便携式钢丝绳在线检测仪研究

便携式钢丝绳在线检测仪研究
钟小勇;张小红
【摘要】Nondestructive testing of wire ropes is to ensure the safe operation of wire ropes and to reduce the waste coming from the premature discard of wire ropes. Aimed at the shortcomings of steel wire rope detection, including non real-time and non on-line,mis-detection of tiny steel wire rope,and detection result is influenced by the change of rope moving speed,a new real-time and on-line wire rope detection system was designed by testing leakage magnetic field and using DSP. The detection principle, hardware structure and software design of the system were introduced in detail. The actual application shows that the system is easy-to-use, reliable and high resolution. It is suitable for the bad environments of steel wire rope moving in uniform speed.%钢丝绳无损检测目的是保证钢丝绳的安全运行,并在这个前提下减少因盲目更换而产生的浪费.针对目前钢丝绳检测难以实现实时在线检测、细小钢丝绳易漏检,现场走绳速度变化影响检测结果等缺陷,采用漏磁法及数字信号处理器DSP设计了实时在线钢丝绳检测系统.详细阐述了系统的检测原理、硬件结构以及软件设计方案.实际应用表明:该检测系统准确可靠,智能化程度高,安装操作简便,同时能适应走绳速度不均匀等环境较为恶劣的现场使用.
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2012(000)003
【总页数】4页(P24-26,29)
【关键词】钢丝绳;缺陷检测;霍尔传感器;便携式
【作者】钟小勇;张小红
【作者单位】江西理工大学理学院,江西赣州341000;江西理工大学理学院,江西赣
州341000
【正文语种】中文
【中图分类】TP274
0 引言
钢丝绳作为承载构件，由于它具有强度高、弹性好、承载能力强等优点，在煤炭、冶金、交通运输、港口、旅游索道、建筑、电梯等领域有广泛的应用。

钢丝绳在使用过程中由于磨损、腐蚀、冲击等原因不可避免地会发生损伤［1］，导致承载能力下降，而其完好程度直接关系到人身及设备安全。

现有的检测仪操作复杂，对使用者的要求很高，大多不能实现在线检测。

目前普遍使用的检测方法依然是人工手摸目测和定期更换。

人工检测劳动强度大、可靠性差。

据统计，使用中的钢丝绳大约10%强度损耗超过15%，其中2%以上强度损耗越过30%，而约70%被强制定期更换的钢丝绳却仅有很小甚至没有损耗。

由此可见，钢丝绳检测及其安全性评估急需而又较为薄弱。

研制的便携式钢丝绳在线检测仪，由霍尔传感器及基于数字信号处理器DSP的信
号处理系统两部分组成。

检测仪能在线记录钢丝绳上缺陷的位置、断丝根数，检测到断丝或锈蚀等缺陷时能实时发出声音报警。

可取代传统的以人工为主的检测手段，从而提高钢丝绳检测的准确性，确保钢丝绳的使用安全。

1 检测的基本原理
该系统采用的检测原理为电磁检测原理，如图1所示。

当钢丝绳通过传感器时，由于钢丝绳磁导率较高，传感器中永磁体、磁铁及被检钢丝绳段自身组成的励磁回路将钢丝绳局部磁化，通过选择合适的励磁源强度及相关参数，使钢丝绳局部磁化至饱和状态。

如果被检查钢丝绳段表面和内部出现缺陷时，缺陷处的磁导率远比钢丝绳的磁导率小，造成钢丝绳局部磁导率的降低。

由于磁力线的连续性，在缺陷处磁力线必然发生扭曲向外泄露，缺陷附近将产生扩散漏磁场［2－4］。

用聚磁环沿钢丝绳轴向收集这一漏磁场，并将其引导至检测通道中，
然后利用检测元件将漏磁信号转化为电信号。

1.1 聚磁环结构
聚磁环结构如图2所示。

聚磁环采用高导磁工业纯铁，聚磁环由两部分组成，为
对称结构，呈圆环形且一端有一个凸台。

使用时聚磁环包围于钢丝绳周围，沿钢丝绳轴向顺序放置，每对聚磁环凸台相对，在2个凸台中间放置霍尔元件。

钢丝绳
表面的漏磁场通过聚磁环收集后，由凸台引导经霍尔元件。

聚磁环在钢丝绳周围形成一个小的磁场通路，使得绝大部分漏磁通经过颈状的检测电路。

采用聚磁检测方法可以扩大单个霍尔元件的探测范围以减少霍尔元件的数量;可以聚集缺陷产生的
漏磁场，提高检测灵敏度;对磁场的均化作用可以有效地消除钢丝绳固有的股间漏
磁场干扰信号。

1.2 检测元件
检测元件选性能稳定可靠的集成霍尔元件。

设K为霍尔元件的灵敏度系数，I为电流强度，B为磁感应强度，θ为B与霍尔元件平面法线的夹角，则霍尔元件输出的霍尔电压为:
灵敏度系数K由元件材质、尺寸及工作温度等因素确定，在一定条件下K为常数。

θ与元件的安装位置有关，传感器中检测元件与聚磁环构成一体，由于采用了聚磁环导磁，Β与霍尔元件平面法线的夹角即θ约为0°。

在测量中保持电流恒定，则
霍尔元件输出电压V正比于磁通密度B。

另外，从式(1)中可见霍尔元件输出信号
幅度与钢丝绳运行速度无关，且扩散漏磁场不易受钢丝绳表面油垢影响，因而传感器能较好适应现场检测环境。

显然，对不同的钢丝绳缺陷，霍尔元件输出电压波形不同。

缺陷信号波形可用式(2)来描述:
式中:p为检测到缺陷信号的峰值，mV;w为缺陷信号的宽度，mm;s为缺陷信号的面积;f1为缺陷区域产生的漏磁场分布函数，与缺陷减少量ΔA、缺陷发生的长度l、缺陷产生的部位d、缺陷区域内的磁导率μd、钢丝绳的磁导率μw和磁化强度H
有关;f2为钢丝绳检测仪的性能参数，它与传感器的结构参数，信号处理及A/D转换数字化过程有关。

通过建立模型，对检测元件输出信号的波形进行分析、处理，利用模型进行反演，即可得出钢丝绳的完好程度及钢丝绳的缺陷情况。

2 系统硬件结构设计
检测仪主要由探伤传感器、信号预处理器、A/D转换器、等距离脉冲发生器、DSP处理器等几个主要部分组成，如图3所示。

检测过程中，钢丝绳相对于断丝
探伤传感器运动，信号预处理装置将传感器输出的检测信号进行放大、滤波等处理后送入A/D转换器。

为了避免检测时钢丝绳运行速度变化等因素造成钢丝绳断丝
损伤信号在时间轴上被拉伸或压缩，从而导致信号分析的困难，检测系统采用等距离间隔采样。

等距离脉冲发生器选用旋转型编码器方式实现，安装于探伤传感器上。

每当钢丝绳移动一定距离，等距离脉冲发生器发出一个脉冲。

距离d=πR/N，其
中R为导轮直径，取70 mm;N为编码器目数，选250目，故d=0.88 mm.等距
离脉冲发生器产生的脉冲送至DSP处理器(选用TMS320F2812)作为基准，由DSP处理器发出信号使所有4个通道同时等空间间隔采样保持、启动A/D转换。

另外，等距离脉冲发生器发出的脉冲还可用作记录钢丝绳移动的距离。

系统中键盘用于输入命令等，LCD显示器最终实时显示检测结果，并视检测情况决定是否报警。

2.1 信号预处理
钢丝绳缺陷产生的漏磁场微弱，一般小于2 mT，而霍尔元件的输出电压为mV级。

为达到A/D转换的要求及消除外界噪声干扰，实际使用中加一级运算放大器对信
号进行放大，然后信号经低通滤波电路消除有关干扰。

低通滤波电路与元件参数如图4所示，采用低电压、低功耗、满幅度输出运算放大器TLV2254，该低通滤波
器为二阶巴特沃斯低通滤波器，其截止频率为:
2.2 AD7865与DSP接口设计
为满足较高速度同步采集及系统精度要求的需要，系统选用了AD7865。

AD7865是一种高速、低功耗、4个通道同步采样的14位A/D转换器，+5 V单电源供电，内部有+2.5 V参考电压，芯片内部有一个2.4μs的逐次逼近式ADC，4个跟踪/
保持放大器，同时该芯片VDRIVE引脚接3.3 V电源，可以更好地与3.3 V电平的DSP处理器兼容。

该芯片有AD7865－1、AD7865－2、AD7865－33种型号，
多个转换电压范围，系统采用AD7865－1，它允许5 V，10 V2种输入。

系统需
要同时采样、检测4路信号，而AD78654个通道同时工作时，最大采样率可以高达100 kHz，能满足系统的设计要求。

系统中，AD7865的数据线，CS(片选信号)，WR(写信号)、RD(读信号)与DSP的
XINTF接口连接，CONVST(启动转换信号)、BUSY(转换结束信号)与DSP的通用
I/O口连接，具体的电路连接如图5所示。

系统通过硬件的方法选取AD7864的
采样通道(即AD7864的软硬选择信号置低)，由于需要对4路信号进行采样，所
以把SL1至SL4全部置高，即4路通道全部选通。

主控器DSP对CONVST发出一个负脉冲就可进行一个转换顺序，在CONVST的上升沿4路模拟信号被同时采样，最少70 ns后BUSY引脚输出变为高电平，标
志转换正在进行，当BUSY引脚出现下降沿时标志着各通道转换结束。

AD7865
转换后的数据读取有2种方法，即转换中读取数据和转换后读取数据。

在该系统中，采用转换后读取数据的方式。

3 系统软件设计
系统软件采用模块化设计，软件包括主程序及一系列子程序。

利用数字处理器DSP的数据运算及控制能力，对采集的数据作一系列模型分析、高速实时处理，
其中检测子程序是软件的核心，程序框图如图6所示。

由于结构上的原因，被磁化的钢丝绳自身产生一定的漏磁场［5］，在检测元件上表现为输出连续的周期性信号，是始终存在的干扰。

相对于断丝信号而言，它变化缓慢，其频率与钢丝绳运行速度有关，硬件上不易消除。

系统采用等距离间隔采样，消除了钢丝绳运行速度对采集数据的影响。

在软件上用前、后两次数据差值大小来区分出此干扰信号。

检测子程序必须在前后两次A/D转换之间完成所有通道数据
采集，数据预处理，剔除非缺陷信号数据干扰，波形判别等一系列工作，以实现实时处理。

该系统实际最大采样速率为20 kHz，设计上留有一定的裕量，即使钢丝绳运行时晃动也不会漏检数据，系统表现出良好的适应性。

由于钢丝绳自身漏磁场及缺陷产生的附加漏磁场与钢丝绳直径大小、钢丝绳结构、钢丝绳材质等因素有关［6］，对于不同的钢丝绳，检测元件输出信号幅度有可能
差异较大。

为此，在检测前可用学习子程序(限于编幅未给出框图)模拟测量长度约2 m的钢丝绳，并用测量数据平均值计算阈值，在检测子程序中调用此阈值，以适应不同规格的钢丝绳检测。

4 检测测试
测试试验对Φ28 mm，6×37结构的钢丝绳进行检测，测量前选一个固定点为测量起止点，传感器为上下剖卸式结构，能方便地安装于被检钢丝绳上，检测数据见表1。

钢丝绳上有两处6.45 mm，6.46 mm及8.19 mm，8.20 mm缺陷细小而且邻近，相差1 cm基本上都能检测，验证了系统的缺陷分辨力能达到1 cm.现场钢丝绳运行速度往往难以控制均匀，且伴随抖动。

从表中可见，测试时走绳平均速度从0.3～3 m/s变化对检测结果没有影响，与理论推导相符合，检测仪能适应现场检测环境。

表1 检测数据位置序号不同平均速度的缺陷位置/m 0.3 0.5 1.0 1.2 1.5 2.0 2.5 3.0/(m·s－1实际缺陷)/m 4218.421 1.50 1.51 1.50 1.50 1.49 1.50 1.51 1.50 1.5026.456.456.456.456.45—6.466.456.453 6.46 6.46 6.46 6.46 6.46 6.46 6.47 6.46 6.4648.198.208.19—8.198.198.198.198.195 8.20 8.21 8.20 8.20 8.20 8.20 8.20 8.20 8.206
11.5011.5111.5011.5011.5011.5011.5111.5011.50711.52—
11.5211.5211.5211.5211.5311.5211.528
16.3016.3116.3016.3016.3016.3016.3116.3016.309
18.4218.4318.4218.4218.4218.4218.4318.
5 结束语
文中提出了基于数字处理器及聚磁方法的便携式钢丝绳实时在线检测系统设计，并较为详细地阐述了)硬件、软件实现的方法。

该系统具有以下特点:能在线检测
Φ12～Φ100 mm钢丝绳;检测速度0.3～3 m/s;缺陷分辨力1 cm;检测到缺陷时能实时发出声音报警。

该检测系统易于安装操作，能适应环境较为恶劣的现场使用，其智能化程度高、操作简便，经矿山、港口等一些部门使用，取得了较为满意的效果，具有推广应用前景。

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