基于差分渦流檢測(cè)的鐵軌裂紋特征識(shí)別方法

， ，，

(1.南京航空航天大學(xué) 電氣工程系, 南京 211106;2.南京航空航天大學(xué) 高速載運(yùn)設(shè)施的無(wú)損檢測(cè)監(jiān)控技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 211106)

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，鐵路運(yùn)輸在里程和行車(chē)速度上均實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。為了提高鐵路交通的安全性和可靠性，應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)在役鐵軌進(jìn)行裂紋檢測(cè)顯得至關(guān)重要[1-2]。

渦流檢測(cè)是一種用于檢測(cè)表面及近表面缺陷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有便捷、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于鐵軌的裂紋檢測(cè)中。張玉華等[3]對(duì)渦流檢測(cè)缺陷定量評(píng)估的可行性進(jìn)行了仿真，得到了缺陷長(zhǎng)度、深度與平板表面磁分量之間的量值關(guān)系，為渦流檢測(cè)的定量評(píng)估提供了理論基礎(chǔ)。王平等[4]研究了高速運(yùn)動(dòng)下多種電磁檢測(cè)方法在鋼軌巡檢上的應(yīng)用, 融合脈沖渦流電磁場(chǎng)、磁泄漏和剩磁、巴克豪森噪聲信號(hào)進(jìn)行了分析。黃鳳英等[5-6]在渦流傳感器設(shè)計(jì)上有所創(chuàng)新，采用磁鐵薄片的磁特性改善了鐵軌道岔表面的檢測(cè)靈敏度，并采用絕對(duì)式探頭對(duì)鐵軌表面不同深度裂紋實(shí)現(xiàn)了定量評(píng)估，得到了深度與信號(hào)幅值間的近似指數(shù)擬合曲線(xiàn)。

筆者采用一種差分渦流檢測(cè)系統(tǒng)，得到了裂紋引起的幅值和相位變化信號(hào)，通過(guò)分析信號(hào)特征值，對(duì)鋼軌樣本上的不同缺陷特征進(jìn)行了識(shí)別。

1 渦流檢測(cè)原理與檢測(cè)裝置

1.1 渦流檢測(cè)的基本原理

渦流檢測(cè)是一種基于電磁感應(yīng)原理的檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)原理是：當(dāng)通有交變電流的線(xiàn)圈接近導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體中將感應(yīng)出渦流來(lái)阻礙周?chē)艌?chǎng)的變化[7]，而渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)又會(huì)反作用于原磁場(chǎng)，改變線(xiàn)圈的等效阻抗[8]，故被測(cè)試件中缺陷的存在會(huì)直接影響線(xiàn)圈回路與渦流回路間的耦合關(guān)系[9]。因此，這種耦合關(guān)系的變化可以用于分析被測(cè)試件中的缺陷特征信息。

1.2 差分渦流檢測(cè)裝置

交流電橋是一種常用的阻抗測(cè)量手段，可以通過(guò)電路將阻抗變化轉(zhuǎn)化成便于測(cè)量的電壓或者電流變化，在渦流檢測(cè)中也有應(yīng)用[10]。這里采用圖1所示的電橋電路，圖中L1和L2是一對(duì)差分線(xiàn)圈探頭；R1和R2分別為橋臂上的固定電阻;Ui,Uo分別為電橋輸入電壓與電橋輸出電壓。其中，單個(gè)線(xiàn)圈外直徑為8 mm，高度為12 mm。

調(diào)節(jié)未測(cè)量時(shí)的電橋輸出電壓為零，在檢測(cè)過(guò)程中，兩線(xiàn)圈先后經(jīng)過(guò)裂紋處，兩者的阻抗差異反映出缺陷的特征，通過(guò)電橋電路轉(zhuǎn)化為電壓變化量進(jìn)行測(cè)量。

圖1 差分渦流檢測(cè)探頭所用電橋電路示意

計(jì)算可得，兩個(gè)線(xiàn)圈間的電感差值與電橋輸出電壓Uo存在以下關(guān)系(式中ω為角速度)。

(1)

由于R1=R2，則可將式(1)簡(jiǎn)化為式(2)。

(2)

式中：L=L1≈L2，ΔL=L1-L2。

電橋輸出的信號(hào)為缺陷信號(hào)疊加在高頻激勵(lì)上的調(diào)制信號(hào)，如圖2所示(圖中t為探頭移動(dòng)的時(shí)間)。當(dāng)探頭經(jīng)過(guò)缺陷處時(shí)，在高頻正弦信號(hào)上會(huì)產(chǎn)生幅值和相位的變化。該幅值和相位變化中包含了缺陷的特征信息，要得到缺陷引起的檢測(cè)信號(hào)變化，則需要對(duì)電橋輸出信號(hào)做正交解調(diào)處理。

圖3為檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程框圖，同時(shí)采入激勵(lì)信號(hào)Ui與電橋輸出信號(hào)Uo，以激勵(lì)信號(hào)為載波實(shí)現(xiàn)正交解調(diào)。解調(diào)后可得缺陷引起的低頻變化分量:同相分量I(t)與正交分量Q(t)。根據(jù)I(t)和Q(t)信號(hào)求得裂紋引起的幅值和相位變化，即圖中最終輸出的兩路信號(hào)。

圖2 探頭經(jīng)過(guò)缺陷處的信號(hào)變化示意

圖3 檢測(cè)信號(hào)處理過(guò)程框圖

實(shí)際的檢測(cè)系統(tǒng)采用60 kHz的正弦信號(hào)對(duì)渦流探頭進(jìn)行激勵(lì)，同時(shí)作為電橋輸入。電橋電路的輸出電壓為正交解調(diào)的輸入信號(hào)，解調(diào)后得到缺陷引起的低頻變化分量，最后將計(jì)算所得的幅值和相位信號(hào)經(jīng)過(guò)采集板卡在Labview平臺(tái)上顯示出來(lái)。試驗(yàn)時(shí)，將繞制的差分渦流探頭置于鋼軌樣本表面，鋼軌表面分布人工切割的不同尺寸缺陷，渦流檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用手推方式進(jìn)行試驗(yàn)，手推速度約為0.5 km·h-1。

圖4 渦流檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2 缺陷檢測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用上述的差分渦流檢測(cè)裝置對(duì)參數(shù)不同的鋼軌樣本進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，得到傳感器在裂紋處的檢測(cè)信號(hào)的幅值和相位變化。試驗(yàn)有3組鋼軌裂紋樣本，其中1號(hào)鋼軌上分布著不同長(zhǎng)度的裂紋，2號(hào)鋼軌上分布著與列車(chē)運(yùn)行方向成不同角度的裂紋，3號(hào)鋼軌上分布著不同切割深度的裂紋。由前人研究可得，鐵軌端部疲勞裂紋的縱向滲透角度平均值約為25°[11]。為了盡可能模擬自然裂紋的存在，這些鋼軌上的裂紋樣本滲透角度都設(shè)置為30°，裂紋寬度在0.2～0.6 mm間。其中，2號(hào)鋼軌上裂紋樣本寬度均約為0.3 mm，3號(hào)鋼軌上裂紋樣本寬度均約為0.2 mm。

2.1 不同長(zhǎng)度裂紋的檢測(cè)結(jié)果

1號(hào)鋼軌上的裂紋分布示意如圖5(a),(b)所示，裂紋在俯視圖上的縱向長(zhǎng)度從左到右依次增大。試驗(yàn)所得的檢測(cè)結(jié)果如圖5(c),(d)所示，從相位信號(hào)中可以明顯觀(guān)察到缺陷的存在。其中，長(zhǎng)度為1.41 mm的缺陷信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中，而長(zhǎng)度為2.83 mm及以上尺寸的缺陷都可以分辨出來(lái)。

圖5 1號(hào)鋼軌上不同長(zhǎng)度裂紋的分布示意及其檢測(cè)結(jié)果

由于相位的檢測(cè)結(jié)果比幅值的檢測(cè)結(jié)果更為明顯，故下面只對(duì)相位信號(hào)進(jìn)行分析。圖6所示為不同長(zhǎng)度裂紋的檢測(cè)相位信號(hào)對(duì)比，可以看到隨著裂紋長(zhǎng)度的增大，相位波峰與波谷間的相位差值在不斷增大，即其峰峰值隨著裂紋長(zhǎng)度的增大呈上升趨勢(shì)。

圖6 1號(hào)鋼軌上不同長(zhǎng)度裂紋的相位信號(hào)對(duì)比

2.2 與列車(chē)運(yùn)行方向成不同角度的裂紋檢測(cè)結(jié)果

2號(hào)鋼軌上的裂紋分布示意如圖7(a),(b)所示，在俯視圖上裂紋與檢測(cè)方向所成角度逐漸增大至90°，隨著裂紋角度的增大，裂紋的長(zhǎng)度在不斷減小。試驗(yàn)所得的檢測(cè)結(jié)果如圖7(c),(d)所示，可見(jiàn)這些縱向長(zhǎng)度為5 mm的裂紋都能在相位信號(hào)上明顯分辨出來(lái)。

圖7 2號(hào)鋼軌上與列車(chē)運(yùn)行方向成不同角度的裂紋分布示意及其檢測(cè)結(jié)果

圖8 2號(hào)鋼軌上不同長(zhǎng)度裂紋的相位信號(hào)對(duì)比

圖8為2號(hào)鋼軌上不同長(zhǎng)度裂紋的檢測(cè)相位信號(hào)對(duì)比，可見(jiàn)其變化趨勢(shì)與1號(hào)樣本的相同，即相位峰峰值隨著裂紋長(zhǎng)度的增大而不斷增大。

2.3 不同切割深度裂紋的檢測(cè)結(jié)果

3號(hào)鋼軌上的裂紋分布示意如圖9(a),(b)所示，裂紋在主視圖上的切割深度依次為0.35,0.5,1,1.5,2,2.7,3.5,5 mm。其中，裂紋長(zhǎng)度最小為18 mm，隨著裂紋深度的增大，裂紋長(zhǎng)度也在增大，最大為77 mm。試驗(yàn)所得的檢測(cè)結(jié)果如圖9(c),(d)所示，可見(jiàn)包括深度為0.35 mm在內(nèi)的裂紋都能從相位信號(hào)中分辨出來(lái)。

圖9 3號(hào)鋼軌上不同深度裂紋的分布示意及其檢測(cè)結(jié)果

圖10 3號(hào)鋼軌上不同深度裂紋的相位信號(hào)對(duì)比

圖11 1，2號(hào)鋼軌上缺陷相位峰峰值ΔP隨裂紋長(zhǎng)度的變化曲線(xiàn)

圖10為3號(hào)鋼軌上不同深度裂紋的相位信號(hào)對(duì)比，可以看到隨著裂紋深度的增大，相位峰峰值同樣呈上升趨勢(shì)。

2.4 檢測(cè)結(jié)果分析

由于鋼軌上的缺陷樣本寬度最大為0.6 mm，遠(yuǎn)小于探頭直徑8 mm，因此缺陷寬度對(duì)相位信號(hào)峰峰值間距的影響可以忽略不計(jì)，下面只對(duì)相位信號(hào)峰峰值進(jìn)行深入分析。圖11所示為1號(hào)鋼軌和2號(hào)鋼軌上缺陷樣本的相位峰峰值ΔP隨裂紋長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)，其中ΔP為單個(gè)缺陷相位信號(hào)波峰與波谷間的差值。圖11中虛線(xiàn)圈出了兩個(gè)參數(shù)完全相同而處于不同鋼軌上的缺陷樣本的檢測(cè)結(jié)果，可見(jiàn)其試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，但1號(hào)鋼軌和2號(hào)鋼軌上缺陷的相位峰峰值ΔP隨長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)基本一致，且隨著裂紋長(zhǎng)度的增大，ΔP的增量在不斷減小，即斜率在減小。將裂紋長(zhǎng)度與檢測(cè)探頭直徑8 mm作比較，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度小于檢測(cè)探頭直徑時(shí)，ΔP的變化斜率較大；而當(dāng)裂紋長(zhǎng)度大于檢測(cè)探頭直徑時(shí)，ΔP的變化斜率較小。

對(duì)于3號(hào)鋼軌上不同深度的缺陷樣本，其相位峰峰值ΔP隨裂紋深度的變化曲線(xiàn)如圖12所示。由圖12可見(jiàn)：隨著裂紋深度的增大，ΔP整體呈增大趨勢(shì)；除虛線(xiàn)圈出的深2 mm缺陷外，曲線(xiàn)的斜率隨著深度增大在不斷減小，當(dāng)缺陷深度大于3.5 mm時(shí)，相位峰峰值ΔP基本不變，即缺陷深度較小時(shí)，不同深度的缺陷易于區(qū)分，缺陷深度3.5 mm可視為激勵(lì)頻率60 kHz下渦流探頭對(duì)缺陷深度的分辨極限值。

圖12 3號(hào)鋼軌上缺陷相位峰峰值ΔP隨裂紋深度的變化曲線(xiàn)

3 結(jié)論

采用差分渦流檢測(cè)系統(tǒng)得到了裂紋缺陷檢測(cè)信號(hào)幅值和相位的變化。通過(guò)對(duì)不同參數(shù)的缺陷樣本進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，建立了缺陷特征與檢測(cè)信號(hào)相位之間的聯(lián)系。對(duì)于深度為2.7 mm的缺陷樣本，該渦流探頭可以檢測(cè)的最小裂紋長(zhǎng)度為2.83 mm；對(duì)于長(zhǎng)度為18 mm的缺陷樣本，該渦流探頭可以檢測(cè)到的最小深度為0.35 mm。從試驗(yàn)結(jié)果分析可得，相位信號(hào)峰峰值ΔP隨缺陷的長(zhǎng)度和深度呈增大趨勢(shì)，且隨著缺陷長(zhǎng)度或深度的增大，ΔP的變化量在不斷減小。當(dāng)缺陷長(zhǎng)度小于探頭直徑8 mm時(shí)，ΔP的上升斜率較大，探頭對(duì)缺陷長(zhǎng)度的分辨能力較強(qiáng)。當(dāng)缺陷長(zhǎng)度大于探頭直徑時(shí)，ΔP的上升斜率明顯減小，探頭對(duì)缺陷長(zhǎng)度的分辨能力較弱。在60 kHz激勵(lì)下，該渦流探頭對(duì)缺陷深度的最大分辨極限在3.5 mm左右；當(dāng)缺陷深度大于3.5 mm時(shí)，ΔP基本不變，探頭對(duì)缺陷深度的分辨能力極弱。