一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝检测的信号采集装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝检测的信号采集装置，属于轨道缺陷检测技术领域。

背景技术：

截至2019年末，中国铁路建设超额完成任务：预计全年将投产50个项目、新线超过7000公里，其中高铁20个项目、新线突破4000公里。全国铁路营业里程将达13.9万公里，其中高铁3.5万公里，稳居世界第一。其中，中国高铁网络中最重要的一环便是板式无砟轨道，中国从上世纪90年代开始从国外引进消化吸收板式无砟轨道技术，目前已在我国高速铁路建设中得到广泛应用，使得我国高铁技术处于世界领先水平。

板式无砟轨道的生产对混凝土要求极高，使轨道板具有足够强度，可以承受列车高速的冲击；板式无砟轨道完全满足列车超过300公里/时的运行需求。同时板式无砟轨道具有较高的稳定性，使用寿命长，能减少后期的维护工作。但是面对高负荷的连续运行和多变的环境等诸多因素，使得板式无砟轨道产生了大量裂缝，严重影响列车运营和乘客人身安全。

目前轨道板检测工作主要是采取人工巡检进行，由于轨道交通用于可供线路检修维护的有效天窗时间仅为2-3小时，且高速铁路的线程又很长，以致巡检任务十分艰巨，要耗费大量人力，且使巡检员工作很辛苦、维护成本很高，并且检测质量不能保证，缺陷可能不能及时发现，以致使铁路安全存在隐患。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的是提供一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝检测的信号采集装置，以解决目前高铁巡检工作繁多、效率低的问题，为高铁日常的轨道板损伤检测提供及时预警和有力的评估手段。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝检测的信号采集装置，包括轨检小车及设置在轨检小车上的超声波发射接收器，还包括空气耦合超声探头和角度调节机构，所述空气耦合超声探头包括空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器，所述空气耦合超声激发换能器与超声波发射接收器的发射端信号连接，空气耦合超声接收换能器与超声波发射接收器的接收端信号连接，所述空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器均连接在角度调节机构上，所述角度调节机构与一三轴位移调节机构相连接，且所述三轴位移调节机构固定连接在轨检小车的前端。

一种实施方案，设有两个角度调节机构，每个角度调节机构均对应设有转动电机和连接件，所述转动电机通过连接件与三轴位移调节机构相连接，所述空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器分别连接在对应的转动电机的转轴上。

一种实施方案，所述三轴位移调节机构包括纵向位移调节机构、垂向位移调节机构和横向位移调节机构，所述角度调节机构分别与对应的纵向位移调节机构相连接，所述纵向位移调节机构分别与对应的垂向位移调节机构相连接，所述垂向位移调节机构与横向位移调节机构相连接，且所述横向位移调节机构固定连接在轨检小车的前端。

一种优选方案，所述纵向位移调节机构包括纵向驱动电机、纵向安装底座、纵向丝杆和纵向滑块，所述纵向驱动电机固定连接在纵向安装底座上，所述纵向丝杆的一端固定在纵向驱动电机的输出端，所述纵向滑块滑动设于纵向丝杆上，所述角度调节机构与纵向滑块相连接。

一种优选方案，所述纵向安装底座上设有限位开关。

一种优选方案，所述垂向位移调节机构包括垂向驱动电机、垂向延伸板、垂向移动连接件和垂向传送底座，所述垂向移动连接件在垂向驱动电机的驱动下沿着垂向传送底座上下移动，所述垂向延伸板通过垂向移动连接件与垂向传送底座相连接，所述纵向位移调节机构与垂向延伸板相连接。

一种优选方案，所述横向位移调节机构包括横向驱动电机、横向安装底座、横向丝杆和横向滑块，所述横向驱动电机固定连接在横向安装底座上，所述横向丝杆的一端固定在横向驱动电机的输出端，所述横向滑块滑动设于横向丝杆上，所述垂向位移调节机构与横向滑块相连接，所述横向安装底座固定连接在轨检小车的前端。

一种优选方案，在轨检小车的前端设有连接梁，所述横向位移调节机构通过连接梁固定连接在轨检小车的前端。

一种实施方案，所述轨检小车包括小车底座、小车驱动电机、小车主动轮和小车从动轮，所述小车主动轮和小车从动轮固定在小车底座下，所述小车驱动电机固定在小车主动轮之间的传动轴上。

一种优选方案，在轨检小车上还设有移动电源。

一种优选方案，在轨检小车上还设有集线柜台。

一种优选方案，在轨检小车上还设有照明灯。

一种优选方案，在轨检小车上还设有摄像仪。

相较于现有技术，本实用新型的有益技术效果在于：

本实用新型提供的信号采集装置，设有超声波发射接收器、空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器，可以采集轨道板内的超声兰姆波信号，为后续利用超声兰姆波信号对轨道板裂缝检测打下了坚实的基础，相较于传统的超声无损检测的信号采集方式，信号采集更容易；此外，本实用新型中空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器均可移动，有效提高了信号采集范围，进而提高了轨检小车检测范围，实现了信号的动态采集；所述信号采集装置可用于轨道板裂缝的无损检测，可实现高效、无损、准确、实时检测无砟轨道裂缝，能为高铁的安全运营提供及时预警和有力保障，可为后续轨道维修工作提供有力支撑；因此，本实用新型相对于现有技术，具有显著进步性和应用价值。

附图说明

图1是本实用新型实施例中提供的基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝检测的信号采集装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中提供的信号采集装置用于检测工作时的状态图；

图中标号示意如下：1、轨检小车；2、角度调节机构；21a/21b、转动电机；22a/22b、连接件；3、纵向位移调节机构；31a/31b、纵向驱动电机；32a/32b、纵向安装底座；33a、纵向丝杆；34a/34b、纵向滑块；35a/35b、限位开关；4、空气耦合超声探头；4a、空气耦合超声激发换能器；4b、空气耦合超声接收换能器；5、垂向位移调节机构；51a/51b、垂向驱动电机；52a/52b、垂向延伸板；53a/53b、垂向移动连接件；54a/54b、垂向传送底座；6、横向位移调节机构；61a/61b、横向驱动电机；62a/62b、横向安装底座；63a/63b、横向丝杆；64a/64b、横向滑块；7、连接梁；8、主动轮对；9、从动轮；10、驱动电机；11、小车底座；12、信号分析装置；13、摄像仪；14、照明灯；15、超声波发射接收器；16集线柜台；17、移动电源；18、凳子；19、钢轨；20轨道板。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步清楚、完整地描述。

实施例

结合图1至图2所示：本实用新型提供的一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝检测的信号采集装置，包括轨检小车1及设置在轨检小车1上的超声波发射接收器15，还包括空气耦合超声探头4和角度调节机构2，所述空气耦合超声探头4包括空气耦合超声激发换器4a和空气耦合超声接收换能器4b，所述空气耦合超声激发换能器4a与超声波发射接收器15的发射端信号连接，空气耦合超声接收换能器4b与超声波发射接收器15的接收端信号连接，所述空气耦合超声激发换能器4a和空气耦合超声接收换能器4b均连接在角度调节机构2上，所述角度调节机构2与一三轴位移调节机构相连接，且所述三轴位移调节机构固定连接在轨检小车1的前端。

本实施例中，所述空气耦合超声激发换能器4a、空气耦合超声接收换能器4b、超声波发射接收器15均采用市售商品即可。

本实施例中，设有两个角度调节机构2，每个角度调节机构2均对应设有转动电机21a/21b和连接件22a/22b，所述转动电机21a/21b通过连接件22a/22b与三轴位移调节机构相连接，所述空气耦合超声激发换能器4a和空气耦合超声接收换能器4b分别连接在对应的转动电机21a/21b的转轴上。

本实施例中，所述三轴位移调节机构包括纵向位移调节机构3、垂向位移调节机构5和横向位移调节机构6，所述角度调节机构2分别与对应的纵向位移调节机构3相连接，所述纵向位移调节机构3分别与对应的垂向位移调节机构5相连接，所述垂向位移调节机构5与横向位移调节机构6相连接，且所述横向位移调节机构6固定连接在轨检小车1的前端。

本实施例中，设有两个纵向位移调节机构3，可以分别a、b两组，具体的所述纵向位移调节机构3包括纵向驱动电机31a/31b、纵向安装底座32a/32b、纵向丝杆33a(b组对应的纵向丝杆图中未显示)和纵向滑块34a/34b，所述纵向驱动电机31a/31b固定连接在纵向安装底座32a/32b上，所述纵向丝杆33a(b组对应的纵向丝杆图中未显示)的一端固定在纵向驱动电机31a/31b的输出端，所述纵向滑块34a/34b滑动设于纵向丝杆33a(b组对应的纵向丝杆图中未显示)上，所述角度调节机构2与纵向滑块34a/34b相连接。具体的，是角度调节机构2中的连接件22a/22b与纵向滑块34a/34b相连接，通过连接件22a/22b与纵向滑块34a/34b相连接使得角度调节机构2与纵向位移调节机构3相连接，进而使得空气耦合超声激发换能器4a、空气耦合超声接收换能器4b与纵向位移调节机构3相连接。所述纵向驱动电机31a/31b可以采用市售的恒速电机。使用的时候，是通过纵向驱动电机31a/31b驱动纵向丝杆33a，进而驱动纵向滑块34a/34b在纵向丝杆33a上移动。

此外，所述纵向安装底座32a/32b上设有限位开关35a/35b，当纵向滑块34a/34b经过限位开关35a/35b时，限位开关上35a/35b的传感器接收到信号会强制停止纵向驱动电机31a/31b的转动，进而使得纵向滑块34a/34b停止滑动，从上述可见，本实施例中是通过纵向滑块34a/34b的滑动来带动空气耦合超声激发换能器4a、空气耦合超声接收换能器4b在纵向位移调节机构3上的移动，因此，通过限位开关35a/35b来限制纵向滑块34a/34b的移动即可限制空气耦合超声激发换能器4a、空气耦合超声接收换能器4b的移动，从而对空气耦合超声激发换能器4a、空气耦合超声接收换能器4b起到了保护作用。

本实施例中，与两个纵向位移调节机构3相对应，也设有两个垂向位移调节机构5，可以分别a、b两组，所述垂向位移调节机构5包括垂向驱动电机51a/51b、垂向延伸板52a/52b、垂向移动连接件53a/53b和垂向传送底座54a/54b，所述垂向移动连接件53a/53b在垂向驱动电机51a/51b的驱动下沿着垂向传送底座54a/54b上下移动，所述垂向延伸板52a/52b通过垂向移动连接件53a/53b与垂向传送底座54a/54b相连接，所述纵向位移调节机构3与垂向延伸板52a/52b相连接。所述垂向驱动电机51a/51b可以采用市售的调速电机。所述垂向移动连接件53a/53b的形状可以设定为h形。具体的，所述纵向位移调节机构3中的纵向安装底座32a/32b与垂向延伸板52a/52b相连接，进而使得纵向位移调节机构3与垂向位移调节机构5相连接。本实施例中，可以在垂向传送底座54a/54b上设有齿轮传送带(未显示)，齿轮传送带通过垂向驱动电机51a/51b来驱动，相应的，垂向移动连接件53a/53b的表面具有与齿轮传送带相适配的齿轮啮合面，这样，即可通过垂向驱动电机51a/51b驱动齿轮传送带进而驱动垂向移动连接件53a/53b沿着垂向传送底座54a/54b上下移动。

本实施例中，为了使垂向位移调节机构5与横向位移调节机构6之间的连接更为稳固，可以设有两个横向位移调节机构6，可以分别a、b两组，所述横向位移调节机构6包括横向驱动电机61a/61b、横向安装底座62a/62b、横向丝杆63a/63b和横向滑块64a/64b，所述横向驱动电机61a/61b固定连接在横向安装底座62a/62b上，所述横向丝杆63a/63b的一端固定在横向驱动电机61a/61b的输出端，所述横向滑块64a/64b滑动设于横向丝杆63a/63b上，所述垂向位移调节机构5与横向滑块64a/64b相连接，所述横向安装底座62a/62b固定连接在轨检小车1的前端。所述横向驱动电机61a/61b可以采用市售的大功率步进电机。具体的，所述垂向位移调节机构5中的垂向传送底座54a/54b与横向滑块64a/64b相连接，进而使得垂向位移调节机构5与横向位移调节机构6相连接。所述横向位移调节机构6通过横向安装底座62a/62b固定连接在轨检小车1的前端。使用的时候，是通过横向驱动电机61a/61b驱动横向丝杆63a/63b，进而驱动横向滑块64a/64b在横向丝杆63a/63b上移动。

通过上述的三轴位移调节机构可以实现空气耦合超声激发换能器4a、空气耦合超声接收换能器4b位移的自由调节，从而有效提高了空气耦合超声激发换能器4a、空气耦合超声接收换能器4b的信号采集的灵活性、准确性和信号采集范围，进而可有效增加轨检小车1的检测范围，实现轨检小车1的动态检测。

此外，在轨检小车1的前端设有连接梁7，所述横向位移调节机构6通过连接梁7固定连接在轨检小车1的前端。具体的，是横向位移调节机构6中的横向安装底座62a/62b与连接梁7固定连接，从而使得横向位移调节机构6固定连接在轨检小车1的前端。

此外，所述轨检小车1包括小车底座11、小车驱动电机10、小车主动轮8和小车从动轮9，所述小车主动轮8和小车从动轮9固定在小车底座11下，所述小车驱动电机10固定在小车主动轮8之间的传动轴(未标记)上。所述小车驱动电机10、小车主动轮8和小车从动轮9分别采用市售的驱动电机、主动轮、从动轮即可。所述小车主动轮8和小车从动轮9均与通过小车驱动电机10驱动，小车主动轮8和小车从动轮9均与钢轨19滚动连接。通过小车主动轮8和小车从动轮9可以对轨检小车1的行驶方向起到导向作用。使用的时候，通过开启或关闭小车驱动电机10从而开启或停止小车主动轮8和小车从动轮9的转动，进而控制轨检小车1的启动和停止。

此外，在轨检小车1上还设有移动电源17，以实现对所述装置进行移动供电。

此外，在轨检小车1上还设有集线柜台16，以实现所述装置中各电路的集成和达到防雨防晒的作用。

此外，在轨检小车1上还设有照明灯14，以实现夜晚作业时的照明需求。

此外，在轨检小车1上还设有摄像仪13，用来记录轨道板编号和轨道板表面裂缝的初期评估(先使用摄像仪13进行机器视觉的处理，找到轨道板20表面的裂缝)。

照明灯14和摄像仪13均与移动电源17电连接。

此外，在轨检小车1上设置凳子18，以便由检测员坐在轨检小车1上进行人工信号采集及检测操作。

采用本实用新型所述的信号采集装置对轨道板裂缝进行信号采集的方法如下：

首先，调节好空气耦合超声激发换能器4a、空气耦合超声接收换能器4b的位置，使轨检小车1沿着轨道板20方向行驶，行驶时，首先使超声波发射接收器15的发射端发射超声波信号，并由空气耦合超声激发换能器4a发射至轨道板20内部，使得轨道板20内部产生兰姆波信号，通过三轴位移调节机构移动空气耦合超声接收换能器4b的位置(具体的利用纵向位移调节机构3在纵向方向移动空气耦合超声接收换能器4b的位置)，使空气耦合超声接收换能器4b以在不同的位置接收超声兰姆波回波信号并将超声兰姆波回波信号传输给超声波发射接收器15的接收端；然后通过三轴位移调节机构移动空气耦合超声激发换能器4a的位置(具体的利用纵向位移调节机构3在纵向方向移动空气耦合超声激发换能器4a的位置)以在不同的位置将超声波信号发射至轨道板20内部(即在不同的位置激发兰姆波信号)，然后，空气耦合超声接收换能器4b再移动位移以在不同的位置接收超声兰姆波回波信号；重复上述操作，即可在不同的激发位置和接收位置实现信号采集。

将本实用新型所述的信号采集装置外接信号分析装置12即可用于轨道板20裂缝的检测，检测的时候，将信号分析装置12与超声波发射接收器15中的接收端信号连接，即可通过信号分析装置12对信号采集装置采集到的兰姆波信号进行分析处理，从而实现对轨道板20裂缝的检测，例如：信号分析装置12采用商用的信号处理软件(例如，matlab软件)对接收的兰姆波回波信号进行滤波处理，然后再采用拓扑成像技术，(拓扑成像技术为已知技术，此处就不再一一赘述)即可获取轨道板20裂缝的图像，将获取的图像与标准图像比较，即可判断轨道板20裂缝的缺陷情况。

本实用新型的信号采集装置，采用超声波发射接收器激发超声波信号，并由空气耦合超声激发换能器发射至轨道板内，从而可以在轨道板内部产生兰姆波，然后再通过空气耦合超声接收换能器接收兰姆波回波信号，兰姆波相较于传统的超声波具有传播距离远、衰减小以及传播范围大等优点，使得本实用新型的信号采集装置信号采集更为容易、快速、高效；此外，实用新型的信号采集装置在信号采集过程中，空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器的位置均可自由调节，使得兰姆波的发射和接收位置均可以调节，从而有效提高了信号采集范围，进而提高了轨检小车检测范围，实现了信号的动态采集；所述信号采集装置可用于轨道板裂缝的无损检测，可实现高效、无损、准确、实时检测无砟轨道裂缝，能为高铁的安全运营提供及时预警和有力保障，可为后续轨道维修工作提供有力支撑；因此，本实用新型相对于现有技术，具有显著进步性和应用价值。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

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