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基于三维漏磁检测技术的高速铁路钢轨斜裂纹特征识别研究

作　者: 赵飒
导　师: 王平
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 斜裂纹三维漏磁有限元阵列传感器特征值
分类号: O346.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 67次
引　用: 1次
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内容摘要

与钢轨走向呈一定夹角的斜裂纹是高速铁路钢轨表面最主要的损伤形式,对其进行快速准确识别意义重大。三维漏磁检测技术具有检测速度快、无需裂纹主平面与磁化方向垂直的特点,采用传感器阵列结构可以对大面积区域进行快速扫描,成像显示,减少检测盲区的优点。因此本文采用三维阵列传感器漏磁检测技术来实现对斜裂纹的准确识别。本论文首先调研了高速铁路钢轨表面主要的损伤方式及其特点,探讨了现有钢轨缺陷检测手段及其优缺点,提出了采用三维漏磁检测技术来实现对斜裂纹的准确识别。然后在理论上简述了漏磁检测的原理、信号特征及其成因,分析了斜裂纹漏磁场的磁力线分布规律,提出了识别斜裂纹与钢轨走向夹角的方法。采用Ansoft有限元仿真软件对钢轨表面斜裂纹进行三维静态仿真,验证该识别方法的可行性。在此基础上研究并设计了三维阵列传感器漏磁检测系统实验平台,主要包括信号激励部分、三维阵列霍尔传感器、信号放大调理部分、码盘位移传感器部分、数据采集部分、计算机处理部分。其次利用该实验平台,对相应的钢轨表面人工裂纹进行了实验研究,采用位移重构、小波去噪的方法对检测信号进行了预处理,分别从裂纹漏磁场Bx、By分量提取特征值,计算斜裂纹与钢轨走向夹角,然后对阵列传感器数据成像分析,验证该方法的准确性。最后,对本论文的工作进行了总结,并对进一步的研究工作提出了一些建议。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-22
  1.1 研究的背景及意义  13-15
    1.1.1 钢轨表面斜裂纹产生的机理  13-14
    1.1.2 钢轨表面斜裂纹的特点  14-15
  1.2 常见的钢轨检测方法及研究现状  15-18
    1.2.1 钢轨巡检的难点  15-16
    1.2.2 国内外钢轨检测现状  16-18
  1.3 漏磁检测技术的发展现状  18-19
  1.4 斜裂纹量化研究的首要问题  19-21
  1.5 本论文主要的研究内容  21-22
第二章斜裂纹三维漏磁检测的理论基础  22-30
  2.1 电磁学理论基础  22-23
    2.1.1 磁场的两个基本定理  22
    2.1.2 磁路定理  22-23
    2.1.3 麦克斯韦方程组  23
  2.2 漏磁检测的原理  23-24
  2.3 漏磁检测的信号特征  24-26
  2.4 漏磁信号特征的物理形成机制  26-27
  2.5 识别斜线状裂纹夹角θ的方法  27-28
  2.6 速度效应影响分析  28-29
  2.7 本章小结  29-30
第三章钢轨表面斜裂纹的三维仿真分析  30-45
  3.1 有限元分析法简介  30
  3.2 三维非线性磁场有限元计算原理  30-31
  3.3 ANSOFT软件及网格剖分技术  31-32
  3.4 利用ANSOFT电磁场有限元分析软件建立仿真模型  32-33
    3.4.1 仿真模型各参数设定  32-33
    3.4.2 确定提离距离  33
  3.5 对钢轨表面不同参量的斜裂纹进行三维静态仿真  33-39
    3.5.1 长度变化  34-35
    3.5.2 宽度变化  35-36
    3.5.3 深度变化  36-37
    3.5.4 α变化  37-38
    3.5.5 θ变化  38-39
  3.6 阵列传感器成像分析  39-44
    3.6.1 阵列传感器识别斜裂纹长度  39-41
    3.6.2 阵列传感器成像识别斜裂纹角度  41-43
    3.6.3 传感器阵列成像识别形状复杂裂纹  43-44
  3.7 本章小结  44-45
第四章三维阵列传感器漏磁检测系统设计  45-55
  4.1 系统总体设计  45-46
  4.2 激励选择  46
  4.3 三维阵列传感器探头设计  46-48
    4.3.1 传感器选择  46-48
    4.3.2 传感器阵列设计  48
  4.4 放大电路设计  48-49
  4.5 位移传感器选择  49-51
  4.6 数据采集模块设计  51-54
    4.6.1 采样频率的设定  51-52
    4.6.2 采集卡的选择  52
    4.6.3 数据采集软件设计  52-54
  4.7 本章小结  54-55
第五章实验及结果分析  55-70
  5.1 钢轨表面人工裂纹设计  55-56
    5.1.1 钢轨G1斜裂纹设计  55-56
    5.1.2 钢轨G2表面裂纹分布参数  56
  5.2 检测信号的预处理  56-60
    5.2.1 检测信号对应位移的预处理  57-58
    5.2.2 检测信号去噪  58-60
  5.3 不同参数的斜裂纹实验结果分析  60-66
    5.3.1 宽度变化  60-61
    5.3.2 深度变化  61-62
    5.3.3 斜裂纹与钢轨表面夹角α变化  62-63
    5.3.4 θ变化的斜裂纹角度识别  63-66
  5.4 三维成像分析  66-68
    5.4.1 识别斜裂纹长度  66-67
    5.4.2 阵列成像识别θ  67
    5.4.3 阵列成像识别复合形状裂纹  67-68
  5.5 系统检测结果误差分析  68-69
  5.6 本章小结  69-70
第六章总结与展望  70-73
  6.1 全文总结  70
  6.2 展望  70-73
参考文献  73-77
致谢  77-78
在学期间的研究成果及发表的学术论文  78

基于三维漏磁检测技术的高速铁路钢轨斜裂纹特征识别研究

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