用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)元件的狀況的系統(tǒng)和開發(fā)該系統(tǒng)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測細長結(jié)構(gòu)元件的狀況的系統(tǒng)，尤其但不排他地涉及一種用于監(jiān)測和檢測鐵路導(dǎo)軌中的裂痕和斷裂的系統(tǒng)。本發(fā)明還延伸到設(shè)計和開發(fā)這樣的系統(tǒng)的方法。所述方法包括以下步驟：識別能夠預(yù)期通過細長的結(jié)構(gòu)元件行進遠距離的傳播模式和信號頻率；選擇適合的傳播模式和工作頻率；設(shè)計適于在所選擇的頻率上激勵所選擇的模式的換能器；對附接到所述細長的結(jié)構(gòu)元件上的換能器數(shù)值建模；以及分析所選擇的傳播模式對換能器激勵的諧波響應(yīng)，以便驗證換能器設(shè)計。
【專利說明】用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)元件的狀況的系統(tǒng)和開發(fā)該系統(tǒng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測細長結(jié)構(gòu)元件的狀況的系統(tǒng)，尤其但不排他地涉及一種用于監(jiān)測和檢測鐵路導(dǎo)軌中的裂痕和斷裂的系統(tǒng)。本發(fā)明還延伸到設(shè)計和開發(fā)這樣的系統(tǒng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)提出用于監(jiān)測細長結(jié)構(gòu)元件(尤其是鐵路導(dǎo)軌)的完整性的幾種方法和系統(tǒng)。這些方法和系統(tǒng)的目的旨在于裂痕發(fā)展到完全斷裂之前檢測出導(dǎo)軌中的裂痕，并且還檢測鐵路網(wǎng)中已經(jīng)發(fā)生的斷裂。如果事先未檢測出導(dǎo)軌中的裂痕或斷裂，則可能導(dǎo)致在軌道上行駛的鐵路車輛的出軌?？梢岳斫獾氖牵@樣的出軌造成經(jīng)濟損失，還可能導(dǎo)致人身傷害和喪失生命。此外，應(yīng)該指出的是，雖然參照鐵路，但是這些系統(tǒng)同樣適用于利用結(jié)構(gòu)鋼長度的其它應(yīng)用場合，諸如礦井和橋梁。
[0003]南非專利99/6936中公開了一種在鐵路軌道的導(dǎo)軌中檢測裂痕和斷裂的方法，其內(nèi)容通過引用合并于此。所述方法包括提供若干獨立的聲發(fā)送器單元以及位于發(fā)送器單元之間的聲接收器單元的步驟。各個單元彼此間隔開預(yù)定距離。發(fā)送器單元將具有特定頻率分量的一系列聲脈沖引發(fā)到導(dǎo)軌中，并且接收器單元檢測和分析所述脈沖以檢測任何有關(guān)導(dǎo)軌的不期望的狀況。此方法需要使用發(fā)送器和使用接收器以檢測導(dǎo)軌的狀況。
[0004]Philip W.Loveday在Smart Structures and Materials2000:Smart Systems forBridges, Structures, and Highways,(智能結(jié)構(gòu)與材料2000:用于橋梁、架構(gòu)及高速公路的智能系統(tǒng))Proceed ings of SPIE 第 3988 卷第 330-338 頁，2000 年，紐波特海灘(NewportBeach), ((Development of piezoelectric transducers for a railway integritymonitoring system (用于鐵路完整性監(jiān)測系統(tǒng)的壓電換能器的開發(fā))》中討論了用于在鐵路導(dǎo)軌中檢測和監(jiān)測裂痕和斷裂的此方法的換能器的開發(fā)。該系統(tǒng)利用于安裝(夾持)在軌道外側(cè)導(dǎo)軌的冠部下方的壓電換能器。在PCT專利申請W02004/098974中描述了夾持所述壓電換能器的方法，其內(nèi)容通過引用合并于此。
[0005]壓電換能器沿鐵路網(wǎng)的長度間隔開，壓電換能器通過導(dǎo)軌定期發(fā)送超聲波。該波通過軌道從一個換能器朝向作為接收站的下游換能器傳播。通常，換能器間隔開約I公里。如果未在接收器站檢測到超聲信號，則該接收器站激活警報，指示導(dǎo)軌具有裂縫或已經(jīng)斷
? ο
[0006]與上述系統(tǒng)相關(guān)的一個缺點在于，壓電換能器附接(夾持)在軌道外側(cè)導(dǎo)軌的冠部下方。壓電換能器較大，并且因為其會妨礙列車車輪所以無法附接在軌道內(nèi)側(cè)的冠部下方。因為用于重新鋪設(shè)軌枕下方的道渣的“搗固”機具有接合冠部外側(cè)的車輪，所以在例行軌道維護時必須從導(dǎo)軌上移除壓電換能器。壓電換能器的移除和重新附接(在重新附接之后的兩周需要重新緊固夾持部)增加了系統(tǒng)的維護成本并導(dǎo)致系統(tǒng)無法工作的時間段。
[0007]此外，由于發(fā)送信號不夠強，并且因為從傳播和工作頻率上看，換能器也不能準(zhǔn)確地匹配到待附接的特定結(jié)構(gòu)元件，所以現(xiàn)有的系統(tǒng)不適用于超過I公里的距離。[0008]開發(fā)上述檢測系統(tǒng)已普遍使用的設(shè)計方法，未最佳地合并使用對換能器和導(dǎo)軌響應(yīng)進行數(shù)學(xué)建模然后以迭代方式設(shè)計換能器的數(shù)學(xué)建模技術(shù)。這導(dǎo)致?lián)Q能器的選擇沒有為特定應(yīng)用進行必要地優(yōu)化，并可能導(dǎo)致?lián)Q能器比實際所需要的大，同時也沒有針對信號的發(fā)送和接收進行優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于監(jiān)測和檢測鐵路導(dǎo)軌中的裂痕和斷裂的系統(tǒng)，其將解決上述缺點。
[0010]本發(fā)明的另一目的是提供一種用于根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的壓電換能器。
[0011]本發(fā)明的又一目的是提供一種用于開發(fā)基于換能器的故障檢測系統(tǒng)的方法，其將至少部分地克服上述缺點，還將成為替代現(xiàn)有設(shè)計方法的新的和有用的方法。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的第一方案，提供了一種開發(fā)基于換能器的故障檢測系統(tǒng)的方法，所述方法包括以下步驟：
[0013]識別能夠預(yù)期通過細長的結(jié)構(gòu)元件行進遠距離的傳播模式和信號頻率；
[0014]選擇適合的傳播模式和工作頻率；
[0015]設(shè)計適于在所選擇的頻率上激勵所選擇的模式的換能器；
[0016]對附接到所述細長的結(jié)構(gòu)元件上的換能器數(shù)值建模；以及
[0017]分析所選擇的傳播模式對換能器激勵的諧波響應(yīng)，以便驗證換能器設(shè)計。
[0018]識別能夠預(yù)期通過細長的結(jié)構(gòu)元件行進遠距離的傳播模式和頻率的步驟優(yōu)選地包括：使用具有預(yù)定材料特性的特定導(dǎo)軌型面的數(shù)值模型。
[0019]選擇適合的傳播模式和工作頻率優(yōu)選地包括：選擇在大范圍頻率上具有低衰減并且對導(dǎo)軌型面的小改變相對不敏感的傳播模式。
[0020]所述方法還可以包括以下步驟：迭代地（iteratively)改變換能器部件的尺寸，以便在工作頻率上取得所選擇的傳播模式的最佳響應(yīng)，并且計算導(dǎo)軌對換能器的電激勵的預(yù)測位移時間響應(yīng)。
[0021]所述方法還可以包括驗證階段，所述驗證階段包括以下步驟：
[0022]根據(jù)所建模的換能器制造原型；
[0023]測量所述換能器的自由電導(dǎo)納，并且比較測量到的自由電導(dǎo)納和由上述模型預(yù)測的導(dǎo)納。
[0024]所述驗證階段還可以包括以下步驟：
[0025]將所述換能器附接到預(yù)定長度的結(jié)構(gòu)元件；
[0026]在所述結(jié)構(gòu)元件的表面上測量位移響應(yīng)；以及
[0027]比較測量到的響應(yīng)和預(yù)測的位移時間響應(yīng)。
[0028]所述驗證階段還可以包括以下步驟：執(zhí)行使用中的現(xiàn)場測量，以便確認激勵所選擇的模式以及具有低衰減的傳播。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的第二方案，提供了一種用于監(jiān)測和檢測鐵路導(dǎo)軌中的裂痕或斷裂的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括限定系統(tǒng)的發(fā)送站和接收站的多個換能器，其特征在于，所述換能器優(yōu)選地位于所述導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)。
[0030]設(shè)置成所述多個換能器呈現(xiàn)以預(yù)定間隔開的位置定位的一系列單個換能器的形式，從一個用作發(fā)送器的換能器沿所述導(dǎo)軌定期發(fā)送超聲波至用作接收器的下一個換能器。
[0031]還設(shè)置成所述多個換能器呈現(xiàn)以預(yù)定間隔分離開的一系列單個換能器的形式，從一個用作發(fā)送器的換能器沿所述導(dǎo)軌定期發(fā)送超聲波，并且由所述導(dǎo)軌中的裂痕反射回也用作接收器的同一換能器。
[0032]還設(shè)置成在每個預(yù)定位置處定位多個換能器，以便限定換能器的陣列?？梢栽O(shè)置若干陣列，所述換能器的陣列以預(yù)定間隔隔開。
[0033]在一個實施例中，換能器被永久地附接到導(dǎo)軌，位于導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)上。
[0034]優(yōu)選地，所述導(dǎo)軌包括腹板和冠部，并設(shè)置成將換能器附接到所述冠部的下方，或者可選地附接到所述導(dǎo)軌的所述腹板。
[0035]有利的是，所述換能器的幾何尺寸、形狀和構(gòu)造使其附著于導(dǎo)軌而不妨礙行駛在導(dǎo)軌上的鐵路車輛的車輪。
[0036]在一個實施例中，系統(tǒng)被構(gòu)造成使得如果導(dǎo)軌中無裂痕或斷裂，則上游換能器沿導(dǎo)軌發(fā)送的超聲波被下游換能器接收到。所述系統(tǒng)還被構(gòu)造為使得如果下游換能器未接收到由上游換能器發(fā)送的超聲波，則觸發(fā)警報，警告導(dǎo)軌中可能存在裂痕或斷裂。
[0037]在另一實施例中，所述系統(tǒng)被構(gòu)造成使得換能器沿導(dǎo)軌發(fā)送超聲波，并且如果該超聲波被導(dǎo)軌中的裂痕反射，則同一換能器接收該超聲波。所述系統(tǒng)還被構(gòu)造為使得如果換能器接收到反射的超聲波，則觸發(fā)警報，警告導(dǎo)軌中可能存在裂痕。
[0038]在又一實施例中，所述系統(tǒng)包括上述兩個功能。
[0039]在一個實施例中，所述換能器以約1至3公里的距離間隔開。優(yōu)選地，所述換能器以約2公里的距離間隔開。
[0040]優(yōu)選地，所述換能器是壓電換能器。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的另一個方案，提供一種換能器，其適用在用于監(jiān)測和檢測鐵路軌道的導(dǎo)軌中的裂痕或斷裂的系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)包括限定系統(tǒng)的發(fā)送站和接收站的多個換能器，其特征在于，所述換能器位于所述導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]參照附圖并通過非限制性示例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，附圖中:
[0043]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括附接到鐵路軌道的導(dǎo)軌的兩個壓電換能器，用于監(jiān)測和檢測導(dǎo)軌中的裂痕或斷裂；
[0044]圖2示出用于為特定導(dǎo)軌型面選擇適當(dāng)?shù)膫鞑ツＪ胶凸ぷ黝l率的初始建模過程的輸出；以及
[0045]圖3示出現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的性能之間的實驗性比較。
【具體實施方式】
[0046]設(shè)計方法示例
[0047]參照圖2描述根據(jù)本發(fā)明的用于開發(fā)基于換能器的故障檢測系統(tǒng)的方法和開發(fā)過程。所述方法是一種計算機實施的方法。
[0048]1.分析在減震支撐件上的導(dǎo)軌型面的頻散((118136181011)[0049]此步驟涉及開發(fā)導(dǎo)軌型面的數(shù)值(半解析有限元法）模型，同時還納入導(dǎo)軌的材料特性。半解析有限元模型的開發(fā)是本領(lǐng)域中已知的方法，但迄今尚未在此特殊應(yīng)用中使用。對模型進行分析，以確定可以預(yù)期行進遠距離的傳播模式和頻率。圖2中用箭頭示出預(yù)期以低衰減行進的一些傳播模式和頻率。點的大小表示預(yù)期的傳播性能。多個點形成描述不同傳播模式的曲線。箭頭示出可能合適的三種模式，因此決定使用頻率中心處在箭頭位置處的信號。
[0050]2.選擇話當(dāng)?shù)膫鞑ツＪ胶皖l率
[0051]基于步驟I的結(jié)果選擇傳播模式和工作頻率。所選擇的模式具有在相當(dāng)大的頻率范圍上的低衰減，使得其可以預(yù)期工作在一定溫度范圍內(nèi)。此分析是考慮具有最低相對衰減的模式和頻率的定性過程。此分析并不試圖量化實際衰減。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠理解和正確運用這種定性方法。事實上，如果要求系統(tǒng)檢測特定類型的裂痕，則所選擇的傳播模式應(yīng)包含發(fā)生裂痕的區(qū)域中的能量。選擇傳播模式和頻率范圍以對由于例如導(dǎo)軌型面磨損或?qū)к壷械妮S向載荷的改變而產(chǎn)生的導(dǎo)軌幾何形狀的改變相對不敏感。在該特定示例中，選擇在35kHz處具有82rad/m波數(shù)的模式，進行額外的分析以確保所選擇的點對導(dǎo)軌磨損、溫度改變和軸向載荷不敏感。
[0052]3.換能器構(gòu)造的概念化設(shè)計
[0053]隨后對適用于永久附接到導(dǎo)軌的換能器構(gòu)造進行概念化。在此示例中，設(shè)計適于附接到導(dǎo)軌冠部下方的夾心型換能器。換能器設(shè)計在結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上與現(xiàn)有的換能器設(shè)計沒有本質(zhì)不同，但由于整體設(shè)計方法而預(yù)期更佳地匹配于整體系統(tǒng)。
[0054]4.附接到導(dǎo)軌的換能器構(gòu)造的數(shù)值建模并定尺寸以在所需頻率上獲得較大響應(yīng)
[0055]準(zhǔn)備壓電換能器的數(shù)值模型(三維有限元法)，并且將其聯(lián)接到軌道的數(shù)值模型(半解析有限元法)。隨后分析所選擇的模式對換能器的電激勵的諧波響應(yīng)。然后迭代地(iteratively)改變換能器部件的尺寸，以便在工作頻率上獲得所選擇的模式的最佳響應(yīng)。這種方法由本發(fā)明人在之前開發(fā)，并且更詳細地描述于《Simulation of PiezoelectricExcitation of Guided Waves Using Waveguide Finite Elements(使用波導(dǎo)有限兀模擬導(dǎo)波的壓電激勵）〉〉，Loveday P W，IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, andFrequency control,第54卷第10期,2007年10月，其內(nèi)容通過引用合并于此。最后，確定由于換能器的粹發(fā)音（tone-burst)電激勵而產(chǎn)生的導(dǎo)軌的預(yù)測位移時間響應(yīng)，用于稍后的驗證階段。這種方法也由本發(fā)明人在之前開發(fā)，并且更詳細地描述于《Analysis ofPiezoelectric Ultrasonic Transducers Attached to Waveguides Using WaveguideFinite Elements (使用波導(dǎo)有限元分析附接到波導(dǎo)的壓電超聲換能器)》，Loveday PW，IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control,第 55卷第9期，2008年9月，其內(nèi)容通過引用合并于此。
[0056]5.實驗室中的換能器原型制造和測暈
[0057]基于以上模型，制造若干原型換能器。測量每個換能器的自由電導(dǎo)納并與模型預(yù)測值比較以驗證正確的制造。隨后在實驗室環(huán)境中將換能器附接到短導(dǎo)軌長度，并對其施加粹發(fā)音電激勵。使用激光振動計（vibrometer)測量出在Im或更大距離處的導(dǎo)軌表面上的位移響應(yīng)。然后，將測量到的結(jié)果與步驟4的預(yù)測位移時間響應(yīng)比較。
[0058]6.實地測暈以確定換能器性能和在導(dǎo)軌中的傳播模式[0059]隨后在實地將換能器附接到實際導(dǎo)軌，并且對其進行電驅(qū)動。在導(dǎo)軌表面上離換能器不同距離(例如5130015000)處進行掃描激光振動計測量。提取存在于測量到的數(shù)據(jù)中的模式，以確認正在激勵所選擇的模式，并且的確以低衰減傳播。用新的換能器進行遠距離發(fā)送-接收測量，并且與用現(xiàn)有技術(shù)的換能器進行的同樣測量相比較。
[0060]7.換能器的工業(yè)化
[0061]繼上述換能器設(shè)計過程之后，對換能器進行工業(yè)化，此過程包括準(zhǔn)備制造數(shù)據(jù)包以及合格鑒定和驗收測試過程。
[0062]上述過程產(chǎn)生了一種優(yōu)化的換能器設(shè)計，其滿足所需的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，同時相比較類似的故障檢測應(yīng)用中所使用的現(xiàn)有換能器，具有相對較小的尺寸。
[0063]該設(shè)計方法還可以用于特定應(yīng)用和型面的換能器的優(yōu)化設(shè)計，因此形成更準(zhǔn)確的用于故障檢測系統(tǒng)的換能器設(shè)計。
[0064]系統(tǒng)的實施例的描述
[0065]使用上述設(shè)計方法設(shè)計的換能器尺寸相對較小，使得能夠使用新的構(gòu)造，現(xiàn)在將參照圖1更詳細地總體描述此構(gòu)造。
[0066]通常，鐵路軌道包括安裝在軌枕12上的兩個平行的導(dǎo)軌11。通常，導(dǎo)軌11具有的型面包括:安放在軌枕12上的基座13、從基座13向上延伸的腹板14以及自腹板14橫向延伸的冠部15，鐵路車輛的車輪16在其上行駛。然而，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的系統(tǒng)經(jīng)修改后可以用于任何導(dǎo)軌型面。應(yīng)該理解的是，所描述的實施例涉及鐵路應(yīng)用的一個特定用途，但該系統(tǒng)同樣可以用于涉及結(jié)構(gòu)鋼的長度的任何應(yīng)用，例如橋梁和礦井。
[0067]根據(jù)本發(fā)明，系統(tǒng)10包括換能器17，用于檢測導(dǎo)軌中的裂痕和斷裂。本系統(tǒng)中所使用的換能器是壓電換能器17。壓電換能器17可以永久地附接在導(dǎo)軌的冠部15的下方，或附連到導(dǎo)軌11的腹板14。壓電換能器17的幾何尺寸、形狀和構(gòu)造使得其可以附接到導(dǎo)軌11而不妨礙利用導(dǎo)軌11的鐵路車輛的車輪16。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，這些壓電換能器17定位于導(dǎo)軌11上，處于導(dǎo)軌11的內(nèi)側(cè)。
[0068]壓電換能器17發(fā)送沿導(dǎo)軌11行進的超聲波，并且還操作為接收器，用于接收沿導(dǎo)軌11發(fā)送的超聲波。這些壓電換能器17定期地沿導(dǎo)軌11發(fā)送超聲波以監(jiān)測導(dǎo)軌11的狀況，即檢測導(dǎo)軌11中的裂痕和斷裂。
[0069]壓電換能器17沿導(dǎo)軌11以預(yù)定距離彼此間隔開。通常，壓電換能器17以約1至3公里的距離彼此間隔開。
[0070]系統(tǒng)10被構(gòu)造為使得位于導(dǎo)軌11的上游的換能器17沿導(dǎo)軌11發(fā)送超聲波形式的信號，該信號被位于上游換能器17的下游的換能器17接收。如果下游換能器17接收到由上游換能器17發(fā)送的超聲波，則系統(tǒng)10確定導(dǎo)軌11中無裂痕或斷裂。然而，如果由上游換能器17發(fā)送的超聲波未到達下游換能器17，則系統(tǒng)10確定導(dǎo)軌11中可能存在裂痕或斷裂。
[0071]在位于下游的換能器17未接收到上游換能器17發(fā)送的超聲波的情況下，系統(tǒng)10被配置為產(chǎn)生指示導(dǎo)軌11中可能存在裂痕或斷裂的信號。該信號觸發(fā)警報，警告導(dǎo)軌11中可能存在裂痕或斷裂。此警報被發(fā)送到基站或利用鐵路軌道的鐵路車輛。
[0072]在上述示例中，系統(tǒng)被用作信號發(fā)送系統(tǒng)。然而，在另一實施例(未示出)中，同一換能器還可以用于脈沖-回波構(gòu)造，其中由同一換能器發(fā)送和接收信號。由換能器發(fā)送信號，并且如果導(dǎo)軌中存在裂痕，則信號將被反射回還作為接收器的同一換能器。使用上述設(shè)計方法開發(fā)的換能器由于增強了信號強度，因而也特別適合于這種類型的脈沖-回波監(jiān)測系統(tǒng)。
[0073]不論系統(tǒng)構(gòu)造(脈沖-回波或發(fā)送）如何，可以在每個預(yù)定的位置處設(shè)置換能器的陣列(例如4個)，以提高系統(tǒng)的性能，因為額外的換能器使得能夠更好地控制待激勵的模式，并且能夠沿導(dǎo)軌從一個方向發(fā)送并從一個方向接收。
[0074]應(yīng)理解的是，發(fā)送系統(tǒng)和脈沖-回波系統(tǒng)的組合將是最佳方案。由于新的設(shè)計方法得到的換能器更佳地匹配于工作狀況，于是導(dǎo)致更強的信號強度同時顯著地減小了所使用的換能器的尺寸，所以現(xiàn)在可以實現(xiàn)這種組合。在過去，帶有可靠設(shè)計的較大的換能器用來通過導(dǎo)軌傳播波。這部分地由于缺乏對系統(tǒng)的詳細建模，并且超過換能器的物理尺寸，所使用的設(shè)計方法無法得到最佳信號強度和該信號通過導(dǎo)軌的最佳傳播?，F(xiàn)在，作為上述方法的結(jié)果，該系統(tǒng)已被優(yōu)化，人們可以更準(zhǔn)確地預(yù)測波傳播的結(jié)果。令人驚訝的是，作為數(shù)學(xué)建模和實驗的結(jié)果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)換能器可以比原先認為的更小，并且更小的換能器比過去的更大的可靠的換能器性能更好。作為換能器的較小的幾何尺寸、形狀和構(gòu)造的結(jié)果，系統(tǒng)得到優(yōu)化，并改善了功能性，還特別解決了上述缺點。
[0075]在特定長度的鐵路軌道上進行現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)和新系統(tǒng)的性能之間的比較。結(jié)論是新的換能器的發(fā)送性能和接收性能均比現(xiàn)有技術(shù)的換能器提高了 20dB。在圖3中用圖表示出上述比較結(jié)果。在圖3中，圖表左手側(cè)的兩個條形表示固定到鐵路的兩個相鄰導(dǎo)軌的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的性能。發(fā)送電壓為1300Vp。中間的兩個條形表示來自組合系統(tǒng)的結(jié)果，組合系統(tǒng)中使用舊系統(tǒng)的發(fā)送器，而接收器是根據(jù)新設(shè)計方法設(shè)計的換能器。發(fā)送電壓還是1300Vp。右手側(cè)的兩個條形表示新系統(tǒng)的結(jié)果，新系統(tǒng)即發(fā)送換能器和接收換能器均使用新的設(shè)計方法設(shè)計。然而，在這種情況下，發(fā)送電壓為280Vp。應(yīng)注意的是，觀察到40dB的提聞。
[0076]作為此40dB的發(fā)送-接收性能的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雖然現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)只能在900米間隔工作，但是在此特定的導(dǎo)軌部分（section)上，新的換能器能夠以2000m的間隔工作。
[0077]本發(fā)明的系統(tǒng)解決了上述問題。首先，消除了在例行軌道維護中移除壓電換能器的需要和在軌道維護之后重新附接壓電換能器的需要。有利的是，本發(fā)明的壓電換能器附接在冠部下方，或者附接到導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)上導(dǎo)軌的腹板，因此在例行軌道維護中無需移除壓電換能器。此外，消除了根據(jù)以前的系統(tǒng)在重新附接的兩周之后重新緊固夾持部的需要。第二，該系統(tǒng)比現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的性能更好，并且能夠在較差條件的導(dǎo)軌上成功地實現(xiàn)2000m的工作距離，而之前僅可以實現(xiàn)900m。這是新的設(shè)計方法導(dǎo)致較大的信號發(fā)送和增強的接收靈敏度的直接結(jié)果。
[0078]應(yīng)理解的是，上述僅為本發(fā)明的一個實施例，并且可能存在不脫離本發(fā)明的精神和/或范圍的許多變型。
【權(quán)利要求】
1.一種計算機實施的開發(fā)基于換能器的故障檢測系統(tǒng)的方法，所述方法包括以下步驟： 識別能夠預(yù)期通過細長的結(jié)構(gòu)元件行進遠距離的傳播模式和信號頻率； 選擇適合的傳播模式和工作頻率； 設(shè)計適于在所選擇的頻率上激勵所選擇的模式的換能器； 對附接到所述細長的結(jié)構(gòu)元件上的所述換能器數(shù)值建模；以及 分析所選擇的傳播模式對換能器激勵的諧波響應(yīng)，以便驗證換能器設(shè)計。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中識別能夠預(yù)期通過細長的結(jié)構(gòu)元件行進遠距離的傳播模式和頻率的步驟包括：使用具有預(yù)定材料特性的特定導(dǎo)軌型面的數(shù)值模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中選擇適合的傳播模式和工作頻率包括：選擇在大范圍頻率上具有低衰減并且對導(dǎo)軌型面的小改變相對不敏感的傳播模式。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，還包括以下步驟： 迭代地改變換能器部件的尺寸以便在工作頻率上取得所選擇的傳播模式的最佳響應(yīng)，以及計算導(dǎo)軌對換能器的電激勵的預(yù)測位移時間響應(yīng)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，包括驗證階段，所述驗證階段還包括以下步驟： 根據(jù)所建模的換能器制造原型； 將所述換能器附接到預(yù)定長度的結(jié)構(gòu)元件； 在所述結(jié)構(gòu)元件的表面上測量位移響應(yīng)；以及 將測量到的響應(yīng)與預(yù)測的位移時間響應(yīng)相比較。
6.一種用于監(jiān)測和檢測鐵路導(dǎo)軌中的裂痕或斷裂的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括限定系統(tǒng)的發(fā)送站和接收站的多個換能器，其特征在于，所述換能器根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的方法設(shè)計而成。
7.一種用于監(jiān)測和檢測鐵路導(dǎo)軌中的裂痕或斷裂的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括限定系統(tǒng)的發(fā)送站和接收站的多個換能器，其特征在于，所述換能器優(yōu)選地位于所述導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的系統(tǒng)，其中所述多個換能器呈現(xiàn)以預(yù)定間隔開的位置定位的一系列換能器的形式，在每個預(yù)定位置處設(shè)置至少一個換能器，并且能夠從一個用作發(fā)送器的換能器沿所述導(dǎo)軌定期發(fā)送超聲波至用作接收器的間隔開的換能器。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的系統(tǒng)，其中所述多個換能器呈現(xiàn)以預(yù)定間隔開的位置定位的一系列換能器的形式，在每個預(yù)定位置處設(shè)置至少一個換能器，并且能夠從一個用作發(fā)送器的換能器沿所述導(dǎo)軌定期發(fā)送超聲波，并且所述超聲波由所述導(dǎo)軌中的裂痕反射回也用作接收器的同一換能器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的系統(tǒng)，其中每個預(yù)定位置處定位多個換能器。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述換能器以約1至3公里的距離間隔開。
12.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述換能器以約2公里的距離間隔開。
【文檔編號】G01N29/04GK103842998SQ201280041069
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月23日
【發(fā)明者】菲利普·韋恩·洛芙迪 申請人:Csir公司