1、钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测及信号处理 孙继华 赵扬 南钢洋 马健 刘帅 王启武 巨阳 山东省科学院激光研究所 摘 要： 钢轨是列车运行的承载结构, 钢轨的轨腰缺陷是影响行车安全的缺陷之一。为了提高对钢轨轨腰缺陷的检测能力, 针对钢轨轨腰缺陷的特点, 设计了钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测系统及信号处理方法。通过使用该系统对钢轨试样进行试验, 可以有效的检测出钢轨轨腰处 6mm 和 8mm 的通孔缺陷;通过采用小波阈值去噪技术对实际检测信号进行处理, 可以极大的提高信号的信噪比, 从而得到满意的去噪效果, 经去噪处理后的信号更有利于缺陷的识别。通过试验和信号处理表明, 钢轨轨腰缺陷激光-电磁超
2、声检测系统能有效的实现钢轨轨腰缺陷的非接触检测, 通过该系统的研究可以为钢轨缺陷超声检测技术的改进提供一定的参考。关键词： 激光-电磁超声技术; 轨腰缺陷; 超声检测; 信号处理; 小波阈值去噪; 作者简介：孙继华 (1979-) , 男, 工程师, 硕士研究生, 主要研究方向:材料的超声无损检测与评价, 作者简介：赵扬, 男, 副研究员, 博士, 主要研究方向:材料的超声无损检测与评价。收稿日期：2017-06-15基金：山东省自然科学基金 (ZR2016FB26) Research on the rail waist defect testing with laser-EMAT ultra
3、sonic and signal processingSUN Jihua ZHAO Yang NAN Gangyang MA Jian LIU Shuai WANG Qiwu JU Yang Laser Research Institute of Shandong Academy of Science; Abstract： The rail is the bearing structure of train running, and rail waist defect is one of the defects of affecting the safety of running. Accor
4、ding to the rail waist defect features, the laser-EMAT ( Electromagnetic Acoustic Transducer) testing system and signal processing were designed to improve the detection ability of rail waist defect. Then the test of the rail testing sample was carried out by using this system. The testing results s
5、how that the system can effectually detect the rail waist through hole defects of 6 mm and 8 mm. From the laser-EMAT original signal processing based on wavelet threshold denoising, it could be seen that the SNR was greatly improved and remained all characteristics of the original signal, thus the s
6、ignal that processed by the wavelet threshold denoising will be convenient for the damages identification. The experimental research and signal analysis showed that this system can realize the complete non-contact detection on rail waist defects. Though the research of the system, it provides a cert
7、ain reference for the improvement of ultrasonic testing technology of rail defects.Keyword： laser-EMAT ultrasonic technology; rail waist defect; ultrasonic testing; signal processing; wavelet threshold denoising; Received： 2017-06-15随着列车速度和载重量的增加, 对钢轨的质量要求越来越高, 但是钢轨在生产过程中由于偏析、夹杂等原因或者在使用过程中由于锈蚀、外力等原因
8、可能会在钢轨轨腰处产生缺陷。当列车运行时, 会使钢轨轨腰处的缺陷快速扩展, 严重的可能造成断轨, 为减少钢轨轨腰处缺陷给列车运行带来的安全隐患, 根据国家和行业标准要求, 需要采用超声波探伤技术对钢轨轨腰缺陷进行检测且覆盖率要达到 60%以上1-2, 所以有必要开展钢轨轨腰缺陷检测新方法试验研究, 以提高轨腰缺陷的检测能力。超声无损检测是工业无损检测中最常用的一种检测方法3, 而现在钢轨缺陷检测中使用的压电超声需要水、油等介质作为耦合剂, 而且有覆盖率较低、对不同轨型适应性差、缺陷检测准确率不高等缺点, 已越来越难适应钢轨探伤发展需求4。激光-电磁超声检测技术作为一种先进的金属材料无损检测技术
9、, 已吸引国内外越来越多的关注, 笔者所在团队近年来开展了采用激光-电磁超声技术对钢轨不同部位缺陷检测的研究工作, 其中根据钢轨螺孔缺陷的特点, 研发了钢轨螺孔缺陷激光-电磁超声检测系统并能检测出螺孔上裂等缺陷, 根据钢轨踏面裂纹和剥离掉块缺陷的特点, 研发了钢轨踏面缺陷激光-电磁超声检测系统, 并能检测出踏面裂纹和剥离掉块等缺陷, 以上系统经过测试均取得良好的效果5-8。本文针对钢轨轨腰缺陷的特点, 设计开发了一种钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测系统及信号处理方法, 通过使用该系统对钢轨试样的测试和信号处理, 获得了钢轨轨腰不同尺寸通孔缺陷良好的检测效果。1 钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测系统
10、1.1 激光-电磁超声检测原理激光超声技术是一种可以在材料内非接触式、非破坏激发出超声波的技术9, 该技术是利用脉冲激光器发射的激光束照射到金属材料表面后, 激发出向材料内部以一定角度传播的超声横波来进行缺陷检测的。当采用线性激光源时, 激发的超声横波具有较好的指向性和能量, 更有利于缺陷的检测, 所以本文采用线光源去激发超声波。当使用激光线源激励超声波时, 按发射激光能量大小可分为热弹机制和烧蚀机制, 两种机制激励的超声横波角度都分布在法线两侧正负 20-40左右的范围内5, 如图 1 所示。图 1 激光激励超声横波分布图 下载原图所以本文将根据激光激励超声横波分布情况, 使用线性激光源激励
11、的超声横波能量主要分布区域 (法线两侧正负 20-40) 范围内的超声横波进行检测。电磁超声是一种可以在金属材料中非接触的接收超声波信号的现代无损检测技术, 与目前广泛使用的压电超声相比, 电磁超声检测过程无需耦合剂, 是一种非接触式检测方法, 经常在不适合传统超声直接接触的表面情况下使用, 具有灵敏度高、可重复性好、对环境要求低等特点, 可以实现快速、高效检测, 在无损检测中的应用正日益广泛10。激光-电磁超声检测技术集成了激光超声技术和电磁超声技术的优点, 是一种采用激光超声激励出在钢轨中传播的超声波, 再使用电磁超声接收超声波信号的先进无损检测技术。该技术首先使用脉冲激光器发射脉冲激光束
12、照射到钢轨踏面上时激励出一定角度的向钢轨内部传播的超声横波, 当该超声横波在传播过程中遇到钢轨轨腰缺陷时, 会发生衍射现象并产生超声横波, 再使用电磁超声传感器 (EMAT) 接受该衍射横波信号, 从而判断钢轨轨腰有无缺陷5。1.2 钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测系统设计超声波一般在有尖端结构的缺陷上会产生比较强的衍射波11-12, 而对于平面结构产生的衍射波较弱, 所以会增加检测的难度。钢轨在生产或使用过程中由于各种原因可能会在不同的位置产生缺陷, 先前研究的针对钢轨螺孔裂纹、踏面裂纹、踏面剥离掉块缺陷均取得良好效果, 对于本文研究的钢轨轨腰部位的缺陷, 由于通孔缺陷缺少尖端结构, 产生的超
13、声衍射横波信号会较弱, 这样就增加了缺陷信号的检测难度, 所以本文根据钢轨轨腰缺陷的特点, 设计出了钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测系统, 该系统主要由激光超声激励装置、电磁超声接收装置、扫查装置等组成, 激光超声激励装置采用经 Nd:YAG 脉冲激光器发出的激光脉冲经柱面透镜聚焦成的线光源进行激励超声横波, 脉冲激光器的重复频率为 1Hz 至 20Hz, 发射的脉冲激光的波长为 1064nm, 脉宽为 8ns 至 15ns;电磁超声接收装置主要由 EMAT 和信号接收系统 (包括前置放大器、压控增益放大器、ADC、FPGA 等) 组成, 经电磁超声接收装置接收的检测信号进入计算机显示及进行后续
14、的信号处理, 电磁超声接收装置根据轨腰通孔缺陷的特点, 在信号接收系统中的前置放大器中增大了接收信号的放大倍数, 并通过信号处理方法进行降噪处理;扫查装置用于对钢轨试样的检测。当采用钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测系统对钢轨试样进行检测时, 脉冲激光器和 EMAT 的间距固定, EMAT 放置于钢轨踏面中心并距离钢轨踏面 3mm 处接收超声衍射横波信号, 扫查装置沿着钢轨踏面中心线对钢轨试样进行扫查检测。图 2 钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测系统 下载原图2 钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测试验2.1 钢轨试样的制作为了便于检测试验, 我们截取了一段长度为 0.6m 的 60 kg/m 规格钢轨作
15、为试验试样, 在试样轨腰中心处加工出两个直径分别为 6mm 和 8mm 的通孔模拟轨腰缺陷13, 具体如图 3 所示, 其中图 3 (a) 为缺陷示意图, 图 3 (b) 为缺陷实物图。图 3 钢轨试样 下载原图2.2 缺陷检测试验根据激光超声激励出的超声横波的传播角度和钢轨轨腰缺陷的位置, 经过对轨腰处缺陷试验测试, 当照射在钢轨踏面激光线光源的位置与 EMAT 中心之间的距离为 73mm 时接收到的信号幅值最大, 此时超声横波主声束与法线夹角为 38左右, 所以把钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测系统中激光线光源的位置与EMAT 中心之间的距离固定为 73mm 对钢轨试样轨腰处缺陷进行检测。当
16、对钢轨试样检测时, 脉冲激光器发射的激光束首先经柱面透镜聚焦成线性激光源照射到钢轨踏面, 然后激励出向钢轨内部传播的超声横波, EMAT 置于钢轨踏面上方接收信号。图 4 为 EMAT 接收到的信号, 图 4 (a) 为轨腰有 6mm 通孔缺陷时EMAT 接收到的信号图, 图 4 (b) 为轨腰有 8mm 通孔缺陷时 EMAT 接收到的实际检测信号图。图 4 EMAT 接收实际检测信号图 下载原图从图 4 (a) 6mm 通孔缺陷信号图上可以看到多个信号, 其中在 66s 附近有一个幅值最大的信号 F, 此信号即为激光超声激励的超声横波遇到轨腰通孔缺陷时, 发生衍射后 EMAT 接收到的超声衍
17、射横波信号。同样从在图 4 (b) 8mm通孔缺陷信号图上的 66s 附近也有 8mm 通孔缺陷产生的衍射横波信号 F。按照文献5里面的声程公式和钢轨的尺寸、通孔位置及激光线光源在踏面照射位置与 EMAT 中心 73mm 的距离 (详见图 5) , 当轨腰处有 6mm 通孔缺陷时, 把超声横波传播距离 (119mm) 加上衍射横波的传播距离 (94mm) 再除以钢轨中横波传播速度 3200m/s, 可计算出接收到 6mm 通孔缺陷信号 F 的时间应为66.56s;同样当轨腰有 8mm 通孔缺陷时, 把超声横波传播距离 (118mm) 加上衍射横波的传播距离 (93mm) , 可计算出接收到 6
18、mm 通孔缺陷信号 F 的时间应为 65.93s, 与图 4 中信号 F 接收到的时间基本一致。图 5 超声传播声程图 下载原图由此可见, 采用钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测系统可以检测到钢轨轨腰处的不同尺寸的通孔缺陷。由于通孔缺陷直径较小且缺少尖角结构, 接收到的检测信号的信噪比不是很高, 所以可以通过一些信号处理技术对检测信号进行去噪处理。经过我们多次试验测试以及参考其他学者的研究结果, 采用小波阈值去噪技术可以对激光-电磁超声检测信号进行有效的去噪, 经过小波阈值去噪技术去噪后的检测信号, 既可以提高信号的信噪比, 又不会造成有用信息的丢失, 所以能获得满意的去噪效果5,14-15。为了
19、能够得到好的去噪效果, 本文采用 MATLAB 软件里的 wden 函数进行一维信号的去噪处理, 选用软阈值, 其中阈值选择固定阈值的形式 (sqtwolog) , 通过小波阈值去噪技术对图 3 中 EMAT 接收到的实际检测信号进行处理, 得到图 5小波阈值去噪后信号图, 为了便于观察我们把图 5 中的信号相对放大 5 倍, 得到图 6 小波阈值去噪后放大信号图。从图 6 和图 7 上可以看出, 对图 4 中 EMAT 接收到的信号进行小波阈值去噪处理后极大的提高了信噪比, 而且还保留了原始信号的各种特征, 按照文献 6 中的公式6计算可得到 6mm 和 8mm 通孔缺陷信号的信噪比分别提高
20、了大约10.67d B 和 4.09d B, 所以在实际检测过程中, 我们可以对激光-电磁超声检测信号进行一定的去噪处理, 这样可以有效的消除了噪声对实际检测信号的影响, 更有利于钢轨轨腰缺陷的识别。图 7 小波阈值去噪后信号放大图 下载原图3 结束语在役钢轨的轨腰缺陷是影响行车安全的缺陷之一, 随着列车对钢轨冲击的不断增大, 易引起钢轨断裂, 给铁路安全造成很大的威胁。传统的超声波检测方法由于自身的特点, 对钢轨轨腰缺陷的检测有一定的局限性, 本文基于以上原因设计开发了钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测系统, 通过试验, 可以有效的检测出钢轨模拟轨腰 6mm 和 8mm 的通孔缺陷;通过对实测信
21、号进行小波阈值去噪, 可以极大的提高信号的信噪比, 从而得到满意的去噪效果, 同时还保留了原始信号的特征, 可更准确的进行轨腰缺陷检测。钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测系统成功的检测出钢轨轨腰的模拟缺陷, 通过对钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测系统的研究, 为钢轨缺陷无损检测技术提供一种新型的有效检测方法。参考文献1曹茂林.钢轨纵向裂纹的无损检测及失效分析J.无损检测, 1999, 21 (04) :168-170. 2陈太荣.超声波探伤在高速钢轨检测中的应用J.中国设备工程, 2017, (07) :82-83+85. 3詹湘琳, 石志超.数字超声波探伤仪发射电路的参数分析J.中国民航大学学报,
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