高速铁路无缝线路断轨地面实时监控系统_无缝线路断轨监控
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高速铁路无缝线路断轨地面实时监控系统一、断轨检测系统整体结构设计
本文中设计的超声波断轨检测系统整体结构框图如图所示。
断轨检测系统包含两大部分，左侧虚线框内部分是长距离断轨实时监测系统，右侧虚线框内部分是钢轨焊缝探伤系统，下面分别对两个系统进行简要介绍。
1.长距离断轨实时监测系统
超声波在单一介质中有着良好的传播特性，钢轨是具有良好声导管特性的传播介质，这些因素构成了长距离断轨实时监测系统的物理基础。当超声波在钢轨内传播时，钢轨边界对超声波产生反复不断的反射传导，这样就会形成由横波、纵波、表面波等各种形式组合在一起的超声导波，与传统的近距离超声检测的方法相比，超声导波检测频率相对较低，这样可以增大超声导波的传输距离。长距离钢轨断轨实时监测系统分为发射站和接收站两个部分，发射站内有专用的发射器，通过发射器向固定在钢轨轨腰上的超声波探头发射高压脉冲信号，高压脉冲信号通过探头内的压电陶瓷转换为功率较高的超声导波信号，超声导波信号经过钢轨长距离的传输，在接收站由超声波探头接收到，接收站内有专用接收器，对接收到的超声波信号进行滤波放大等处理，通过幅值比较或其他处理手段，分析在给定的时间以内是否接收到了发射站发射的预先设定好发射频率的超声波信号，以此来判断接收站与发射站之问钢轨是否有断轨现象发生。
长距离断轨实时监测系统通常布设在整根钢轨上，超声波传播的路径应当避免经过焊缝或复杂的轨道路况，以免超声波信号的损失过大，影响探测准度。长距离断轨实时监测系统具有很多的优点，比如该方法采用超声波作为检测信号，超声波是一种机械波，因此不受牵引回流与钢轨电气参数的影响，在较长隧道、南方山区潮湿积水等地区可以代替轨道电路进行断轨检测。该设备原理比较简单，安装和维护方便，设备的功耗成本较低，且可探测距离长，探测范围能达到1~2 公里，可以实现在线的实时监测，如果有断轨现象发生，系统就会通过接收站接收到报警信号，并通过GPRS无线网络将报警信号发送到正在行驶的列车驾驶室，列车员会根据实际情况采取相应的措施，避免交通事故的发生。该探测系统缺点明显，只能探测到钢轨出现比较大的缺陷的情况，如钢轨已经完全断裂，或者钢轨损伤非常严重，对于钢轨的内部核伤该检测系统无法检测出来，而且不能精确定位断轨发生的位置。对高速行驶的列车来说，小的裂缝对其可能就是致命的伤害，所以仅仅有该系统是不够的。
2．钢轨焊缝探伤系统
钢轨焊缝探伤系统总体结构如图右侧虚线框内所示，与其他断轨检测的方法相比，钢轨焊缝探伤系统最大的优势在于可以对钢轨焊缝进行实时在线监测，从缺陷产生的时刻起就能通过采集到的超声波信号的变化来分析缺陷的变化，除此之外，钢轨焊缝探伤系统还能实现缺陷的定位，通过GPRS发送的数据就可以确定产生缺陷的精确位置。与长距离断轨实时监测系统相比，钢轨焊缝探伤系统需要较高的超声频率，高频率的超声波有利于发现更小的缺陷，对钢轨焊缝的探伤更加精准，基于超声波的绕射和衍射原理，超声波探伤的灵敏度约为半波长，所以频率越高，灵敏度越高，分辨率越好。高频率的超声波声束指向性好，能量集中，利于接收端的换能器接收到超声信号，但是探测频率不能过高，随着频率的提高，衰减也会急剧的增加，信号太弱，容易被噪声湮没，不利于探测。本系统中所用的超声信号的中心频率在2．5MHz左右。长距离断轨检测系统能够进行大范围的断轨检测。焊缝容易产生裂纹和内部核伤，当焊缝内部产生缺陷并受到较大拉力作用时，就容易发生断裂，钢轨焊缝探伤系统针对焊缝处易发生断轨的特点，对钢轨焊缝进行实时监测。两个系统相互配合、互补不足，达到最佳的断轨检测方式。
二、钢轨焊缝探伤系统方案
钢轨焊缝探伤法的工作原理
焊缝探伤系统是一种基于超声波的衍射原理进行检测的无损探伤法。这种探测方法不同于传统探伤方式，利用反射波的幅值来测定缺陷的大小和位置，而是有赖于超声波与缺陷部位的相互作用进行缺陷探测的。超声波在钢轨内传播，当遇到钢轨内部的缺陷时，会发生相互作用，作用的结果是产生衍射波，只要能检出衍射波就能确定缺陷的存在。这种探伤方法通常采用穿透能力较强的纵波斜探头，这样超声波与缺陷的相互作用更加强烈，衍射后得到的信号更容易被接收探头接收。图为钢轨焊缝探伤法的工作原理图。
在轨腰表面对称放置两个频率、尺寸、角度都相同的超声波探头，一个用来发送超声波信号，一个用来接收超声波信号，两个探头之问的距离由轨腰的厚度、探头发出的声束角度、超声波信号的频率所决定。发射探头将超声波信号从轨腰表面入射到轨腰内部被检焊缝的断面，信号在轨腰内部传播。在没有缺陷的位置，接收探头会接收到沿轨面传播的侧向波，该波的声速与探头发送的纵波声速相同，除此之外，接收探头还能接收到来自轨腰底面的反射纵波。当有缺陷存在时，在侧向波和底面回波之间，接收探头还会接收到来自缺陷的顶端和底端的衍射波。如上图所示，而且他们的传播路径不同，导致到达接收探头的时间不同，这样将利于将先后到达接收探头的侧向波、缺陷波、底面回波很好的区分开来。钢轨焊缝探伤法典型波形如下图所示。
发射探头发出超声波信号以后，首先到达接收探头的信号为沿着轨腰表面传播的侧面波，如轨腰内部有缺陷，则接下来到达的是缺陷顶端产生的衍射波，形成负向的信号波，同理在缺陷底端也会产生衍射波，形成正向信号波。最后接收到的是轨腰底面产生的信号较强的底面回波。在接收到的波形中，侧向波起着参考基准的作用，因为它沿着表面传播，所以信号幅度与两探头的间距有关，将两个斜探头相对放置，调节探头的间距，观察侧向波信号的幅度随着两探头间距的变化情况，可知当两探头间距增加时，信号的强度呈下降趋势。缺陷顶波和底波的强弱将直接影响到缺陷检测的灵敏度，超声波入射和接收的角度是影响衍射波强度的主要因素，因此可以通过调整入射和接收的角度来增加衍射波的强度。缺陷中间处的夹角为中夹角，通过观察发现，虽然缺陷深度不同，但衍射波信号均在中央角为一定值附近信号最强，而且上端和下端衍射波的传播特性相同。通过钢轨焊缝探伤法采集得到的信号数据可以采用小波分析法进行处理，与傅里叶变换相比小波变换是空间(时间)和频域的局部变换，能有效地从信号中提取信息。通过伸缩和平移等运算，能够对函数或信号进行多尺度细化分析，因此将小波分析理论应用于超声波信号处理方法当中，既能在时域上观察波形的变化，又能精确分析缺陷回波和杂波的频率成分。
系统整体方案的设计
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