[发明专利]用于监测结构元件的状况的系统和开发该系统的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于监测细长结构元件的状况的系统，尤其但不排他地涉及一种用于监测和检测铁路导轨中的裂痕和断裂的系统。本发明还延伸到设计和开发这样的系统的方法。

背景技术

已经提出用于监测细长结构元件（尤其是铁路导轨）的完整性的几种方法和系统。这些方法和系统的目的旨在于裂痕发展到完全断裂之前检测出导轨中的裂痕，并且还检测铁路网中已经发生的断裂。如果事先未检测出导轨中的裂痕或断裂，则可能导致在轨道上行驶的铁路车辆的出轨。可以理解的是，这样的出轨造成经济损失，还可能导致人身伤害和丧失生命。此外，应该指出的是，虽然参照铁路，但是这些系统同样适用于利用结构钢长度的其它应用场合，诸如矿井和桥梁。

南非专利99/6936中公开了一种在铁路轨道的导轨中检测裂痕和断裂的方法，其内容通过引用合并于此。所述方法包括提供若干独立的声发送器单元以及位于发送器单元之间的声接收器单元的步骤。各个单元彼此间隔开预定距离。发送器单元将具有特定频率分量的一系列声脉冲引发到导轨中，并且接收器单元检测和分析所述脉冲以检测任何有关导轨的不期望的状况。此方法需要使用发送器和使用接收器以检测导轨的状况。

Philip W.Loveday在Smart Structures and Materials2000:Smart Systems for Bridges,Structures,and Highways,（智能结构与材料2000：用于桥梁、架构及高速公路的智能系统）Proceedings of SPIE第3988卷第330-338页，2000年，纽波特海滩（Newport Beach），《Development of piezoelectric transducers for a railway integrity monitoring system（用于铁路完整性监测系统的压电换能器的开发）》中讨论了用于在铁路导轨中检测和监测裂痕和断裂的此方法的换能器的开发。该系统利用于安装（夹持）在轨道外侧导轨的冠部下方的压电换能器。在PCT专利申请WO2004/098974中描述了夹持所述压电换能器的方法，其内容通过引用合并于此。

压电换能器沿铁路网的长度间隔开，压电换能器通过导轨定期发送超声波。该波通过轨道从一个换能器朝向作为接收站的下游换能器传播。通常，换能器间隔开约1公里。如果未在接收器站检测到超声信号，则该接收器站激活警报，指示导轨具有裂缝或已经断裂。

与上述系统相关的一个缺点在于，压电换能器附接（夹持）在轨道外侧导轨的冠部下方。压电换能器较大，并且因为其会妨碍列车车轮所以无法附接在轨道内侧的冠部下方。因为用于重新铺设轨枕下方的道渣的“捣固”机具有接合冠部外侧的车轮，所以在例行轨道维护时必须从导轨上移除压电换能器。压电换能器的移除和重新附接（在重新附接之后的两周需要重新紧固夹持部）增加了系统的维护成本并导致系统无法工作的时间段。

此外，由于发送信号不够强，并且因为从传播和工作频率上看，换能器也不能准确地匹配到待附接的特定结构元件，所以现有的系统不适用于超过1公里的距离。

开发上述检测系统已普遍使用的设计方法，未最佳地合并使用对换能器和导轨响应进行数学建模然后以迭代方式设计换能器的数学建模技术。这导致换能器的选择没有为特定应用进行必要地优化，并可能导致换能器比实际所需要的大，同时也没有针对信号的发送和接收进行优化。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于监测和检测铁路导轨中的裂痕和断裂的系统，其将解决上述缺点。

本发明的另一目的是提供一种用于根据本发明的系统的压电换能器。

本发明的又一目的是提供一种用于开发基于换能器的故障检测系统的方法，其将至少部分地克服上述缺点，还将成为替代现有设计方法的新的和有用的方法。

根据本发明的第一方案，提供了一种开发基于换能器的故障检测系统的方法，所述方法包括以下步骤：

识别能够预期通过细长的结构元件行进远距离的传播模式和信号频率；

选择适合的传播模式和工作频率；

设计适于在所选择的频率上激励所选择的模式的换能器；

对附接到所述细长的结构元件上的换能器数值建模；以及

分析所选择的传播模式对换能器激励的谐波响应，以便验证换能器设计。

识别能够预期通过细长的结构元件行进远距离的传播模式和频率的步骤优选地包括：使用具有预定材料特性的特定导轨型面的数值模型。