变温环境下超声导波钢轨结构健康监测技术研究.pdf

26T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATION变温环境下超声导波钢轨结构健康监测技术研究王鹏跃1，朱 良2，谭树林3，姜增刚4，康 剑4（1北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2北京铁路信号有限公司，北京 102613；3西安全路通号器材研究有限公司，西安 710100；4陕西红柠铁路有限责任公司，陕西榆林 719300）摘要：在应用超声导波进行钢轨结构健康监测时，温度变化会导致钢轨的导波特性发生改变，从而影响监测结果的准确性。主要分析温度对钢轨导波波速的影响，提出采用 3 次样条插值在时域拉伸信号，实现导波波速的补偿，将归一化能量均方差作为选择最佳拉伸因子的准则及钢轨伤损判断的标准，避免导波信号幅值变化对监测结果的影响，通过对实验数据的处理验证算法的有效性，并在呼和南站重载线路进行锯轨演示试验，为变温环境下的钢轨结构健康监测提供了技术基础。关键词：超声导波；钢轨结构健康监测；温度补偿；时域拉伸中图分类号：U216.3 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2023)11-0026-08Research on Rail Structure Health Monitoring Technology Based on Ultrasonic Guided Wave in Variable Temperature EnvironmentWang Pengyue1,Zhu Liang2,Tan Shulin3,Jiang Zenggang4,Kang Jian4(1.CRSC Research&Design Institute Group Co.,Ltd.,Beijing 100070,China)(2.Beijing Railway Signal Co.,Ltd.,Beijing 102613,China)(3.Xian Railway Signal Research Co.,Ltd.,Xian 710100,China)(4.Shaanxi Hongning Railway Co.,Ltd.,Yulin 719300,China)Abstract:When using ultrasonic guided waves to monitor the health of rail structure,the temperature change will lead to the change of the guided wave characteristics of the rail,which will aff ect the accuracy of the monitoring results.This paper mainly analyzes the infl uence of temperature on guided DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2023.11.005收稿日期：2022-04-14；修回日期：2023-10-15基金项目：北京全路通信信号研究设计院集团有限公司科研项目（2300-K1190013.01）第一作者：王鹏跃（1996），男，助理工程师，硕士，主要研究方向：超声无损检测，邮箱：。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年11月，第20卷第11期27技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATIONwave velocity of rail,and proposes to use the cubic spline interpolation to stretch the signal in time domain to realize the compensation of the guided wave velocity.The normalized energy mean square error is used as the criterion for selecting the best tensile factor and the criterion for judging the damage of the rail,which avoids the infl uence of the amplitude change of the guided wave signal on the monitoring results,and the eff ectiveness of the algorithm is verifi ed by processing the experimental data.In addition,a rail sawing demonstration test was carried out on the heavy-haul line of Hohhot South Station.It provides a technical basis for the health monitoring of rail structure in variable temperature environment.Keywords:ultrasonic guided wave;rail structure health monitoring;temperature compensation;time-domain stretching1概述随着铁路向客运高速化和货运重载化发展，对运输安全的要求越来越高，钢轨的结构健康监测成为铁路安全运营的重要基础。超声导波结构健康监测技术是一种新型的监测方法，可实现在线实时监测和钢轨全端面的裂缝检测，受到了广泛关注。在导波监测技术的实际应用中，常使用基线相减法，即用测量信号减去基准信号，根据残差的大小来判断被测钢轨有无伤损，这对导波接收信号的稳定性提出了很高要求。但导波易受环境条件变化的影响，而研究表明，温度变化会导致导波信号幅值和波速的变化，是导致信号波动的主要因素。因此，导波信号的温度补偿是近年来备受关注的一个研究方向。Lu Y 文献 提出了最优基线选择法(Optimal Baseline Selection，OBS)，该方法需要构建结构在不同温度下的基线数据库，但在工程应用中，在数据库建立的较长时间范围内无法判断钢轨是否存在伤损。Croxford 等人提出了基线信号拉伸法(Baseline Signal Stretch，BSS)，引入信号拉伸因子，以此来校正波速。然而，该算法采用最小残差作为判断依据，尽管实现了波速校正，但在基线减法后进行伤损判断时，忽略了温度或监测系统电压波动带来的信号幅值波动，同时，该算法在频域实现信号的拉伸，增加了算法的复杂度-。本文引入了归一化能量均方差作为选择最佳拉伸因子的准则及钢轨伤损判断的标准，在实现温度补偿的同时，排除温度或系统电压波动导致的信号幅值变化带来的干扰。同时，提出在时域上通过 3次样条插值对数字信号进行处理，实现信号的拉伸，降低了算法的复杂度，为变温环境下的钢轨结构健康监测提供了技术基础。2温度影响分析及补偿算法2.1温度对钢轨导波的影响在应用超声导波技术监测钢轨结构健康时，温度变化对导波信号的影响十分明显。钢轨在服役过程中，轨温的温差最大可到达上百摄氏度，使钢轨的导波特性发生变化，从而影响导波的波速和幅值等特征参数-。通过理论分析，可以直观地体现出温度对钢轨导波的影响。在进行钢轨结构健康监测时，由换能器发送经汉宁窗调制的正弦信号 s(t)，该信号可以表示为如公式（）所示：s(t)A0w(t)sin(2ft)（）其中，w(t)为汉宁窗函数，如公式（）所示：（）公式（）（）中，A0是激励信号的幅值，f 是激励信号的频率，n 是调制信号中的正弦信号周期数。假设当前时刻为 t0，传感器接收到钢轨特征结构的回波为 s0(t0)，当钢轨温度发生了 T 的变化时，特征结构回波变为 s1(t0)，如公式（）（）所示：No.11王鹏跃，朱良，谭树林，姜增刚，康剑：变温环境下超声导波钢轨结构健康监测技术研究28T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATIONs0(t0)s(t t0)（）s1(t0)s(t t0 t)（）公式（）（）中，表示该钢轨结构的反射系数，t 为回波信号的时移，由温度的变化引起，因此，对于钢轨上某个回波信号，温度的变化会导致其在时域上产生时移。为了定量研究温度变化量 T 与回波时移量 t之间的关系，将时间 t、波速 v 和距离 d 设为温度变化量 T 的因变量，求式 t d/v 对 T 的偏微分，如公式（）所示：（）公式（）中，令 d/T d，其中 为钢轨的热膨胀系数。令 v/T k，k 可以理解为钢轨中波速变化与温度变化之比。则公式（）可以表示为公式（）所示：（）对于钢轨，k/v 要远大于。因此，钢轨特征回波在温度变化时产生的时移量主要由波速变化引起。除了波速以外，温度变化同样会影响换能器与钢轨的耦合效果及声波在钢轨中衰减系数，从而导致接收信号的幅值产生变化。2.2基于时域拉伸的温度补偿算法基线相减法是导波无损检测的一种常用方法，.小节中介绍了温度变化会对钢轨导波的波速及幅值带来影响，这就会导致在钢轨未发生伤损时，当前信号与基准信号差异增大，无法判断该差异是由于温度变化产生还是结构伤损产生。因此，需要对信号进行温度补偿，从而减小温度造成的信号变化。在.小节中，换能器激励信号可以如公式（）表示为 s(t)，那么在温度 T0时的导波信号，可以表示为多个不同幅值、不同到达时间的特征回波，如公式（）所示：u0(t)si(t)is(t ti)（）公式（）中，i表示第 i 个钢轨特征结构回波的反射系数，si(t)表示第 i 个回波，ti为第 i 个特征回波的到达时间。由公式（），钢轨特征回波在温度变化时产生的时移量主要由波速变化引起。因此，温度变化 T 时，传感器接收到的回波信号可以表示为公式（）所示：u1(t)i s(t ti)i s(t ti)（）公式（）中，定义 为拉伸因子，为了对导波信号进行补偿，需要对时域信号进行拉伸，从而减小或消除波速变化导致的信号差异。假设 u0(t)为基准信号，u1(t)为当前信号，在时域上拉伸 u1(t)可以表示为公式（）所示：u1(t)=u1(t)=i s(t ti)（）为了确定最佳拉伸因子，采用归一化能量均方差作为判断标准，当测量信号与基准信号之间的归一化能量均方差最小时，对应的 值即为最佳拉伸因子。在实际计算时，信号为采集得到的长度为 N 的数字信号，首先对基准信号 u0(n)和变换后测量信号u1(n)做去均值处理，排除直流分量的干扰，如公式（）所示：（）之后对公式（）中 u0m(n)和 u1m(n)进行能量归一化处理，得到归一化结果 u0mn和 u1mn(n)，如公式（）（）所示:（）（）公式（）中，A 可表示如公式（）所示：（）归一化能量均方差 即可表示为公式（）所示：（）归一化能量均方差将信号能量进行了归一化处理，因此可以排除掉信号幅值随温度整体线性变化带来的干扰。同时它反映了能量归一化后基准信号和测量信号的差异，既可以作为最佳拉伸因子的判断标准，也可以作为无损检测中判断伤损是否存在铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年11月29技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION的特征参数。因此，在计算时，在一定范围 min，max 内，以步长 遍历拉伸因子 的值，计算拉伸后信号及基准信号的归一化能量均方差，即可得到补偿后测量信号及基准信号间的 及其对应的拉伸因子 值。对于数字信号，需要对基准信号或测量信号进行 次样条插值，以实现信号的时域拉伸。算法流程如图 所示。图时域拉伸算法流程Fig.1 Flowchart of time-domain stretching algorithm开始初始化，是是否计算次样条插值后基准信号与当前信号的计算基准信号与次样条插值后当前信号的是记录对应 值 输出及对应值 判断钢轨结构是否存在伤损 在计算过程中，可以得到每组测量信号的最佳拉伸因子，设基准信号波速为 V0，则测量信号 u1(t)的波速可以表示为公式（）所示：V1 V0 （）算法通过计算得到最佳拉伸因子，实现了对信号波速的补偿，同时，利用归一化能量均方差作为钢轨结构是否存在伤损的依据，排除了信号幅值变化的影响。3实验信号分析为了测试不同温度下钢轨的导波信号，在钢轨上布置换能器和传感器后，采用 kHz 汉宁窗调制信号作为激励，采集了 天的导波数据，共 组，在第 天测试前（采集第 组信号前），在钢轨轨底制造了约.cm 的裂缝。同时，通过温度传感器采集钢轨的温度信息，其中第一天温度较低且波动较小，而后 天温度较高且波动较大，总的温度波动范围为.。第 组和第 组数据的局部导波信号如图（a）所示，可以看到，由于温度的变化，钢轨中导波的波速发生改变，且导波信号的幅值也发生了一定变化。为了体现温度变化对导波检测的影响，采用采集得到的第 个信号作为基准信号，计算其他信号与其的归一化能量均方差，计算结果及对应的温度数据如图（b）所示。可以看到，在第 天测试时，由于温度升高，归一化能量均方差明显增大，由温度带来的数值变化与轨底裂缝带来的数值变化难以区分，无法检测出轨底裂缝的存在。为了减小温度对伤损检测的影响，对数据进行时域拉伸温度补偿，在.范围内以步长.遍历拉伸因子，得到每组数据拉伸后与基准信号间的最小归一化能量均方差，作为判断有无伤No.11王鹏跃，朱良，谭树林，姜增刚，康剑：变温环境下超声导波钢轨结构健康监测技术研究30T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATION图未补偿时信号波形及归一化能量均方差Fig.2 Signal waveform and normalized energy mean square error in uncompensated case.-.-.-.信号幅值采样点数（a）未补偿时信号波形（a）Signal waveform in uncompensated case第组数据第组数据.制造轨底裂缝.归一化能量均方差温度/C第天第天第天第天（b）未补偿时信号归一化能量均方差（b）Signal normalized energy mean square error in uncompensated caseX:Y:.损的参数。补偿后信号波形及每组数据与基准信号间最小归一化能量均方差如图 所示。可以看到，经过算法处理，在第 天温度升高后，能量均方差有所增大，但仍在.以下，在制造轨底缺陷后，能量均方差高于.，与温度导致的数值变化区分明显，可以实现伤损的检测。由公式（），根据计算过程中得到的每组数据的最佳拉伸因子及基准信号波速，可以得到在实验的 天中导波信号的波速数据。根据特征结构回波及特征结构与传感器，换能器的相对位置，计算得到参考信号波速约为 m/s，实验信号的波速及对应时间点温度如图 所示。可以看到，波速与温度变化的趋势相反，温度越高，波速越慢。在.至.温度波动范围内，波速存在约 m/s 的波动，从而导致测量信号与基准信号存在明显的差异，而通过时域拉伸算法可以实现波速的校正，减小温度变化对导波检测的影响。4上道试验应用基于时域拉伸的温度补偿算法的研究依托于北京全路通信信号设计院集团有限公司的科研项目，并在公司产品岔区轨件监测系统中得到应用。该系统包括轨上换能器、传感器及轨旁设备、轨旁设备可经传感器采集钢轨中的导波信号，进行算法解算，上报钢轨健康状态至远程平台，在钢轨出现伤损时通过手机短信等方式向相关人员报警。轨旁设备如图 所示。年 月，呼和南站重载线路#道岔尖轨由于表面鱼鳞纹较多，需要换轨。在换轨前，应呼局工务处要求，岔区轨件监测系统安装在该尖轨上，并进行断轨演示试验，由于天窗点时间有限，铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年11月31技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION锯轨分两次进行，第一次从轨头锯至轨腰中段，第二次将钢轨几乎锯断。试验过程中远程平台显示数据如图 所示。锯轨开始前，系统持续工作约 0.5 h，上报状态均为“正常”，钢轨特征值即归一化能量均方差均在.附近波动，将钢轨缺陷阈值设为.，折断阈值设为.。开始锯轨后，由于锯轨噪声较大，系统将钢轨状态识别为“过车”，锯至轨腰后，暂停锯轨，系统识别出钢轨缺陷，通过短信向呼局工务处报警，继续锯轨至钢轨几乎折断后，系统识别出钢轨折断。图补偿后信号波形及归一化能量均方差Fig.3 Signal waveform and normalized energy mean square error after compensation.-.-.-.信号幅值采样点数（a）补偿后信号波形（a）Signal waveform after compensation基准信号第组数据.制造轨底裂缝X:Y:.归一化能量均方差温度/C（b）补偿后信号归一化能量均方差（b）Signal normalized energy mean square error after compensation第天第天第天第天图导波信号波速变化Fig.4 Velocity variation of guided wave signal第天第天第天第天 波速/（m/s）温度/CNo.11王鹏跃，朱良，谭树林，姜增刚，康剑：变温环境下超声导波钢轨结构健康监测技术研究32T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATION锯轨演示试验中系统准确识别出钢轨的健康状态，但由于本次试验天窗点时间有限，温度波动较小，只采集了约 min 的钢轨导波数据，无法体现出算法在进行温度补偿时的显著效果。但结合第 节中采集得到的较大温度波动下的数据分析结果，可以证明基于时域拉伸的温度补偿算法在实际产品应用时的有效性。5结论本文研究了温度对钢轨导波信号的影响，重点关注了温度变化带来的导波波速的变化，提出采用归一化能量均方差作为信号时域最佳拉伸因子的选择依据，并将其作为导波检测中判断伤损是否存在的特征参数以排除幅值变化带来的干扰。同时，针对采集得到的数字信号，提出分别对基准信号和测量信号进行 3 次样条插值实现信号的拉伸。在.温度波动范围内，采集了 天的钢轨导波数据，并在轨底制造.cm 伤损，通过基于时域拉伸的温度补偿算法，实现了伤损的可靠检测，并在呼和南站重载线路进行了锯轨演示试验，为变温环境下的钢轨结构健康监测提供了技术基础。参考文献1 Lu Yinghui,Michaels J E.A Methodology for Structural Health Monitoring with Diffuse Ultrasonic Waves in the Presence of Temperature VariationsJ.Ultrasonics,2005,43(9):717-731.2 Konstantinidis G,Drinkwater B W,Wilcox P D.The Temperature Stability of Guided Wave Structural Health Monitoring SystemsJ.Smart Materials and Structures,2006,15(4):967-976.3 Croxford A J,Moll J,Wilcox P D,et al.Efficient Temperature Compensation Strategies for Guided 图岔区轨件监测系统轨旁设备Fig.5 Trackside equipment of turnout rail monitoring system铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年11月图远程平台显示数据Fig.6 Data displayed by the remote platform33技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATIONWave Structural Health MonitoringJ.Ultrasonics,2010,50(4/5):517-528.4 Clarke T,Simonetti F,Cawley P.Guided Wave Health Monitoring of Complex Structures by Sparse Array Systems:Influence of Temperature Changes on PerformanceJ.Journal of Sound and Vibration,2010,329(12):2306-2322.5 胡剑虹，唐志峰，蒋金洲，等.道岔钢轨轨底缺陷的导波检测技术研究 J.中国铁道科学，2014，35（3）：34-40.Hu Jianhong,Tang Zhifeng,Jiang Jinzhou,et al.Research on Guided Wave Inspection Technology for Rail Base Defect of TurnoutJ.China Railway Science,2014,35(3):34-40.6 邓菲，刘洋，诸葛霞，等.变化环境下的超声导波结构健康监测研究进展 J.机械工程学报，2016，52（18）：1-7.Deng Fei,Liu Yang,Zhuge Xia,et al.Progress on the Research of Ultrasonic Guided Wave Structural Health Monitoring in the Changing AmbientJ.Journal of Mechanical Engineering,2016,52(18):1-7.7 李薛，齐光锋，孙振华，等.温度对管道超声导波检测定位的影响规律研究 J.内蒙古石油化工，2020，46（4）：3-6.Li Xue,Qi Guangfeng,Sun Zhenhua,et al.Study on the Influence Rule of Temperature on Pipeline Ultrasonic Detection and PositioningJ.Inner Mongolia Petrochemical Industry,2020,46(4):3-6.8 顾建祖，陈榕，Rahim Gorgin.变化温度下的超声导波板状结构健康监测 J.河南科技大学学报(自然科学版)，2019，40（2）：57-63，7.Gu Jianzu,Chen Rong,Gorgin R.Ultrasonic Guided Wave Plate-Like Structural Health Monitoring under Varying TemperatureJ.Journal of Henan University of Science and Technology(Natural Science),2019,40(2):57-63,7.9 王宇航.基于基准匹配的超声导波信号环境补偿技术研究 D.厦门:厦门大学，2018.No.11王鹏跃，朱良，谭树林，姜增刚，康剑：变温环境下超声导波钢轨结构健康监测技术研究*铁路通信信号工程技术期刊简介铁路通信信号工程技术由中国铁路通信信号集团有限公司主管，北京全路通信信号研究设计院集团有限公司主办，在铁路电务科研、设计、施工及维修等单位有较大影响，深得科技人员的好评。经国家新闻出版总署批准，自 2005 年 12 月起面向国内外公开发行。国内统一连续出版物号：CN11-5423/U。国际标准连续出版物号：ISSN1673-4440。本刊是中国学术期刊综合评价数据库统计刊源期刊；RCCSE 中国准核心学术期刊；日本科学技术振兴机构数据库（JST）收录期刊；EBSCO 学术数据库收录期刊；中国核心期刊（遴选）数据库收录期刊；中国学术期刊（光盘版）全文收录期刊；中文科技期刊数据库(全文版)收录期刊；中国学术期刊影响因子年报统计源期刊；超星期刊域出版平台全文收录;中国铁道学会通信信号分会指定期刊；国家新闻出版广电总局认定的A 类学术期刊。主要内容是围绕铁路和城市轨道交通通信信号技术方面的科研创新、重点工程、优秀设计、国内外先进技术进行论述、探讨和追踪报导；对广大通信信号科技人员、高等院校师生、施工单位和企业设计施工人员，在新技术研发和工程实践中总结的科技成果进行交流；及时报导相关政策信息、标准信息和科技发展动态等。设有：学术探讨、技术创新、重点工程、城轨交通、技术交流、知识讲座、综述评述、国外信息、行业动态等栏目。扫描打开期刊官网阅读、下载本刊内容