[发明专利]一种用于实时监测铁轨裂缝及损伤的系统及方法

权利要求书

1.一种用于实时监测铁轨裂缝及损伤的系统，其特征在于，包括：

用于固定在铁轨上探测铁轨的振动波信号并转换为相应的振动波模拟信号的压电复合材料传感器；

用于将压电复合材料传感器探测到的振动波模拟信号进行去噪、放大处理的信号过虑及放大设备；

用于将经过去噪、放大处理的振动波模拟信号进行采样转化为振动波数字信号并存储的数据采集设备；

用于将数据采集设备采集到的振动波数字信号的时域波形转化为频域的功率谱密度分布图，并根据所述功率谱密度分布图的分布特点判断铁轨是否存在裂缝及损伤的计算机分析装置; 

所述压电复合材料传感器、信号过虑及放大设备、数据采集设备、计算机分析装置依次连接。

2.根据权利要求1所述的用于实时监测铁轨裂缝及损伤的系统，其特征在于，所述计算机分析装置包括：

信号转换单元，用于将数据采集设备采集到的振动波数字信号的时域波形转化为频域的功率谱密度分布图；

第一判断单元，用于当所述功率谱密度分布图的功率谱密度分布在20-80kHz以下的低频范围内时，则判断铁轨基本没有裂缝及损伤发生；

第二判断单元，用于当所述功率谱密度分布图的功率谱密度分布向80kHz以上的高频范围明显移动时，则判断该段铁轨已发生裂缝及损伤，

报警提示单元，用于当判断铁轨发生裂缝及损伤，报警提示检修或更换。

3.根据权利要求1所述的用于实时监测铁轨裂缝及损伤的系统，其特征在于，其还包括一用于将所述压电复合材料传感器紧固在所述铁轨的轨底表面的铁夹具: 所述压电复合材料传感器通过所述铁夹具紧固在铁轨轨底表面。

4.根据权利要求1所述的用于实时监测铁轨裂缝及损伤的系统，其特征在于，在所述压电复合材料传感器外包覆设置有一铜壳，所述铜壳通过一屏蔽线连接至同轴电缆的负极。

5.根据权利要求1所述的用于实时监测铁轨裂缝及损伤的系统，其特征在于，所述压电复合材料传感器包括内核，封装保护层，磁性套环和具有屏蔽功能的信号线，所述内核，封装保护层，磁性套环由内到外依次设置；

所述信号线缠绕设置在所述压电复合材料传感器内、并在所述压电复合材料传感器外突出设置有连接端子。

6.根据权利要求1所述的用于实时监测铁轨裂缝及损伤的系统，其特征在于，

所述压电复合材料传感器的共振频率应设置为150kHz-200kHz的频段范围内; 

所述数据采集设备的采样频率设置为不低于2.5MHz。

7.一种用于实时监测铁轨裂缝及损伤的方法，其特征在于，包括步骤：

A、将一压电复合材料传感器固定于铁轨轨底，当有列车驶向并经过该段铁轨时，通过所述压电复合材料传感器探测铁轨的振动波信号，并转换为相应的振动波模拟信号；

B、通过信号过虑及放大设备将压电复合材料传感器探测到的振动波模拟信号进行去噪、放大处理；

C、通过数据采集设备将经过去噪、放大处理的振动波模拟信号进行采样转化为振动波数字信号并存储；

D、通过计算机分析装置将数据采集设备采集到的振动波数字信号的时域波形转化为频域的功率谱密度分布图，并根据所述功率谱密度分布图的分布特点判断铁轨是否存在裂缝及损伤。

8.根据权利要求7所述的用于实时监测铁轨裂缝及损伤的方法，其特征在于，所述步骤A还包括：将所述压电复合材料传感器的共振频率应设置为150kHz-200kHz的频段范围内; 

所述步骤C还包括：将所述数据采集设备的采样频率设置为不低于2.5MHz。

9.根据权利要求7所述的用于实时监测铁轨裂缝及损伤的方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

D1、将数据采集设备采集到的振动波数字信号的时域波形转化为频域的功率谱密度分布图；

D2、当所述功率谱密度分布图的功率谱密度分布在20-80kHz以下的低频范围内时，则判断铁轨没有裂缝及损伤发生；

D3、当所述功率谱密度分布图的功率谱密度分布向80kHz以上的高频范围明显移动时，则判断该段铁轨已发生裂缝及损伤，

D4、当判断铁轨发生裂缝及损伤，报警提示检修或更换。

10.根据权利要求7所述的用于实时监测铁轨裂缝及损伤的方法，其特征在于，所述步骤D还包括：当钢轨在裂缝及损伤开展的过程中其频率分布集中在80kHz-200kHz的频段范围内，定义钢轨的损伤指数DI为：

其中为功率谱密度图中80kHz-150kHz频段内的面积，为功率谱密度图中230kHz-300kHz频段内的面积；

当2<DI<5时，提示铁轨可继续使用，不必更换；

当5<DI<10时，提示钢轨结构有一定程度的损伤，密切关注；

当DI>10时，提示钢轨结构损伤为严重，裂缝的开展进入不稳定阶段，提示需要更换铁轨。