2017遠東論文精選：鋼軌損傷的無線傳感網絡監測系統

最近十幾年，我國對列車連續實施了6次大的提速，這在世界鐵路史上也很罕見。但是，列車提速的同時也帶來了很大的安全隱患。而且，隨著高速列車行車密度的增加和運行速度的提高，以及重載貨運線路載重量的增加，鋼軌損傷和故障發生的概率也大量增加，這些損傷如果不能被及時發現，可能會引起列車的運行故障，造成不可估量的損失。

目前，對鋼軌的檢測已經逐漸形成了一個新的研究方向。鋼軌的檢測目前采用的主要技術有超聲、電磁、磁粉、渦流等，但是這些方法還很難對軌道的特殊部位(如軌腰、軌底、道岔軌頭等)實現完全檢測，同時大多數的無損檢測方法也無法實現對檢測部位的實時監控。

結構健康監測

是利用現場的無損傳感技術，通過對包括結構響應在內的結構系統特性進行分析，達到檢測結構損傷或退化、制定延長結構壽命策略的目的。

近些年來，隨著科技發展以及結構設計的復雜化、智能化，結構健康監測也向著結構損傷檢測、損傷定位等的方向發展。目前，基于Lamb波的損傷檢測方法已經被廣泛應用于結構健康監測中。結構健康監測的實現都是以布置的傳感器能準確采集和傳輸實時數據為基礎和前提的，傳統的結構健康監測系統數據的采集都是采用有線傳感器的方法來實現的，這種方法往往使得監測網絡布線量大、安裝和維護費用高、可靠性差。隨著傳感技術、無線通信技術的發展，無線網絡傳感技術也得到了發展，并能夠克服有線傳感網絡的布線量大、維護費用高等不足，在實際應用中具有重要的意義。

南京航空航天大學和紐卡斯爾大學的研究人員合作，將無線傳感網絡技術應用于鋼軌的結構健康監測中，結合物聯網和結構健康監測技術搭建了鋼軌損傷監測系統。

基本原理

整個系統為主動式結構健康監測系統，通過在鋼軌軌腰上粘貼壓電陣列，對其中一個壓電片進行激勵，導波在鋼軌上傳播時遇到缺陷后，其散射特性和頻譜特性等都會發生改變，在另外的壓電片接收點接收的波形也會發生改變，提取出其中的差異規律即可對損傷進行分析。就算結構僅有非常微小的變化，接收點的探測信號的變化都會以一定規律展現出來。同時，鋼軌作為波導彈性介質，具有良好的聲導特性，導波在鋼軌中也可以傳播很長的距離。

結構健康監測系統

整個結構健康監測系統由5個部分組成：

• 供電系統
• 壓電陣列
• 傳感器節點
• 協調器節點
• PC機
  

無線結構健康監測系統框圖

仿真試驗

仿真部分主要分為二維截面和三維結構的分析，分析對象為道岔中容易發生損傷的尖軌。對試驗鋼軌進行測量，再結合國家鋼軌標準進行鋼軌的建模，并在軌頭處添加損傷位置。

尖軌模型

損傷及PZT的布置示意

在仿真試驗中，鋼軌軌腰處相距10cm處設置了接收點和激勵點，激勵點上加Lamb波激勵信號。對激勵點施加相同激勵信號的情況下，分別對兩點之間無損傷，寬0.4cm、高0.1cm、長度分別為2、3、4、6cm損傷的情況進行試驗，對獲得的數據進行相應處理，得到的結果如下圖所示：

不同長度損傷接收信號

在圖中的橢圓虛線標注的地方可以明顯發現：無損以及其他不同長度損傷的接收信號在此處有明顯的差異，無損傷情況下的接收信號的幅值小于有損傷情況下的幅值；而在有損傷情況下的接收信號中，其信號的幅值隨著損傷長度的增大而增大，這為損傷的判別提供了依據。

試驗現場

試驗現場所選用的鋼軌長度約為1m，在鋼軌軌腰的位置用耦合劑粘貼了兩個壓電片，在兩個壓電片中間位置的軌頭上同樣用耦合劑粘貼不同長度的損傷，損傷材料為復合材料。在上圖中的相應位置處依次標記了傳感器節點、協調器節點、DSP、調理電路以及PC(計算機)，整個試驗的條件與仿真試驗的條件相同。

試驗采用基于Lamb波的結構健康監測技術損傷識別方法的波傳播檢測法，使用兩片壓電片，一片作為發送器，另一片作為接收器，發送器產生Lamb波并沿著結構傳播，Lamb波在傳播過程中遇到各類缺陷或者損傷會發生波形的變化，然后通過壓電效應，在接收器上接收到電信號，最后通過分析處理此電信號，提取出能夠用來識別損傷的信號。

在現場試驗中，給左邊的壓電片一個40kHz頻率的Lamb波激勵信號，右邊的壓電片接收相應的信號。對不粘貼損傷、粘貼2、3、4、6cm損傷的情況分別進行試驗。

將得到的數據經過消除串擾及噪聲信號后的處理結果如下圖所示，對比其中的不同損傷條件下接收信號的幅值。在橢圓虛線標注出來的位置上，不同損傷幅值大小出現明顯的區別，其所有損傷信號幅值變化的趨勢基本與仿真試驗的趨勢相同，在幅值具體大小上存在差別，這與硬件自身的精度有關。

不同損傷試驗結果

為了進一步分析每種損傷的情況，對采集到的噪聲、無損傷和2、3、4、6cm損傷的信號進行快速傅里葉變換(FFT)，通過觀察其頻譜圖來分析其中的差別。

不同損傷的快速傅里葉變換結果

在圖(a)的干擾信號頻譜中可以看出：干擾信號主要為低頻諧波信號以及一個頻率約為40kHz的串擾(在重構信號曲線時應該將干擾信號濾除)。

圖(b)~(f)中，在頻率40kHz左右都有一個較大的幅值，這與試驗所用的激勵Lamb波頻率相同。在其余無損傷和添加人工損傷信號的頻譜圖中，在最高頻率處的幅值都隨著添加損傷長度的增加而不斷減小，說明長度越長的損傷對信號的散射越強，這使得接收到的信號越弱。通過對不同頻譜的分析可以用來判斷損傷程度的大小。

為了直觀顯示不同長度損傷的接收幅值大小，通過MATLAB軟件對得到的損傷信號在40kHz處的峰值幅值進行擬合，從擬合的曲線可以更直觀地觀察出接收信號的幅值與損傷長度變化的關系。

不同長度損傷幅值擬合曲線

試驗驗證了不同長度的損傷對接收信號的影響，結果表明：該硬件試驗系統可以用來判別不同長度的損傷，并且和預期的仿真試驗結果基本相符。

本文作者：王文皞，南京航空航天大學碩士研究生，主要從事結構健康監測研究工作。

節選自《無損檢測》2017年第39卷第11期