用于確定和監(jiān)測(cè)軌道狀況變化的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本文所公開(kāi)的實(shí)施例涉及用于確定多晶材料中殘余應(yīng)力的各種系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括非破壞性地評(píng)估材料狀況的超聲波檢查裝置。常見(jiàn)的超聲波檢查裝置例如包括脈沖發(fā)生器-接收器。脈沖發(fā)生器-接收器包括產(chǎn)生電信號(hào)的脈沖發(fā)生器用于接收所述電信號(hào)的接收器。
【專利說(shuō)明】用于確定和監(jiān)測(cè)軌道狀況變化的系統(tǒng)和方法 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001] 本申請(qǐng)要求于2013年3月15日提交的且題為"用于確定和監(jiān)測(cè)軌道狀況 變化的系統(tǒng)和方法（Systems and Methods to Determine and Monitor Changes in Rail Conditions)"的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/794,534以及于2012年3月21日提交的且題 為"用于確定多晶材料中殘余應(yīng)力的方法（Method to Determine Residual Stress in Polycrystalline Materials) "的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/613, 683的優(yōu)先權(quán)，所述臨時(shí)申請(qǐng)?jiān)诖?以全文引用并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本申請(qǐng)總體上涉及用于確定和監(jiān)測(cè)軌道狀況（包括與應(yīng)力相關(guān)的狀況）中的變化 的系統(tǒng)和方法。具體地，實(shí)施例涉及用于在軌道路軌的較大區(qū)域上測(cè)量殘余軌道應(yīng)力的系 統(tǒng)和方法，以減少與應(yīng)力相關(guān)的問(wèn)題，諸如軌道裂縫以及軌道扭曲。

【背景技術(shù)】
[0003] 為了本申請(qǐng)的目的，參照多晶材料論述系統(tǒng)和方法（或"系統(tǒng)"）的示例性實(shí)施例， 但該系統(tǒng)可應(yīng)用于任何非均質(zhì)材料，諸如次晶材料。多晶材料是由微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的一種材 料，其包括具有不同取向的多個(gè)較小的微晶或晶粒。取決于生長(zhǎng)和加工條件，被稱為紋理的 在晶粒方向上的變化可為隨機(jī)的或定向的。晶粒也可在尺寸、變形（伸長(zhǎng)率）以及晶粒之 間的空隙空間或孔隙度方面進(jìn)行變化。
[0004] 多晶材料包括幾乎所有常見(jiàn)的金屬和許多陶瓷。多晶材料是一種固體結(jié)構(gòu)，例如， 鋼或黃銅，當(dāng)其冷卻時(shí)在材料內(nèi)的不同點(diǎn)形成液晶。
[0005] 多晶材料的一個(gè)示例是鋼。為了示例性的目的，該系統(tǒng)參照為鐵路軌道形式的鋼 來(lái)論述，但該系統(tǒng)也可應(yīng)用于任何形式或大小或形狀的任何材料，對(duì)于該材料而言，希望隨 著時(shí)間的推移確定和監(jiān)測(cè)性能以便評(píng)價(jià)應(yīng)力和缺陷狀況。
[0006] 以前的研究試圖研發(fā)測(cè)量縱向應(yīng)力的方法。在軌道較大區(qū)域上縱向應(yīng)力是一個(gè)問(wèn) 題。應(yīng)力是每單位面積的力的量度，通常表示為每平方英寸（PSi)的磅力。術(shù)語(yǔ)"縱向"是 指"沿著主軸（或長(zhǎng)軸）"，而不是指"緯度方向"，緯度方向是指"沿著寬度"、橫向或橫跨。
[0007] 縱向軌道應(yīng)力（"LRS"）通常涉及由于溫度變化導(dǎo)致的軌道收縮和膨脹?？v向軌 道應(yīng)力導(dǎo)致失效，失效為承載能力的喪失。失效的示例包括例如扭曲和裂縫。軌道在低溫 環(huán)境下經(jīng)受拉伸應(yīng)力，其可導(dǎo)致軌道裂縫或分離成兩段或多段。在高溫下，軌道經(jīng)受壓縮應(yīng) 力，其可導(dǎo)致扭曲或翹曲。拉伸應(yīng)力是導(dǎo)致膨脹（體積增加）的一種應(yīng)力狀態(tài)，而壓縮應(yīng)力 是導(dǎo)致壓緊（體積減?。┑囊环N應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)指出的是，零應(yīng)力狀態(tài)是當(dāng)材料不經(jīng)受任 何應(yīng)力的一種狀態(tài)。除此之外，失效導(dǎo)致脫軌和服務(wù)中斷。
[0008] 測(cè)量縱向軌道應(yīng)力的能力是鐵路行業(yè)中的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因存在占據(jù)較大區(qū)域的軌道 路軌，軌道由于每天和季節(jié)性的溫度變化而容易地膨脹和收縮的能力被降低。因此，會(huì)形成 高的縱向應(yīng)力，這進(jìn)而可能導(dǎo)致失效。
[0009] 以前的研究研發(fā)出確定縱向應(yīng)力的新方法。然而，經(jīng)加工的金屬（諸如鋼軌）還包 含來(lái)自制造過(guò)程中的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是當(dāng)沒(méi)有外部負(fù)荷施加到材料上時(shí)存在于材料中 的應(yīng)力。這種應(yīng)力往往在制造過(guò)程中產(chǎn)生以及由在制造過(guò)程中產(chǎn)生的熱變化、幾何變化或 材料相變而導(dǎo)致。例如，金屬部件往往在高溫下形成，使得鑄造、鍛造或擠塑成為可能。當(dāng) 部件冷卻到室溫時(shí)，產(chǎn)生熱梯度（例如，外部比內(nèi)部更快地冷卻），從而在部件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力。 殘余應(yīng)力有時(shí)是制造過(guò)程所希望的結(jié)果。例如，在使用過(guò)程中，往往在接近制造過(guò)程末時(shí)對(duì) 與其它表面（諸如鐵路車輪或軌頭）接觸的表面用水或油進(jìn)行淬火。淬火導(dǎo)致表面非常迅 速地冷卻，并且淬火鎖住大量的壓縮殘余應(yīng)力。該應(yīng)力是所希望的，因?yàn)樗鼫p少在車輪或軌 道表面附近裂紋形成或蔓延的可能性。殘余應(yīng)力也可能是有害的，因?yàn)槿绻皇芸刂扑?會(huì)促進(jìn)裂紋擴(kuò)大。最后，使用各種材料沉積工藝形成的薄膜也可具有導(dǎo)致薄膜變形的較高 殘余應(yīng)力。
[0010] 在首次安裝時(shí)，軌道需要被"設(shè)定"在一定的溫度下以便將在典型極端天氣時(shí)該位 置處的溫度梯度最小化（最小化LRS)。例如，在極端天氣時(shí)的一些位置處，室外溫度可在 從早上的20° F到下午的100° F的范圍內(nèi)變化。在80° F溫度下安裝軌道將導(dǎo)致僅與 20° F的溫度變化成比例的壓縮應(yīng)力。如果在40° F的溫度下安裝軌道，60° F的溫度變 化將由于較大的溫度梯度而產(chǎn)生高得多的壓縮應(yīng)力。一個(gè)目標(biāo)就是將壓縮應(yīng)力最小化，因 為與通過(guò)由壓縮導(dǎo)致的扭曲路軌相比，火車更容易通過(guò)具有由張力所導(dǎo)致的小的裂縫的路 軌。
[0011] 因此，在本領(lǐng)域內(nèi)需要用于評(píng)價(jià)和說(shuō)明殘余應(yīng)力的系統(tǒng)和方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 所述系統(tǒng)確定和監(jiān)測(cè)軌道中的殘余應(yīng)力。在最廣泛的形式下，所述系統(tǒng)包括超聲 波檢查裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、電子測(cè)試裝置、計(jì)算裝置和導(dǎo)航裝置。
[0013] 所述系統(tǒng)包括非破壞性地評(píng)價(jià)材料狀況的超聲波檢查裝置。常見(jiàn)的超聲波檢查裝 置例如包括脈沖發(fā)生器-接收器。脈沖發(fā)生器-接收器包括用于產(chǎn)生電信號(hào)的脈沖發(fā)生器 和用于接收電信號(hào)的接收器。
[0014] 示例性的系統(tǒng)包括超聲波傳感器單元，其包括多個(gè)超聲波換能器，所述超聲波換 能器配置成以脈沖-回波模式（使用單個(gè)換能器）或以脈沖-接收模式（通過(guò)兩個(gè)或多個(gè) 換能器）操作，以便將超聲波傳送到在結(jié)構(gòu)樣品上或其內(nèi)的目標(biāo)區(qū)域以及接收響應(yīng)于該超 聲波的超聲波反向散射信號(hào)；以及配置成用于接收超聲波反向散射信號(hào)的評(píng)估模塊，所述 評(píng)估模塊配置成用于對(duì)超聲波反向散射信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析并確定所述樣品的一個(gè)或多個(gè) 微觀結(jié)構(gòu)材料性能，并估計(jì)殘余應(yīng)力的影響。
[0015] 一個(gè)示例性的系統(tǒng)包括一種系統(tǒng)和方法，其中能量轉(zhuǎn)換裝置附連到軌道車輛以便 執(zhí)行"滾動(dòng)"系統(tǒng)。"滾動(dòng)"系統(tǒng)允許所述系統(tǒng)成為可移動(dòng)的，同時(shí)允許在鐵路路軌的較大區(qū) 域內(nèi)確定和監(jiān)測(cè)軌道狀況。還可以設(shè)想到"滾動(dòng)"系統(tǒng)可與其它軌道測(cè)量技術(shù)集成，諸如由 Shane Farritor研發(fā)出的軌道偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，或與缺陷檢測(cè)車輛集成，諸如像由斯佩里鐵路服 務(wù)（Sperry Rail Service)或赫爾佐格服務(wù)（Herzog Services)使用的那些。
[0016] 一個(gè)示例性系統(tǒng)提供成用于動(dòng)態(tài)地和非破壞性地確定和監(jiān)測(cè)殘余軌道應(yīng)力。用于 以超聲波的方式評(píng)估鐵路軌道的一個(gè)或多個(gè)微觀結(jié)構(gòu)性能的系統(tǒng)包括超聲波傳感器單元， 其包括多個(gè)超聲波換能器，所述超聲波換能器配置成以脈沖-回波模式操作以便將超聲波 傳送到在鐵路軌道上或其內(nèi)的目標(biāo)區(qū)域以及接收響應(yīng)于超聲波的超聲波反向散射信號(hào)，多 個(gè)超聲波換能器包括配置成用于將縱向模式波的超聲波引發(fā)到軌道內(nèi)的垂直入射超聲波 換能器以及配置成將剪切波模式的超聲波引發(fā)到軌道內(nèi)的至少一個(gè)傾斜入射超聲波換能 器；以及配置成用于接收超聲波反向散射信號(hào)的評(píng)估模塊，所述評(píng)估模塊配置成用于對(duì)超 聲波反向散射信號(hào)執(zhí)行空間變異算法并確定鐵路軌道的一個(gè)或多個(gè)微觀結(jié)構(gòu)材料性能。
[0017] 用于以超聲波的方式確定結(jié)構(gòu)樣品的一個(gè)或多個(gè)微觀結(jié)構(gòu)材料性能的示例性系 統(tǒng)包括將多個(gè)脈沖超聲波傳送到結(jié)構(gòu)樣品上的單個(gè)點(diǎn)上；感測(cè)響應(yīng)于脈沖超聲波的超聲波 反向散射信號(hào)；選擇用于分析超聲波反向散射信號(hào)的時(shí)間窗口；對(duì)在時(shí)間窗口內(nèi)的超聲波 反向散射信號(hào)執(zhí)行空間變異計(jì)算；以及確定結(jié)構(gòu)樣品的一個(gè)或多個(gè)微觀結(jié)構(gòu)材料性能。
[0018] 這些和其它優(yōu)點(diǎn)以及本發(fā)明本身將在如下文更全面地描述和要求保護(hù)的結(jié)構(gòu)和 操作的細(xì)節(jié)中變得顯明。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的若干方面可在其它希望監(jiān)測(cè)應(yīng)力的 應(yīng)用中使用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1示出根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的用于確定和監(jiān)測(cè)軌道中應(yīng)力的流程圖；
[0020] 圖2示出根據(jù)另一示例性實(shí)施例的用于確定和監(jiān)測(cè)軌道中應(yīng)力的流程圖；
[0021] 圖3示出根據(jù)圖2所示實(shí)施例的用于確定和監(jiān)測(cè)軌道中應(yīng)力的系統(tǒng)的特定實(shí)施 例；
[0022] 圖4示出根據(jù)圖2所示實(shí)施例的用于確定和監(jiān)測(cè)軌道中應(yīng)力的換能器系統(tǒng)的特定 實(shí)施例；
[0023] 圖5示出與模型相比的取自圖2所示系統(tǒng)的示例性測(cè)量值；
[0024] 圖6示出流程圖，該流程圖示出根據(jù)圖2所示實(shí)施例的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例；
[0025] 圖7示出由軌道測(cè)量系統(tǒng)的某些實(shí)施例所給出讀數(shù)的示例；
[0026] 圖8示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的示例性反向散射結(jié)果；
[0027] 圖9示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的示例性反向散射結(jié)果；
[0028] 圖10示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的理論上的反向散射應(yīng)力結(jié)果；
[0029] 圖11示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的來(lái)自多個(gè)換能器的反向散射結(jié)果；
[0030] 圖12示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的來(lái)自多個(gè)換能器的反向散射結(jié)果；
[0031] 圖13示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的反向散射結(jié)果，所述結(jié)果示出縱向殘余應(yīng)力；
[0032] 圖14示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的反向散射結(jié)果，所述結(jié)果示出晶粒尺寸的計(jì)算；
[0033] 圖15A至1?示出從本發(fā)明的系統(tǒng)和其它各種方法得到的殘余應(yīng)力測(cè)量值。

【具體實(shí)施方式】
[0034] 現(xiàn)在將參照如附圖中所示的某些實(shí)施例來(lái)對(duì)該系統(tǒng)和方法的示例性實(shí)施例進(jìn)行 詳細(xì)地描述。在下面的描述中，對(duì)許多具體細(xì)節(jié)進(jìn)行了闡述，以便提供對(duì)系統(tǒng)以及它可如何 應(yīng)用方面的透徹理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言將清楚的是可在沒(méi)有這些具體 細(xì)節(jié)的其中一些或所有的情況下實(shí)施該系統(tǒng)。在其它情況下，未對(duì)公知的工藝步驟和/或 結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)描述以避免不必要地使本系統(tǒng)的說(shuō)明模糊不清。
[0035] 本文所公開(kāi)的各種系統(tǒng)和方法涉及用于分析材料的非破壞性技術(shù)。更具體地，各 個(gè)實(shí)施例涉及各種軌道裝置，包括成像和分析裝置以及相關(guān)的方法和系統(tǒng)。
[0036] 圖1是根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的示例性實(shí)施例先前建立的系統(tǒng)的簡(jiǎn)單框圖200,該系統(tǒng) 利用超聲波的反向散射確定和監(jiān)測(cè)微觀結(jié)構(gòu)性能。在該實(shí)施例中，電壓源210生成電信號(hào)， 其被傳送213以便激發(fā)換能器222。換能器222將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成傳播通過(guò)樣品280的超聲 波215。超聲波215還由利用脈沖-回波技術(shù)的換能器222接收。還可以設(shè)想到全球定位 系統(tǒng)（GPS) 230可以特定的時(shí)間間隔確定超聲波測(cè)量215的位置。數(shù)字信號(hào)處理器240捕 獲來(lái)自接收超聲波換能器的傳送217數(shù)據(jù)，使得可以確定晶粒尺寸、晶粒伸長(zhǎng)率、紋理和孔 隙度。例如可使用紅外溫度檢測(cè)器來(lái)獨(dú)立地測(cè)量溫度。數(shù)字信號(hào)處理器240經(jīng)傳輸219將 數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)250以便進(jìn)行處理。各個(gè)源和接收換能器可協(xié)同使用，這樣由單個(gè)源換 能器所產(chǎn)生的反向散射可由多個(gè)接收換能器來(lái)記錄和進(jìn)行分析。大量信號(hào)用于計(jì)算空間變 異值?？捎?jì)算該空間變異以確定微觀結(jié)構(gòu)中的變化。
[0037] 微觀結(jié)構(gòu)中的變化可通過(guò)檢查理論上的空間變異與用于確定樣品中應(yīng)力狀態(tài)的 測(cè)量值之間的不同來(lái)確定，如以前已經(jīng)描述的那樣。計(jì)算機(jī)250還可包括用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的 數(shù)據(jù)庫(kù)260。存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)260中的數(shù)據(jù)包括作為位置的函數(shù)在特定的時(shí)間間隔上的晶粒 尺寸、晶粒伸長(zhǎng)率、紋理和孔隙度。數(shù)據(jù)還包括可從波速度中的變化來(lái)確定的晶粒尺寸、晶 粒伸長(zhǎng)率、紋理和孔隙度。該數(shù)據(jù)可與存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)260內(nèi)的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以便確定 和監(jiān)測(cè)材料280狀況中的變化。
[0038] 圖2提供分析系統(tǒng)的特定示例性實(shí)施例的又一先前呈現(xiàn)的概略圖。圖2是用于以 超聲波的方式分析結(jié)構(gòu)樣品12的微觀結(jié)構(gòu)性能的示例性系統(tǒng)10的框圖。如圖2中所示， 系統(tǒng)10包括超聲波傳感器單元14和評(píng)估模塊16,其可用于通過(guò)分析傳送到樣品12內(nèi)的超 聲波的超聲波反向散射效果來(lái)分析在結(jié)構(gòu)樣品12上或其內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)位置18處的 局部應(yīng)力。在某些實(shí)施例中，例如，系統(tǒng)10可用于通過(guò)分析從所述超聲波傳感器單元14傳 送到在樣品12上或其內(nèi)的目標(biāo)位置18的多個(gè)超聲波的超聲波反向散射性能來(lái)確定微觀結(jié) 構(gòu)材料性能，諸如鐵路軌道樣品12內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變。系統(tǒng)10還可用于分析其它類型的結(jié) 構(gòu)，諸如堤壩、橋梁、建筑物、儲(chǔ)罐，和壓力容器。
[0039] 所述超聲波傳感器單元14包括多個(gè)超聲波換能器20、22、24,每一個(gè)超聲波換能 器都配置成以脈沖-回波模式操作以便將脈沖的超聲波傳送到結(jié)構(gòu)樣品12內(nèi)。將這些超 聲波傳送到結(jié)構(gòu)樣品12內(nèi)并且將這些超聲波從結(jié)構(gòu)樣品12反射得到超聲波反向散射，然 后由以接收模式操作的超聲波換能器20、22、24感測(cè)超聲波反向散射。在一些實(shí)施例中，并 且如本文參照?qǐng)D4進(jìn)一步論述的那樣，超聲波傳感器單元14包括配置成用于以相對(duì)于結(jié)構(gòu) 樣品12的表面成傾斜角的方式傳送入射超聲波的兩個(gè)超聲波換能器20、22,以及以垂直于 結(jié)構(gòu)樣品12表面的方式傳送超聲波的第三超聲波換能器24。在其它實(shí)施例中，超聲波換能 器20、22、24的數(shù)目和配置可有所不同。例如，附加的超聲波換能器可用于產(chǎn)生傾斜和垂直 入射超聲波并將其傳送到樣品12內(nèi)。此外，在一些實(shí)施例中，單獨(dú)的超聲波換能器配置成 以傳送或接收模式獨(dú)立地操作，并且由傳送模式下的一個(gè)換能器所產(chǎn)生的超聲波可由接收 模式下的其它傳感器接收。在一些實(shí)施例中，諸如水或油或固體耦合劑的聲學(xué)耦合介質(zhì)可 放置于傳感器單元?dú)んw內(nèi)以便有助于將超聲波換能器20、22、24聲學(xué)耦合到結(jié)構(gòu)樣品12。 在一些實(shí)施例中，超聲波傳感器單兀14是固定的。在其它實(shí)施例中，超聲波傳感器單兀14 配置成沿著樣品12表面移動(dòng)。在對(duì)鐵路軌道的評(píng)估過(guò)程中，例如，超聲波傳感器單元14可 固定地耦聯(lián)到軌道或配置成沿著軌道表面諸如軌頭或軌腰移動(dòng)。
[0040] 評(píng)估單元16配置成用于評(píng)估由以接收模式操作的每個(gè)超聲波換能器20、22、24所 接收到的超聲波反向散射信號(hào)。在一些實(shí)施例中，評(píng)估單元16包括控制器26、模擬數(shù)字（A/ D)和數(shù)字模擬（D/A)轉(zhuǎn)換器28,以及脈沖發(fā)生器/接收器30?；趤?lái)自控制器26的控制 信號(hào)，脈沖發(fā)生器/接收器30將電信號(hào)提供到超聲波換能器20、22、24以便以傳送模式產(chǎn) 生脈沖的超聲波。然后由脈沖發(fā)生器/接收器30對(duì)在超聲波換能器20、22、24上所接收 到的所得到的超聲波反向散射波進(jìn)行處理、數(shù)字化，并回饋到控制器26,以便由自相關(guān)算法 32進(jìn)行分析從而確定結(jié)構(gòu)樣品12的一個(gè)或多個(gè)微觀結(jié)構(gòu)性能。
[0041] 從每個(gè)超聲波換能器20、22、24所獲得的超聲波反向散射數(shù)據(jù)可被存儲(chǔ)在記錄單 元34內(nèi)和/或可被中繼到一個(gè)或多個(gè)其它裝置以便進(jìn)一步處理。在一些實(shí)施例中，記錄單 元34存儲(chǔ)從各超聲波換能器20、22、24所獲得的原始數(shù)據(jù)、通過(guò)自相關(guān)算法32計(jì)算出的結(jié) 構(gòu)數(shù)據(jù)，以及由系統(tǒng)所用于獲得原始數(shù)據(jù)和計(jì)算出的數(shù)據(jù)的控制和操作參數(shù)。
[0042] 在一些實(shí)施例中，評(píng)估單元16還包括諸如全球定位系統(tǒng)（GPS)裝置的位置識(shí)別 器36以便獲取全球位置數(shù)據(jù)，所述全球位置數(shù)據(jù)可與由超聲波傳感器單元14所獲得的反 向散射數(shù)據(jù)測(cè)量值相關(guān)聯(lián)。在一些實(shí)施例中，這種定位數(shù)據(jù)可用于跟蹤超聲波傳感器單元 14相對(duì)于所述結(jié)構(gòu)樣品12的位置，從而使得隨著時(shí)間的推移所獲得的反向散射數(shù)據(jù)測(cè)量 值與樣品12上的相應(yīng)位置相關(guān)聯(lián)。在對(duì)鐵路軌道進(jìn)行分析的過(guò)程中，例如，來(lái)自位置識(shí)別 器36的全球位置數(shù)據(jù)可用于將沿著軌道特定位置所獲得的反向散射數(shù)據(jù)測(cè)量值進(jìn)行關(guān)聯(lián) 和得出趨勢(shì)。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)10配置成得出該數(shù)據(jù)的趨勢(shì)以便生成整個(gè)軌道的應(yīng)力 梯度場(chǎng)。與使用應(yīng)變儀以便獲得在沿著軌道的離散位置處的局部測(cè)量值的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān) 測(cè)技術(shù)相比，系統(tǒng)10可用于分析整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變，從而提供對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況的更 好認(rèn)識(shí)。
[0043] 用戶界面38配置成用于允許用戶查看和分析經(jīng)由超聲波傳感器單元14所獲得的 原始數(shù)據(jù)和經(jīng)處理的數(shù)據(jù)、對(duì)評(píng)估單元16進(jìn)行編程以及執(zhí)行其它的系統(tǒng)功能。在某些實(shí)施 例中，用戶界面38包括圖形用戶界面（GUI)，其可用于以實(shí)時(shí)的方式或基于存儲(chǔ)在記錄單 元34內(nèi)的數(shù)據(jù)來(lái)查看與一個(gè)結(jié)構(gòu)或多個(gè)結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的圖表、表格或其它可視化數(shù)據(jù)。在一 些實(shí)施例中，數(shù)據(jù)發(fā)送器/接收器40配置成用于在評(píng)估單元16和裝配有遠(yuǎn)程用戶界面的 遠(yuǎn)程裝置42之間以無(wú)線的方式來(lái)回中繼數(shù)據(jù)、設(shè)置和其它信息。由于具有用戶界面38,遠(yuǎn) 程用戶界面44也可用于查看經(jīng)由超聲波傳感器單元14所獲得的原始數(shù)據(jù)和經(jīng)處理的數(shù) 據(jù)、對(duì)評(píng)估單元16進(jìn)行編程以及執(zhí)行其它的系統(tǒng)功能。在一些實(shí)施例中，遠(yuǎn)程裝置42可進(jìn) 一步配置成運(yùn)行自相關(guān)算法32,以確定結(jié)構(gòu)樣品12的一個(gè)或多個(gè)特征（例如，應(yīng)力、應(yīng)變 等）。
[0044] 評(píng)估單元16和/或遠(yuǎn)程裝置42的一個(gè)或多個(gè)組件可以軟件、硬件或兩者的組合 來(lái)實(shí)施。在一些實(shí)施例中，本文所述的系統(tǒng)和方法可作為可編程計(jì)算機(jī)或包括具有易失性 和/或非易失性存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的處理器上的計(jì)算機(jī)可讀指令來(lái)執(zhí)行。
[0045] 圖3是用于以超聲波的方式分析鐵路軌道48的微觀結(jié)構(gòu)性能的示例性系統(tǒng)46的 示意圖。圖2例如可表示用于測(cè)量連續(xù)焊接軌道（CWR)樣品中的溫度導(dǎo)致的縱向應(yīng)力的 圖2所示系統(tǒng)10的實(shí)施方式。在圖3所示的示例性實(shí)施例中，超聲波傳感器單元14經(jīng)由 臂和旋轉(zhuǎn)輪組合件52耦聯(lián)到軌道車輛40,并且配置成將超聲波傳送到軌道48的部分諸如 軌頭54或軌腰56內(nèi)。在其它實(shí)施例中，超聲波傳感器單元14可耦聯(lián)到軌道車輛50上的 其它位置，包括車輪58之一。在一些實(shí)施例中，多個(gè)超聲波傳感器單元14可耦聯(lián)到軌道車 輛50,并且可配置成感測(cè)沿著同一軌道48或沿著兩個(gè)軌道48的不同位置。在一些實(shí)施例 中，例如，第一超聲波傳感器單元14的任務(wù)是獲得沿著第一軌道的超聲波反向散射測(cè)量值 而第二超聲波傳感器單元14的任務(wù)是獲得沿著另一軌道的超聲波反向散射測(cè)量值。多個(gè) 超聲波傳感器單元14可用于測(cè)量沿同一軌道的不同位置，諸如軌道軌腰和軌頭。其它配置 也是可能的。
[0046] 在軌道車輛50沿著軌道移動(dòng)的過(guò)程中，超聲波傳感器單元14將超聲波傳送到軌 道48內(nèi)并感測(cè)所得到的反向散射波。該數(shù)據(jù)然后被饋送到評(píng)估單元16以便進(jìn)行分析。經(jīng) 由GPS系統(tǒng)60所獲得的位置數(shù)據(jù)還由評(píng)估單元16接收，并連同反向散射測(cè)量值一起存儲(chǔ) 于記錄單元34內(nèi)。在一些實(shí)施例中，原始的反向散射數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)以無(wú)線的方式傳送到 遠(yuǎn)程裝置42,其處理所述數(shù)據(jù)以便確定與軌道48相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)微觀結(jié)構(gòu)性能。在其 它實(shí)施例中，評(píng)估單元16計(jì)算出與軌道48相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)微觀結(jié)構(gòu)性能并將該數(shù)據(jù) 以實(shí)時(shí)的方式或在稍后的時(shí)間傳送到遠(yuǎn)程裝置42以便進(jìn)行進(jìn)一步的分析。在某些實(shí)施例 中，評(píng)估單元16配置成將原始數(shù)據(jù)和經(jīng)處理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于記錄單元34內(nèi)并以周期性的間 隔和/或根據(jù)需要將該數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程裝置42。
[0047] 圖4是用于在結(jié)構(gòu)樣品中產(chǎn)生縱向和斜向超聲波反向散射的不例性幾何超聲波 換能器配置的示意圖。圖4例如可表示由圖2所示的超聲波傳感器單元14使用的超聲波 換能器20、22、24的示例性空間配置。在圖4所示的實(shí)施例中，兩個(gè)超聲波換能器20、22相 對(duì)于結(jié)構(gòu)樣品12的入射表面62以不同的傾斜角度取向，并且配置成產(chǎn)生/檢測(cè)在分別大 致由箭頭64和66分別所示方向上的剪切波超聲波。第三超聲波換能器24接著垂直于入 射表面62取向，并且配置成產(chǎn)生/檢測(cè)在大致由箭頭68所示方向上的縱波超聲波。重要 的是要注意到，在換能器之間可發(fā)生傳送和接收的任何組合，這樣由一個(gè)換能器所產(chǎn)生的 信號(hào)可由一個(gè)或多個(gè)其它換能器接收。
[0048] 在諸如鐵路軌道的多晶材料中，超聲波反向散射通常由在晶界處由于單晶彈性模 量變化而發(fā)生的大量反射和折射導(dǎo)致。晶界是單相界面，其中在晶界每一側(cè)上的晶體除了 它們的取向之外幾乎相同。超聲波在多晶材料中的散射通過(guò)該材料彈性模量的協(xié)方差與所 施加的應(yīng)力相關(guān)聯(lián)。垂直入射（即縱向）和傾斜入射（即剪切）測(cè)量值隨施加的應(yīng)力而變 化，盡管變化的程度基于包含多個(gè)變量的函數(shù)而有所不同。為了以統(tǒng)計(jì)學(xué)的方式得到晶粒 的各向同性分布情況，可以閉型（closed-form)計(jì)算模量的協(xié)方差。
[0049] 在一些實(shí)施例中，基于漫射的超聲波反向散射的統(tǒng)計(jì)方法可用于獲得關(guān)于材料微 觀結(jié)構(gòu)的信息，包括裂紋、空隙、夾雜物的存在和位置或會(huì)損害結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐疲勞性的其它 性能。統(tǒng)計(jì)方法也可用于求出金屬中的晶粒尺寸，其中粒徑在超聲波波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)內(nèi)。對(duì) 于諸如由圖2所示系統(tǒng)10所使用的脈沖-回波配置而言，評(píng)估單元16可配置成在對(duì)應(yīng)于 材料體積內(nèi)不同位置的部分時(shí)域響應(yīng)上執(zhí)行統(tǒng)計(jì)分析。在一些實(shí)施例中，統(tǒng)計(jì)模型將超聲 波換能器20、22、24的傳遞函數(shù)連同從非均勻介質(zhì)產(chǎn)生的適當(dāng)時(shí)域散射響應(yīng)考慮在內(nèi)以便 進(jìn)行分析。如果材料的空間微觀結(jié)構(gòu)性能以先驗(yàn)性的方式已知，則可從彈性模量的協(xié)方差 推斷出材料內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)。
[0050] 圖5示出圖表70,其示出與從鋼樣品所獲得的實(shí)驗(yàn)波形數(shù)據(jù)74相比較的從單一散 射響應(yīng)（SSR，single scattering response)模型所獲得的示例性反向散射響應(yīng)Φ (t)數(shù) 據(jù)72。如圖5中所示，超聲波散射測(cè)量值在不同測(cè)量位置產(chǎn)生非均勻的或"帶有噪聲"的樣 品幅值，且來(lái)自不同測(cè)量位置的樣品可以是不同的，因此為了分析這些信號(hào)，必須使用復(fù)雜 的統(tǒng)計(jì)方法，如本文所論述的那樣。對(duì)于其中剪切波能量比縱向模式低數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)的垂直 入射配置而言，SSR模型數(shù)據(jù)72在初始響應(yīng)時(shí)間段（即約40微秒）內(nèi)非常接近于實(shí)驗(yàn)波 形數(shù)據(jù)，然后在響應(yīng)的后面部分偏離于散射信號(hào)。這種偏離可歸因于高階散射效應(yīng)，因?yàn)樵?加的時(shí)間受到多重散射的影響。
[0051] 圖6是使用圖2所示的系統(tǒng)10和自相關(guān)函數(shù)的用于確定和監(jiān)測(cè)微觀結(jié)構(gòu)材料性 能變化的所建立的示例性方法的框圖76。方法76通?？捎煽?8開(kāi)始，在框78處將超聲波 傳送到結(jié)構(gòu)樣品12內(nèi)以便在樣品材料內(nèi)產(chǎn)生超聲波反向散射。在一些實(shí)施例中，例如，包 括各自以傳送模式操作的多個(gè)超聲波換能器20、22、24的超聲波傳感器單元14可用于在樣 品12內(nèi)產(chǎn)生縱波和剪切波以便形成可測(cè)量的超聲波反向散射。在一些實(shí)施例中，使用脈沖 發(fā)生器/接收器30所產(chǎn)生的高斯調(diào)制脈沖來(lái)激發(fā)超聲波換能器20、22、24，所述脈沖發(fā)生器 /接收器30諸如為可購(gòu)自于紐約皮茨福德（Pittsford，New York)的想象和JSR超聲公司 (Imaginant and JSR Ultrasonics)的 DPR500。
[0052] 如圖2和圖4最佳示出的那樣，在示例性系統(tǒng)中，通過(guò)將超聲波傳送到樣品內(nèi)所 產(chǎn)生的超聲波反向散射數(shù)據(jù)由以接收模式操作的超聲波換能器20、22、24感測(cè)（框80)。 這已經(jīng)先前在PCT申請(qǐng)PCT/US2011/062383中有所描述，該申請(qǐng)于2012年6月7日公 布且題為"用于以超聲波的方式評(píng)估結(jié)構(gòu)性能的系統(tǒng)和方法（System and Method for Ultrasonically Evaluating Structural Properties)，'，該申請(qǐng)通過(guò)引用并入本文。簡(jiǎn) 而言之，使用反向散射數(shù)據(jù)，系統(tǒng)10可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)樣品的一個(gè)或多個(gè)微觀結(jié)構(gòu)材料性能 (框96)。在一些實(shí)施例中，例如，自相關(guān)數(shù)據(jù)可與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)合使用以便計(jì)算在結(jié)構(gòu)樣品 上每個(gè)目標(biāo)位置處的應(yīng)力和/或應(yīng)變以及確定裂紋、空隙、夾雜物或其它異常的位置和存 在。使用自相關(guān)數(shù)據(jù)也可以確定其它特性，諸如樣品內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)梯度。
[0053] 先前的超聲波應(yīng)力測(cè)量技術(shù)已被嘗試，而這些技術(shù)都基于波速度測(cè)量，但迄今為 止它們都失敗了，因?yàn)樗鼈兙哂械偷臏y(cè)量分辨率，需要一致的幾何形狀，而且由于無(wú)法評(píng)估 殘余應(yīng)力而只能夠產(chǎn)生相對(duì)的測(cè)量值。在克服這些限制的嘗試中，本系統(tǒng)的示例性實(shí)施例 旨在提供一種基于應(yīng)力導(dǎo)致的微觀結(jié)構(gòu)變化的絕對(duì)應(yīng)力測(cè)量方法而不依賴于材料的幾何 形狀。
[0054] 可利用縱向到縱向（L 一 L)、模式轉(zhuǎn)換的縱向到橫向（L 一 T)以及剪切到剪切（T 一 T)的掃描模式來(lái)研究超聲波散射對(duì)殘余應(yīng)力的依賴性?？稍谝酝嘶鸬姆绞饺コ?jīng)淬火的 1080鋼塊中的殘余應(yīng)力之后用L 一 L、L 一 T和T 一 T模式對(duì)空間變異幅值的變化進(jìn)行量 化。圖7示出來(lái)自多晶材料的示例性超聲波散射測(cè)量值。
[0055] 已研發(fā)出統(tǒng)計(jì)反向散射模型來(lái)估測(cè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，諸如晶粒尺寸或夾雜物并求出 殘余應(yīng)力。這種模型依賴于所謂的空間變異。該量通過(guò)掃描材料、收集多個(gè)信號(hào)，然后從均 值平方信號(hào)減去平方均值信號(hào)而通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出。這將確定單個(gè)信號(hào)和平均值的差異。 在該實(shí)施例中，信號(hào)的空間變異可通過(guò)首先確定空間平均值來(lái)計(jì)算得出：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于確定和監(jiān)測(cè)樣品微觀結(jié)構(gòu)性能的系統(tǒng)，其包括： a. 多個(gè)換能器，每個(gè)換能器配置成向樣品發(fā)送超聲波和從樣品接收超聲波； b. 處理器，其配置成從所接收到的超聲波信號(hào)計(jì)算出微觀結(jié)構(gòu)性能值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，樣品的微觀結(jié)構(gòu)性能選自下述材料性能： 殘余應(yīng)力、晶粒尺寸、張力、晶粒伸長(zhǎng)率、紋理和孔隙度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括配置成存儲(chǔ)殘余應(yīng)力值的數(shù)據(jù)庫(kù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，至少一個(gè)換能器以在約0度至33度之間 的角度取向。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，由每個(gè)換能器接收到的散射的超聲波信 號(hào)包括縱波和剪切波兩者。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括處理器，其配置成從散射的超聲波 信號(hào)計(jì)算作為時(shí)間的函數(shù)的空間變異值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述樣品是軌道。
8. -種用于以超聲波的方式檢查樣品的方法，包括： a. 將超聲波從多個(gè)換能器傳送到樣品上的位置； b. 響應(yīng)于傳送的超聲波在每一換能器上接收散射的超聲波信號(hào)； c. 將每個(gè)換能器接收到的散射的超聲波信號(hào)數(shù)字化；以及 d. 從散射的超聲波信號(hào)確定殘余應(yīng)力值。
【文檔編號(hào)】G01N29/00GK104364642SQ201380026823
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月21日
【發(fā)明者】J·特納, C·庫(kù)比 申請(qǐng)人:內(nèi)布拉斯加大學(xué)董事會(huì)