[发明专利]一种履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件及其探伤方法

权利要求书

1.一种履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件，其特征在于包括若干个履带片，每个履带片包括履带片片基以及内嵌在履带片片基中的超声波探头阵列、电池、压力传感器、超声波收发电路、转换器和UWB通信模块；所述电池与超声波收发电路、转换器和UWB通信模块连接；超声波收发电路、UWB通信模块、压力传感器分别与转换器连接，超声波收发电路还与超声波探头阵列连接；所述压力传感器负责检测履带片的压力状态；所述超声波收发电路将连续多频调制超声波信号转发给相应的超声波探头，超声波收发电路还缓存各个超声波探头接收到的反射波信号并传至转换器；所述转换器包括A/D和D/A转换器，负责模拟信号与数字信号之间的转换；所述UWB通信模块主要负责将后台处理子系统产生的连续多频调制超声波信号传送至超声波收发电路，同时将各超声波探头接收的反射波信号及压力传感器的信号传送给后台处理子系统进行处理。

2.根据权利要求1所述的履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件，其特征在于所述超声波探头阵列中行与行平行布置，列与列对齐布置；超声波探头阵列中与钢轨长度方向平行的两侧超声波探头采用60°~80°倾斜角布置，用来探测轨头内的核伤和横裂；超声波探头阵列中位于阵列中部的若干超声波探头采用0°倾斜角布置，用来探测轨头、轨腰和轨底的水平裂纹和纵裂纹；位于所述两侧和中部以外的超声波探头采用30°~50°倾斜角布置，用来探测轨腰及螺栓孔损伤；所述倾斜角为超声波探头发射方向与钢轨横截面的夹角。

3.根据权利要求2所述的履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件，其特征在于倾斜角为60°~80°的超声波探头的超声波频率为4~5MHz，倾斜角为0°超声波探头的超声波频率为3~4MHz，倾斜角为30°~50°的超声波探头的超声波频率为2~3MHz。

4.根据权利要求1所述的履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件，其特征在于所述压力传感器布置在履带片片基的中部。

5.根据权利要求1所述的履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件，其特征在于所述电池采用微型电池，微型电池用弹性材料与所述超声波收发电路、转换器和UWB通信模块一起固定在履带片片基内。

6.根据权利要求1所述的履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件，其特征在于履带片片基采用橡胶材料，履带片片基表面加装透声外膜，履带片片基与透声外膜之间的缝隙用透声耦合液填充。

7.权利要求1~6任一项所述无线超声波探头组件的探伤方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）履带片接触钢轨后，履带片片基内的压力传感器感受到压力，产生接触触发信号经A/D转换器进行模数转换后通过UWB通信模块传至后台处理子系统；

（2）后台处理子系统接收到接触触发信号后控制该履带片处于工作状态；履带片内的超声波探头的工作状态包括发送和接收；若在某一时刻后台处理子系统判定某个超声波探头A应为发射状态，则产生连续多频调制超声波信号经模数转换后通过后台处理子系统的UWB通信模块以UWB信号的形式传至该履带片；

（3）履带片上的UWB通信模块接收到后台处理子系统传来UWB信号，经D/A转换器进行数模转换后还原成连续多频调制超声波信号传输至超声波收发电路；超声波收发电路根据传来的连续多频调制超声波信号控制所述超声波探头A发出相应频率的超声波波束进行钢轨探伤；

（4）所述超声波探头A发出的超声波波束经钢轨反射回来的方向有一个超声波探头B,则后台处理子系统判定超声波探头B为接收状态；超声波探头B接收从超声波探头A发出并经钢轨内部反射回来的超声波信号，经A/D转换器模数转换后通过履带片内的UWB通信模块以UWB信号的形式传至后台处理子系统；

（5）后台处理子系统接收到所述超声波探头B传回来的信号后对信号进行分析处理，判断超声波波束从探头A发出经钢轨反射至超声波探头B的路径内钢轨有无损伤；

（6）当履带片脱离钢轨时，履带片片基内的压力传感器感受到压力消失，产生脱离触发信号经A/D转换器模数转换后通过履带片内的UWB通信模块传至后台处理子系统；后台处理子系统接收到脱离触发信号后判断本履带片已经和钢轨脱离，于是停止该履带片超声波信号的收发，则该履带片处于等待状态，直至下一个循环开始。

8.根据权利要求7所述的探伤方法，其特征在于每一束超声波波束在钢轨中传播时对应一条确定的路径：对于有一定倾斜角的超声波探头发出的超声波波束，该超声波波束确定的路径就是一条左右对称的折线，若钢轨轨头或轨腰出现损伤，这种损伤会同时影响通过该位置的入射波束和经轨头底面或者轨底底面反射后的反射波，这两束超声波波束的交点就是损伤的位置，同时，对于同一处损伤，会有多束入射波和反射波在该位置相交形成多个交点，根据这多个交点的分布，准确描绘出钢轨损伤的形状及大小；而对于垂直布置的超声波探头，每束超声波波束及其反射波束只通过钢轨的某一个切面，若钢轨的某个切面对应的轨头、轨腰和轨底出现水平裂纹或纵裂纹，根据反射波返回的时间、能量和波形就能直接确定裂纹的位置及形状。