基于鋼軌超聲波探傷信號的處理及分析

韓永衛(wèi)

摘要：我國的高速鐵路系統(tǒng)具有較長的運營里程，且技術(shù)相對全面。伴隨國家鐵路既有線的提速與高鐵的快速發(fā)展，鋼軌所承受的負(fù)荷也在逐漸加大，其中的安全問題日漸凸顯。所以，應(yīng)對鋼軌傷損的分析加以重視，探尋其失效的原因，并提出相關(guān)措施，以延長鋼軌的實際使用年限。基于此，本文首先介紹了鋼軌超聲波探傷的原理，并論述了各種鋼軌超聲波探傷信號的處理，以供參考。

關(guān)鍵詞：超聲波探傷;鋼軌;信號處理

一、鋼軌超聲波探傷的原理

對于超聲波探傷這種技術(shù)而言，其是借助超聲技術(shù)透入金屬材料的深部，針對各截面產(chǎn)生反射相應(yīng)的回波信號所具有的特點加以分析，對金屬是否存在損傷的情況進(jìn)行實際的檢測。超聲波儀器探頭所產(chǎn)生的波束，從金屬的表面進(jìn)入至內(nèi)部的情況下，在碰到存在缺陷的位置或是與零件底面發(fā)生接觸的過程中便會發(fā)出相應(yīng)的反射波，這種對金屬缺陷進(jìn)行反映的反射波會在熒屏中生成相應(yīng)的脈沖波形，檢測工作人員結(jié)合脈沖波形，便可以對金屬傷損缺項所處的位置及實際大小做出一定的判斷。當(dāng)前，超聲波探傷檢測已然作為一種十分重要的技術(shù)運用在鋼軌質(zhì)量檢測工作的開展中。

二、超聲波模擬信號的處理

見圖一，在超聲波信號，通過T/R高壓隔離以后，進(jìn)入至前端處理電路，這一過程中通常是實現(xiàn)信號的增益控制以及濾波的處理。對于前端處理，通常包括可變增益放大器VCA、信號離散化處理ADC、低噪聲運放LNA眾多不同的環(huán)節(jié)。這一過程所處理的通常都是模擬信號。

（一）增益控制

VCA、PGA和LNA幾個部分通常應(yīng)用在超聲波信號的增益控制中，LNA能夠有效加強電路相應(yīng)的輸入抗阻，針對信號實施10-20dB固定增益的放大處理，并且令單端至差分輸出和高帶寬能夠得以實現(xiàn)。PGA可編程增益放大器，主要是借助軟件的設(shè)置確保相應(yīng)固定增益的有效實現(xiàn)。VCA主要是對兩種應(yīng)用加以實現(xiàn)：應(yīng)用在聲程補償控制中的TGC與自動增益控制中的AGC。因為在超聲傳輸這一過程中，相應(yīng)的回波信號在強弱上存在一定的差異，為了確保其幅度在一種比較理想的狀態(tài)下，可以應(yīng)用自動增益控制。

（二）LPF低通濾波處理

針對超聲波前端處理，其中的低通濾波器LPF，屬于模擬濾波器，通常對其進(jìn)行7兆赫、10兆赫、15兆赫三種固定截止頻率的設(shè)置，對應(yīng)的輸出會直接性供應(yīng)后級模數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后加以應(yīng)用，所以其所具有的功能是，一方面可以實現(xiàn)對高頻噪聲的有效濾除，另一方面可以完成抗混疊濾波。

三、超聲波數(shù)字信號的處理

（一）閾值控制

在通過包絡(luò)檢波處理以后，相應(yīng)信號中便會包括超聲波回波包絡(luò)與噪聲包絡(luò)，科學(xué)地對閾值控制算法加以應(yīng)用，是回波包絡(luò)信號提取，以及噪聲包絡(luò)信號消除中的重點所在，這樣會在一定程度上對傷損的誤判與漏判情況造成影響。若是閾值取值過大，就有可能會導(dǎo)致真正傷損位置被漏掉，相反便會將噪聲作為回波加以處理，產(chǎn)生誤報的問題。

（二）閘門的疊加

具體進(jìn)行處理時，包絡(luò)問題的產(chǎn)生具有一定的規(guī)律性，僅僅出現(xiàn)于一些特定的區(qū)間范圍中，則這一區(qū)間范圍便是需要進(jìn)行監(jiān)視的閘門。界面波閘門便是界面波相應(yīng)的監(jiān)視區(qū)間范圍，唯有該區(qū)間范圍中產(chǎn)生了界面波信號方符合預(yù)期。同樣的道理，底波閘門和傷損閘門對應(yīng)的分別是底波和監(jiān)視傷損波的區(qū)間范圍。為了保證這一無形的閘門信號，可以較為直觀地在A型顯示內(nèi)進(jìn)行觀察，便應(yīng)針對檢測的相應(yīng)信號，疊加至一個相對固定的電平上。

（三）時間提取

在鋼軌探傷中，傷損相應(yīng)的埋藏深度，最終會在界面波包絡(luò)和傷損包絡(luò)二者間的時間t上加以充分反映，若是相應(yīng)的傳播距離d=v×t，其中v是鋼軌傳播中的聲速，則對應(yīng)的埋藏深度S便是一半的傳播距離，也就是S=d/2，所以，只需要獲取對應(yīng)的傳播時間，便可以計算出埋藏相應(yīng)的深度。

四、超聲波圖形數(shù)據(jù)信息的處理

（一）空間轉(zhuǎn)換

針對數(shù)字化的超聲波信號，根據(jù)時間上的先后順序，轉(zhuǎn)換成鋼軌里程和傷損埋藏深度作為參照坐標(biāo)系這一過程便是空間轉(zhuǎn)換。這里將以軌腰相應(yīng)的螺栓孔R1進(jìn)行舉例，對空間轉(zhuǎn)換的基本原理加以說明。結(jié)合圖二傳感器布局圖和探測區(qū)域能夠得知，對軌腰區(qū)域進(jìn)行探測的相應(yīng)聲束分別是0度和37度，依照行進(jìn)的方向，針對螺栓孔R1進(jìn)行探測的順序是：前探輪的0度和37度聲束A1和A2、后探輪的37度和0度聲束A3和A4。依照超聲波反射基本原理，孔的切面是相應(yīng)的反射面，最后通過合成獲取A字型反射圖標(biāo)。

（二）傷損的識別

在進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換處理以后的超聲波反射圖形，將一段鋼軌中包含的全部反射圖形進(jìn)行集中性的顯示，對反射圖形相應(yīng)的特點加以分析，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)損傷特點實施比對，之后對不同類型的傷損進(jìn)行定義，稱之為傷損的識別。比如，針對兩段落存在螺栓孔鋼軌接縫相應(yīng)的檢測結(jié)果加以分析。通過空間轉(zhuǎn)換的基本原理可以得知，孔反射可以促成A型反射回波，相反，若是可以獲取A型反射回波，便一定能夠推導(dǎo)出為空反射所造成。

結(jié)束語：綜上所述，高速鐵路系統(tǒng)運行中，鋼軌傷損問題是其中應(yīng)予以重視的問題之一。而鋼軌傷損問題通常采用超聲波探傷技術(shù)加以檢測，因此，應(yīng)對超聲波探傷技術(shù)進(jìn)行深入研究，以使其在鋼軌探傷中的作用得到更為充分地發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉永章.鐵路鋼軌焊縫超聲波探傷技術(shù)及便攜式檢測儀器分析[J].中華建設(shè)，2021（02）：104-105.