[发明专利]一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法

权利要求书

1.一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将用于检测的128阵元超声相控阵探头安装在六自由度机械臂的末端；将待测钢轨置于水箱中；

步骤二，调整机械臂位姿，使超声相控阵探头的阵元沿钢轨宽度方向排布，探头中心与轨面垂直高度为128mm，并且阵元的中垂线与钢轨表面成24.2°夹角；

步骤三，操纵机械臂，使探头移动至钢轨一端，在移动过程中，时刻观察探头与钢轨的相对位置，直到探头移动到初始检测位置为止；

步骤四，将相控阵超声探头的阵元分为五组，设置各组阵元组内阵元的发射与接收的延时法则，五组阵元组按各自内部阵元的延迟法则同时向五个方向发射聚焦波束，以检测样轨内不同区域的伤损；检测时确保钢轨与探头之间有水层作为耦合层；

步骤五，操纵机械臂，使机械臂末端带动探头沿钢轨长度方向匀速直线运动，边移动边由探头进行钢轨缺陷检测，直至探头在垂直方向上超出钢轨另一端。

2.根据权利要求1所述的一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于：所述超声探头发出的波形为纵波，进入钢轨后只存在横波。

3.根据权利要求1所述的一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于：所述钢轨放置于可完全容纳钢轨的水箱中央，水箱上方开口，在检测前，需注水直至水面距离钢轨上表面140mm以上。

4.根据权利要求1所述的一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于：将所述128阵元超声相控阵探头的阵元从左至右按顺序分别编号为1-128号，并分为五组，第一组包括1—50号阵元，第二组包括51—60号阵元，第三组包括61—68号阵元，第四组包括69—78号阵元，第五组包括79—128号阵元；

所述五组阵元所发射的超声波分别用于检测样轨内不同区域的伤损，第一组阵元扫查轨头右上侧偏角处的伤损，第二组阵元扫查钢轨右轨颚附近的伤损，第三组阵元扫查轨头中部位置的伤损，第四组阵元扫查钢轨左轨颚附近的伤损，第五组阵元扫查轨头左上侧偏角处的伤损。

5.根据权利要求4所述的一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于，第一组阵元所发射波束的传播路径为：

确定第一组阵元的波束发射点为其中点A，根据预设的轨头右上侧偏角伤损检测位置H、水中纵波和钢轨中横波的传播速度、折射定律、反射定律，解出波束在钢轨上表面的折射点C和在右轨颚的反射点F；连接所述发射点A和入射点C得到波束在水中的传播路径AC；根据折射定律，波束在所述钢轨中由入射点C传播至轨颚反射点F；根据反射定律，波束再由反射点F传播至轨头右上侧偏角伤损检测位置H；最终波束由H原路返回至发射点A；

第一组阵元的延迟法则为：测量AC与超声探头平面的夹角即为发射偏转角，根据此角度以及波束最终聚焦在H点的特性，计算出第一组各个阵元发射的延时量即第一组阵元发射的延时法则；其中，1号阵元最先发射而50号阵元最后发射。

6.根据权利要求4所述的一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于，第二组阵元所发射波束的传播路径为：

确定第二组阵元的波束发射点为其中点I，根据预设的钢轨右轨颚伤损检测位置N、水中纵波和钢轨中横波的传播速度、折射定律，解出波束在钢轨上表面的入射点为L；连接所述发射点I和入射点L得到波束在水中的传播路径IL，波束在所述钢轨中由入射点L传播至钢轨右轨颚伤损检测位置N；最终波束由N原路返回至发射点I；

第二组阵元的延迟法则为：测量IL与超声探头平面的夹角即为发射偏转角，根据此角度以及波束最终聚焦在N点的特性，计算出第二组各个阵元发射的延时量即第二组阵元发射的延时法则；其中，51号阵元最先发射而60号阵元最后发射。