用于鐵軌底部缺陷檢測(cè)的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于鐵軌底部缺陷檢測(cè)的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器。本發(fā)明是一種開合式的結(jié)構(gòu)，左、右側(cè)夾板分別鉸接在底部托板兩側(cè)，底部托板裝在鐵軌軌底下表面，左、右側(cè)夾板分別安裝在鐵軌軌腰兩側(cè)，左、右側(cè)夾板貼合在鐵軌軌腰和軌底上表面；第一支撐殼體和第二支撐殼體之間裝有四個(gè)梳狀陣列；每個(gè)梳狀陣列包括磁致伸縮材料層、激勵(lì)線圈層和永磁體層，激勵(lì)線圈層包裹在磁致伸縮材料層外圍后覆蓋有永磁體層，第二支撐殼體作為彈性波傳遞層，左側(cè)夾板和底部托板中的激勵(lì)線圈層之間通過軟質(zhì)排線連接，右側(cè)夾板和底部托板中的激勵(lì)線圈層之間通過軟質(zhì)排線連接。本發(fā)明是針對(duì)鐵軌的特殊截面設(shè)計(jì)的導(dǎo)波傳感器，可以激發(fā)出模態(tài)單一的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。
【專利說明】用于鐵軌底部缺陷檢測(cè)的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種導(dǎo)波傳感器，尤其涉及一種用于鐵軌底部缺陷檢測(cè)的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著鐵路線運(yùn)力的增加和列車速度的提高，有效的鐵軌缺陷檢測(cè)方法變得愈加重要，重載列車線路的缺陷主要集中在鐵軌的底部，并且以橫向裂紋為主。在重載的工況下缺陷的生長(zhǎng)速度很快，如果不能在早期發(fā)現(xiàn)，將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。我國(guó)目前的軌道檢測(cè)以超聲探傷小車和人工巡查為主，由于超聲檢測(cè)的原理決定了必須對(duì)鐵軌逐點(diǎn)掃查，對(duì)于一些軌道離道砟很近的線路，這種方法很難適用。利用導(dǎo)波傳播距離遠(yuǎn)和對(duì)微小缺陷敏感的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵軌底部缺陷的快速檢測(cè)。由于鐵路線運(yùn)輸?shù)奶厥夤r，對(duì)傳感器也提出了一些要求:傳感器的各部件要盡快能集中、方便安裝與拆卸、輕便且安裝牢固。
[0003]我國(guó)目前在鐵軌導(dǎo)波無損檢測(cè)領(lǐng)域的研究人員還很少。專利號(hào)為201110021864.8的發(fā)明專利提出了一種鐵軌底部的缺陷檢測(cè)方法，使用的是四個(gè)壓電式傳感器陣列，產(chǎn)生彎曲模態(tài)的導(dǎo)波檢測(cè)。壓電式傳感器需要粘貼在被測(cè)物表面，檢測(cè)前期的安裝時(shí)間較長(zhǎng)且需要列車停運(yùn)配合，在24小時(shí)繁忙的鐵路線上很難使用這種方法布置大量的傳感器；彎曲模態(tài)導(dǎo)波的換能效率不高，不能有效地實(shí)現(xiàn)鐵軌的長(zhǎng)距離檢測(cè)。專利號(hào)為201110403882.2的發(fā)明專利提出了一種使用縱波的檢測(cè)裝置，檢測(cè)時(shí)裝置需要安放在鐵軌的軌頭部位。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，這種方式對(duì)鐵軌底部的缺陷檢測(cè)效果較差，而實(shí)際使用的中鐵軌缺陷主要集中在底部；這種安裝在軌頭的傳感器無法在列車正常運(yùn)行的工況中使用，只能作為日常的巡檢輔助設(shè)備，更無法構(gòu)成大規(guī)模的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。上述技術(shù)使用磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)時(shí)，尚未有一種集成度較高、安裝和使用方便、專門針對(duì)鐵軌底部缺陷檢測(cè)的傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服背景【技術(shù)領(lǐng)域】的不足，提供一種用于鐵軌底部缺陷檢測(cè)的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器，專門針對(duì)鐵軌底部缺陷檢測(cè)、安裝便捷牢固、高度集成。
[0005]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明包括底部托板、結(jié)構(gòu)相同的左側(cè)夾板和右側(cè)夾板，左側(cè)夾板、右側(cè)夾板分別鉸接在底部托板的兩側(cè)，底部托板安裝在鐵軌軌底的下表面，左側(cè)夾板、右側(cè)夾板分別安裝在鐵軌軌腰的兩側(cè)，左側(cè)夾板、右側(cè)夾板貼合在鐵軌軌腰和軌底的上表面；左側(cè)夾板、右側(cè)夾板和底部托板均包括第一支撐殼體和第二支撐殼體，第一支撐殼體和第二支撐殼體之間裝有沿鐵軌方向間隔均布的四個(gè)梳狀陣列；每個(gè)梳狀陣列包括磁致伸縮材料層、激勵(lì)線圈層和永磁體層，激勵(lì)線圈層包裹在磁致伸縮材料層外圍后覆蓋有永磁體層，第二支撐殼體作為彈性波傳遞層位于梳狀陣列和鐵軌軌腰之間，左側(cè)夾板中的四個(gè)激勵(lì)線圈層和底部托板中各自對(duì)應(yīng)的激勵(lì)線圈層之間通過軟質(zhì)排線連接，右側(cè)夾板中的四個(gè)激勵(lì)線圈層和底部托板中各自對(duì)應(yīng)的激勵(lì)線圈層之間通過軟質(zhì)排線連接。[0006]所述的永磁體層由沿鐵軌軌腰和軌底的曲線間隔均布的瓦狀永磁體排列而成。
[0007]所述的底部托板上設(shè)有電纜連接口，底部托板中的四個(gè)激勵(lì)線圈層中的導(dǎo)線引出連接到電纜連接口上。
[0008]所述的左側(cè)夾板、右側(cè)夾板分別彈性地鉸接在底部托板的兩側(cè)。
[0009]所述的兩個(gè)相鄰的梳狀陣列之間的間距為傳感器所激勵(lì)的導(dǎo)波波長(zhǎng)的1/4。
[0010]所述的第二支撐殼體的外形輪廓與軌腰和軌底上的表面曲線相同，第二支撐殼體材料為氧化鋁。
[0011]所述的磁致伸縮材料層的材料為FeCo合金、FeGa合金、Terfenol-D材料或Ni。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明基于磁致伸縮效應(yīng)，通過對(duì)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的產(chǎn)生和在鐵軌中聚焦、傳播機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究，形成了一種專門針對(duì)鐵軌底部缺陷檢測(cè)的導(dǎo)波聲場(chǎng)激發(fā)和控制的理論與方法。若本發(fā)明能有效地實(shí)施，可以方便地在鐵軌軌底激發(fā)出單一模態(tài)的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波，用于鐵軌底面缺陷的檢測(cè)；若在一定范圍內(nèi)的鐵路網(wǎng)都安裝本發(fā)明所述傳感器，可構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)鐵軌軌底的缺陷，預(yù)防事故的發(fā)生，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的安裝示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明的左側(cè)夾板的詳細(xì)分解圖。
[0015]圖3是本發(fā)明的底部托板的詳細(xì)分解圖。
[0016]圖4是本發(fā)明的磁場(chǎng)布置示意圖。
[0017]圖5是本發(fā)明的梳狀陣列示意圖。
[0018]圖中:1、鐵軌，2、左側(cè)夾板，3、電纜連接口，4、底部托板，5、軟質(zhì)排線，6、右側(cè)夾板，
7、第一支撐殼體，8、永磁體層，9、磁致伸縮材料層，10、激勵(lì)線圈層，11、第二支撐殼體，12、磁致伸縮材料層中的磁場(chǎng)方向，13、瓦狀永磁體，14、永磁體極性，15、電流方向，16、梳狀陣列，17、梳狀陣列間隔。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明包括底部托板4、結(jié)構(gòu)相同的左側(cè)夾板2和右側(cè)夾板6，左側(cè)夾板2、右側(cè)夾板6分別鉸接在底部托板4的兩側(cè)，底部托板4安裝在鐵軌I軌底的下表面，左側(cè)夾板2、右側(cè)夾板6分別安裝在鐵軌I軌腰的兩側(cè)，左側(cè)夾板2、右側(cè)夾板6貼合在鐵軌I軌腰和軌底的上表面；如圖2所示，左側(cè)夾板2、右側(cè)夾板6和底部托板4均包括第一支撐殼體7和第二支撐殼體11，第一支撐殼體7和第二支撐殼體11之間裝有沿鐵軌I方向間隔均布的四個(gè)梳狀陣列16 ;每個(gè)梳狀陣列包括磁致伸縮材料層9、激勵(lì)線圈層10和永磁體層8，激勵(lì)線圈層10包裹在磁致伸縮材料層9外圍后覆蓋有永磁體層8，激勵(lì)線圈層10包裹在磁致伸縮材料層9外圍后位于內(nèi)側(cè)，永磁體層8位于外側(cè)，第二支撐殼體11作為彈性波傳遞層位于梳狀陣列16和鐵軌I軌腰之間，左側(cè)夾板2中的四個(gè)激勵(lì)線圈層10和底部托板4中各自對(duì)應(yīng)的激勵(lì)線圈層10之間通過軟質(zhì)排線連接，右側(cè)夾板6中的四個(gè)激勵(lì)線圈層10和底部托板4中各自對(duì)應(yīng)的激勵(lì)線圈層10之間通過軟質(zhì)排線5連接。[0021]所述的永磁體層10由沿鐵軌I軌腰和軌底的曲線間隔均布的瓦狀永磁體13排列而成。瓦狀永磁體的永磁體極性14相互交錯(cuò)反向排列。
[0022]所述的底部托板4上設(shè)有電纜連接口 3，底部托板4中的四個(gè)激勵(lì)線圈層中的導(dǎo)線引出連接到電纜連接口 3上。
[0023]所述的左側(cè)夾板2、右側(cè)夾板6分別彈性地鉸接在底部托板4的兩側(cè)。
[0024]所述的兩個(gè)相鄰的梳狀陣列16之間的間距(即梳狀陣列間隔17)為傳感器所激勵(lì)的導(dǎo)波波長(zhǎng)的1/4。
[0025]所述的第二支撐殼體11的外形輪廓與軌腰和軌底上的表面曲線相同，第二支撐殼體11材料為氧化鋁。
[0026]所述的磁致伸縮材料層9的材料為FeCo合金、FeGa合金、Terfenol-D材料或Ni。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明是一種開合式的結(jié)構(gòu)，打開時(shí)可以從鐵軌下方安裝傳感器，將左、右側(cè)夾板向中間推擠就可以使傳感器緊密地與鐵軌底部貼合并固定。
[0028]如圖3所示，底部托板4中的梳狀陣列16的結(jié)構(gòu)與排布與左側(cè)夾板2和右側(cè)夾板6相同，在電纜接口 3連接信號(hào)電纜，四個(gè)梳狀陣列16中的激勵(lì)線圈層10中分別通以經(jīng)過漢寧窗調(diào)制的5周期正弦電流信號(hào)，這四路正弦信號(hào)的相位依次相差90° ;磁致伸縮材料層中的磁場(chǎng)方向12和電流方向15如圖4所示，梳狀陣列中的激勵(lì)線圈電流在包圍于其中的磁致伸縮材料層中產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，方向沿鐵軌延伸方向，即垂直于紙面向里；磁致伸縮材料層外側(cè)包圍的永磁體層由瓦狀永磁體排列而成，N極和S極如圖中方向依次放置，激勵(lì)線圈層10中的激勵(lì)線圈通電后在磁致伸縮材料層中激發(fā)產(chǎn)生沿鐵軌延伸方向的交變激勵(lì)磁場(chǎng)，永磁體層產(chǎn)生與激勵(lì)磁場(chǎng)垂直的偏置磁場(chǎng)并穿過磁致伸縮材料層，兩個(gè)方向的磁場(chǎng)合成為扭轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁致伸縮材料層在扭轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下基于磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波并沿著鐵軌軌底傳播；如圖5所示，第一支撐殼體7中的四個(gè)梳狀陣列16的梳狀陣列間隔17為所激勵(lì)的導(dǎo)波波長(zhǎng)的1/4。
[0029]本發(fā)明的實(shí)施工作過程如下:
將本發(fā)明所述的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器的左側(cè)夾板2和右側(cè)夾板6向兩側(cè)打開，使底部托板4的上表面與鐵軌軌底下表面的待安裝位置貼合，放開左側(cè)夾板2和右側(cè)夾板6，由于鉸鏈處的彈簧作用，可以使傳感器抱緊鐵軌軌底。在電纜接口 3連接信號(hào)電纜，四個(gè)梳狀陣列16中的激勵(lì)線圈層10中分別通以經(jīng)過漢寧窗調(diào)制的5周期正弦電流信號(hào)，這四路正弦信號(hào)的相位依次相差90度，四個(gè)梳狀陣列16在第一個(gè)支撐殼體7中的位置間隔為1/4波長(zhǎng)，以這種方式激勵(lì)的四列導(dǎo)波由于導(dǎo)波的相干作用，在鐵軌軌底中聚焦產(chǎn)生了模態(tài)單一的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波并沿著鐵軌軌底向前傳播。導(dǎo)波在軌底的傳播過程中，遇到缺陷會(huì)產(chǎn)生反射，反射回波沿著相反方向傳播，并被傳感器接收?；夭ㄊ箓鞲衅髦械拇胖律炜s材料層發(fā)生形變，由于逆磁致伸縮效應(yīng)的存在，機(jī)械形變會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)的變化，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，反應(yīng)在傳感器上就是激勵(lì)線圈層中電壓的變化。精確計(jì)算激勵(lì)信號(hào)的發(fā)射時(shí)間和缺陷回波的接收時(shí)間，它們的時(shí)間差乘以該頻率扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的波速就可以確定缺陷在鐵軌中的精確位置，回波信號(hào)的電壓大小反應(yīng)了缺陷的大小。
[0030]上述的實(shí)施只是用來解釋本發(fā)明，本發(fā)明的具體實(shí)施包括但不限于上述提到的，在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)對(duì)本發(fā)明的任何修改都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于鐵軌底部缺陷檢測(cè)的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器，其特征在于:包括底部托板(4)、結(jié)構(gòu)相同的左側(cè)夾板(2 )和右側(cè)夾板(6 )，左側(cè)夾板(2 )、右側(cè)夾板(6 )分別鉸接在底部托板(4)的兩側(cè)，底部托板(4)安裝在鐵軌(I)軌底的下表面，左側(cè)夾板(2)、右側(cè)夾板(6 )分別安裝在鐵軌(I)軌腰的兩側(cè)，左側(cè)夾板(2 )、右側(cè)夾板(6 )貼合在鐵軌(I)軌腰和軌底的上表面；左側(cè)夾板(2)、右側(cè)夾板(6)和底部托板(4)均包括第一支撐殼體(7)和第二支撐殼體(11)，第一支撐殼體(7 )和第二支撐殼體(11)之間裝有沿鐵軌(I)方向間隔均布的四個(gè)梳狀陣列(16);每個(gè)梳狀陣列包括磁致伸縮材料層(9)、激勵(lì)線圈層(10)和永磁體層(8)，激勵(lì)線圈層(10)包裹在磁致伸縮材料層(9)外圍后覆蓋有永磁體層(8)，第二支撐殼體(11)作為彈性波傳遞層位于梳狀陣列(16)和鐵軌(I)軌腰之間，左側(cè)夾板(2 )中的四個(gè)激勵(lì)線圈層(10)和底部托板(4)中各自對(duì)應(yīng)的激勵(lì)線圈層(10)之間通過軟質(zhì)排線連接，右側(cè)夾板(6)中的四個(gè)激勵(lì)線圈層(10)和底部托板(4)中各自對(duì)應(yīng)的激勵(lì)線圈層(10)之間通過軟質(zhì)排線(5 )連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鐵軌底部缺陷檢測(cè)的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器，其特征在于:所述的永磁體層(10)由沿鐵軌(I)軌腰和軌底的曲線間隔均布的瓦狀永磁體(13)排列而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鐵軌底部缺陷檢測(cè)的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器，其特征在于:所述的底部托板(4)上設(shè)有電纜連接口(3)，底部托板(4)中的四個(gè)激勵(lì)線圈層中的導(dǎo)線引出連接到電纜連接口( 3)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鐵軌底部缺陷檢測(cè)的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器，其特征在于:所述的左側(cè)夾板(2)、右側(cè)夾板(6)分別彈性地鉸接在底部托板(4)的兩側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鐵軌底部缺陷檢測(cè)的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器，其特征在于:所述的兩個(gè)相鄰的梳狀陣列(16)之間的間距為傳感器所激勵(lì)的導(dǎo)波波長(zhǎng)的1/4。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鐵軌底部缺陷檢測(cè)的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器，其特征在于:所述的第二支撐殼體(11)的外形輪廓與軌腰和軌底上的表面曲線相同，第二支撐殼體(11)材料為氧化鋁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鐵軌底部缺陷檢測(cè)的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器，其特征在于:所述的磁致伸縮材料層(9)的材料為FeCo合金、FeGa合金、Terfenol-D材料或Ni。
【文檔編號(hào)】G01N29/24GK103698407SQ201310681553
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】張鵬飛, 駱蘇軍, 唐志峰, 呂福在 申請(qǐng)人:杭州浙大精益機(jī)電技術(shù)工程有限公司