CN101482540B - 基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测装置及方法。所述检测装置包括：线图传感器单元、激励信号及其功率放大单元、相幅检测单元、数据采集与信号调理单元、图像重建和物场参数提取单元和主控单元。所述检测方法由数字合成器产生正弦激励信号，再由激励信号放大器做功率放大，通过激励线圈产生激励磁场；用线圈传感器检测激励磁场的变化信号；检测信号与激励信号同时进入相幅检测电路作解调，得到两个信号间的相移以及检测信号的幅度；对相移和幅度信号进行归一化；由归一化后的相移信号进行反演成像，得到钢丝绳的截面缺陷损伤图像；由此图像对钢丝绳损伤进行定量的评估。

Description

基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测方法

【技术领域】

本发明涉及钢丝绳损伤检测技术，具体涉及一种基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测装置及方法。 

【背景技术】

在冶金、航运、旅游、港口和建筑等诸多行业中，钢丝绳得到了广泛的应用，在钢丝绳的使用过程中，由于钢丝绳损伤引发的安全事故直接危及到人身安全和设备安全，因此实时地监测钢丝绳的损伤情况及其负荷能力具有重要的社会效益和经济效益。 

目前，对于钢丝绳损伤检测应用最多、效果最好的是电磁法。该种测量方法以主磁通法对截面损失的定量检测已经基本实现，对局部损伤，现有的钢丝绳无损检测传感器输出的是钢丝绳轴向各处整个圆周上漏磁信号的加和，根据这一种一维信号对钢丝绳进行检测，必然会丢失缺陷在钢丝绳周向的分布，而缺陷的周向分布，特别是集中缺陷和分散缺陷，对钢丝绳剩余载荷的影响有较大的差异，因而会影响对钢丝绳剩余载荷状态的准确评估。 

电磁法的存在的主要问题就是它不能对内部损伤与表面损伤进行统一的定量评估，内部损伤的漏磁信号由于其周围钢丝的屏蔽作用，其漏磁信号会比表面损伤衰减较大，不利于采用统一标准对损伤判定。煤炭部科学研究院抚顺研究所与华中工学院机械一系研制的钢丝绳断丝定量检测仪采用了多个霍尔传感器检测周向漏磁，并通过独立通道输出各传感器信号，该探伤对缺陷具有一定的周向分辨率，缺陷的识别和定位通过分析多个通道的一维信号并综合分析结果得到，上述方法都没有摆脱一维信号处理方式。 

【发明内容】

为了解决现有技术中存在的电磁检测法不能对钢丝绳内部损伤与表面损伤进行统一的定量评估，内部损伤的漏磁信号由于其周围钢丝的屏蔽作用，其漏磁信号会比表面损伤衰减较大，不利于采用统一标准对损伤判定这一技术问题和采用多个霍尔传感器检测周向漏磁，并通过独立通道输出各传感器信号，该探伤方法对缺陷具有一定的周向分辨率，缺陷的识别和定位通过分析多个通道的一维信号并综合分析结果得到，无法摆脱一维信号处理方式，导致对待检 测钢丝绳内部损伤检测缺乏准确性这一技术问题，本发明提供了一种基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测装置。 

为了解决现有技术中存在的问题，本发明还提供了一种基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测方法。 

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为提供了一种基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测装置，所述基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测装置包括：线圈传感器单元、激励信号及其功率放大单元、相幅检测单元、数据采集与信号调理单元、图像重建和物场参数提取单元和用于图像及参数显示的主控单元，其中，所述线圈传感器单元、所述激励信号及其功率放大单元、所述相幅检测单元和所述数据采集与信号调理单元依次连接，所述主控单元分别与所述激励信号及其功率放大单元、所述相幅检测单元、所述数据采集与信号调理单元和所述图像重建和物场参数提取单元连接。 

根据本发明的一优选技术方案：所述线圈传感器单元包括磁屏蔽层、导磁体和线圈，其中，所述导磁体与所述磁屏蔽层连接，所述线圈与所述导磁体连接。 

根据本发明的一优选技术方案：所述磁屏蔽层为电磁屏蔽罩。 

根据本发明的一优选技术方案：所述线圈均匀设置在所述导磁体上。 

根据本发明的一优选技术方案：所述相幅检测单元为相幅检测电路。 

本发明还提供了一种基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测方法，所述基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测方法包括步骤：第一步、通过所述主控单元产生激励信号，供给所述线圈传感器单元中N个线圈中的任意一个线圈，产生交变的激励磁场；第二步、依次选通所述线圈传感器单元中N个线圈中的其它N-1个线圈，检测出其感应电势信号，并从中解调出其幅度及相对于所述激励信号的相移；第三步、采集感应电势的幅度和相移信号，经过现场可编程门阵列处理，将采集的数据送入数字信号处理器；第四步、重复所述第一步、第二步和第三步，直至N个线圈都被用作激励线圈为止，得到一组N×(N-1)×2个测量的数据；第五步、使用上述数据，对被检钢丝绳径向截面上的磁导率分布进行图像重建，得到被检钢丝绳径向截面上的损伤分布图像；第六步、对重建图像进行处理，得出物场特征参数，定量分析出所述被检钢丝绳的径向截面损伤。 

根据本发明的一优选技术方案：所述第一步具体为通过所述主控单元内的数字合成器产生激励信号，通过所述激励信号及其功率放大单元进行功率放大，经过开关的选通，供给所述线圈传感器单元中N个线圈中的任意一个，产生交变的激励磁场。 

根据本发明的一优选技术方案：所述第二步具体为通过模拟开关依次选通分布在被测空间边界的所述线圈传感器单元中N个线圈中的其它N-1个线圈，检测出其感应电势信号，并从中解调出其幅度及相对于所述激励信号的相移。 

根据本发明的一优选技术方案：所述第五步具体为使用上述数据，采用联合迭代重建算法，通过数字信号处理器在线地对钢丝绳的径向截面上的磁导率分布进行图像重建，或将数据传送到所述主控单元进行离线图像重建，得到径向截面上的损伤分布图像。 

根据本发明的一优选技术方案：所述第六步具体为对重建图像进行数字图像处理，得出物场的特征参数，定量分析出所述被检钢丝绳径向截面上损伤的类型、大小及分布情况。 

本发明的有益效果在于：一、对钢丝绳的径向截面进行了成像，可直观分辨出内部损伤与表面损伤的大小，对损伤的定量检测提供了直观、可靠的依据；二、可同时完成对局部损伤和截面损失的检测；三、不需要采用永磁励磁机构，从而大大减小了探头的重量，携带、使用方便、四、成像速度高，约为120帧/秒，检测结果受钢丝绳拉动速度影响小、五、为非接触、非介入和无危害的检测仪器，避免了钢丝绳与仪器之间的磨损，延长了仪器的使用寿命。 

【附图说明】

图1.本发明基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测装置及方法中基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测装置模块结构示意图； 

图2.线圈传感器结构示意图； 

图3.相移检测电路原理图； 

图4.幅度检测电路原理图； 

图5.基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测装置的信号流程图； 

图6.本发明基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测装置及方法中基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测方法流程图。 

【具体实施方式】

以下结合附图和实施例对本发明做详细说明： 

请参阅图1本发明基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测装置及方法中基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测装置模块结构示意图。如图1所示，所述基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测装置包括：线圈传感器单元101、激励信号及其功率放大单元102、相幅检测单元103、数据采集与信号调理单元104、图像重建和物场参数提取单元105和用于图像及参数显示的主控单元106，其中，所述线圈传感器单元101、所述激励信号及其功率放大单元102、所述相幅检测单元103和所述数据采集与信号调理单元104依次连接，所述主控单元106分别与所述激励信号及其功率放大单元102、所述相幅检测单元103、所述数据采集与信号调理单元104和所述图像重建和物场参数提取单元105连接。 

请参阅图2线圈传感器结构示意图，如图2所示，所述线圈传感器单元101包括磁屏蔽层201、导磁体202和线圈203，其中，所述导磁体202与所述磁屏蔽层201连接，所述线圈203与所述导磁体202连接，所述磁屏蔽层201为电磁屏蔽罩，所述线圈203均匀设置在所述导磁体202上。 

在本发明的优选技术方案中，所述相幅检测单元103为相幅检测电路，具体包括相移检测电路和幅度检测电路。 

其中所述相移检测电路原理图可以参阅图3，如图3所示，检测线圈203中点处采用一个电阻为OPA3682型放大器产生直流偏置，检测线圈203的信号通过OPA3682进行2倍的放大后，与激励信号一起产生复合信号，复合信号经过AD8056型带通滤波器进行带通滤波，滤波后的信号再通过比较器LT1016进行过零检测，从而得到检测信号与激励信号之间的相移。 

所述幅度检测电路原理图可以参阅图4，如图4所示，幅度检测采用的是峰值保持电路，当检测线圈203中的峰值增大时，就会向电容C充电，一个测量环节结束后，将电容C的电荷通过模拟开关S进行放电，为下一次的幅度测量做准备。 

在本发明的优选技术方案中，所述用于图像及参数显示的主控单元106为计算机。 

请参阅图5基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测装置的信号流程图和图6基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测方法流程图。如图中所示，所述 基于电磁层析成像技术的钢丝绳204损伤检测方法包括步骤：第一步、通过所述主控单元106产生激励信号，供给所述线圈传感器单元101中N个线圈203中的任意一个线圈203，产生交变的激励磁场；第二步、依次选通所述线圈传感器单元101中N个线圈203中的其它N-1个线圈203，检测出其感应电势信号，并从中解调出其幅度及相对于所述激励信号的相移；第三步、采集感应电势的幅度和相移信号，经过现场可编程门阵列处理，将采集的数据送入数字信号处理器；第四步、重复所述第一步、第二步和第三步，直至N个线圈203都被用作激励线圈203为止，得到一组N×(N-1)×2个测量的数据；第五步、使用上述数据，对被检钢丝绳204径向截面上的磁导率分布进行图像重建，得到被检钢丝绳204径向截面上的损伤分布图像；第六步、对重建图像进行处理，得出物场特征参数，定量分析出所述被检钢丝绳204的径向截面损伤。 

在本发明的技术方案中，所述第一步具体为通过所述主控单元106内的数字合成器产生激励信号，通过所述激励信号及其功率放大单元102进行功率放大，经过开关的选通，供给所述线圈传感器单元101中N个线圈203中的任意一个，产生交变的激励磁场。 

所述第二步具体为通过模拟开关依次选通分布在被测空间边界的所述线圈传感器单元101中N个线圈203中的其它N-1个线圈203，检测出其感应电势信号，并从中解调出其幅度及相对于所述激励信号的相移。 

所述第三步具体为使用AD采集感应电势的幅度和相移信号，经过FPGA的组合处理，将采集的数据送入DSP。 

所述第四步具体为依次按照逆时针顺序选择线圈203作为激励线圈，重复第一步、第二步和第三步，直至N个线圈203都被用作激励线圈203为止，得到一组N×(N-1)×2个测量的数据。 

所述第五步具体为使用上述数据，采用联合迭代重建算法，通过DSP在线地对钢丝绳204的径向截面上的磁导率分布进行图像重建，或将数据传送到图像及参数显示的主控计算机进行离线图像重建，得到径向截面上的损伤分布图像。 

所述联合迭代重建算法的具体实现步骤为： 

一、对每一个像素预设灰度估计初值 

j＝1，2，...，M。 

二、根据已知的各像素灰度估计计算各个投影方程的计算投影值q_i： 

$q_i=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{ij}}{f}_j^k,i=\mathrm{1,2},...,N---\left(1\right)$

式中， 

为第k次迭代时第j个像素的灰度估计值。 

三、计算各实际投影p_i和计算投影值q_i之差Δp_i： 

Δp_i＝p_i-q_i，i＝1，2，...N                    (2) 

四、计算各投影方程对各像素的修正量 

i＝1，2，...N，j＝1，2，...，M，采用 

投影迭代修正公式： 

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{ij}}^k=\frac{\mathrm{\Δ}{p}_i}{\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{il}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

五、计算第j个像素的平均修正值 

$\mathrm{\Δ}{f}_j^k=\frac{1}{N_j}\underset{i=1}{\overset{N_j}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{ij}}^k---\left(4\right)$

其中，N_j表示与第j个像素有关的投影的个数，即第j个像素对投影有贡献的投影的个数。 

六、以平均修正量 为本次迭代的修正量对每个像素灰度值进行修正： 

$f_j^{k+1}=f_j^k+\mathrm{\Δ}{f}_j^k,j=\mathrm{1,2},...M---\left(5\right)$

七、对所求得的各灰度估计值 

进行了收敛程度判断： 

$|f_j^{k+1}-f_j^k|＜\mathrm{\ϵ}---\left(6\right)$

其中，ε为设定的误差界，若上式成立则停止迭代，否者重复步骤二到步骤七，直至收敛准则满足。 

所述第六步具体为对重建图像进行数字图像处理，得出物场的特征参数，从而定量分析出钢丝绳204的径向截面上的损伤的类型、大小及分布情况。 

本发明的有益效果在于：一、对钢丝绳的径向截面进行了成像，可直观分辨出内部损伤与表面损伤的大小，对损伤的定量检测提供了直观、可靠的依据；二、可同时完成对局部损伤和截面损失的检测；三、不需要采用永磁励磁机构，从而大大减小了探头的重量，携带、使用方便、四、成像速度高，约为120帧/秒，检测结果受钢丝绳拉动速度影响小、五、为非接触、非介入和无危害的检测仪器，避免了钢丝绳与仪器之间的磨损，延长了仪器的使用寿命。 

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测方法，其特征在于：所述基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测方法包括步骤：

A：通过主控单元(106)产生激励信号，供给线圈传感器单元(101)中N个线圈(203)中的任意一个线圈(203)，产生交变的激励磁场；

B：依次选通所述线圈传感器单元(101)中N个线圈(203)中的其它N-1个线圈(203)，检测出其感应电势信号，并从中解调出其幅度及相对于所述激励信号的相移；

C：采集感应电势的幅度和相移信号，经过现场可编程门阵列处理，将采集的数据送入数字信号处理器；

D：重复所述步骤A、步骤B和步骤C，直至N个线圈(203)都被用作激励线圈(203)为止，得到一组N×(N-1)×2个测量的数据；

E：使用上述数据，对被检钢丝绳径向截面上的磁导率分布进行图像重建，得到被检钢丝绳(204)径向截面上的损伤分布图像；

F：对重建图像进行处理，得出物场特征参数，定量分析出所述被检钢丝绳(204)的径向截面损伤；

所述步骤B中解调出相对于所述激励信号的相移的原理是：所述线圈(203)中点处采用一个电阻为OPA3682型放大器产生直流偏置，所述线圈(203)的信号通过所述OPA3682型放大器进行放大后，与激励信号一起产生复合信号，所述复合信号经过AD8056型带通滤波器进行带通滤波，滤波后的信号再通过LT1016型比较器进行过零检测，从而得到检测信号与激励信号之间的相移；

步骤E中采用联合迭代重建算法进行图像重建，所述联合迭代重建算法的具体实现步骤为：

E1、对每一个像素预设灰度估计初值 

j＝1，2，...，M；

E2、根据已知的各像素灰度估计计算各个投影方程的计算投影值q_i：

i＝1，2，...，N    (1)

式中， 

为第k次迭代时第j个像素的灰度估计值，W_ij为投影方程的权重系数矩阵；

E3、计算各实际投影p_i和计算投影值q_i之差Δp_i： 

Δp_i＝p_i-q_i，i＝1，2，...N    (2)

E4、计算各投影方程对各像素的修正量Δf_ij ^k，i＝1，2，...N，j＝1，2，...，M，采用投影迭代修正公式：

ω_ij为权重系数中的第i个投影方程的第j个像素的权重，为W_ij矩阵中的第i行第j列元素，ω_il为迭代更新后的第i个投影方程的第l个像素的权重；E5、计算第j个像素的平均修正值 

其中，N_j表示与第j个像素有关的投影的个数，即第j个像素对投影有贡献的投影的个数；

E6、以平均修正量 

为本次迭代的修正量对每个像素灰度值进行修正：

j＝1，2，...M    (5)

E7、对所求得的各灰度估计值 进行了收敛程度判断：

其中，ε为设定的误差界，若上式成立则停止迭代，否则重复步骤E2到步骤E7，直至收敛准则满足。

2.根据权利要求1所述基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测方法，其特征在于：所述步骤A具体为通过所述主控单元(106)内的数字合成器产生激励信号，通过激励信号及其功率放大单元(102)进行功率放大，经过开关的选通，供给所述线圈传感器单元(101)中N个线圈(203)中的任意一个，产生交变的激励磁场。

3.根据权利要求1所述基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测方法，其特征在于：所述步骤B具体为通过模拟开关依次选通分布在被测空间边界的所述线圈传感器单元(101)中N个线圈(203)中的其它N-1个线圈(203)，检测出其感应电势信号，并从中解调出其幅度及相对于所述激励信号的相移。

4.根据权利要求1所述基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测方法，其 特征在于：所述步骤E具体为使用上述数据，采用联合迭代重建算法，通过数字信号处理器在线地对钢丝绳(204)的径向截面上的磁导率分布进行图像重建，或将数据传送到所述主控单元(106)进行离线图像重建，得到径向截面上的损伤分布图像。

5.根据权利要求1所述基于电磁层析成像技术的钢丝绳损伤检测方法，其特征在于：所述步骤F具体为对重建图像进行数字图像处理，得出物场的特征参数，定量分析出所述被检钢丝绳(204)径向截面上损伤的类型、大小及分布情况。 

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