[发明专利]一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置和方法

权利要求书

1.一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置，其特征在于：包括扫查支架，所述扫查支架上设有均能在竖直方向伸缩的换能器伸缩连接器和阵列伸缩连接器，所述换能器伸缩连接器和阵列伸缩连接器的底部分别对应连接有空气耦合超声换能器和MEMS线性阵列，所述空气耦合超声换能器信号连接有超声脉冲信号发生器，所述MEMS线性阵列信号连接有多路信号采集卡，所述多路信号采集卡信号连接有PC机，所述PC机与超声脉冲信号发生器信号连接。

2.根据权利要求1所述的基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置，其特征在于：所述扫查支架包括竖直设置的两支撑架，两支撑架之间连接有水平连接架，在两支撑架的顶部两侧水平设有一对相互平行的短轨道电动滑台，在一对短轨道电动滑台的顶部活动连接有一对相互平行的长轨道电动滑台，在一对长轨道电动滑台上分别活动设有一滑动平台，所述换能器伸缩连接器和阵列伸缩连接器分别安装于与其相对应的滑动平台上。

3.根据权利要求2所述的基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置，其特征在于：所述水平连接架上设有托盘，所述多路信号采集卡、超声脉冲信号发生器和PC机均安装于该托盘内。

4.根据权利要求2所述的基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置，其特征在于：两支撑架的底部均设有滚轮。

5.一种基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将权利要求1所述的基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的装置固定在待测轨道板表面；

S2、PC机通过编码产生激励信号，该激励信号由超声脉冲信号发生器施加给空气耦合超声换能器，空气耦合超声换能器向待测轨道板发射超声波，超声波在待测轨道板内传播，并在裂纹处形成超声散射波被MEMS线性阵列所接收，形成多通道接收信号；

S3、多通道接收信号传输至多路信号采集卡，经多路信号采集卡处理后再传输至PC机；

S4、PC机利用二维傅里叶变换法获取多通道接收信号在f-k域内的幅度谱，通过求解最小化目标函数方法，最终准确计算出裂纹深度。

6.根据权利要求5所述的基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的方法，其特征在于：步骤S2中，所述PC机通过NLFM Barker编码方式生成激励信号。

7.根据权利要求5所述的基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的方法，其特征在于：步骤S3中，多路信号采集卡内部集成有多种信号处理电路，以对多通道接收信号进行直流分量去除、滤波、放大和A/D转换处理。

8.根据权利要求5所述的基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的方法，其特征在于：步骤S4中，所述二维傅里叶变换法的关系式为：

u_p(t,x)是来自待测轨道板的超声多通道接收信号，是u_p(t,x)经过二维傅里叶变换后所得到的f-k域幅度谱；将所得到的f-k域幅度谱的谱峰处所对应的横坐标值记为f_peak、所对应的纵坐标值记为k_peak，然后按如下公式计算瑞利波速c_R：

9.根据权利要求8所述的基于超声波实现轨道板裂纹深度自动检测的方法，其特征在于：步骤S4中，所述的最小化目标函数包括最小化目标函数1和最小化目标函数2；

所述的最小化目标函数1的限制条件为：min L₁(c_P,c_S)，

其中，c_p是纵波声速，和分别是纵波声速的下限和上限；c_s是横波声速，和分别是横波声速的下限和上限；L₁是所述的最小化目标函数1，L₁的计算公式为：

其中，的值分别为3200m/s、4000m/s、1700m/s、2400m/s，通过在MATLAB的优化函数“fmincon”中实施内点算法即能获得该最小化目标函数1的最优解；

所述的最小化目标函数2的限制条件为：min L₂(d)，

其中，d^lower≤d≤d^upper，d是轨道板裂纹的深度，d^lower和d^upper分别是轨道板裂纹深度的下限和上限，L₂是所述的最小化目标函数2，L₂的计算公式为：

其中，N_S0是指来自超声多通道接收信号中的基本对称型兰姆波模态S₀的总数，N_A0是指来自超声多通道接收信号中的反对称型兰姆波模态A₀的总数；

和分别是指在频率f_i下由超声多通道接收信号所得频散曲线中的S0模态的波数和A0模态的波数；k^S0(f_i)和k^A0(f_i)分别是指在频率为f_i下理论频散曲线中的S0模态的波数和A0模态的波数。