專利名稱：鐵道微磁探傷儀及其探傷方法
技術領域：
本發明屬于安全無損檢測技術領域，具體涉及一種鐵道微磁探傷 儀及其探傷方法。
背景技術：
我國鐵路隨著提速和重載的需要，對鐵道線路本身的質量和安全 狀態提出了更高的要求。目前，鐵道的常規探傷采用超聲波探傷法，其主要弊病是體重大(約80公斤)、攜帶不便、操作復雜(需6人同 時操作)，還需不斷施加耦合劑--水(寒冬季節還需在水中加柴油， 以防結冰)，極為繁瑣；而且，檢測速度慢，對軸向缺陷的分辨率低、 小缺陷無法檢出；同時，檢測未實現智能化，需人工分析、判斷；特 別是鐵路道岔部位的探傷，迄今國內外還是一項空白，由于其截面不 規則，超聲波和其他探傷方式如電渦流檢測等均無能為力，目前只能 靠人工手錘敲和目視巡檢解決。發明內容本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，利用微磁技術，提 供一種體積小巧、攜帶方便、操作簡單、快捷準確的鐵道微磁探傷儀， 這種儀器可以快速檢出鐵道傷損部位和程度，確定危險部位。同時， 本發明還要提供該鐵道微磁探傷儀所使用的探傷方法。本發明的技術方案如下 一種鐵道微磁探傷儀，包括一個可沿工 件表面運動的磁傳感器裝置，磁傳感器裝置與信號預處理器連接，信 號預處理器連接A/D轉換器，計算機系統分別與磁傳感器裝置和A/D 轉換器連接。如上所述的鐵道微磁探傷儀，其中，所述的磁傳感器裝置包括一 個支架，支架內設有上、下兩個磁傳感器，構成互補差分結構，兩個 磁傳感器外均設有磁屏蔽罩，下部的磁傳感器上方設有聚磁片，下部的磁屏蔽罩上方設有壓緊彈簧，磁屏蔽罩下方設有鋁質合金蓋；磁傳 感器連接非線性校正電路以及置位、復位電路。一種鐵道微磁探傷方法，該方法通過沿工件表面運動的磁傳感器 裝置，測取缺陷泄漏的微磁信號，并轉化為電信號輸出到信號預處理 器；信號預處理器對信號進行放大、濾波、提純，再經A/D轉換器 變成數字信號，送入計算機；計算機對上述各部分實施控制，同時對 接收的信號進行數字濾波、信號分析、缺陷特征提取、缺陷判別與計 算、顯示記錄，實現裂紋等缺陷檢測。如上所述的鐵道微磁探傷方法，其中，該方法采用微磁缺陷磁荷 變異檢測原理，建立缺陷磁荷模型，并根據缺陷磁荷模型確定泄漏磁 信號的缺陷特征，用于判別缺陷的存在。與傳統的超聲探傷法相比，本發明的有益效果是1、 檢測速度快。由于微磁檢測是一種被動檢測，缺陷泄漏的微 磁信號一直存在，且磁信號以光速傳播，因此磁傳感器獲取信號時間 少于0.1納秒；超聲檢測是一種主動檢測，其波速比光速小得多，探 測頭獲取信號時間大于4微秒。因此，微磁檢測速度比超聲檢測高 10000倍，適于火車提速后的軌道、道岔探傷。2、 檢測靈敏度高。微磁傳感裝置可獲取小于l(T8 T的磁k號， 相當于寬度1微米、深度50微米、長100微米的缺陷泄漏的磁信號。 超聲檢測中，可分辨的缺陷通常在①1毫米以上(較為先進的儀器可 達①0.3毫米，但價格昂貴)，因此，微磁檢測靈敏度比超聲檢測高 1000倍。3、 可靠性好。微磁檢測靈敏度高，對于尺寸在寬度80微米、深 度500微米、長500微米以上的缺陷信號，能可靠捕捉。而且與超聲 檢測相比，可靠性高2倍以上，而且，不需外加條件，從而，消除了 外加的不穩定因素。 4、 檢測工藝簡便。微磁檢測對被檢工件表面狀態要求低，不必 打磨、清洗，不需加耦合劑，可在有鐵銹油污的條件下工作。5、 微磁檢測過程對環境無污染，而且節能。6、 解決鐵路道岔探傷檢測的世界性難題。7、 為便攜式，體積小、重量輕、攜帶方便、特別適宜鐵道線路 流動現場檢測的需要。8、 操作簡單(一至二人即可)、判據客觀(檢測鋼軌自有磁場)、 準確可靠、實用性強。9、 儀表為智能型，可以替代人工分析判斷而直接輸出檢測結果。
圖1是本發明的鐵道微磁探傷儀原理框圖；圖2(a)是圖1中所示的傳感器探測裝置的結構圖；圖2(b)是磁傳感器非線性校正電路圖；圖3是磁傳感器置位、復位電路圖；圖4是圖1中所示的信號預處理器電路圖；圖5是圖1中所示的計算機系統組成原理框圖；圖6是信號分析處理裝置計算機實現流程圖；圖7是缺陷特征提取模塊計算機實現流程圖；圖8是缺陷類別判別模塊603計算機實現流程圖；圖9是缺陷類別模塊計算機實現流程圖；圖io缺陷深度計算模塊計算機實現流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步描述。 圖1是本發明的鐵道微磁探傷儀原理框圖，包含磁傳感器裝置1、 信號預處理器2、、 A/D轉換器3、計算機系統4。磁傳感器裝置l沿 工件表面掃描，獲取被檢工件缺陷泄漏的微磁信號，并轉換為電信號 輸送到信號預處理器2;信號預處理器2對信號進行放大、濾波、提 純，并將信號送入A/D轉換器3; A/D轉換器將信號轉換為數字信號， 并送計算機系統4。計算機系統4對上述各部分工作實施控制，同時 對接收的信號進行數字濾波、信號分析、缺陷特征提取、缺陷判別、 顯示記錄。圖2 (a)是圖1中的磁傳感器裝置結構圖，包括一個支架22， 支架22內設有上、下兩個磁傳感器2B、 2A，兩個磁傳感器外均設有 磁屏蔽罩26、 21，下部的磁傳感器2A上方設有聚磁片25，下部的 磁屏蔽罩21上方設有壓緊彈簧23，磁屏蔽罩21下方設有鋁質合金 蓋24;磁傳感器連接非線性校正電路以及置位、復位電路，支架上 部設有引線27。磁傳感器2A、磁傳感器2B構成互補差分結構，抵 消地磁、外界電磁干擾及材料晶粒不均勻、電源等引起的干擾。本實施例中的磁器件選用的HM201是一種用于檢測轉角的器 件，用于測材料泄漏磁場要對輸出特性進行非線性校正，同時要進行 置位、復位以恢復檢測靈敏度。圖2(b)為用于非線性校正的電路，外加一惠斯通電橋與磁阻的電 橋相對應，使磁阻的Ai /R的變化是關于角度0軸對稱，在45度角 范圍內存在一個線性區域。在線性范圍內，輸出電壓與外加磁場成正 比，即AF。"嚴57/K，其中S為磁阻傳感器的靈敏度，可達3mv/lv/Oe， 線性范圍在20e之內。圖3是磁傳感器置位、復位電路圖。當磁傳感器工作在有強干擾 的外磁場作用的環境中，其敏感軸方向上施加超過2xl(^T的磁場時， 會擾亂傳感器磁阻內部磁疇的極化方向，改變傳感器的輸出特性，使 輸出的信號變弱，靈敏度降低為此采用采用置位、復位電路來消除強 干擾磁場的影響，恢復傳感器的靈敏度。為用于抵消變化環境磁場的置位復位電路，包含方波產生器31、 跟隨器32、推挽開關電路(IRF7105) 33。方波產生器31產生5kHz 的方波信號送跟隨器32置位控制電路(74HC04) 22、脈沖加工電路 (74HC04) 23、相位調整電路24、反相器(2N3904) 25、組成。如 磁傳感器工作在有干擾的外磁場作用的環境中，其敏感軸方向上施加
超過2xl0々的磁場時，會擾亂傳感器磁阻內部磁疇的極化方向，改 變傳感器的輸出特性，使輸出的信號變弱，靈敏度降低。為此，采用 置位復位電流帶，以一定的置位復位電流產生的磁場來消除干擾磁場 的影響，恢復傳感器的靈敏度。由于傳感器的輸出電壓的極性取決于 內部磁疇的極化方向，所以對傳感器施加與置位脈沖方向相反的復位 脈沖，能夠使磁疇方向反轉，對外表現為傳感器輸出的極性反轉。圖 中由定時器21產生的方波脈沖經脈沖加工電路23 (A、 B、 C、 D) 整形后送相位調整電路24;若23A輸出脈沖波為正，相位調整電路 24A的二極管截止，脈沖經延遲后送入23B，再經23C和反相器25 進行相位調整后送推挽開關電路26，使開關管26A導通；此時24B 的二極管導通，23A輸出脈沖波幾乎不經延遲就送入24D，經反相后 使推挽開關電路26的開關管26B截止，置復位電路進入置位狀態， 置位電流通過電流帶產生的磁場抵消環進磁場。若23A輸出脈沖波 為負，24A的二極管導通，23A輸出脈沖波幾乎不經延遲就送入24B， 再經24C和反相器25進行相位調整后送推挽開關電路26，使開關管 26A截止；此時24B的二極管截止，脈沖經延遲后送入24D反相后 送推挽開關電路26，使開關管26 B導通，置復位電路進入復位狀態， 通過電流帶的電流反向，產生的磁場使傳感器的特性恢復到零點，即 恢復原來的靈敏度。因此，相位調整電路24使推挽開關電路26在開 關管26A導通前開關管26B可靠截止；在開關管26B導通前開關管 26A可靠截止。方波產生器的脈沖波不斷翻轉，推挽開關電路26的 兩個開關管26A、 26B輪流導通，不斷置位復位，消除外界變化磁場 的干擾；置位控制電路22是通過計算機來控制置復位電路的工作。 當需要置復位時，計算機輸出一脈沖，使定時器21的4端置高電平， 啟動定時器工作，進行置復位；其他時間計算機輸出低電平，封閉定 時器21的工作，置復位電路處于等待狀態。圖4是圖1中信號預處理電路。信號預處理電路包含預處理放大 器41、濾波器42々信號預處理放大器包含放大器411、放大器412、放大器413， 3
個放大器由INA128組成，構成差分結構。其中放大器411放大由磁 阻傳感器2A輸送的信號，為檢測傳感放大器；放大器412放大由磁 阻傳感器2B輸送的信號，為參考傳感放大器；放大器413為綜合放 大器，放大抵消地磁、外界電磁干擾及電源等引起的干擾后的缺陷信 號，總增益在1 10000。放大器的輸出管角6與濾波器42的電阻相連。濾波器42是一個二階有源濾低通波器，由電阻A、及2、 A、 ^， 電容C7、 G和運算放大器OP07組成。當檢測信號頻率高于10kHz 時，電容C2近于短路，電路無輸出；當信號頻率低于10kHz時，電 容G近于開路，電路相當于一個同相放大器，電路輸出低于10kHz 的信號，主要用于濾除高于10kHz的外界干擾信號，放大輸出緩慢 變化信號，使電路3能檢測慢變化磁信號，實現磁場絕對量檢測。濾 波器的輸出管角6通電阻A與計算機的A/D轉換器輸入口相連。A/D轉換器3采用RM9的內置A/D轉換器，轉換分辨率12位， 轉換速度100K樣本/秒。圖5是圖1中的計算機系統組成圖。計算機系統^^含計算機51、 顯示記錄裝置52、電源53、信號分析處理裝置54。計算機51采用三星公司的S3C2410型主板，它是RISC結構的 32位微處理器，基于ARM92T內核，采用五級流水線，生產工藝為 0.18微米CMOS,最高工作頻率可達203MHz。S3C2410具有增強ARM體系的MMU(支持WinCE， EPOC32和 Linux )， 16kB的指令和數據高速緩存以及高速AMBA總線接口。 S3C32410常用于手持設備以及普通的嵌入式應用的集成系統，內嵌 的功能模塊豐富，接口齊全，主要包括如下部分LCD控制器 (STN&TFT )， NAND Flash引導裝入程序、系統管理(片選邏輯和SIR 控制器)，3通道UART， SD主口和多媒體卡接口、 2通道SPI和2 通道PLL。 4通道DMA, 4通道PWM時鐘、I/O 口、 RTC， 8通道 10位ADC及觸摸屏接口 、 IIC總線接口 、 IIS總線接攜式智能儀器使 用的高性能、低功耗微處理器，具有USB主口和USB設備口、非常 適合于便鐵道道岔探傷軟件系統運行于移植到ARM9平臺上的Linux 操作系統上。顯示記錄裝置52由顯示器和存儲器組成。顯示器為 PLANAR-EL320x256-FD7，寬溫(—25°C +65°C )，彩色顯示，使 各種數據、圖表顯示直觀明了，在強光下可正常顯示。計算機主要用于提取裂紋信息特征，判別缺陷為裂紋、劃痕、點 蝕等，計算缺陷尺寸，界面設定及系統控制。電源53包含輸出7.4V鋰電池、TSD05-12s05型DC-DC模塊， 輸出5V、 1A。圖6是計算機的信號分析處理裝置54，包含數據采集模塊601、 缺陷特征提取模塊602、缺陷類別判別模塊603、缺陷深度計算模塊 604、記錄顯示模塊605數據輸入模塊601完成數據輸入。圖7是缺陷特征提取模塊602計算機實現流程圖。在步驟701開 始后，步驟702將數據文件編號，步驟703讀取數據文件0號；在步 驟704將0號文件數據濾波。濾波運用平滑估計方法，其步驟為(1) 由數據序列(Z,]構造一個新的數據序列{^'}。方法是從M中取每相鄰的5位數的中位數構成{義'}，即取XI， X2， X3， X4， X5 的中位數X3 (記為Z;)，依此類推， 一直取到最后一位數，顯然r的項數比原序列少四項。(2) 從化1中取每相鄰的三位數的中位數構成新的數據序列M。(3) 最后的數據序列(;r卜i(+會《+i;C。(4) 分析Z-JT，檢查是否有k.-;O;t (預定值)，如有則用一 內插值代替:c,。
在步驟704分段搜索信號變化幅度最大點，在706以缺陷判別幅 度標準衡量各個最大幅度點，符合要求的在707記為預判點。 針對鐵道材料，經過多次實驗，缺陷幅度標準為 裂紋為(105 1123)點，可表示為= -O.Olw3 + 6.1"2 -18" + 130 孑L洞為(315 836)點，可表示為t/ = 0.22w3 -3.2w2 + 49w + 260 點蝕為(207 321)點，可表示為"=(U"3 +《l"2 -16" + 230 劃痕為(287 568)點,可表示為= 0.1 lw3 - 2.31m2 + 28w + 30 判別規則為凡幅度大于或等于105點的可作為缺陷幅度特征判據。各數據文件的數據處理完后，在步驟709記錄，并在710讀取 記錄數據，在步驟711求取各預判點兩惻各10點的幅度變化梯度， 并在712分析梯度是否連續最大，且具有正、負峰，符合要求的在 713判為缺陷并記錄。針對鐵道材料，經過多次實驗，缺陷梯度標準為裂紋為(45 97)，可表示為G-0.078g2+3.4g + 41孔洞為(27 37)，可表示為<7 = 0.0178《2+5.化+ 11點蝕為(18 26)，可表示為G-0.011g2+1.4g + 61劃痕為(13 21)，可表示為G-0.008g2+7.4g + 8判別規則為凡梯度大于或等于18的均可作為缺陷梯度特征判據。各數據文件的數據處理完后，在步驟718結束。 圖8是缺陷判別模塊603計算機實現流程圖。流程在步驟801開 始后，步驟802讀取記錄的缺陷數據，并由步驟803、 804的幅度特 征函數、梯度特征函數進行缺陷判別，凡符合兩函數要求的即為缺陷， 不符合的予以刪除；屬缺陷的在805進行記錄。由于裂紋是缺陷中幅 度起點最低，劃痕梯度起點最小，因此以裂紋幅度函數、劃痕的梯度 函數為依據進行判別。判別缺陷類別的模式為設;c^i "(/"，2,…，")為對應第j個缺陷的n個特征參數；
《eiT(f-l，2,…，m)為對應的i種缺陷類別標準模型，L為待定模式， 如對任意S>0，滿足<formula>formula see original document page 13</formula>則A力^"式/V式^尸,為幅度105、梯度13。即信號變化幅 度大于105，梯度大于13的均可判為缺陷.圖9是缺陷類別判別模塊604計算機實現流程圖。在步驟901開 始后，步驟902讀取記錄缺陷數據，在903進行缺陷類別判別，凡符 合類別幅度特征函數、梯度特征函數要求的即可歸為某類缺陷，不符 合的，記為新模式，再由人工確定。 一直到缺陷數據處理完后，在步 驟908記錄。判別缺陷類別的模式為設 ￡/ "(;' = 1，2,.:")為對應第j個缺陷的n個特征參數； 《￡^(/ = 1,2，一,附)為對應的i種缺陷類別標準模型，L為待定模式， 如對任意sX)，滿足<formula>formula see original document page 13</formula>為,式尸,。式^尸,為裂紋幅度"=-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; 點蝕t/ = 0.1w3+4.1m2-16m+ 230 ，梯度G = 0.011g2+1.4g + 61); 劃痕t/ = 0.11w3-2.31w2+28w + 30，梯度G-0,008g2+7.4g + 8 。 圖10是缺陷深度計算模塊604計算機實現流程圖。在步驟901 開始后，902讀取缺陷參數，并在步驟903將參數代入公式計算"風式中d為深度，K為系數，Hm為幅度峰值。 針對鐵道材料，經過多次實驗，K=31。 一直到所有的缺陷參數處理完，在步驟906結束。
權利要求
1. 一種鐵道微磁探傷儀，其特征在于該探傷儀包括一個可沿 工件表面運動的磁傳感器裝置，磁傳感器裝置與信號預處理器連接， 信號預處理器連接A/D轉換器，計算機系統分別與磁傳感器裝置和 A/D轉換器連接。
2. 如權利要求1所述的鐵道微磁探傷儀，其特征在于所述的 磁傳感器裝置包括一個支架(22)，支架(22)內設有上、下兩個磁 傳感器(2B、 2A)，構成互補差分結構，兩個磁傳感器外均設有磁屏 蔽罩(21、 26)，下部的磁傳感器(2A)上方設有聚磁片(25)，下 部的磁屏蔽罩(21)上方設有壓緊彈簧(23)，磁屏蔽罩(21)下方 設有鋁質合金蓋(24);磁傳感器連接非線性校正電路以及置位、復 位電路。
3. —種鐵道微磁探傷方法，其特征在于該方法通過沿工件表 面運動的磁傳感器裝置，測取缺陷泄漏的微磁信號，并轉化為電信號 輸出到信號預處理器；信號預處理器對信號進行放大、濾波、提純， 再經A/D轉換器變成數字信號，送入計算機；計算機對上述各部分 實施控制，同時對接收的信號進行數字濾波、信號分析、缺陷特征提 取、缺陷判別與計算、顯示記錄，實現裂紋等缺陷檢測。
4. 如權利要求3所述的鐵道微磁探傷方法，其特征在于該方 法采用微磁缺陷磁荷變異檢測原理，建立缺陷磁荷模型，并根據缺陷 磁荷模型確定泄漏磁信號的缺陷特征，用于判別缺陷的存在。
5. 如權利要求3或4所述的鐵道微磁探傷方法，其特征在于缺 陷特征提取由計算機系統執行，針對鐵道材料特性判別缺陷的幅度標 準為-裂紋為(105 1123)點，可表示為1/ = -0.01"3+6.1"2-18w + 130 孑L洞為(315 836)點，可表示為= 0.22w3 -3.2"2 + 49w + 260 點蝕為(207 321)點，可表示為U = O.l"3 + 4.1"2 -16" + 230劃痕為(287 568)點，可表示為C7 = 0.1 lw3 -2.3 1m2 + 28m + 30 缺陷幅度判別規則為凡大于或等于105點的均可判為缺陷幅度 特征；判別缺陷梯度標準為裂紋為(45 97)，可表示為G-0.078g2+3.4g + 41 孔洞為(27 37)，可表示為G^0.0178g2+5.4g + 11 點蝕為(18 26)，可表示為G-0.011g2+1.4g + 61 劃痕為(13 21)，可表示為G-0.008g2+7.4g + 8 缺陷梯度判別規則為凡梯度大于或等于18并具有正負峰的均 可判為缺陷梯度特征。
6. 如權利要求3或4所述的鐵道微磁探傷方法，其特征在于 缺陷判別由計算機系統執行，針對鐵道材料特性，缺陷判別規則為如待判檢測數據中具有缺陷，則信號特征同時符合①缺陷幅度 判別規則；②缺陷梯度判別規則，由于裂紋是缺陷中幅度起點最低， 劃痕梯度起點最小，因此，以裂紋幅度函數、劃痕的梯度函數為依據 進行判別判別缺陷模式為設、.ei "(y、l,2，…，")為對應第j個缺陷的n個特征參數； A eiT(/"，2，…,m)為對應的i種缺陷類別標準模型，L為待定模式， 如對任意s〉0，滿足則I/為模式尸,。式中A為幅度105、梯度13，即信號變化幅度大 于105，梯度大于13的均可判為缺陷。
7. 如權利要求3或4所述的鐵道微磁探傷方法，其特征在于缺 陷類別判別由計算機系統執行，針對鐵道材料特性，缺陷類別判別規 則為設 ei "(y-l,2,…，")為對應第j個缺陷的n個特征參數； 《eJT(:l,2，…，m)為對應的i種缺陷類別標準模型，L為待定模式，如對任意sX)，滿足則^為模式尸,。式中尸,為裂紋幅度^/ = -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;點燭幅度^/ = 0.1"3+4.1"2-16" + 230，梯度G = O.Ollg2+1.4g + 61;劃痕幅度^/ = 0.11"3-2.31"2+28" + 30，梯度G = O細g2+7.4g + 8 。
8.如權利要求3或4所述的鐵道微磁探傷方法，其特征在于缺 陷深度計算由計算機系統執行，針對鐵道材料特性，缺陷深度根據公 式計算<formula>formula see original document page 4</formula>式中d為深度，K為系數，/4為幅度峰值， 針對鐵道材料，X=31。
全文摘要
本發明屬于安全無損檢測技術領域，具體涉及一種鐵道微磁探傷儀及其探傷方法。鐵道微磁探傷儀采用微磁缺陷磁荷變異檢測原理實現缺陷檢測，由磁傳感器裝置、信號預處理器、A/D轉換器、計算機系統組成。檢測中由傳感裝置測取缺陷泄漏的磁信號，并轉化為電信號輸出到信號預處理器；信號預處理器對信號進行放大、濾波、提純，送入A/D轉換器變成數字信號，再由計算機進行數字濾波、信號分析、缺陷特征提取、缺陷判別、缺陷計算、顯示記錄，同時對上述各部分實施控制，實現缺陷檢測。該探傷儀用于鐵道的損傷缺陷探測，缺陷檢出可靠性比傳統無損檢測方法高2倍以上，工效提高5倍以上，同時解決了目前沒有有效手段進行道岔探傷的世界性難題。
文檔編號G01N27/82GK101122579SQ20071015162
公開日2008年2月13日 申請日期2007年9月25日 優先權日2007年9月25日
發明者徐章遂, 王祥國, 邵長勝 申請人:王祥國
專業數控銑床產品供應商
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