便携式钢轨疲劳裂纹检测装置的研制

　　现代铁路运输的高速度和重载荷的发展趋势,要求更有效地保证其安全性和可靠性。然而,对钢轨实际工作状态的检测,目前仍主要依赖巡道工的目视,难免受巡道工的经验、责任心或天气状况等因素的影响,使检测质量达不到应有的技术要求。同时,在火车不断提速的现实情况下,巡道工的人身安全问题也日益突出。

　　国外已研制出用于监测钢轨工作状态的超声钢轨检测装置,但超声检测需要液体耦合,操作工序多而复杂,检测速度慢,且被检金属件也会对超声检测造成影响^[1]。

　　涡流检测基于电磁感应原理,通过分析涡流引起检测线圈中感应电压的变化,便可判断钢轨的缺陷情况。该方法检测钢轨表面缺陷具有较高灵敏度^[2],此外还具有非接触、装置结构简单且线性范围宽等优点。因此,笔者为满足用户的实际需求,自行研发了一款基于脉冲涡流方法的钢轨检测装置。

　　1　脉冲涡流检测法原理

　　脉冲涡流检测法是近年出现的一种无损检测方法,其激励信号为周期性的窄脉冲。随着激励脉冲信号上升沿和下降沿的跃变,试样中会感应出涡流。根据集肤效应,产生涡流的深度与激励信号的频率有关。相比于传统涡流检测采用单一频率的正弦激励,脉冲涡流所采用的激励信号的频谱更为丰富,在它的作用下,试样中产生的响应会有多个频率成分^[3]。宽频谱的激励,会使涡流的深度范围更宽,故检出信号便可相应地反映不同深度的缺陷信息^[4]。

　　脉冲涡流检测法的基本原理是,对检测线圈拾取的涡流产生的磁场作瞬态分析,通过测量该磁场所感应出电压的峰值及其对应的时间,来分析具体的缺陷情况。缺陷所在深度越浅,对应的涡流产生的磁场越强,进而感应出的电压峰值就越高,而且该峰值出现的时间也越早;另一方面,在同样的深度条件下,缺陷越大,感应电压峰值越高^[5]。所以,对检出信号作时域分析,可得出缺陷的大小及其所在深度。传统涡流检测装置需配置不同的传感器和不同频率的激励信号,以检测试样中不同深度的缺陷。而采用脉冲涡流检测方法,则无需根据检测深度更换传感器和改变激励信号的频率,即实施一次检测,便可检测出试样中不同深度的缺陷。

　　2　钢轨裂纹检测装置的基本原理及实现

　　作者研制了一款便携式钢轨疲劳裂纹检测装置(图1)。激励源产生频率和占空比均连续可调的周期性脉冲信号,并输入到传感器的激励线圈。对应于激励脉冲信号的上升沿和下降沿,钢轨试样中会感应出涡流。而传感器的检测线圈能检测出试样中由涡流产生的磁场。为了降低对提离高度的敏感度,传感器检测线圈采用了差动式设计^[6]。传感器检测到的缺陷信号送至模拟信号处理单元,经放大、检波和滤波等处理后,得到适合单片机子系统分析处理的信号。单片机子系统通过内置ADC完成被测模拟信号的数字化,并按用户要求进行相应的判断、分析、计算和处理。