基于差分渦流檢測的鐵軌裂紋特征識別方法

， ，，

(1.南京航空航天大學 電氣工程系, 南京 211106;2.南京航空航天大學 高速載運設施的無損檢測監控技術工業和信息化部重點實驗室, 南京 211106)

隨著社會不斷發展，鐵路運輸在里程和行車速度上均實現了質的飛躍。為了提高鐵路交通的安全性和可靠性，應用無損檢測技術對在役鐵軌進行裂紋檢測顯得至關重要[1-2]。

渦流檢測是一種用于檢測表面及近表面缺陷的無損檢測技術，具有便捷、靈敏度高等優勢，近年來被廣泛應用于鐵軌的裂紋檢測中。張玉華等[3]對渦流檢測缺陷定量評估的可行性進行了仿真，得到了缺陷長度、深度與平板表面磁分量之間的量值關系，為渦流檢測的定量評估提供了理論基礎。王平等[4]研究了高速運動下多種電磁檢測方法在鋼軌巡檢上的應用, 融合脈沖渦流電磁場、磁泄漏和剩磁、巴克豪森噪聲信號進行了分析。黃鳳英等[5-6]在渦流傳感器設計上有所創新，采用磁鐵薄片的磁特性改善了鐵軌道岔表面的檢測靈敏度，并采用絕對式探頭對鐵軌表面不同深度裂紋實現了定量評估，得到了深度與信號幅值間的近似指數擬合曲線。

筆者采用一種差分渦流檢測系統，得到了裂紋引起的幅值和相位變化信號，通過分析信號特征值，對鋼軌樣本上的不同缺陷特征進行了識別。

1 渦流檢測原理與檢測裝置

1.1 渦流檢測的基本原理

渦流檢測是一種基于電磁感應原理的檢測技術，其檢測原理是：當通有交變電流的線圈接近導體時，導體中將感應出渦流來阻礙周圍磁場的變化[7]，而渦流產生的磁場又會反作用于原磁場，改變線圈的等效阻抗[8]，故被測試件中缺陷的存在會直接影響線圈回路與渦流回路間的耦合關系[9]。因此，這種耦合關系的變化可以用于分析被測試件中的缺陷特征信息。

1.2 差分渦流檢測裝置

交流電橋是一種常用的阻抗測量手段，可以通過電路將阻抗變化轉化成便于測量的電壓或者電流變化，在渦流檢測中也有應用[10]。這里采用圖1所示的電橋電路，圖中L1和L2是一對差分線圈探頭；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，單個線圈外直徑為8 mm，高度為12 mm。

調節未測量時的電橋輸出電壓為零，在檢測過程中，兩線圈先后經過裂紋處，兩者的阻抗差異反映出缺陷的特征，通過電橋電路轉化為電壓變化量進行測量。

圖1 差分渦流檢測探頭所用電橋電路示意

計算可得，兩個線圈間的電感差值與電橋輸出電壓Uo存在以下關系(式中ω為角速度)。

(1)

由于R1=R2，則可將式(1)簡化為式(2)。

(2)

式中：L=L1≈L2，ΔL=L1-L2。

電橋輸出的信號為缺陷信號疊加在高頻激勵上的調制信號，如圖2所示(圖中t為探頭移動的時間)。當探頭經過缺陷處時，在高頻正弦信號上會產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信號變化，則需要對電橋輸出信號做正交解調處理。

圖3為檢測信號的處理過程框圖，同時采入激勵信號Ui與電橋輸出信號Uo，以激勵信號為載波實現正交解調。解調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I(t)和Q(t)信號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。

圖2 探頭經過缺陷處的信號變化示意

圖3 檢測信號處理過程框圖

實際的檢測系統采用60 kHz的正弦信號對渦流探頭進行激勵，同時作為電橋輸入。電橋電路的輸出電壓為正交解調的輸入信號，解調后得到缺陷引起的低頻變化分量，最后將計算所得的幅值和相位信號經過采集板卡在Labview平臺上顯示出來。試驗時，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，渦流檢測試驗現場如圖4所示。在試驗過程中，采用手推方式進行試驗，手推速度約為0.5 km·h-1。

圖4 渦流檢測試驗現場

2 缺陷檢測的試驗結果與分析

采用上述的差分渦流檢測裝置對參數不同的鋼軌樣本進行檢測試驗，得到傳感器在裂紋處的檢測信號的幅值和相位變化。試驗有3組鋼軌裂紋樣本，其中1號鋼軌上分布著不同長度的裂紋，2號鋼軌上分布著與列車運行方向成不同角度的裂紋，3號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置為30°，裂紋寬度在0.2～0.6 mm間。其中，2號鋼軌上裂紋樣本寬度均約為0.3 mm，3號鋼軌上裂紋樣本寬度均約為0.2 mm。

2.1 不同長度裂紋的檢測結果

1號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度從左到右依次增大。試驗所得的檢測結果如圖5(c),(d)所示，從相位信號中可以明顯觀察到缺陷的存在。其中，長度為1.41 mm的缺陷信號淹沒在噪聲中，而長度為2.83 mm及以上尺寸的缺陷都可以分辨出來。

圖5 1號鋼軌上不同長度裂紋的分布示意及其檢測結果

由于相位的檢測結果比幅值的檢測結果更為明顯，故下面只對相位信號進行分析。圖6所示為不同長度裂紋的檢測相位信號對比，可以看到隨著裂紋長度的增大，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度的增大呈上升趨勢。

圖6 1號鋼軌上不同長度裂紋的相位信號對比

2.2 與列車運行方向成不同角度的裂紋檢測結果

2號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，裂紋的長度在不斷減小。試驗所得的檢測結果如圖7(c),(d)所示，可見這些縱向長度為5 mm的裂紋都能在相位信號上明顯分辨出來。

圖7 2號鋼軌上與列車運行方向成不同角度的裂紋分布示意及其檢測結果

圖8 2號鋼軌上不同長度裂紋的相位信號對比

圖8為2號鋼軌上不同長度裂紋的檢測相位信號對比，可見其變化趨勢與1號樣本的相同，即相位峰峰值隨著裂紋長度的增大而不斷增大。

2.3 不同切割深度裂紋的檢測結果

3號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，裂紋長度最小為18 mm，隨著裂紋深度的增大，裂紋長度也在增大，最大為77 mm。試驗所得的檢測結果如圖9(c),(d)所示，可見包括深度為0.35 mm在內的裂紋都能從相位信號中分辨出來。

圖9 3號鋼軌上不同深度裂紋的分布示意及其檢測結果

圖10 3號鋼軌上不同深度裂紋的相位信號對比

圖11 1，2號鋼軌上缺陷相位峰峰值ΔP隨裂紋長度的變化曲線

圖10為3號鋼軌上不同深度裂紋的相位信號對比，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。

2.4 檢測結果分析

由于鋼軌上的缺陷樣本寬度最大為0.6 mm，遠小于探頭直徑8 mm，因此缺陷寬度對相位信號峰峰值間距的影響可以忽略不計，下面只對相位信號峰峰值進行深入分析。圖11所示為1號鋼軌和2號鋼軌上缺陷樣本的相位峰峰值ΔP隨裂紋長度的變化趨勢，其中ΔP為單個缺陷相位信號波峰與波谷間的差值。圖11中虛線圈出了兩個參數完全相同而處于不同鋼軌上的缺陷樣本的檢測結果，可見其試驗結果存在一定的誤差，但1號鋼軌和2號鋼軌上缺陷的相位峰峰值ΔP隨長度的變化趨勢基本一致，且隨著裂紋長度的增大，ΔP的增量在不斷減小，即斜率在減小。將裂紋長度與檢測探頭直徑8 mm作比較，當裂紋長度小于檢測探頭直徑時，ΔP的變化斜率較大；而當裂紋長度大于檢測探頭直徑時，ΔP的變化斜率較小。

對于3號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如圖12所示。由圖12可見：隨著裂紋深度的增大，ΔP整體呈增大趨勢；除虛線圈出的深2 mm缺陷外，曲線的斜率隨著深度增大在不斷減小，當缺陷深度大于3.5 mm時，相位峰峰值ΔP基本不變，即缺陷深度較小時，不同深度的缺陷易于區分，缺陷深度3.5 mm可視為激勵頻率60 kHz下渦流探頭對缺陷深度的分辨極限值。

圖12 3號鋼軌上缺陷相位峰峰值ΔP隨裂紋深度的變化曲線

3 結論

采用差分渦流檢測系統得到了裂紋缺陷檢測信號幅值和相位的變化。通過對不同參數的缺陷樣本進行檢測試驗，建立了缺陷特征與檢測信號相位之間的聯系。對于深度為2.7 mm的缺陷樣本，該渦流探頭可以檢測的最小裂紋長度為2.83 mm；對于長度為18 mm的缺陷樣本，該渦流探頭可以檢測到的最小深度為0.35 mm。從試驗結果分析可得，相位信號峰峰值ΔP隨缺陷的長度和深度呈增大趨勢，且隨著缺陷長度或深度的增大，ΔP的變化量在不斷減小。當缺陷長度小于探頭直徑8 mm時，ΔP的上升斜率較大，探頭對缺陷長度的分辨能力較強。當缺陷長度大于探頭直徑時，ΔP的上升斜率明顯減小，探頭對缺陷長度的分辨能力較弱。在60 kHz激勵下，該渦流探頭對缺陷深度的最大分辨極限在3.5 mm左右；當缺陷深度大于3.5 mm時，ΔP基本不變，探頭對缺陷深度的分辨能力極弱。