与两枚压电晶片4连接，为了清楚看到各枚压电晶片4在外壳1内的位置，图25中仅示了外壳1、接口2、压电晶片4和电缆线5，而略去其它部分。其余同实施例1、2、3、4或5。

实施例12：

本实施例的主要特点是：如图26所示，所述外壳1的底部外表面13制作成曲面形状，具体形成向内凹的曲面形状。其余同实施例1、2、3、4或5。

实施例13：

本实施例的主要特点是：如图27所示，所述外壳1的底部外表面13制作成曲面形状，具体形成向外凹的曲面形状。其余同实施例1、2、3、4或5。

实施例14：

本实施例的主要特点是：本实施例的超声导波斜探头的结构同实施例1，但夹角i的角度为20度，压电晶片4的总长度l为24mm，有效长度l为22mm，宽度w为12mm，厚度d为1mm。其余同实施例1、2、3、4或5。

上述实施例1～14中，超声导波斜探头也可安装于外部夹具或其它外部机械装置中，以便于实施检测；此外，在条件允许的情况下，在垂直于钢轨长度方向的横向上增加压电单元的数量，或横向安装有多枚压电晶片的超声导波斜探头，或是横向并排放置多个安装有一枚压电晶片的超声导波斜探头，有利于导波的激发和接收。

综上所述，本发明的压电单元中的压电晶片采用厚度振动模式(te模)的压电陶瓷片，在十千赫兹至数百千赫兹的频率范围内具有良好响应，其信噪比高，成本低，结构形式上与传统超声波钢轨探伤所使用的探头相似，易于推广，与使用长度伸缩模式的超声导波探头相比，无须施加额外压力，操作方便；与传统超声波钢轨探伤技术相比，单次检测距离长，典型单次检测距离可达十米至数十米，探伤效率高；适用于钢轨轨头和钢轨轨底探伤，并且在钢轨轨头和钢轨轨底两侧无探伤盲区。

以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利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发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，包括利用超声导波探伤的导波激发和导波接收过程具有相对独立性的特点，使用本发明单独实现导波激发、或单独实现导波接收，都属于本发明专利的保护范围。