本發明涉及探傷技術領域，具體而言，涉及一種激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統及方法。

背景技術：

鐵路安全是鐵路運輸中永恒的主題，是保障經濟社會發展的必要條件。如今隨著鐵路運行速度和載重量的不斷提高，在鋼軌踏面上易形成大量的表面缺陷，表面缺陷會逐漸向鋼軌內部擴展，嚴重時會造成鋼軌的斷裂，危害行車安全，所以加強對容易產生缺陷的鋼軌踏面的無損探傷至關重要。

目前，國內外對鋼軌踏面缺陷進行探傷主要采用傳統的壓電超聲方法。該方法屬于接觸式探傷，對鋼軌踏面上表面和近表面的缺陷檢測靈敏度低，而且探傷過程中受到需要使用耦合劑、對鋼軌踏面表面狀態要求高等局限性的限制，不能實現鋼軌踏面缺陷的快速探傷，其最高檢測時速僅為80km/h，所以難以滿足現代鐵路發展的需要。

現有的探傷技術大多是傳統的超聲探傷方法，其具有探傷速度慢、精度低、不能全面覆蓋等缺點。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提供了一種激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統及方法，通過設置控制裝置以及多個激光聲磁探傷器，多個激光聲磁探傷器按照預設間距排布，激光聲磁探傷器包括激光超聲激勵裝置、超聲衍射橫波接收裝置以及調節機構，控制裝置根據超聲衍射橫波接收裝置接收的信號的幅值判斷是否存在缺陷信號，并獲取缺陷位置，可以較快的且較為準確的實現對待探傷區域的探傷，以改善現有技術中探傷速度慢以及低精度的缺陷問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統，所述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統包括控制裝置以及多個激光聲磁探傷器，所述多個激光聲磁探傷器與控制裝置電性連接，所述多個激光聲磁探傷器按照預設間距排布，所述激光聲磁探傷器包括激光超聲激勵裝置、超聲衍射橫波接收裝置以及調節機構，所述激光超聲激勵裝置以及超聲衍射橫波接收裝置與控制裝置電性連接，所述調節機構用于調節所述激光超聲激勵裝置的聚焦效果，以及用于調節超聲衍射橫波接收裝置的位置，所述激光超聲激勵裝置用于發射聚焦后的脈沖激光束至待測物表面，所述超聲衍射橫波接收裝置用于接收從待測物表面產生的超聲衍射橫波信號，所述控制裝置根據所述超聲衍射橫波信號的幅值判斷是否存在缺陷信號，并對存在的所述缺陷信號對應的位置進行定位，獲取到缺陷位置。

優選的，上述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統中，所述激光超聲激勵裝置包括脈沖激光器以及線型聚焦單元，所述線型聚焦單元設置于所述脈沖激光器的激光出射通道，所述線型聚焦單元由柱面透鏡以及可調焦距的光學鏡架組成，所述脈沖激光器用于發射脈沖激光束，所述線型聚焦單元用于對所述脈沖激光束進行聚焦。

優選的，上述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統中，所述調節機構包括第一調節機構以及第二調節機構，所述第一調節機構包括帶刻度線的光具座，所述光具座的刻度線的排列方向為與脈沖激光器的激光出射通道平行的方向，所述柱面透鏡通過所述光學鏡架設置于所述光具座，所述柱面透鏡可在所述光具座的刻度線排列方向移動，且脈沖激光器發射的脈沖激光束通過所述柱面透鏡，所述第二調節機構包括水平定位螺栓、固定座、絲杠以及手輪，所述超聲衍射橫波接收裝置通過水平定位螺栓設置于固定座的可移動件，所述手輪與所述絲桿可活動連接，所述可移動件以及固定件均垂直于所述固定座，所述手輪通過絲桿與所述可移動件連接，所述可移動件可相對于所述固定件在所述固定座的刻度線排列方向上移動，所述水平定位螺栓用于調節所述超聲衍射橫波接收裝置相對于所述固定座的距離，所述手輪用于調節所述超聲衍射橫波接收裝置與所述固定件的距離，以調節所述超聲衍射橫波接收裝置使用時的水平方向和豎直方向的位置。

優選的，上述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統中，所述超聲衍射橫波接收裝置包括橫波電磁超聲傳感器、高速數據采集模塊以及光電探測器，所述高速數據采集模塊與所述電磁超聲傳感器以及光電探測器電性連接，所述橫波電磁超聲傳感器用于檢測從待測物表面產生的超聲衍射橫波信號，所述光電探測器用于檢測所述激光超聲激勵裝置發射的脈沖激光信號，所述高速數據采集模塊用于采集橫波電磁超聲傳感器以及光電探測器檢測的信號，所述光電探測器檢測到脈沖激光信號后產生觸發所述高速數據采集模塊進行數據的采集的信號。

優選的，上述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統中，所述橫波電磁超聲傳感器包括探傷線圈、多級放大器、濾波檢波器以及模數轉換器，所述探傷線圈、多級放大器、濾波檢波器以及模數轉換器依次順次電性連接，所述探傷線圈用于探測超聲衍射橫波信號，所述多級放大器用于對超聲衍射橫波信號進行放大，所述濾波檢波器用于對放大后的超聲衍射橫波信號進行濾波檢波。

優選的，上述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統中，所述激光聲磁探傷器還包括殼體，所述激光聲磁超聲激勵裝置設置于所述殼體內的一側，所述超聲衍射橫波接收裝置設置于所述殼體內與所述激光聲磁超聲激勵裝置相對的另一側，所述調節機構包括第一調節機構以及第二調節機構，所述第一調節機構設置所述于殼體內所述激光聲磁超聲激勵裝置所在一側的表面，所述第二調節機構設置于所述殼體內所述超聲衍射橫波接收裝置所在一側的表面，所述超聲衍射橫波接收裝置的光電探測器設置于所述激光超聲激勵裝置的激光出射的方向，所述高速數據采集模塊設置于殼體外。

優選的，上述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統中，所述控制裝置包括探傷器控制模塊、數據分析模塊以及顯示模塊，所述探傷器控制模塊、數據分析模塊以及顯示模塊依次電性連接，所述探傷器控制模塊用于控制所述多個激光聲磁探傷器同步啟動，所述數據分析模塊用于對每個激光聲磁探傷器傳送的數據信號進行運算處理并根據缺陷幅度報警閾值以及接收信號的位置判斷缺陷信號及其位置，所述顯示模塊用于接收數據分析模塊的信息并對探傷結果進行顯示。

優選的，上述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統中，所述預設間距d＝v/f，其中，v為探傷速度，f為所述激光聲磁探傷器中脈沖激光器的重復頻率，l為橫波電磁超聲傳感器的有效探傷長度，d為所述預設間距，所述多個激光聲磁探傷器的數量n≥d/l。

一種激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷方法，應用于上述的激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統，所述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷方法包括：利用所述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統對實物進行預探傷，獲取到預探傷結果；根據所述預探傷結果調整各項參數，使所述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統滿足探傷要求；將調整好的所述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統固定于探傷車，對待檢測實物進行探傷，獲取到探傷數據。

優選的，上述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷方法中，所述對實物進行探傷包括：所述控制裝置控制所述激光超聲激勵裝置發射聚焦后的脈沖激光束至實物表面；所述超聲衍射橫波接收裝置接收超聲衍射橫波信號并傳輸至所述控制裝置；所述控制裝置判斷所述超聲衍射橫波信號是否為缺陷信號，并通過探傷初始位置l1、接收到缺陷信號的時間t1、探傷速度v、接收到缺陷信號的激光聲磁探傷器編號n’、預設間距d1對鋼軌上缺陷位置l進行定位，定位公式為：l＝l1+v*t1+d1*(n'-1)。

本發明實現的有益效果：本發明實施例提供了一種激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統及方法，該激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統包括控制裝置以及多個激光聲磁探傷器，多個激光聲磁探傷器與控制器電性連接。多個激光聲磁探傷器按照預設間距排布。激光聲磁探傷器包括激光超聲激勵裝置、超聲衍射橫波接收裝置以及調節機構，激光超聲激勵裝置用于發射聚焦后的脈沖激光束至待測物表面，超聲衍射橫波接收裝置用于接收從待測物表面產生的超聲衍射橫波信號，控制裝置根據超聲衍射橫波信號的幅值判斷是否存在缺陷信號，并獲取到缺陷位置。該激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統可以較快的且較為準確的實現對待探傷區域的探傷，以改善現有技術中探傷速度慢以及低精度的缺陷問題。

附圖說明

為了更清楚的說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1示出了本發明第一實施例提供的激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統的結構示意圖；

圖2示出了本發明第一實施例提供的激光探傷器的結構示意圖；

圖3示出了本發明第一實施例提供的激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷方法的原理圖；

圖4示出了本發明第一實施例提供的另一種原理圖；

圖5示出了本發明第一實施例提供的激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統的探傷過程示意圖；

圖6示出了本發明第一實施例提供的虛線框內容的放大圖；

圖7示出了本發明第一實施例提供的不存在缺陷時的探傷波形圖；

圖8示出了本發明第一實施例提供的存在缺陷時的探傷波形圖；

圖9示出了本發明第二實施例提供的激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷方法的流程圖。

圖標：100-激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統；110-控制裝置；120-激光聲磁探傷器；130-激光超聲激勵裝置；131-脈沖激光器；132-線型聚焦單元；133-激光線源；140-超聲衍射橫波接收裝置；141-橫波電磁超聲傳感器；142-高速數據采集模塊；143-光電探測器；150-調節機構；151-第一調節機構；152-光具座；153-第二調節機構；154-水平定位螺栓；155-固定座；156-絲桿；157-手輪；160-超聲表面波；161-缺陷；162-反射波；163-透射波；164-衍射橫波；165-激光束。

具體實施方式

現有的鋼軌探傷技術存在探傷速度慢以及精度等缺陷問題。

鑒于上述情況，發明人經過長期的研究和大量的實踐，提供了一種激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統及方法以改善現有問題。

下面將結合本發明實施例中附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例?；诒景l明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

第一實施例

本發明第一實施例提供了一種激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統100，請參見圖1，該激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統100包括控制裝置110以及多個激光聲磁探傷器120。多個激光聲磁探傷器120與控制裝置110電性連接，多個激光聲磁探傷器120按照預設間距排布。請參見圖2，激光聲磁探傷器120包括激光超聲激勵裝置130、超聲衍射橫波接收裝置140以及調節機構150。激光超聲激勵裝置130以及超聲衍射橫波接收裝置140分別與控制裝置110電性連接。

在本發明第一實施例中，多個激光聲磁探傷器120可以按照預設間距排布成一列。

在本發明第一實施例中，如圖2所示，激光超聲激勵裝置130包括脈沖激光器131以及線型聚焦單元132。其中，線型聚焦單元132設置于脈沖激光器131的激光出射通道，線型聚焦單元132由柱面透鏡以及可調焦距的光學鏡架組成。

進一步的，如圖2所示，調節機構150包括第一調節機構151以及第二調節機構153。其中，第一調節機構151包括帶刻度線的光具座152，其光具組的刻度線的排列方向為與脈沖激光器131的激光出射通道平行的方向。線型聚焦單元132設置于光具座152，具體的，即柱面透鏡通過光學鏡架設置于光具座152，柱面透鏡可以在光具座152的刻度線排列方向上移動，即柱面透鏡可以在如圖2所示的豎直方向上上下移動，并且如圖2所示，脈沖激光器131發射的脈沖激光束可以通過柱面透鏡。第二調節機構153包括水平定位螺栓154、固定座155、絲桿156以及手輪157。超聲衍射橫波接收裝置140通過水平定位螺栓154設置于固定座155的可移動件，手輪157與絲桿157可活動連接，且手輪157設置于固定件表面?？梢苿蛹约肮潭怪痹O置于固定座155。固定件為固定設置于固定座155的部件。手輪157通過絲桿156與可移動件連接，可移動件可相對于固定件在固定座155的刻度線排列方向上移動。

作為一種實施方式，第一調節機構151與第二調節機構153可以相對設置，脈沖激光器131可以設置于第一調節機構151的一端，線型聚焦單元132設置于第一調節機構151，脈沖激光器131的激光出射口朝向線型聚焦單元132，并且脈沖激光器131出射的脈沖激光束通過線型聚焦單元132的柱面透鏡，脈沖激光器131出射的脈沖激光束與線型聚焦單元132共軸。橫波電磁超聲傳感器141通過水平定位螺栓154設置于第一調節機構151的固定座155，橫波電磁傳感器的底面應保持使用時水平。水平定位螺栓154設置于固定座155的可移動件，并且可移動件可在固定座155的刻度線排列方向上移動，可移動件垂直于固定座155刻度線排列方向?？梢苿蛹ㄟ^絲桿156與手輪157連接，手輪157設置于固定座155的固定件，固定件垂直于固定座155刻度線排列方向。當轉動手輪157，使絲桿156發生轉動，轉動的絲桿156根據手輪157的轉動方向在固定座155刻度線排列方向向上或向下移動，從而使橫波電磁超聲傳感器141隨著絲桿157的向上或向下移動可相對于固定件在固定座155刻度線排列方向上移動。光電探測器143設置于脈沖激光器131激光出射的方向，且光電探測器143能接收到激光信號。高速數據采集模塊142與光電探測器143以及橫波電磁超聲傳感器141電性連接，高速數據采集模塊142還與控制裝置110電性連接。

在本發明第一實施例中，如圖2所示，超聲衍射橫波接收裝置140包括橫波電磁超聲傳感器141、高速數據采集模塊142以及光電探測器143。其中，高速數據采集模塊142與電磁超聲傳感器以及光電探測器143電性連接。

進一步的，橫波電磁超聲傳感器141包括探傷線圈、多級放大器、濾波檢波器以及模數轉換器。探傷線圈、多級放大器、濾波檢波器以及模數轉換器依次順次電性連接。

在本發明第一實施例中，如圖2所示，激光聲磁探傷器120還包括殼體。激光聲磁超聲激勵裝置設置于殼體內的一側，超聲衍射橫波接收裝置140設置于殼體內與激光聲磁超聲激勵裝置相對的另一側。調節機構150的第一調節機構151設置于激光聲磁超聲激勵裝置所在一側的表面。調節機構150的第二調節機構153設置于殼體內超聲衍射橫波接收裝置140所在一側的表面。超聲衍射橫波接收裝置140的光電探測器143設置于激光超聲激勵裝置130的激光出射的方向，高速數據采集模塊142設置于殼體外。

在本發明第一實施例中，控制裝置110包括探傷器控制模塊、數據分析模塊、以及顯示模塊。探傷器控制模塊、數據分析模塊以及顯示模塊依次電性連接。

在本發明第一實施例中，單個激光聲磁探傷器120的探傷速度為v＝f*l，多個激光聲磁探傷器120之間的預設間距為d＝v/f，其中，f為激光聲磁探傷器120中脈沖激光器131的重復頻率，l為橫波超聲傳感器的有效探傷長度，d為預設間距。多個激光聲磁探傷器120的數量n≥d/l。

在本發明實施例中，激光超聲激勵裝置130用于發射聚焦后的脈沖激光束至待測物表面；超聲衍射橫波接收裝置140用于接收從待測物表面產生的超聲衍射橫波信號；調節機構150用于調節激光超聲激勵裝置130的激勵效果，以及用于調節超聲衍射橫波接收裝置140的位置；控制裝置110用于控制激光超聲激勵裝置130以及超聲衍射橫波接收裝置140，且根據超聲衍射橫波信號的幅值判斷是否存在缺陷信號，并對缺陷信號對應的位置進行定位，獲取到缺陷位置。

激光超聲激勵裝置130的脈沖激光器131用于發射脈沖激光束，脈沖激光器131的重復頻率為1-100hz，發射的脈沖激光能量在1-480mj；線型聚焦單元132用于對脈沖激光束進行聚焦。脈沖激光器131發射的脈沖激光束經過線型聚焦單元132可以聚焦成線源橫向照射到待測物表面，用于激勵超聲表面波。線型聚焦單元132包括有柱面透鏡，柱面透鏡使聚焦后的線源長和寬分別為5mm和0.5mm。激勵超聲表面波帶寬在0.5-4mhz之間，主聲束可以以一定的半擴散角沿待測物表面縱向傳播，當傳播一定距離后，其主聲束即可橫向全覆蓋整個待測物表面。

在本發明實施例中，調節機構150包括有第一調機機構以及第二調節機構153。其中，設置于第一調節機構151的光具座152的柱面透鏡可以在光具座152的刻度線排列方向移動，從而可以改變線型聚焦單元132距離脈沖激光器131的距離，進行脈沖激光器131與柱面透鏡的共軸調節，實現激光超聲激勵裝置130的聚焦效果的調節。水平定位螺栓154用于調節超聲衍射橫波接收裝置140相對于固定座155的距離，手輪157用于調節超聲衍射橫波接收裝置140與固定件的距離，以調節超聲衍射橫波接收裝置140使用時的水平方向和豎直方向的位置，保證超聲衍射橫波接收裝置140與待檢測物表面保持一定的間距。

超聲衍射橫波接收裝置140包括有橫波電磁超聲傳感器141、高速數據采集模塊142以及光電探測器143。其中，橫波電磁超聲傳感器141用于檢測從待測物表面產生的超聲衍射橫波信號；光電探測器143用于檢測激光超聲激勵裝置130發射的脈沖激光信號；高速數據采集模塊142用于采集橫波電磁超聲傳感器141以及光電探測器143檢測的信號，光電探測器143檢測到脈沖激光信號后產生觸發高速數據采集模塊142進行數據的采集的信號。

橫波電磁超聲傳感器141由探傷線圈、多級放大器、濾波檢波器以及模數轉換器組成。橫波電磁超聲傳感器141可以接收一定距離下的超聲衍射橫波。其中，探傷先去用于探測超聲衍射橫波信號；多級放大器用于對超聲衍射橫波信號進行放大；濾波檢波器用于對放大后的超聲衍射橫波信號進行濾波檢波。探傷線圈采用對于超聲衍射橫波靈敏度高的pcb蝶形線圈，其有效探傷范圍為邊長100mm的正方形區域。

當然，橫波電磁超聲傳感器141還可以包括傳感器外殼，橫波電磁超聲傳感器141的其他組件設置于傳感器外殼內。橫波電磁超聲傳感器141外殼用于屏蔽探傷過程中的電磁干擾，以及對橫波電磁超聲傳感器141進行防護。

在本發明實施例中，光電探測器143由高靈敏度的光敏電阻以及調制器組成，光敏電阻用于檢測光信號并轉換為電信號，調制器用于對光敏電阻產生的電信號進行調制。高靈敏度光敏電阻可探測到待測物表面散射的微弱光信號，調制器與激光超聲激勵裝置130光信號特征相匹配，可為高速數據采集模塊142提供響應快、增益高、噪聲小的觸發信號。

在本發明實施例中，高速數據采集模塊142可以基于alterastratixiifpga和atmearm9架構實現。其最大采樣速率可以達到100msps，可以實現高速運動狀態下信號的采集。

在本發明實施例中，控制裝置110由探傷器控制模塊、數據分析模塊以及顯示模塊組成。其中，探傷器控制模塊用于控制多個激光聲磁探傷器120同步啟動；數據分析模塊用于對每個激光聲磁探傷器120傳送的數據信號進行運算處理，并根據缺陷幅度報警閾值以及接受信號的位置判斷缺陷信號及其位置；顯示模塊用于接收數據分析模塊的信息并對探傷結果進行顯示。探傷器控制模塊可以基于fpga實現，可以控制每個激光聲磁探傷器120的脈沖激光發射時間。數據分析模塊可以是包括存儲單元以及運算單元的處理器，其存儲單元用于接收和存儲所有激光聲磁探傷器120傳送的探傷數據信號，運算單元通過每個激光聲磁探傷器120傳送的探傷數據信號進行高速運算處理并根據信號位置以及缺陷幅度報警閾值進行有無缺陷的判斷。顯示模塊可以是led顯示屏，用于實時顯示探傷結果，當然其具體種類在本發明實施例中并不作為限定。

如圖3為激光聲磁探傷器120探傷方法基本原理圖。由脈沖激光器131發出的一束經過線聚焦的激光束165照射到鋼軌踏面上時，鋼軌踏面會吸收部分能量并發生瞬時熱作用產生應變和應力場，使鋼軌踏面的粒子產生振動，從而在鋼軌中產生各種類型的超聲波，其中沿鋼軌踏面傳播的是超聲表面波160；當沿踏面傳播表面波遇到缺陷161時，除了產生反射波162和透射波163外，還會產生向四周傳播的衍射橫波164，此時橫波電磁超聲傳感器141在缺陷上方時即能接收到該衍射橫波164。如圖4所示，照射到鋼軌踏面的激光線源133激勵出主聲束具有一定指向性的表面波以半擴散角θ沿鋼軌踏面縱向傳播，當激光線源133的長度為5mm、寬度為0.5mm時，實驗可得表面波在p60鋼軌踏面上傳播的距離達到85mm時即能沿橫向擴散到整個踏面區域，即在探傷中，當橫波電磁超聲傳感器141和激光線源133的間距大于85mm時即可對鋼軌踏面進行全覆蓋探傷，同時考慮到超聲表面波的衰減特性，橫波電磁超聲傳感器141和激光線源133的間距也不宜太大，一般選擇90mm～100mm之間的間距。

該激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統100中，單個激光聲磁探傷器120的探傷速度由激光超聲激勵裝置130中脈沖激光器131的重復頻率f以及超聲衍射橫波接收裝置140中橫波電磁超聲傳感器141的有效探傷長度l相乘得到，即。當f為100hz，l為100mm時，計算可得到單個激光聲磁探傷器120的探傷速度為36km/h。為達到探傷速度100km/h-200km/h，需要將多個激光聲磁探傷器120按照預設間距排布。其中，預設間距d和激光聲磁探傷器120數量n可以按照：d＝v/f以及n≥d/l計算。

作為一種優選的實施方式，當n的數值確定時，可以對預設間距d進行優化處理，d優化處理后表示為d1，d1可按照：d-(nl-d)≤d1≤d計算。

在本發明實施例中，激光聲磁探傷器120的數量可以取：3≤n≤6。

進一步的，為便于激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統100的組裝和調節，優化后的預設間距的數值可以取整數。

從而可以激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統100的激光聲磁探傷器120的數量以及預設間距組裝激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統100。在組裝激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統100的激光超聲激勵裝置130時，根據線型聚焦單元132中柱面透鏡的焦距，在帶有刻度的光具座152上調整線型聚焦單元132到鋼軌踏面的距離為該焦距，使線型聚焦單元132的焦點正好落在鋼軌踏面上；然后以激光器發射的激光束為參考，再次調節線型聚焦單元132的位置，在保證線型聚焦單元132到鋼軌踏面的距離為該焦距的同時使線型聚焦單元132與脈沖激光束共軸，以便激光束經線型聚焦單元132聚焦后的激光線源133全部照射到待測物表面上。

在組裝激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統100的超聲衍射橫波接收裝置140時，調節超聲衍射橫波接收裝置140中水平定位螺栓154，使橫波電磁超聲傳感器141底面與鋼軌踏面平行，再通過旋轉手輪157使絲桿156運動，在帶有刻度的固定座155上調整橫波電磁超聲傳感器141底面與鋼軌踏面的間距，通過調節超聲衍射橫波接收裝置140，以保證橫波電磁超聲傳感器141底面與鋼軌踏面保持3～5mm的間距，實現非接觸探傷。

以實現探傷速度150km/h為例，按照d＝v/f以及n≥d/l計算，可以得到d＝416.67mm、n≥4.16，因為激光聲磁探傷器120數量只能為整數，所以激光聲磁探傷器120數量n選擇滿足探傷要求并大于等于4.16的最小整數5。

作為上述滿足探傷速度v為150km/h時的一種激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統及方法的優化方案，當n＝5時，為了便于鋼軌踏面激光聲磁高速探傷裝置的組裝和調節，按優化公式對預設間距進行優化處理，通過優化公式計算可得d1的范圍為：395.84mm≤d1≤416.67mm，即預設間距d1在上述范圍內即可滿足探傷速度v為150km/h的要求，本實施例中d1的數值選擇為整數400mm。

如圖5所示，a、b、c、d、e為5個激光聲磁探傷器120，陣列間距均為d1。在時間t(t為以150km/h探傷時的任一時刻)，激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統以150km/h的速度對圖5中所示的待探傷區進行探傷，一個脈沖激光器131發射周期t內(t＝1/f＝0.01s)，前進了d＝416.67mm，到達t+t時刻處，此時激光聲磁探傷器a對d長度內的l長度的區域進行有效探傷。

陣列以150km/h的速度繼續探傷，在t+2t時刻時，激光聲磁探傷器b對d長度內的l長度的區域進行有效探傷，激光聲磁探傷器b所探區域有一部分和t+t時刻激光聲磁探傷器a所探區域重合，重合區域的長度l1為d減去d1，即l1＝d-d1＝16.67mm，此時激光聲磁探傷器a在對后一個d長度內的l長度的區域進行有效探傷。

陣列以150km/h的速度繼續探傷，在t+3t時刻時，激光聲磁探傷器c對d長度內的l長度的區域進行有效探傷，激光聲磁探傷器c所探區域有一部分和t+t時刻激光聲磁探傷器b所探區域重合，重合區域的長度l1為d減去d1，即l1＝d-d1＝16.67mm，此時激光聲磁探傷器b在對后一個d長度內的l長度的區域進行有效探傷。

同樣的在t+4t、t+5t時刻，激光聲磁探傷器d、e分別對d長度內的l長度的區域進行有效探傷，它們之間也有l1長度的重合區域。

如圖5和圖6所示，在5t時間的探傷過程中，5個激光聲磁探傷器120有重合探傷區域，所以去除重合探傷區域，5個激光聲磁探傷器120分別進行了l、(l-l1)、(l-l1)、(l-l1)、(l-2l1)長度的有效探傷，把它們相加在一起即l+(l-l1)+(l-l1)+(l-l1)+(l-2l1)，計算可得總探傷長度為416.67mm，正是d的數值，說明5個激光聲磁探傷器120在5t的探傷時間內對鋼軌踏面進行了全覆蓋探傷。當在t+6t時刻時，5個激光聲磁探傷器120已對2d長度的鋼軌踏面進行了全覆蓋探傷。

在本發明實施例中，在進行探傷時有重合探傷區域，重復探傷覆蓋率r可以按照公式：r＝(l1/l)*100％＝16.7％計算。因此，當把d設置為d1時，使用上。述陣列進行鋼軌踏面缺陷探傷時不僅能進行鋼軌踏面全覆蓋探傷，而且還會有16.7％的重復探傷覆蓋率，進一步降低了缺陷漏檢率。

如圖7所示為鋼軌踏面無缺陷時某一激光聲磁探傷器120探傷波形圖，圖8為鋼軌踏面有缺陷時某一激光聲磁探傷器120探傷波形圖，激光線源133與橫波電磁超聲傳感器141中心距離為s1，如圖7所示，圖中a為觸發信號(相當于傳統壓電超聲中的探傷始波)，當鋼軌踏面無缺陷時，在s1的位置處激光聲磁探傷器120只能接收到由于鋼軌踏面電噪聲信號n，該信號幅值比較小，不影響探傷效果；如圖8所示，當鋼軌踏面有缺陷時，在s1的位置處激光聲磁探傷器120可以接收到缺陷信號f，該信號幅值明顯大于電噪聲信號n，如果f的幅值超過設定好的缺陷幅度報警閾值時，則判斷為缺陷信號。當存在缺陷時，控制裝置110可以通過探傷初始位置l1、接收到缺陷信號的時間t1、探傷速度v、接收到缺陷信號的激光聲磁探傷器120編號n’、預設間距d1對鋼軌上缺陷位置l進行定位，定位公式為：l＝l1+v*t1+d1*(n'-1)。

本發明第一實施例提供了一種激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統100，該激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統100包括有控制裝置110以及多個激光聲磁探傷器120，多個激光聲磁探傷器120與控制裝置110電性連接，多個激光聲磁探傷器120按照預設間距排布。探傷過程中，將激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統100安裝于探傷車，控制裝置110控制每個激光聲磁探傷器120對待測物進行探傷，控制裝置110再對探傷數據行處理分析，得到每個探傷器的探傷區域的探傷結果，再將多個探傷器的探傷區域的探傷結果結合到一起，從而可以實現待測物的全覆蓋、快速以及高精度的探傷效果。

第二實施例

本發明第二實施例提供了一種激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷方法，該激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷方法應用于本發明第一實施例提供的激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統。如圖9所示，該激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷方法包括：

步驟s10：利用所述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統對實物進行預探傷，獲取到預探傷結果。

具體的，步驟s10包括：

所述控制裝置控制所述激光超聲激勵裝置發射聚焦后的脈沖激光束至實物表面；所述超聲衍射橫波接收裝置接收超聲衍射橫波信號并傳輸至所述控制裝置；所述控制裝置判斷所述超聲衍射橫波信號是否為缺陷信號，并通過探傷初始位置l1、接收到缺陷信號的時間t1、探傷速度v、接收到缺陷信號的激光聲磁探傷器編號n’、陣列間距d1對鋼軌上缺陷位置l進行定位，定位公式為：l＝l1+v*t1+d1*(n'-1)。

在激光超聲激勵裝置發射聚焦后的脈沖激光束至實物表面之前，還包括有：根據探傷速度，按照d＝v/f以及n≥d/l計算激光聲磁探傷器的數量以及預設間距；根據激光聲磁探傷器的數量以及預設間距對激光超聲激勵裝置進行組裝。

在組裝激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統的激光超聲激勵裝置時，根據線型聚焦單元中柱面透鏡的焦距f1，在帶有刻度的光具座上調整線型聚焦單元到鋼軌踏面的距離為f1，使線型聚焦單元的焦點正好落在鋼軌踏面上；然后以激光器發射的激光束為參考，再次調節線型聚焦單元的位置，在保證線型聚焦單元到鋼軌踏面的距離為f1的同時使線型聚焦單元與激光束共軸，以便激光束經線型聚焦單元聚焦后的激光線源全部照射到待測物表面上。

在組裝激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統的超聲衍射橫波接收裝置時，調節超聲衍射橫波接收裝置中水平定位螺栓，使橫波電磁超聲傳感器底面與鋼軌踏面平行，再通過旋轉手輪使絲桿運動，在帶有刻度的固定座上調整橫波電磁超聲傳感器底面與鋼軌踏面的間距，通過調節超聲衍射橫波接收裝置，以保證橫波電磁超聲傳感器底面與鋼軌踏面保持3～5mm的間距，實現非接觸探傷。

激光超聲激勵裝置發射聚焦后的脈沖激光束至實物表面后，脈沖激光在實物表面激勵出超聲表面波。當實物表面有缺陷時，會發生波形轉換產生超聲衍射橫波信號，并被超聲衍射橫波接收裝置接收后傳輸至控制裝置進行處理分析。控制裝置根據設定的幅值閾值確定是否存在缺陷信號，并根據探傷初始位置l1、接收到缺陷信號的時間t1、探傷速度v、接收到缺陷信號的激光聲磁探傷器編號n’、陣列間距d1對鋼軌上缺陷位置l進行定位，定位公式為：l＝l1+v*t1+d1*(n'-1)。

步驟s20：根據所述預探傷結果調整各項參數，使所述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統滿足探傷要求。

根據預探傷結果，以及實物已知的缺陷，可以分析出預探傷結果的準確性。根據準確性的評估，再對激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統的各項參數進行調節，例如，對每個激光聲磁探傷器的激光超聲激勵裝置以及超聲衍射橫波接收裝置進行調節，對預設間距進行調節等。

步驟s30：將調整好的所述激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統固定于探傷車，對待檢測實物進行探傷，獲取到探傷數據。

通常在對鋼軌踏面進行探傷，需要使用大型鋼軌探傷車。因此需要將激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統固定于探傷車，隨著探傷車行駛，對實際待測物進行探傷掃查，掃查過程中控制裝置實時顯示并存儲探傷數據。

當然，激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統對實際待測鋼軌探傷完畢后，可以根據探傷結果對已探測鋼軌進行復查、修復等后續處理。

綜上所述，本發明實施例提供了一種激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統及方法，該激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統包括控制裝置以及多個激光聲磁探傷器，多個激光聲磁探傷器與控制器電性連接。多個激光聲磁探傷器按照預設間距排布。激光聲磁探傷器包括激光超聲激勵裝置、超聲衍射橫波接收裝置以及調節機構，激光超聲激勵裝置用于發射聚焦后的脈沖激光束至待測物表面，超聲衍射橫波接收裝置用于接收從待測物表面產生的超聲衍射橫波信號，控制裝置根據超聲衍射橫波信號的幅值判斷是否存在缺陷信號，并獲取到缺陷位置。對每個激光聲磁探傷器的探傷區域的探傷結果進行結合，可以得到待測物整個區域的探傷結果。該激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統以激光聲磁探傷技術為核心，突破了傳統壓電超聲探傷需要耦合劑的限制，完全實現了鋼軌踏面非接觸快速探傷，探傷速度可達100km/h～200km/h。本發明激光聲磁鋼軌表面缺陷快速探傷系統及方法是由多個探傷陣列按照一定間距組成的陣列裝置，安裝調試方便、運行可靠、探傷效率高、缺陷定位準確、實用性強，可有效的檢測出鋼軌踏面的缺陷，實現了鋼軌踏面缺陷快速、高精度、全覆蓋探傷，符合鋼軌探傷技術快速發展的需求，使用前景廣闊。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，上面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行了清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以上對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。