鋼軌超聲檢測新技術

激光超聲技術

激光超聲技術利用脈沖激光在試件中激勵產生超聲波，而超聲信號的檢測則主要有壓電換能器檢測法、空氣耦合檢測法和光學檢測法三種。光學檢測法又有非干涉法和干涉法之分。目前，基于激光激勵和空氣耦合檢測的混合鋼軌無損探傷技術是國內外研究 的熱點 。

美國TTCI 和TecnogammaSPA公司聯合開發了第一臺專門用于鋼軌無損檢測的基于激光一空氣混合超聲技 術 (L aser—A ir H ybrid U ltrasonicT echnique，LAHUT )的非接觸式檢測系統，該系統能有效檢測位于軌底的橫向裂紋和位于軌頭的垂直開裂型裂紋(VSH)。試驗結果表明，該系統能100檢測出VSH缺陷，對軌底缺陷的檢出率也達到90。丹麥研制的基于激光超聲技術的軌道檢測車輛通過對含有人造缺陷的試驗樣軌進行探測，能實現分布于軌頭、軌腰和軌底的多種類型的鋼軌缺陷的有效檢測。目前國內很多單位也開展了有關激光超聲技術及其應用的研究工作。但大多還停 留在試驗室研究階段 ，還沒有成熟的產品推出。

與傳統的壓電超聲技術相比，激光超聲技術具有非接觸、無需耦合劑等優點，降低了對被測軌面粗糙度和清潔度的要求，而且激光器安裝位置可距 離軌道較遠，如果采用光纖來傳輸激光，將進一步方便安裝，為建立道旁監測系統創造了有利條件。此外，激光抗干擾能力強，能在較惡劣的環境下或其 它方式難以實施的高溫條件下進行測量；脈沖激光作用于固體表面，可同時產生縱波、橫波及表面波，因此不僅可以用來檢測內部缺陷，還可用于檢測表面缺陷。但目前激光超聲 技術還存在光一聲能量轉換效率低 、超聲信號微弱、檢測設備造價較高等問題 。

相控陣列超聲技術

相控陣列超聲技術 (Phased A rray U ltrasonicT echnology ，PAUT )的基本概念源于相控陣雷達技術，其基本特征是在計算機控制下對超聲換能器晶片陣列(多個壓電晶片按一定形狀 、尺寸排列)進行激勵，分別控制每個晶片發射信號的波形 、幅度和相位延遲量，使各晶片發射的超聲子波束在空間疊加合成，從而產生發射聚焦和聲束偏轉等效果。因此，只需通過改變控制軟件，相控陣換能器就可方便地實現對不同方向、不同深度和不同位置的裂紋的檢測，這是傳統的單晶片超聲換能器所不能比擬的。相控陣列超聲技術因其突出的優點，近年在國際無損界得到快速發展和廣泛應用。目前開展鐵路鋼軌相控陣列超聲檢測技術應用研究的國家和單位有：美 國的TTCI、愛荷華州立大學 ，英 國的沃里克大學和伯明翰大學 、TwI公司以及法國的Soco—mate 等 。

2005年TTCI 研制了一種Omni—scan 相控 陣超聲系統，并把它用于鋼軌橫向裂紋的現場實時監測。試驗結果表明，該技術不僅可定量檢測軌頭中的缺陷，而且可以在線監測軌頭缺陷在不同軸重載荷作用下的發展變化過程 。Omni—scan鋼軌超聲相控陣檢測系統相控陣列超聲技術的數據控制、處理量大，對計算機的軟硬件都有很高的要求。2006年Socom ate研究了 一 種新的快速自動角度掃描技術FAASTE ，使用該技術研制 的具有64個通道的信號檢測和處理系統，采用了嵌入式CPLD和DSP技術，全部64個通道都是并行處理模式，可以同步控制32個這樣的機箱同時工作 。整個 系統檢測的行進速度可達到100km／h。

與傳統超聲檢測技術相比，相控陣列超聲技術采用電子方法控制聲束 聚焦和掃描 ，可以在不移動或少移動探頭的情況下進行快捷的掃查，提高了檢測速度。在對鋼軌進行檢測時，可根據 缺陷的位置分布，優化聲束形狀和大小，提高缺陷的檢出率 。由于鋼軌鋁熱焊縫包含了大量的粗晶粒材料，傳統超聲波檢測方法的大部分入射超聲波能量在軌道截面的上層就被衰減掉了，因而難以檢測出位于下層的缺陷。雖然相控陣列超聲技術同樣存在超聲信號能量衰減的問題，但它通過聚焦可以提高聲束能量，通過方向控制可以把聲束投射到焊縫中缺陷出現的地方，使其檢測焊縫底部缺陷成為可能。但目前相控陣列超聲檢測設備的價格昂貴，對操作人員的技術要求較高。