[发明专利]基于超声导波的钢轨应力的监测装置和方法

权利要求书

1.一种基于超声导波的钢轨纵向应力的监测方法，所述钢轨是工字形结构且具有轨顶和轨底及位于所述轨顶与所述轨底之间的轨腰部分，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将导波激励源安装在所述钢轨的所述轨腰部分的表面上，将至少一个导波接收器安装在所述钢轨上且与所述导波激励源间隔开以接收所述导波激励源发出的导波；

(2)使得所述导波激励源大致垂直于其安装位置所在的表面发出频率在20～60kHz范围内的导波，建立适用于监测所述钢轨的应力的最优导波模态的指标模型，根据所述最优导波模态的指标模型来选取所述最优导波模态，所述最优导波模态限定为：相速度为2286.06m/s，频率为35kHz，选定的最优导波模态的轨头和轨底的振动幅度小，轨腰处呈扭转振动形态且振动幅度大；

(3)确定适于发出所选取的最优导波模态的导波的最优激励位置，在所述最优激励位置进行激励时仅出现一种模态，测量所述导波在所述钢轨中的传播速度；

(4)根据测得的所述传播速度确定所述导波的传播路径上的所述钢轨中的应力。

2.根据权利要求1所述的基于超声导波的钢轨纵向应力的监测方法，其特征在于，在步骤(1)中，将所述导波激励源的前端安装到所述钢轨的所述轨腰部分，其中，所述前端的形状与所述钢轨的所述轨腰部分的形状相匹配。

3.根据权利要求1所述的基于超声导波的钢轨纵向应力的监测方法，其特征在于，所述至少一个导波接收器的数量是两个，所述两个导波接收器沿所述钢轨的纵向延伸方向彼此间隔开，所述步骤(3)包括：测量所述两个导波接收器接收到所述导波的时间差，进而基于所述时间差和所述两个导波接收器之间的距离得到所述导波在所述钢轨中的传播速度。

4.根据权利要求3所述的基于超声导波的钢轨纵向应力的监测方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：根据所述导波在所述钢轨中的传播速度与所述钢轨的应力之间的对应关系，确定所述钢轨中的应力，或者所述步骤(4)包括：根据所述导波针对不同的钢轨温度在所述钢轨中的传播速度与所述钢轨的应力之间的对应关系，确定所述钢轨中的应力。

5.一种用于基于超声导波的钢轨纵向应力的监测装置，所述钢轨是工字形结构且具有轨顶和轨底及位于所述轨顶与所述轨底之间的轨腰部分，其特征在于，所述装置包括导波激励源和至少一个导波接收器，其中，所述导波激励源适于安装在所述钢轨的所述轨腰部分的表面上，所述至少一个导波接收器适于安装在所述钢轨上且与所述导波激励源间隔开并且能够接收到所述导波激励源发出的导波，所述导波激励源能够大致垂直于其安装位置所在的表面发出频率在20～60kHz范围内的导波，其中，建立适用于监测所述钢轨的应力的最优导波模态的指标模型，根据所述最优导波模态的指标模型来选取所述最优导波模态，所述最优导波模态限定为，相速度为2286.06，频率为35kHz，选定的最优导波模态的轨头和轨底的振动幅度小，轨腰处呈扭转振动形态且振动幅度大，其中，最优导波模态的导波从最优激励位置发出，在所述最优激励位置进行激励时仅出现一种模态。

6.根据权利要求5所述的用于基于超声导波的钢轨纵向应力的监测装置，其特征在于，所述导波激励源的前端适于安装在所述钢轨的所述轨腰部分，所述前端的形状与所述钢轨的所述轨腰部分的形状相匹配，和/或可选地，所述装置进一步包括计算部，所述计算部接收来自所述导波接收器的信号，在所述计算部中存储有钢轨应力与所述导波激励源的导波在相应钢轨中的传播速度之间的对应关系或者钢轨应力与所述导波激励源的导波在相应钢轨中的传播速度之间的针对不同钢轨温度的对应关系，所述计算部利用来自所述导波接收器的信号和所述对应关系，输出所述钢轨中的应力。

7.根据权利要求5所述的用于基于超声导波的钢轨纵向应力的监测装置，其特征在于，所述至少一个导波接收器的数量是两个，所述两个导波接收器沿所述钢轨的纵向延伸方向彼此间隔开。

8.一种基于超声导波的钢轨纵向应力的监测方法，所述钢轨是工字形结构且具有轨顶和轨底及位于所述轨顶与所述轨底之间的轨腰部分，所述方法包括以下步骤：

a)选取适用于监测所述钢轨的应力的最优导波模态；

a1建立适用于监测所述钢轨的应力的最优导波模态的指标模型；

a2根据所述指标模型来选取所述最优导波模态；

b)确定适于发出所选取的最优导波模态的导波的最优激励位置；

c)建立具有不同应力的钢轨中的各个应力与所述最优导波模态的导波在相应的钢轨中的传播速度之间的对应关系，或者建立具有不同应力的钢轨中的各个应力与所述最优导波模态的导波在相应的钢轨中的传播速度之间的针对不同温度的对应关系；

d)在一待监测钢轨的所述最优激励位置发出一测量导波，测量所述测量导波在所述待监测钢轨中的传播速度，基于所述传播速度并利用所建立的所述对应关系，监测所述待监测钢轨中的应力，或者测量一待监测钢轨的温度，在所述待监测钢轨的所述最优激励位置发出一测量导波，测量所述测量导波在所述待监测钢轨中的传播速度，基于所述传播速度并利用所建立的针对所测得温度的对应关系，监测所述待监测钢轨中的应力，建立适用于监测所述钢轨的应力的最优导波模态的指标模型，根据所述最优导波模态的指标模型来选取所述最优导波模态，所述最优导波模态限定为：相速度为2286.06m/s，频率为35kHz，选定的最优导波模态的轨头和轨底的振动幅度小，轨腰处呈扭转振动形态且振动幅度大。