基于电磁超声表面波的钢轨轨头缺陷检测方法的研究

论文摘要

随着近年来高铁建设的不断推进以及铁路运输的日益繁忙,钢轨尤其是轨头部分的缺陷日益增多,严重影响行车安全。常规检测方法如压电超声、涡流、漏磁及机器视觉等,均存在一定的缺点,无法完成钢轨轨头缺陷的有效检测。而电磁超声表面波具有无需耦合剂、检测效率高、检测速度快、检测范围广等优点,因此进行基于电磁超声表面波的钢轨轨头缺陷检测方法的研究,对保障铁路安全有重要的理论意义和实用价值。本文在深入研究表面波钢轨轨头缺陷检测的原理与方法基础上,通过与压电超声相比较,针对钢轨轨头常见的缺陷形式,设计了基于电磁超声表面波的钢轨轨头缺陷检测总体方案。设计了基于电磁超声表面波的钢轨轨头缺陷检测装置,实现了钢轨轨头缺陷的有效检测。完成了表面波发射接收电路、数据采集电路等硬件设计,实现了表面波的发射、接收及采集;利用实验室现有的电磁超声信号采集及分析平台,完成了装置的软件设计,实现了硬件电路控制和数据存储。设计了电磁超声窄带表面波线圈,利用三种频率的窄带表面波检测钢轨上裂纹、核伤、竖直孔以及水平孔等缺陷,实现钢轨轨头不同位置缺陷的有效检测;采用电磁超声宽带表面波线圈,对钢轨轨头上不同深度的矩形槽及不同直径的竖直孔进行检测,为两种缺陷的识别奠定了实验基础。完成了基于电磁超声表面波的钢轨轨头缺陷检测及识别算法。采用基于小波变换的阈值消噪算法,对接收回波进行消噪处理;采用FFT和小波包能量谱方法对接收回波进行频谱分析,并提取回波中心频率、中心频率处能量以及小波包能量等特征;最后采用支持向量机的方法,利用提取的特征,构建缺陷分类器,实现了钢轨轨头上矩形槽和竖直孔两种缺陷形式的有效识别。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源及研究的目的和意义
• 1.2 钢轨轨头缺陷检测方法的研究现状
• 1.3 超声信号消噪及缺陷识别技术的研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 电磁超声钢轨轨头缺陷检测装置设计
• 2.1 引言
• 2.2 电磁超声表面波钢轨轨头缺陷检测原理
• 2.2.1 电磁超声表面波激发原理
• 2.2.2 超声反射法原理
• 2.3 装置主要功能及检测指标
• 2.3.1 试件选取及制作
• 2.3.2 装置主要功能及检测指标
• 2.4 装置总体方案设计
• 2.5 装置硬件设计
• 2.5.1 发射接收电路设计
• 2.5.2 数据采集电路设计
• 2.6 装置软件设计
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于电磁超声表面波的轨头缺陷检测
• 3.1 引言
• 3.2 基于多频率窄带表面波的轨头缺陷检测
• 3.2.1 表面波频率选取原则
• 3.2.2 窄带表面波线圈设计
• 3.2.3 实验结果及分析
• 3.3 基于宽带表面波的轨头缺陷检测
• 3.3.1 超声频谱法缺陷识别原理
• 3.3.2 宽带表面波线圈设计
• 3.3.3 实验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 轨头缺陷回波信号消噪及特征提取
• 4.1 引言
• 4.2 基于小波变换的轨头缺陷回波信号消噪方法
• 4.2.1 小波基本理论
• 4.2.2 Mallat算法
• 4.2.3 小波消噪的基本理论
• 4.2.4 小波消噪的Matlab实现
• 4.3 基于FFT的轨头缺陷回波信号的特征提取
• 4.3.1 傅里叶变换基本理论
• 4.3.2 基于FFT的轨头缺陷回波信号特征提取
• 4.4 基于小波包能量谱的轨头缺陷回波信号的特征提取
• 4.4.1 小波包变换的基本原理
• 4.4.2 基于小波包能量谱的缺陷回波信号特征提取
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于支持向量机的缺陷识别方法
• 5.1 引言
• 5.2 支持向量机基本理论
• 5.2.1 分类问题的提出
• 5.2.2 线性可分问题的支持向量机
• 5.2.3 非线性可分问题的支持向量机
• 5.3 基于支持向量机的缺陷类型识别
• 5.3.1 基于支持向量机钢轨缺陷识别步骤
• 5.3.2 表面波钢轨缺陷回波特征的选取
• 5.3.3 基于支持向量机的缺陷识别
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢