1.发明涉及铁路工业技术领域，尤其涉及一种道岔尖轨损伤远程监测系统及其监测方法。
背景技术：2.众所周知，列车在铁路上运行时无法主动进行转向，只能依靠道岔从一个股道转向另一个股道。随着列车速度和轴重的大幅度提升，轨道上各种损坏现象越来越严重，重载铁路和高速铁路尤为突出。作为道岔最薄弱的一部分，这些损坏常常出现在道岔尖轨，因此对于道岔尖轨的检测便显得十分重要。
3.铁路上传统的检测方法是让检修工人用铁锤敲击轨道，通过辨别声音来判断是否存在裂纹。很显然这种方法过于依赖检测者的经验，并且效率过于低下。随着我国铁路尤其是高速铁路的快速发展，依靠人工敲击辨别声音的方法已经远远不能满足实际需要。在目前的道岔尖轨损伤监测方面，普遍采用大型钢轨探伤车与手推钢轨探伤车。大型钢轨探伤车开展在役线路的快速周期性检查，存在危险的空窗期；其监测能力很大程度上取决于快速运行中超声轮式探头的对中，且又因为超声波在空气中衰减快，超声信号无法有效进入到钢轨内部指定区域，存在伤损漏检的可能。对于手推式钢轨探伤车，每日作业长度为8 公里左右，目前全国铁路营业里程达14.63万公里，手推式钢轨探伤车无法满足大量的需求；以京张高铁为例，张家口地区冬季最低气温达到零下24.9摄氏度，钢轨探伤车的最低工作温度在零下20摄氏度，无法满足张家口地区的需求；手推式探伤车使用的耦合剂受限于低温难以达到要求精度。
4.在大多数情况下，疲劳裂纹是以微裂纹或闭合裂纹的形式，存在于疲劳发展的前80％左右的时间内，单纯依靠人眼观察几乎无法对其进行辨别。其中，研究人员通常将宽度小于0.5mm的疲劳裂纹称为疲劳微裂纹。
5.在实际运营过程中，钢轨往往承担着大振幅横向振动作用。一旦钢轨疲劳微裂纹成型，轮轨间巨大的横向作用力会促使其沿横向扩展，大大增加了发生断轨的可能性。因此，对钢轨在早期疲劳阶段萌生的微裂纹进行有效检测与及时维护，避免其继续扩展成为宏观裂纹，阻止其进入裂纹失稳拓展阶段，对于预防重大安全生产事故、保障钢轨安全可靠服役、维持铁路运输安全基础稳定，具有重要意义。
6.lamb波是超声无损检测最常用的一种导波形式，也称为板波。lamb波具有传播距离远、对结构表面和和内部损伤均敏感的优势，用超声波检测薄板有时会遇到较大困难，而超声lamb波在薄板的无损检测中应用的较为成功，在薄板检测中具有明显的优势。因此本发明利用lamb波作为道岔尖端探伤系统的探伤波，符合道岔尖端厚度较薄的特点，探伤效果较为出色。此外，lamb 波常用于航天和其他材料工业的健康监测，并达到了极佳的效果。其研究理论成熟、使用成本低、实用性强等优点提供了很好的理论支持。
7.lamb信号波形为五波峰的缺点：(1)脉冲信号频带越窄，时间信号所需时间越长，造成回波信号、多模态信号与直达信号混叠。(2)五波峰采用了非等幅波，信号峰值功率小，
反射波峰值幅度小，不易检测微小损伤。
8.lamb信号波形采用伪随机码调相波，利用伪随机码自相关特点，在信号同样带宽条件下，发射脉冲信号与接收信号互相关运算，产生更窄脉冲信号，解决了直达波与反射波时间上混叠问题，反射波峰值功率提高，可以检测微小损伤，解决了五波峰功率小不易检测问题。
9.因此，有必要提供一种道岔尖轨损伤远程监测系统及其监测方法解决上述技术问题。
技术实现要素：10.发明解决的技术问题是提供一种道岔尖轨损伤远程监测系统及其监测方法能够解决现有监测技术无法连续监测、无法在高温高湿等复杂条件下监测的问题。
11.为解决上述技术问题，发明提供的道岔尖轨损伤远程监测系统，包括：布置模块，所述布置模块用于将待测道岔尖轨分成若干监测区间，在若干所述监测区间布置传感器，每个传感器能做到收发信号；
12.采集模块，所述采集模块用于控制传感器发送和接收信号，得到相关数据；
13.伪随机码处理模块，所述伪随机码处理模块用于将所述采集模块产生的 lamb波转换成伪随机调相波；
14.发送模块，所述发送模块利用4g模块将得到的数据传输到云端，便于远程处理；
15.监测模块，所述监测模块负责监测道岔尖轨是否出现损伤，主体为一软件，具有频散分析、小波变换、椭圆定位三个功能，以椭圆算法是否有解判断是否出现损伤。
16.一种道岔尖轨损伤远程监测方法，包括以下步骤：
17.s101：将需要监测的道岔尖轨划分成为多个监测区段，在待测道岔尖轨监测区段内布置若干个传感器，使若干个所述传感器分布在轨腰以及轨底附近；
18.s102：所述传感器使用伪随机码的方式激励lamb波，并接收反射回来的 lamb波信号；
19.s103：所述传感器将采集到的数据传输到远端进行分析；
20.s104：对所得到的lamb波信号利用小波变换进行分析处理，得到lamb 波信号传播的时间；小波变换的公式如下所示：
[0021][0022]
s105：对所得到的lamb波信号利用频散分析，得到lamb波在钢轨当中传播的实际传播波速；
[0023]
s106：将从s104中得到的数据和从s105得到的参数带入到椭圆定位算法中求解；
[0024]
s107：利用椭圆算法进行计算；
[0025]
s108：椭圆算法有解即确定钢轨内含有损伤；
[0026]
s109：椭圆算法无解即确定钢轨内含无损伤。
[0027]
优选的，利用伪随机码调相波产生窄脉冲信号以代替传统的五波峰信号； lamb波形采用随机码调相波，利用随机码自相关特点，在信号同样带宽条件下，发射脉冲信号与接收信号互相关运算，产生更窄脉冲信号。
[0028]
优选的，采用4g模块进行数据传输，4g模块是基于4g网络进行无线传输的模块。
[0029]
优选的，传感器为压电传感器，任意三个不共线的传感器均可以相互配合生成lamb波传播路径。
[0030]
优选的，椭圆算法利用求解两个椭圆交点的方法得到损伤位置，每个椭圆由两个传感器间距作为焦距，lamb波在道岔尖轨当中经过反射走过的实际距离得到。
[0031]
与相关技术相比较，发明提供的道岔尖轨损伤远程监测系统及其监测方法具有如下有益效果：解决了直达波与反射波时间上混叠问题，反射波峰值功率提高，可以监测微小损伤，提升损伤监测精度，同时能做到远程监测，节省人力，提升监测效率。
附图说明
[0032]
图1为本发明实例提供的一种基于超声lamb波的道岔尖轨远程损伤监测方法的流程示意图；
[0033]
图2为本发明伪随机码调相的原理；
[0034]
图3为本发明调相连续波形成过程图；
[0035]
图4为本发明频散分析曲线的示意图；
[0036]
图5为本发明椭圆定位的原理图；
[0037]
图6为本发明中利用椭圆定位损伤坐标的原理图。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图和实施方式对发明作进一步说明。
[0039]
如图1-6所示，一种道岔尖轨损伤远程监测系统，包括：布置模块，所述布置模块用于将待测道岔尖轨分成若干监测区间，在若干所述监测区间布置传感器，每个传感器能做到收发信号；采集模块，所述采集模块用于控制传感器发送和接收信号，得到相关数据；伪随机码处理模块，所述伪随机码处理模块用于将所述采集模块产生的lamb波转换成伪随机调相波；发送模块，所述发送模块利用4g模块将得到的数据传输到云端，便于远程处理；监测模块，所述监测模块负责监测道岔尖轨是否出现损伤，主体为一软件，具有频散分析、小波变换、椭圆定位三个功能，以椭圆算法是否有解判断是否出现损伤。
[0040]
一种道岔尖轨损伤远程监测方法，包括如下步骤：
[0041]
s101：将需要监测的道岔尖轨划分成为多个监测区段，在待测道岔尖轨监测区段内布置若干个传感器，使若干个所述传感器分布在轨腰以及轨底附近；
[0042]
利用超声激励传感器向待测钢轨内施加超声lamb信号，该信号为高频超声信号。例如，利用高频超声lamb波激励传感器向待测钢轨中单独激励一列频率为300khz的超声lamb波信号。其中，选取频率为300khz的原因是：预先在100khz至400khz高频段内对钢轨进行扫频，300khz的频散程度较低，且探测精度控制在5mm，探测效果有所保证。
[0043]
此处采用圆薄片形的压电陶瓷传感器(pzt)，这是一种经过极化处理的、内部具有电畴的人工铁电体，并具有压电特性。正压电效应是指压电陶瓷在极化方向上受到外部荷载时，本身会发生形变，这种形变会使电畴位置变化从而导致内部产生电极化现象，此时压电陶瓷极化方向两面会产生符号相反的电荷，即两面会形成电势差；当外部荷载消失后，形变也随即消失，压电陶瓷两面之间电势差也消失，回归到最原始零电势状态：当外部荷载发
生变化，即形变发生变化时，电极化现象也随之发生改变，此时压电陶瓷两面上电势差也跟着变化，这种变化体现在输出信号电压幅值的改变，并且幅值的变化幅度与外部荷载改变成正比关系。这种正压电效应可以使压电陶瓷作为信号接收器。逆压电效应是压电陶瓷正负极加载上不同电压时，即压电陶瓷受到电场作用，此时电畴位置发生变化，从宏观上导致压电陶瓷产生形变：加载电压值不同时，即电场作用不同时，压电陶瓷形变程度不一样，形变大小与电压成正比；当电压消失时，电场作用随即消失，恢复到最原始形变状态。这种逆压电效应可以使压电陶瓷作为应力波信号的激励器，从而体现出压电陶瓷可以使电能与机械能之间发生转换。
[0044]
s102：所述传感器使用伪随机码的方式激励lamb波，并接收反射回来的 lamb波信号；lamb信号波形采用伪随机码调相波，利用伪随机码自相关特点，在信号同样带宽条件下，发射脉冲信号与接收信号互相关运算，产生更窄脉冲信号，解决了直达波与反射波时间上混叠问题，反射波峰值功率提高，可以检测微小损伤，解决了五波峰功率小不易检测问题。
[0045]
伪随机码调相波信号的实现原理如下所示
[0046]
若伪码序列为，载波频率为，是信号幅度，二相编码信号可以表示为：
[0047]
y(t)＝acos[2πfct+π
·
m(t)]
[0048]
当m(t)＝0时，y(t)＝-acos(2πfct)；当m(t)＝1时，y(t)＝acos(2πfct)，又在伪码序列中，(0，1)和(1，-1)具有相同的结构，因此二相编码信号又可以用下式表示：
[0049]
y(t)＝am(t)cos(2πfct)
[0050]
式中，m(t)是以“+1”和
“‑
1”表示的伪码序列。
[0051]
伪码调相连续波信号产生的原理如图2所示，码元通过相位调制器对载波进行调制随着码元的+1、-1的变化，载波的相位在0，π之间交替变化。
[0052]
二相编码信号形成过程如图3所示，码元发生一次跳变，载波信号的相位翻转180
°
，从而将基带信号的信息包含在载波相位中。
[0053]
s103：所述传感器将采集到的数据传输到远端进行分析；所述传感器负责接在钢轨内部反射后的信号，这里可采用圆薄片形的压电陶瓷传感器(pzt)，这是一种经过极化处理的、内部具有电畴的人工铁电体，并具有压电特性，由于铁轨表面积紧张，为节省空间，采用的pzt传感器既能发送信号又能接收信号，以提高钢轨表面的利用效率。
[0054]
s104：对所得到的lamb波信号利用小波变换进行分析处理，得到lamb 波信号传播的时间；小波变换的公式如下所示：
[0055][0056]
近年来，一种称为小波的数学理论和方法在国际上已广泛受到关注，并已经成为当今迅速发展的前沿学科之一，在语音合成、图象处理、模式识别、计算机视觉、ci'成像、大气海洋波的分析、天体力学和信号分析等诸多科技领域不断取得具有科学意义和应用价值的重要成果。其所以如此，这主要是因为它具有其它许多处理手段所不具备的优良特性，如：它是时间和频率的局部变换，能有效地从信号中提取瞬态突变信息；通过伸缩和平移等运算，能对信号进行多尺度(或多分辨)细化分析；良好的方向选择性等。
[0057]
设瞬态信号和小波基函数为平方可积的实数函数，且的傅里叶变换满足容许性条
件。将进行伸缩和平移变换后得到小波基，记为
[0058][0059]
式中：a为尺度因子，，a》0；b为平移因子。
[0060]
瞬态信号的小波变换表达式为：
[0061][0062]
s105：对所得到的lamb波信号利用频散分析，得到lamb波在钢轨当中传播的实际传播波速；lamb波在钢轨当中传播时，随着波频率的变化，波的速度也会发生变化，这种现象成为频散。显然，只有了解lamb在钢轨中的频散规律，即频散方程，才能真正知道钢轨当中的lamb波的波速。
[0063]
对于厚度为2h的线性、弹性、各向同性板，通过求解色散方程得到相速度色散曲线：
[0064][0065][0066]
上述两式分别给出对称模态和反对称模态的相速度色散曲线。在上述方程中
[0067][0068][0069][0070][0071]
其中
[0072]cl
为lamb波速度(相速度)
[0073]cp
是p波速度
[0074]cs
是板状材料的横波速度
[0075]
ω是传播波的角频率(rad/sec，ω＝2πf)
[0076]
对于钢轨来说，将相应的参数带入到公式当中，即可得到对称模态和反对称模态下的lamb波色散曲线，如图4所示即为某情况下的对称模态和反对称模态的色散曲线，进而得到对应频率(频厚积)的情况下的lamb波速度。
[0077]
s106：将从s104中得到的数据和从s105得到的参数带入到椭圆定位算法中求解；
[0078]
s107：利用椭圆算法进行计算；
[0079]
s108：椭圆算法有解即确定钢轨内含有损伤；
[0080]
s109：椭圆算法无解即确定钢轨内含无损伤；
[0081]
步骤s106、s107、s108、s109：将得到的参数带入到椭圆算法当中进行求解，判断椭圆算法是否有解，有解则确定钢轨内部存在损伤，无解则确定钢轨内部不存在损伤，返回s101。
[0082]
所谓的椭圆算法是一种定位算法，原理是利用至少三个传感器组成的传感器阵列所构成的多个椭圆，对方程进行求解，如果方程有解则存在损伤，反之则无损伤。lamb波从一个传感器到另一个传感器走过的距离构成椭圆的2a，传感器之间的距离为椭圆的2c。lamb在钢轨中走过的距离可以写作波速和时间的乘积，分别由频散分析、小波变换得到，最终得到走行距离.图6是椭圆定位的基本原理。
[0083]
利用伪随机码调相波产生窄脉冲信号以代替传统的五波峰信号；lamb波形采用随机码调相波，利用随机码自相关特点，在信号同样带宽条件下，发射脉冲信号与接收信号互相关运算，产生更窄脉冲信号。
[0084]
4.根据权利要求2所述的道岔尖轨损伤远程监测方法，其特征在于，采用 4g模块进行数据传输，4g模块是基于4g网络进行无线传输的模块，通过 4glte网络进行通信，非常适合用于远距离传输，通过4g网络，不管中间间隔多少距离都能够远程进行通迅。基于lte通迅协议，传输速度最快也能达到100mbps，可以满足大多数数据传输的应用。
[0085]
传感器为压电传感器，任意三个不共线的传感器均可以相互配合生成 lamb波传播路径。
[0086]
椭圆算法利用求解两个椭圆交点的方法得到损伤位置，每个椭圆由两个传感器间距作为焦距，lamb波在道岔尖轨当中经过反射走过的实际距离得到。
[0087]
以上所述仅为发明的实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。
技术特征：1.一种道岔尖轨远程监测系统，其特征在于，包括：布置模块，所述布置模块用于将待测道岔尖轨分成若干监测区间，在若干所述监测区间布置传感器，每个传感器能做到收发信号；采集模块，所述采集模块用于控制传感器发送和接收信号，得到相关数据；伪随机码处理模块，所述伪随机码处理模块用于将所述采集模块产生的lamb波转换成伪随机调相波；发送模块，所述发送模块利用4g模块将得到的数据传输到云端，便于远程处理；监测模块，所述监测模块负责监测道岔尖轨是否出现损伤，主体为一软件，具有频散分析、小波变换、椭圆定位三个功能，以椭圆算法是否有解判断是否出现损伤。2.一种道岔尖轨损伤远程监测方法应用于权利要求1所述的道岔尖轨远程监测系统，包括如下步骤：s101：将需要监测的道岔尖轨划分成为多个监测区段，在待测道岔尖轨监测区段内布置若干个传感器，使若干个所述传感器分布在轨腰以及轨底附近；s102：所述传感器使用伪随机码的方式激励lamb波，并接收反射回来的lamb波信号；s103：所述传感器将采集到的数据传输到远端进行分析；s104：对所得到的lamb波信号利用小波变换进行分析处理，得到lamb波信号传播的时间；小波变换的公式如下所示：s105：对所得到的lamb波信号利用频散分析，得到lamb波在钢轨当中传播的实际传播波速；s106：将从s104中得到的数据和从s105得到的参数带入到椭圆定位算法中求解；s107：利用椭圆算法进行计算；s108：椭圆算法有解即确定钢轨内含有损伤；s109：椭圆算法无解即确定钢轨内含无损伤。3.根据权利要求2所述的道岔尖轨损伤远程监测方法，其特征在于，利用伪随机码调相波产生窄脉冲信号以代替传统的五波峰信号；lamb波形采用随机码调相波，利用随机码自相关特点，在信号同样带宽条件下，发射脉冲信号与接收信号互相关运算，产生更窄脉冲信号。4.根据权利要求2所述的道岔尖轨损伤远程监测方法，其特征在于，采用4g模块进行数据传输，4g模块是基于4g网络进行无线传输的模块。5.根据权利要求2所述的道岔尖轨损伤远程监测方法，其特征在于，传感器为压电传感器，任意三个不共线的传感器均可以相互配合生成lamb波传播路径。6.根据权利要求2所述的道岔尖轨损伤远程监测方法，其特征在于，椭圆算法利用求解两个椭圆交点的方法得到损伤位置，每个椭圆由两个传感器间距作为焦距，lamb波在道岔尖轨当中经过反射走过的实际距离得到。
技术总结发明提供一种道岔尖轨损伤远程监测系统及其监测方法。道岔尖轨损伤远程监测系统及其监测方法，包括：将待测道岔尖轨分成若干监测区间，每个区间按照一定顺序布置传感器阵列，该阵列能发出以及接收超声波信号；利用伪随机码正交调相方法产生lamb波超声信号，避免直达波与反射波时间上混叠的问题；控制传感器接发超声lamb波信号，得到数据；利用频散分析得到lamb波在道岔尖轨中的频散曲线，进而得到lamb波的实际波速；利用小波变换得到lamb波的传播时间；利用椭圆算法实现损伤监测与定位。解决了直达波与反射波时间上混叠问题，反射波峰值功率提高，可以监测微小损伤，提升损伤监测精度，同时能做到远程监测，节省人力，提升监测效率。率。率。
技术研发人员：蔡国强 唐伟峰 宋琪 葛超
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2022.04.07
技术公布日：2022/7/5
