Підвищення ефективності обробки та розпізнавання нестаціонарних сигналів в системах магнітної дефектоскопії рейок

Abstract

Розв’язується актуальна науково-прикладна задача вдосконалення пристроїв та методів збору, обробки та виявлення сигналів в системах магнітної дефектоскопії рейок. Запропонована математична модель для синтезу сигналів від дефектів довільної форми. На основі моделі створені базиси для просторово-частотного аналізу дефектоскопічних сигналів, що дало можливість з більшою достовірністю виявляти дефекти типу поперечної тріщини. Запропоновано метод аналізу дефектоскопічних сигналів на основі вейвлет перетворення. Перевірено адекватність математичної моделі за допомогою експерименту з використанням фізичного моделювання дефектів та спеціально розробленого стенду для отримання розподілу магнітного поля над зразком з дефектом. Розроблено апаратно-програмну частину нової діагностичної системи збору, передавання та аналізу дефектоскопічної інформації. Запропоновано і реалізовано новий блок спряження для багатоканальної системи магнітної дефектоскопії рейок. Решается актуальная научно-прикладная задача совершенствования устройств и методов сбора, обработки и обнаружения сигналов в системах магнитной дефектоскопии рельсов. Предложенная математическая модель для синтеза сигналов от дефектов произвольной формы. На основе модели созданы базисы для пространственночастотного анализа дефектоскопических сигналов, что позволило с большей достоверностью выявлять дефекты типа поперечной трещины. Создан метод анализа дефектоскопических сигналов на основе вейвлет преобразования. Проверено адекватность математической модели с помощью эксперимента с использованием физического моделирования дефектов и специально разработанного стенда для получения распределения магнитного поля над образцом с дефектом. Разработаны аппаратно-программную часть новой диагностической системы сбора, передачи и анализа дефектоскопической информации. Предложен и реализован новый блок сопряжения для многоканальной системы магнитной дефектоскопии рельсов. The actual scientific and practical problem of improvement the railway condition monitoring systems is solved. Mathematical models for synthesis of signals for rail defects of any shape are proposed. The first model is based on representing the crack ages as arrays of magnetic charges. The field leakage of the crack is calculated as superposition of the field from all charges. The model gives a possibility to calculate the magnetic field distribution over defective area in all three orthogonal directions: along the rail, vertical and transverse. The second model is based on representing a rail as a set of discrete frames with current. The defective area is simulated by insertion additional frame with current running opposite direction. Second model allows modeling of the longitude cracks. Resulting field is formed as sum of field of all frames. Then the waveform which correspond the sensor output signal is achieved. This is done by changing the coordinate along the rail. The adequacy of proposed mathematical model is verified and proven on the experimental data. The signal of rail joint was modeled and compared with the averaged joint signal from railway. Correlation of these signals is 0.92 which is very good result. For inductive sensor simulation the signal is determined as a change of the integral field inside the sensor coil volume. Based on this waveform the basis for wavelet transform is generated. This allows more precise signal analysis and robust defect detection. The method for defect detection based on wavelet transform is created. The problem of wavelet alignment is solved by determining the envelope maximum for each scale of wavelet and shifting the basis. Experiments show the high probability of crack detection with signal to noise ratio (SNR) down to 2. The SNR is defined as the ratio between peak values of noise and defect. This is 1.5 times better value than existing system has. Currently used crack detection method ignores signals with SNR<3. Special acquisition system was designed and implemented to perform the experiments. The system allows acquiring the real static magnetic field distribution over the sample surface. It acquires 3 orthogonal field components, making possible to see the vector field distribution above the defective area. The high resolution images of the magnetic field distribution from different defects were captured and analyzed. Representation of the magnetic field components as a RGB color picture was performed. Experiments also showed the advantage of using Hall Effect sensors instead of inductive sensors, as their signal does not depend on inspection speed. New hardware and software for data acquisition and analysis in railway inspection system is designed. The need of using 3-component and multi-channel sensors in new inspection systems is described.