基于钢轨超声波探伤信号的处理及分析

韩永卫

摘要：我国的高速铁路系统具有较长的运营里程，且技术相对全面。伴随国家铁路既有线的提速与高铁的快速发展，钢轨所承受的负荷也在逐渐加大，其中的安全问题日渐凸显。所以，应对钢轨伤损的分析加以重视，探寻其失效的原因，并提出相关措施，以延长钢轨的实际使用年限。基于此，本文首先介绍了钢轨超声波探伤的原理，并论述了各种钢轨超声波探伤信号的处理，以供参考。

关键词：超声波探伤;钢轨;信号处理

一、钢轨超声波探伤的原理

对于超声波探伤这种技术而言，其是借助超声技术透入金属材料的深部，针对各截面产生反射相应的回波信号所具有的特点加以分析，对金属是否存在损伤的情况进行实际的检测。超声波仪器探头所产生的波束，从金属的表面进入至内部的情况下，在碰到存在缺陷的位置或是与零件底面发生接触的过程中便会发出相应的反射波，这种对金属缺陷进行反映的反射波会在荧屏中生成相应的脉冲波形，检测工作人员结合脉冲波形，便可以对金属伤损缺项所处的位置及实际大小做出一定的判断。当前，超声波探伤检测已然作为一种十分重要的技术运用在钢轨质量检测工作的开展中。

二、超声波模拟信号的处理

见图一，在超声波信号，通过T/R高压隔离以后，进入至前端处理电路，这一过程中通常是实现信号的增益控制以及滤波的处理。对于前端处理，通常包括可变增益放大器VCA、信号离散化处理ADC、低噪声运放LNA众多不同的环节。这一过程所处理的通常都是模拟信号。

（一）增益控制

VCA、PGA和LNA几个部分通常应用在超声波信号的增益控制中，LNA能够有效加强电路相应的输入抗阻，针对信号实施10-20dB固定增益的放大处理，并且令单端至差分输出和高带宽能够得以实现。PGA可编程增益放大器，主要是借助软件的设置确保相应固定增益的有效实现。VCA主要是对两种应用加以实现：应用在声程补偿控制中的TGC与自动增益控制中的AGC。因为在超声传输这一过程中，相应的回波信号在强弱上存在一定的差异，为了确保其幅度在一种比较理想的状态下，可以应用自动增益控制。

（二）LPF低通滤波处理

针对超声波前端处理，其中的低通滤波器LPF，属于模拟滤波器，通常对其进行7兆赫、10兆赫、15兆赫三种固定截止频率的设置，对应的输出会直接性供应后级模数进行转换后加以应用，所以其所具有的功能是，一方面可以实现对高频噪声的有效滤除，另一方面可以完成抗混叠滤波。

三、超声波数字信号的处理

（一）阈值控制

在通过包络检波处理以后，相应信号中便会包括超声波回波包络与噪声包络，科学地对阈值控制算法加以应用，是回波包络信号提取，以及噪声包络信号消除中的重点所在，这样会在一定程度上对伤损的误判与漏判情况造成影响。若是阈值取值过大，就有可能会导致真正伤损位置被漏掉，相反便会将噪声作为回波加以处理，产生误报的问题。

（二）闸门的叠加

具体进行处理时，包络问题的产生具有一定的规律性，仅仅出现于一些特定的区间范围中，则这一区间范围便是需要进行监视的闸门。界面波闸门便是界面波相应的监视区间范围，唯有该区间范围中产生了界面波信号方符合预期。同样的道理，底波闸门和伤损闸门对应的分别是底波和监视伤损波的区间范围。为了保证这一无形的闸门信号，可以较为直观地在A型顯示内进行观察，便应针对检测的相应信号，叠加至一个相对固定的电平上。

（三）时间提取

在钢轨探伤中，伤损相应的埋藏深度，最终会在界面波包络和伤损包络二者间的时间t上加以充分反映，若是相应的传播距离d=v×t，其中v是钢轨传播中的声速，则对应的埋藏深度S便是一半的传播距离，也就是S=d/2，所以，只需要获取对应的传播时间，便可以计算出埋藏相应的深度。

四、超声波图形数据信息的处理

（一）空间转换

针对数字化的超声波信号，根据时间上的先后顺序，转换成钢轨里程和伤损埋藏深度作为参照坐标系这一过程便是空间转换。这里将以轨腰相应的螺栓孔R1进行举例，对空间转换的基本原理加以说明。结合图二传感器布局图和探测区域能够得知，对轨腰区域进行探测的相应声束分别是0度和37度，依照行进的方向，针对螺栓孔R1进行探测的顺序是：前探轮的0度和37度声束A1和A2、后探轮的37度和0度声束A3和A4。依照超声波反射基本原理，孔的切面是相应的反射面，最后通过合成获取A字型反射图标。

（二）伤损的识别

在进行空间转换处理以后的超声波反射图形，将一段钢轨中包含的全部反射图形进行集中性的显示，对反射图形相应的特点加以分析，结合标准损伤特点实施比对，之后对不同类型的伤损进行定义，称之为伤损的识别。比如，针对两段落存在螺栓孔钢轨接缝相应的检测结果加以分析。通过空间转换的基本原理可以得知，孔反射可以促成A型反射回波，相反，若是可以获取A型反射回波，便一定能够推导出为空反射所造成。

结束语：综上所述，高速铁路系统运行中，钢轨伤损问题是其中应予以重视的问题之一。而钢轨伤损问题通常采用超声波探伤技术加以检测，因此，应对超声波探伤技术进行深入研究，以使其在钢轨探伤中的作用得到更为充分地发挥。

参考文献：

[1]刘永章.铁路钢轨焊缝超声波探伤技术及便携式检测仪器分析[J].中华建设，2021（02）：104-105.