钢轨超声检测新技术

激光超声技术

激光超声技术利用脉冲激光在试件中激励产生超声波，而超声信号的检测则主要有压电换能器检测法、空气耦合检测法和光学检测法三种。光学检测法又有非干涉法和干涉法之分。目前，基于激光激励和空气耦合检测的混合钢轨无损探伤技术是国内外研究 的热点 。

美国TTCI 和TecnogammaSPA公司联合开发了第一台专门用于钢轨无损检测的基于激光一空气混合超声技 术 (L aser—A ir H ybrid U ltrasonicT echnique，LAHUT )的非接触式检测系统，该系统能有效检测位于轨底的横向裂纹和位于轨头的垂直开裂型裂纹(VSH)。试验结果表明，该系统能100检测出VSH缺陷，对轨底缺陷的检出率也达到90。丹麦研制的基于激光超声技术的轨道检测车辆通过对含有人造缺陷的试验样轨进行探测，能实现分布于轨头、轨腰和轨底的多种类型的钢轨缺陷的有效检测。目前国内很多单位也开展了有关激光超声技术及其应用的研究工作。但大多还停 留在试验室研究阶段 ，还没有成熟的产品推出。

与传统的压电超声技术相比，激光超声技术具有非接触、无需耦合剂等优点，降低了对被测轨面粗糙度和清洁度的要求，而且激光器安装位置可距 离轨道较远，如果采用光纤来传输激光，将进一步方便安装，为建立道旁监测系统创造了有利条件。此外，激光抗干扰能力强，能在较恶劣的环境下或其 它方式难以实施的高温条件下进行测量；脉冲激光作用于固体表面，可同时产生纵波、横波及表面波，因此不仅可以用来检测内部缺陷，还可用于检测表面缺陷。但目前激光超声 技术还存在光一声能量转换效率低 、超声信号微弱、检测设备造价较高等问题 。

相控阵列超声技术

相控阵列超声技术 (Phased A rray U ltrasonicT echnology ，PAUT )的基本概念源于相控阵雷达技术，其基本特征是在计算机控制下对超声换能器晶片阵列(多个压电晶片按一定形状 、尺寸排列)进行激励，分别控制每个晶片发射信号的波形 、幅度和相位延迟量，使各晶片发射的超声子波束在空间叠加合成，从而产生发射聚焦和声束偏转等效果。因此，只需通过改变控制软件，相控阵换能器就可方便地实现对不同方向、不同深度和不同位置的裂纹的检测，这是传统的单晶片超声换能器所不能比拟的。相控阵列超声技术因其突出的优点，近年在国际无损界得到快速发展和广泛应用。目前开展铁路钢轨相控阵列超声检测技术应用研究的国家和单位有：美 国的TTCI、爱荷华州立大学 ，英 国的沃里克大学和伯明翰大学 、TwI公司以及法国的Soco—mate 等 。

2005年TTCI 研制了一种Omni—scan 相控 阵超声系统，并把它用于钢轨横向裂纹的现场实时监测。试验结果表明，该技术不仅可定量检测轨头中的缺陷，而且可以在线监测轨头缺陷在不同轴重载荷作用下的发展变化过程 。Omni—scan钢轨超声相控阵检测系统相控阵列超声技术的数据控制、处理量大，对计算机的软硬件都有很高的要求。2006年Socom ate研究了 一 种新的快速自动角度扫描技术FAASTE ，使用该技术研制 的具有64个通道的信号检测和处理系统，采用了嵌入式CPLD和DSP技术，全部64个通道都是并行处理模式，可以同步控制32个这样的机箱同时工作 。整个 系统检测的行进速度可达到100km／h。

与传统超声检测技术相比，相控阵列超声技术采用电子方法控制声束 聚焦和扫描 ，可以在不移动或少移动探头的情况下进行快捷的扫查，提高了检测速度。在对钢轨进行检测时，可根据 缺陷的位置分布，优化声束形状和大小，提高缺陷的检出率 。由于钢轨铝热焊缝包含了大量的粗晶粒材料，传统超声波检测方法的大部分入射超声波能量在轨道截面的上层就被衰减掉了，因而难以检测出位于下层的缺陷。虽然相控阵列超声技术同样存在超声信号能量衰减的问题，但它通过聚焦可以提高声束能量，通过方向控制可以把声束投射到焊缝中缺陷出现的地方，使其检测焊缝底部缺陷成为可能。但目前相控阵列超声检测设备的价格昂贵，对操作人员的技术要求较高。