一种钢轨表面伤损漏磁检测装置及方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
无损检测技术，尤其涉及一种钢轨表面伤损漏磁检测装置及方法。
背景技术
[0002] 无损检测是利用材料内部结构的异常和伤损的存在所引起的对热、声、电、光、磁等反应的变化，评价结构的异常和伤损，即在不损伤被检测
工件、材料等的情况下检测其内部结构、物理性能或状态是否存在裂纹、夹杂等伤损的新兴学科。
[0003] 漏磁无损检测法可以检测
铁磁性材料工件表面及内部的伤损，并且具备检测灵敏度高、速度快、对工件表面清洁度要求不高、成本低、操作简单等优点，被广泛应用在铁磁材料，如钢轨、钢管等设备的无损检测中。
[0004] 磁敏
传感器到被测工件之间的垂直距离称为提离，不同提离下漏
磁场的分布不一样。当
探头在工件表面巡回检测时，受振动等因素影响，提离将发生变化，导致磁敏传感器的输出变化，称为提离干扰。高速巡检时，提离干扰、随机干扰
叠加在检测
信号上，造成伤损信号难于分辨，不利于伤损的测量。为了提高伤损的检出率，减少误报率，需要设法抑制各种干扰的影响。
发明内容
[0005] 发明目的：针对以上问题，本发明提出一种钢轨表面伤损漏磁检测装置及方法，能够有效抑制漏磁信号提离干扰和随机干扰，提高伤损检出率，减少误报率。
[0006] 技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种钢轨表面伤损漏磁检测装置，包括漏磁检测探头、调理
电路和采集电路，所述漏磁检测探头将钢轨表面伤损漏磁信号转换为模拟
电压信号，并由调理电路滤波，再经采集电路转换为
数字信号，发送给计算机进行处理。
[0007] 进一步地，所述漏磁检测探头包括U形磁轭、激励线圈、主磁敏传感器和四个辅助磁敏传感器，所述激励线圈缠绕在所述U形磁轭上，所述主磁敏传感器设置于所述U形磁轭下方正中处，所述辅助磁敏传感器设置于所述主磁敏传感器两侧。
[0008] 进一步地，第一辅助磁敏传感器和第二辅助磁敏传感器与主磁敏传感器的距离为第三辅助磁敏传感器和第四辅助磁敏传感器与主磁敏传感器的距离为其中，2a为应检出的最小伤损宽度，b为应检出的最小伤损深度，z0为预设的巡检提离期望值。
[0009] 进一步地，所述主磁敏传感器用来检测x，z方向的磁场，第一辅助磁敏传感器和第二辅助磁敏传感器用来检测x方向的磁场，第三辅助磁敏传感器和第四辅助磁敏传感器用来检测z方向的磁场。
[0010] 一种钢轨表面伤损漏磁检测方法，包括步骤：
[0011] (1)将漏磁检测探头放置于钢轨表面，调整提离为z0，开始巡检；
[0012] (2)漏磁检测探头中的磁敏传感器将钢轨表面伤损漏磁信号转换为模拟电压信号，通过调理电路模拟电压信号进行滤波处理，再通过采集电路将
模拟信号转换为数字信号；
[0013] (3)将处理过的数字信号发送给计算机进行处理；
[0014] (4)计算机对主磁敏传感器测量得到的x，z方向的数据分别进行曲线拟合得到Hx(l)、Hz(l)；对第一辅助磁敏传感器和第二辅助磁敏传感器测量得到的x方向的数据分别进行曲线拟合得到Hx1(l)、Hx2(l)；对第三辅助磁敏传感器和第四辅助磁敏传感器测量得到的z方向的数据分别进行曲线拟合得到Hz3(l)、Hz4(l)；其中，l是巡检里程；
[0015] (5)进行判断；若各个磁敏传感器的信号在l0处有条件1和3同时成立，或有条件2和3同时成立，则认为在l0处存在伤损；否则，认为在l0处没有伤损；
[0016] 条件1：Hz(l0)＝0；
[0017] 条件2：Hx(l0)是极大值；
[0018] 条件3；Hx(l0)>Hx1(l0-l1)，Hx(l0)>Hx2(l0+l1)，Hz(l0)Hz4(l0+l2)，上述4个式子中至少有3个成立，其中，
[0019] 有益效果：本发明的钢轨表面伤损漏磁检测装置及方法能够有效抑制漏磁信号提离干扰和随机干扰，提高伤损的检出率，减少误报率，适用于诸如钢轨、钢管等
铁磁性材料表面或近表面伤损的巡回检测。
附图说明
[0020] 图1是本发明所述的钢轨表面伤损漏磁检测装置示意图；
[0021] 图2是钢轨伤损附近x-z平面的剖面图；
[0022] 图3(a)是x方向的伤损处磁场强度分布示意图，图3(b)是z方向的伤损处磁场强度分布示意图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图和
实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0024] 如图1所示，本发明所述的钢轨表面伤损漏磁检测装置，包括漏磁检测探头、调理电路和采集电路，首先采用漏磁检测探头将钢轨表面伤损漏磁信号转换为模拟电压信号，然后通过调理电路对漏磁检测探头的传感器输出的电压信号进行处理，初步滤除干扰，最后通过采集电路将初步滤除提离干扰后的模拟信号转换为数字信号，发送给计算机进行处理。
[0025] 漏磁检测探头包含U形磁轭、激励线圈、主磁敏传感器和四个辅助磁敏传感器，第一辅助磁敏传感器、第二辅助磁敏传感器、第三辅助磁敏传感器和第四辅助磁敏传感器，其中，激励线圈缠绕在U形磁轭上，主磁敏传感器设置于U形磁轭下方正中处，辅助磁敏传感器设置于主磁敏传感器两侧。
[0026] 如图2所示为钢轨伤损附近x-z平面的剖面图，设巡检车沿着钢轨前进的方向为x方向，在钢轨表面上垂直于巡检车前进的方向为y方向，钢轨表面的法向为z方向。由于x方向和y方向均与钢轨表面平行，所以x方向和y方向上的漏磁场特征十分相似，在此仅分析x方向和z方向的漏磁场特征；其中，伤损宽度为2a，深度为b。
[0027] 主磁敏传感器用来检测x，z方向的磁场，设置在所述U形磁轭下方正中处；辅助磁敏传感器可以检测单一方向磁场，设置在主磁敏传感器两侧。其中，主磁敏传感器用来检测x，z方向的磁场，第一辅助磁敏传感器和第二辅助磁敏传感器用来检测x方向的磁场，第三辅助磁敏传感器和第四辅助磁敏传感器用来检测z方向的磁场。
[0028] 不同提离下漏磁场的分布不一样。高速巡检时，提离干扰、随机干扰叠加在检测信号上，造成伤损信号难于分辨，对伤损的检测造成不利影响。伤损上方某点P(x,z)的漏磁场强度为H(x,z)，其中，x方向分量为Hx(x,z)，z方向分量为Hz(x,z)，可分别由式(1)、(2)求得。
[0029]
[0030]
[0031] 其中，μ0表示空气的磁导率，σms为伤损侧面的面磁荷
密度，可由式(3)计算。
[0032]
[0033] 式中，μ为材料的磁导率，H为外加的磁场强度。
[0034] 同样的伤损在不同提离下，磁敏传感器
输出信号的幅值不同。在巡检中，当磁敏传感器输出信号的幅值发生变化时，难以区分这种变化是伤损引起的，还是提离变化引起的。由于巡检时还有随即干扰，这进一步增加了判断的难度。
[0035] 若检测探头的提离z＝1mm，a＝1mm，b＝1mm，σms/2π＝1，则该伤损x和z方向的磁场分布如图3(a)、(b)所示。可以证明Hx(0,z)为极大值而Hz(0,z)＝0，即当主磁敏传感器在伤损正上方时，不论提离大小，其x方向的输出比第一辅助磁敏传感器和第二辅助磁敏传感器的输出大；其z方向的输出比第三辅助磁敏传感器的输出小而比第四辅助磁敏传感器的输出大。所以可以通过比较主磁敏传感器和辅助磁敏传感器的输出信号幅值的相对大小来判断是否存在伤损。由于这种判断不是根据信号幅值的大小，而是根据不同磁敏传感器信号幅值的相对大小，所以受提离变化的影响较小。
[0036] 由于巡检时还存在随机干扰，为了减少误判，需要合理设置辅助磁敏传感器的
位置，使得辅助磁敏传感器与主磁敏传感器的输出差值尽可能大。第一辅助磁敏传感器和第二辅助磁敏传感器应布设在Hx(x,z0)的极小值处；第三辅助磁敏传感器布设在Hz(x,z0)的极大值处；第四辅助磁敏传感器布设在Hz(x,z0)的极小值处。
[0037] 由于Qx(x,z0)的极小值点与Hx(x,z0)在x的负半轴的极小值点位置接近，为了方便计算，以Qx(x,z0)的极小值处的x取值为第一辅助磁敏传感器的位置。
[0038]
[0039] 由于磁敏传感器间距较小，其提离相同，则在z＝z0为常数的前提下对x求导，并令G′x(x,z0)＝0，得到 可得 时QX(x,z0)为极小值，取绝对值后得到第一辅助磁敏传感器到主磁敏传感器距离为 其中，2a为应检
出的最小伤损宽度，b为应检出的最小伤损深度，z0为预设的巡检提离期望值。
[0040] 由于Gx(x,z0)的极小值点与Hx(x,z0)在x的正半轴的极小值点位置接近，为了方便计算，以Gx(x,z0)的极小值处的x取值为第二辅助磁敏传感器的位置。
[0041]
[0042] 由于磁敏传感器间距较小，其提离相同，则在z＝z0为常数的前提下对x求导，并令Q′x(x,z0)＝0，得到 可得 时Gx(x,z0)为极小值，则第二辅助磁敏传感器到主磁敏传感器距离为
[0043] 由于伤损或裂纹较小，因此可引入裂纹漏磁场分布的磁偶极子模型，对式(2)进行简化：
[0044]
[0045] 由于磁敏传感器间距较小，其提离相同，则在z＝z0为常数的前提下对x求导，并令H′z(x,z0)＝0，得到 即 时Hz(x,z0)为极大值，时Hz(x,z0)为极小值，则第三辅助磁敏传感器和第四辅助磁敏传感器到主磁敏传感器距离为
[0046] 本发明的钢轨表面伤损漏磁检测方法，包括步骤：
[0047] (1)将漏磁检测探头放置于钢轨表面，调整提离为z0，开始巡检；
[0048] (2)漏磁检测探头中的磁敏传感器将钢轨表面伤损漏磁信号转换为模拟电压信号，通过调理电路模拟电压信号进行滤波处理，再通过采集电路将模拟信号转换为数字信号；
[0049] (3)将处理过的数字信号发送给计算机进行处理；
[0050] (4)计算机对主磁敏传感器测量得到的x，z方向的数据分别进行曲线拟合得到Hx(l)、Hz(l)；对第一辅助磁敏传感器和第二辅助磁敏传感器测量得到的x方向的数据分别进行曲线拟合得到Hx1(l)、Hx2(l)；对第三辅助磁敏传感器和第四辅助磁敏传感器测量得到的z方向的数据分别进行曲线拟合得到Hz3(l)、Hz4(l)；其中，l是巡检里程；
[0051] (5)进行判断；若l0处有伤损，则Hz(l0)＝0、Hx(l0)是极大值、Hx(l0)>Hx1(l0-l1)、Hx(l0)>Hx2(l0+l1)、Hz(l0)>Hz4(l0+l2)、Hz3(l0)>Hz(l0-l2)。巡检时由于存在随机干扰，受损处各个磁敏传感器的输出难以满足全部条件，若各个磁敏传感器的信号在l0处有条件1和3同时成立，或有条件2和3同时成立，则认为在l0处存在伤损；否则，认为在l0处没有伤损。
[0052] 条件1：Hz(l0)＝0；
[0053] 条件2：Hx(l0)是极大值；
[0054] 条件3；Hx(l0)>Hx1(l0-l1)，Hx(l0)>Hx2(l0+l1)，Hz(l0)Hz4(l0+l2)，上述4个式子中至少有3个成立，其中，
[0055] 设某伤损a＝1mm、b＝1mm、z0＝2mm，则第一辅助磁敏传感器、第二辅助磁敏传感器到主磁敏传感器距离为 第三辅助磁敏传感器、第四辅助磁敏传感器到主磁敏传感器距离为
[0056] 对主磁敏传感器测量得到的x，z方向的数据分别进行曲线拟合得到Hx(l)、Hz(l)，l是巡检的里程。第一、二辅助磁敏传感器测量得到的x方向的数据分别进行曲线拟合得到Hx1(l)、Hx2(l)；第三、四辅助磁敏传感器测量得到的z方向的数据分别进行曲线拟合得到Hz3(l)、Hz4(l)。
[0057] 若各个磁敏传感器的信号在l0有条件1和3同时成立，或条件2和3同时成立，则认为在l0处存在受损；否则，认为在l0处没有伤损。
[0058] 条件1：Hz(l0)＝0
[0059] 条件2：Hx(l0)是极大值
[0060] 条件3：这4个式子中至少有3个成立。
