CN104280452B - 基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查*** - Google Patents

Abstract

一种基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***，属于无损检测技术领域。其包括直线导轨式扫描机构、圆周阵列式弱磁检测传感器、钢索夹持组件、运动控制单元和数据采集单元。直线导轨式扫描机构可搭载圆周阵列式弱磁检测传感器，以可控速度相对钢索做匀速直线运动。本发明所提出的圆周阵列式弱磁检测传感器采用亥姆霍兹线圈与沿钢索圆周均布的高灵敏度隧道磁阻元件，其直流励磁功耗低，对钢索不产生吸附力作用；采用焊接隧道磁阻元件的柔性印制电路板，其体积小，易弯折，可实现断丝、磨损的轴向与周向定位。直线导轨式扫描机构与钢索夹持组件可确保检测过程中，弱磁检测传感器与钢索间的提离距离保持一致。

Description

基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，特别针对钢索的无损检测，是一种基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***。

背景技术

钢索一般由多根高强度钢丝拧绕成股，再由数条绳股绕索芯绕制而成。其具有高抗拉、低抗弯和低抗剪等优点，广泛应用于煤炭、冶金、建筑、旅游等国民经济各主要行业和部门。钢索在使用过程中由于种种原因，常出现各类缺陷，包括钢索材料横截面损失(LMA)和局部缺陷(LF)。钢索的这些损伤引发的事故将危机人身和设备安全。因此，发展钢索缺陷无损检测技术，准确获取缺陷信息，进行钢索安全性评估并及时提出补救方案，以保证钢索使用安全，提高钢索使用寿命，具有重要的社会和经济价值。

自1906年世界上第一台钢丝绳探伤仪面世至今,已发展出多种钢丝绳无损检测方法，主要包括超声波法、电涡流法和漏磁法等。超声波在复杂钢索中衰减严重且其在钢索中传播特性较为复杂，对缺陷信号的提取较为困难；电涡流法受趋肤效应限制，检测深度有限，一般只能检测钢索表层缺陷。相比而言，漏磁法是较为成熟的钢索缺陷检测技术，具有检测空间分辨率高、响应时间快，可在线检测等优点。

钢索漏磁检测的励磁方式分为无源励磁和有源励磁。无源励磁多采用强磁力的汝铁硼永磁体作为励磁源，并采用笨重的轭铁作为导磁体。永磁铁强大的吸附力和传感器庞大笨重的外形，使得传感器与钢索难以顺利地相对匀速运动，并且难以保证传感器与钢索提离距离的一致性。传统的有源励磁方法需采用稳压电源向励磁线圈中通入较大电流，线圈发热效应严重，不便于实际应用。

钢索缺陷检测的过程中，传感器与待测钢索的提离距离应保持一致，传统的保持两者提离距离一致的方法是通过安装导轮或滑靴，该方法会造成导轮或滑靴的磨损。中国专利CN202994584U《一种简易钢索拉伸装置》提出的钢索拉伸方法可用于设计预紧钢索的装置，在此基础上设计完全非接触和恒定提离距离的钢索缺陷扫查***。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在实验室条件下模拟现场检测的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的弱磁场、低功耗的钢索缺陷扫查***。***不仅具有高分辨力和高灵敏度，而且能够避免无源检测的强磁吸附力和传统有源检测发热与供电设备庞大的弱点，能够实现钢索与传感器间的匀速相对运动，确保两者提离距离的一致性。

本发明提出基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***，它包括：直线导轨式扫描机构、圆周阵列式弱磁检测传感器、钢索夹持组件、运动控制单元和数据采集单元。

所述直线导轨式扫描机构用于调节***水平和搭载圆周阵列式弱磁检测传感器并使其与钢索发生相对运动；

所述圆周阵列式弱磁检测传感器安装在直线导轨式扫描机构上，用于沿轴向均匀磁化被测钢索、屏蔽环境磁场和检测钢索缺陷信号；

所述钢索夹持组件用于预紧和固定钢索；

所述运动控制单元和数据采集单元通过运动控制卡和数据采集卡分别与直线导轨式扫描机构和圆周阵列式弱磁检测传感器通信，用于控制导轨的运动和处理传感器采集的缺陷信号。

特别地，所述直线导轨式扫描机构包括水平调整底座、XY两轴运动导轨和钢索固定装置安装梁。

所述水平调整底座由角座和铝型材组装而成。其中有四个竖直放置的铝型材分别固定于四个可调水平的角座上，两对铝型材通过角接件固定于四个竖直放置的铝型材中部，顶部结构同上。水平调整底座用于调节***水平。

所述XY两轴运动导轨由“工”字形装配的三根导轨和两个电机组成。其中两根平行导轨构成X运动轴，与之垂直的导轨构成Y运动轴。X轴的平行导轨固定在水平调整底座顶部两根铝型材上，Y轴导轨固定在X轴导轨的两个滑台上。两个电机分别与两轴导轨的一端相连，其中X轴导轨通过传动轴实现同步运动。两轴运动导轨用于搭载圆周阵列式弱磁检测传感器并实现传感器与钢索的相对运动。

所述钢索固定装置安装梁平行X轴导轨，固定安装在水平调整底座顶部，用于安装钢索固定装置。

特别地，所述圆周阵列式弱磁检测传感器包括：传感器夹持装置、亥姆霍兹线圈、隧道磁阻探头、分体式磁屏蔽壳、印制电路板。

所述传感器夹持装置由底座和传感器夹具组成。所述底座固定于Y轴导轨滑台上，它的中部开有飞翼形凹槽，其中两翼凹槽用于固定励磁结构，中部凹槽用于固定传感器夹具。所述传感器夹具分上、下两部分，其中下半部分为开有半圆槽的长方体，其底部固定于底座中部的凹槽中，上半部分为带双耳的半圆形结构，其双耳结构与下半部分通过螺栓固定。传感器夹持装置用于夹持分体式磁屏蔽壳和固定亥姆霍兹线圈。

所述分体式磁屏蔽壳为两个对称的壳体结构，其横截面呈环形，两端有环形端盖。分体式磁屏蔽壳用于屏蔽环境磁场，在屏蔽腔体内部构造近零磁场空间。

所述亥姆霍兹线圈由两个环形线圈和锂电池组成。两个环形线圈分别套在屏蔽结构两端并固定于底座的两翼凹槽中，两者串联且电流方向一致。亥姆霍兹线圈用于沿轴向磁化从其中心穿过的钢索。

所述隧道磁阻探头由隧道磁阻元件和传感器固定环组成。所述传感器固定环为管状结构，其与分体式磁屏蔽壳内腔过渡配合，其外壁沿周向均匀分布N(2≤N≤16)个凹槽，其内壁均匀分布N个浅槽，浅槽用于胶封保护柔性印制电路板，浅槽与外壁凹槽位置相对应并相互连通用于穿过柔性印制电路板。所述隧道磁阻元件均匀分布并胶封固定于传感器固定环的凹槽内。

所述印制电路板由硬性印制电路板(PCB)和柔性印制电路板(FPC)组成。所述硬性印制电路板安装于传感器夹持装置的底座上，其由3～12V转1V电路和信号转接电路构成，用于为隧道磁阻元件供电和向数据采集卡发送检测信号。所述柔性印制电路板一端焊接隧道磁阻元件，一端连接硬性印制电路板，其用于为隧道磁阻元件传输电能和向硬性印制电路板输出检测信号。

特别地，所述钢索夹持组件包括：钢索预紧装置和钢索固定装置。

所述钢索预紧装置由穿心式液压泵、挡板、刚性底座和锚头组成，其用于预紧钢索，拉伸钢索至准直状态。

所述钢索固定装置成对使用，它由底座、支架和固定螺栓组成。底座固定安装在钢索固定装置安装梁上。四个固定螺栓分别从“回”形支架四个方向穿过指向中心。钢索固定装置用于调整钢索空间位置并夹持固定待测钢索。

所述传感器夹持装置采用有机玻璃材料，所述亥姆霍兹线圈采用漆包铜线材料，所述分体式磁屏蔽壳采用低碳钢材料，所述传感器固定环采用有机玻璃材料。

所述传感器夹持装置、亥姆霍兹线圈、分体式屏蔽壳、传感器固定环和钢索均同轴。

所述传感器固定环的内径比分体式磁屏蔽壳端盖的内径小1mm～2mm，比被测钢索直径大1mm～2mm。其内表面沿周向均匀分布N个深0.5mm～1mm、宽1mm～2mm从传感器支撑一端延伸至其中部的浅槽，浅槽与外壁凹槽位置相对并相互连通。

所述运动控制单元用于控制直线导轨的运动。所述数据采集单元用于接收传感器发送的信号并将处理后信号输出至计算机。所述计算机通过运动控制卡控制导轨匀速运动的速度和通过数据采集卡采集缺陷信号，并通过对钢索缺陷漏磁信号的处理，判断钢索有无缺陷和计算缺陷的位置和大小，完成对钢索的定性检测和定量测量。

本发明通过采用上述技术方案，可以获得以下优点和有益效果：本发明通过水平调节底座调节***的水平，通过钢索夹持组件预紧和固定钢索，很好地保证了钢索与圆周阵列式弱磁检测传感器提离距离的一致和避免了两者的接触磨损。本发明通过运动控制单元和运动导轨有效保证了圆周阵列式弱磁检测传感器与钢索的匀速相对运动。本发明采用隧道磁阻元件和锂电池供电的亥姆霍兹线圈，有效地减弱了圆周阵列式弱磁检测传感器与钢索的吸附力，克服了有源励磁的发热和供电设备庞大的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***结构图；

图2为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***装配示意图；

图3为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***圆周阵列式弱磁检测传感器示意图；

图4为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***圆周阵列式弱磁检测传感器径向剖视图；

图5为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***圆周阵列式弱磁检测传感器轴向剖视图；

图6为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***钢索固定装置示意图；

图7为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***同轴装配示意图。

图中：

1、直线导轨式扫描机构，2、圆周阵列式弱磁检测传感器，3、钢索夹持组件，4、运动控制单元，5、数据采集单元，6、水平调整底座，6-1、角座，6-2、铝型材，7、XY两轴运动导轨，7-1、X轴导轨，7-2、Y轴导轨，7-3、电机，8、钢索固定装置安装梁，9、钢索固定装置，9-1固定底座，9-2、支架，9-3、固定螺栓，10、钢索预紧装置，10-1、穿心式液压泵，10-2、挡板，10-3、刚性底座，10-4、锚头，11、传感器夹持装置，11-1底座，11-2、传感器夹具，12、分体式磁屏蔽壳，13、亥姆霍兹线圈，14、隧道磁阻探头，14-1隧道磁阻元件，14-2、传感器固定环，15、印制电路板，15-1、硬性印制电路板PCB，15-2、柔性印制电路板FPC，16、钢索。

具体实施方式

本发明通过安装在水平调整底座上的运动导轨搭载圆周阵列式弱磁检测传感器沿预紧固定的钢索进行缺陷扫查。本发明能够有效保证传感器与钢索间的提离距离，以及两者间的相对运动，极大减小传感器对钢索的吸附力，缩减传感器重量，屏蔽环境磁场干扰，提高钢索磁化的均匀性，以及对缺陷的检测定位和定量精度。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，实施方式的说明用以帮助理解本发明，并不构成对本发明的限定。

图1为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***结构示意图。

本实施例中基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***包括：直线导轨式扫描机构1、圆周阵列式弱磁检测传感器2、钢索夹持组件3、运动控制单元4和数据采集单元5。所述直线导轨式扫描机构1包括：水平调整底座6、XY两轴运动导轨7和钢索固定装置安装梁8；所述圆周阵列式弱磁检测传感器2包括：传感器夹持装置11、分体式磁屏蔽壳12、亥姆霍兹线圈13、隧道磁阻探头14和印制电路板15；所述钢索夹持组件3包括钢索固定装置9和钢索预紧装置10。

所述水平调整底座6用于固定XY两轴运动导轨7和钢索固定装置安装梁8；所述XY两轴运动导轨7用于固定圆周阵列式弱磁检测传感器2；所述钢索固定装置安装梁8用于安装固定钢索固定装置9；所述传感器夹持装置11用于固定分体式磁屏蔽壳12和亥姆霍兹线圈13；所述亥姆霍兹线圈13用于沿轴向均匀磁化待测钢索16；所述分体式磁屏蔽壳12用于屏蔽环境磁场并固定隧道磁阻探头14；隧道磁阻探头14用于检测钢索16缺陷；所述数据采集单元5用于接收处理隧道磁阻探头14的检测信号；所述运动控制单元4用于控制XY两轴运动导轨7的运动。

图2为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***装配示意图；

所述水平调整底座6由角座6-1和铝型材6-2组装而成，其中四个竖直放置的铝型材6-2分别固定于四个可调水平的角座6-1上，两对铝型材6-2通过角接件固定于四个竖直放置的铝型材6-2中部，顶部四根铝型材6-2安装方式同上。

所述XY两轴运动导轨7由“工”字形装配的三根导轨7-1(7-2)和两个电机7-3组成。其中两根平行导轨7-1构成X运动轴，与之垂直的导轨7-2构成Y运动轴。X轴的平行导轨7-1固定在水平调整底座6顶部两个铝型材6-2上，Y轴导轨7-2固定在X轴导轨7-1的两个滑台上。两个电机7-3分别与两轴导轨的一端相连，其中X轴导轨7-1通过传动轴实现同步运动。

所述钢索固定装置安装梁8平行X轴导轨安装固定在水平调整底座6顶部。

所述钢索固定装置9固定安装在钢索固定装置安装梁8上，钢索固定装置9成对使用，其用于调整钢索16的空间位置和将之固定。

所述圆周阵列式弱磁检测传感器2固定于Y轴导轨7-2的滑块上，钢索16从其中心穿过。

图3为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***圆周阵列式弱磁检测传感器示意图。所述传感器夹持装置11由底座11-1和传感器夹具11-2组成。所述底座11-1固定于Y轴导轨7-2滑台上，它的中部开有飞翼形凹槽，其中两翼凹槽用于固定亥姆霍兹线圈13，中部凹槽用于固定传感器夹具11-2，其翼型槽的一侧有用于固定硬性印制电路板15-1的凹槽和螺纹。所述传感器夹具11-2分上、下两部分，其中下半部分为开有半圆槽的长方体，其底部固定于底座11-1中部的凹槽中，上半部分为带双耳的半圆形结构，其上下两部分通过螺栓固定。

所述传感器夹具11-2上下两部分配合夹紧分体式磁屏蔽壳12的中部；亥姆霍兹线圈13的两个线圈分别套在分体式磁屏蔽壳12的两端并固定于底座11-1的翼形凹槽内。

所述印制电路板15分为硬性印制电路板(PCB)15-1和柔性印制电路板(FPC)15-2，FPC15-2一端焊接隧道磁阻元件14-1，一端连接PCB15-1。所述PCB15-1采用3V纽扣电池作为电源并通过降压电路为隧道磁阻元件14-1提供1V直流电压，其分别与FPC15-2和数据采集单元5相连。

图4为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***圆周阵列式弱磁检测传感器径向剖视图。所述传感器固定环14-2为管状结构，其与分体式磁屏蔽壳12内腔过渡配合，其外壁沿周向均匀分布N(N≥2)个凹槽。所述隧道磁阻元件14-1均匀分布于传感器固定环14-2的凹槽内。所述钢索16、传感器固定环14-2、分体式磁屏蔽壳12、亥姆霍兹线圈13和传感器夹具11-2同轴装配。

图5为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***圆周阵列式弱磁检测传感器轴向剖视图。所述亥姆霍兹线圈13的两个线圈串联且电流方向一致。所述传感器固定环14-2的内径比分体式磁屏蔽壳12端盖的内径小1mm～2mm，比被测钢索16直径大1mm～2mm。其内表面沿周向均匀分布N个深0.5mm～1mm、宽1mm～2mm从传感器支撑一端延伸至其中部深0.5mm～1mm的浅槽，浅槽与外壁凹槽位置相对并相互连通。所述隧道磁阻元件14-1通过胶封固定于传感器固定环14-2的凹槽内，所述FPC15-2一端焊接隧道磁阻元件14-1，一端连接PCB15-1，其穿过传感器固定环14-2连通内外壁凹槽的方孔，并胶封保护于传感器固定环14-2内壁的浅槽内。

如图6所示，图6为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***钢索固定装置示意图。所述钢索固定装置9由固定底座9-1、支架9-2和固定螺栓9-3组成。固定底座9-1固定安装在钢索固定装置安装梁8上，支架9-2由“工”字形和“回”字形结构组装而成，四个固定螺栓9-3分别从“回”形支架9-2四个方向穿过指向中心。钢索16从“回”字形支架9-2中心穿过，通过拧动螺栓可调整钢索空间位置并夹紧固定钢索。

如图7所示，图7为本发明实施例提供的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***同轴装配示意图。所述钢索夹持组件3包括钢索固定装置9和钢索预紧装置10。所述钢索预紧装置10由穿心式液压泵10-1、挡板10-2、刚性底座10-3和锚头10-4组成。

基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***同轴装配方法如下：角座6-1调整***水平，圆周阵列式弱磁检测传感器2通过Y轴导轨运动到钢索固定装置安装梁8正上方，钢索预紧装置10安装于水平调整底座6两侧，并且锚头10-4、挡板槽10-2、穿心式液压泵10-1、钢索固定装置的“回”形支架9-2和圆周阵列式弱磁检测传感器2中心位于一条直线上。钢索预紧装置10将钢索16拉伸至准直状态，钢索固定装置9通过四个固定螺栓9-3调整钢索16的空间位置并夹紧固定。

Claims (7)

1.基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***，其特征在于，包括：直线导轨式扫描机构、圆周阵列式弱磁检测传感器、钢索夹持组件、运动控制单元和数据采集单元；

所述圆周阵列式弱磁检测传感器固定安装于直线导轨式扫描机构上，用于测量钢索上的磁场变化信号；钢索夹持组件的钢索预紧装置安装于直线导轨式扫描机构两侧，用于预紧钢索；钢索夹持组件的钢索固定装置固定安装于直线导轨式扫描机构上，用于固定钢索位置；运动控制单元与直线导轨式扫描机构相连，用于控制直线导轨带动圆周阵列式弱磁检测传感器以设定速度相对待测钢索做匀速直线运动；数据采集单元与圆周阵列式弱磁检测传感器相连，用于实时采集圆周阵列式弱磁检测传感器测量得到的多路磁场变化信号。

2.根据权利要求1所述的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***，其特征在于，所述直线导轨式扫描机构包括：水平调整底座、XY两轴运动导轨和钢索固定装置安装梁；

所述水平调整底座由角座和铝型材组装而成，其用于调节***水平和固定直线导轨；

所述XY两轴运动导轨由“工”字形装配的三根导轨和两个电机组成；其中两根平行导轨构成X运动轴，与之垂直的导轨构成Y运动轴；Y轴导轨固定安装于X轴导轨的两个滑块上，圆周阵列式弱磁检测传感器固定安装于Y轴导轨的滑块上；运动控制单元通过控制两轴电机实现圆周阵列式弱磁检测传感器在XY平面内完成既定运动；

所述钢索固定装置安装梁平行X轴导轨固定安装在水平调整底座上，用于固定安装钢索固定装置。

3.根据权利要求1所述的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***，其特征在于，所述圆周阵列式弱磁检测传感器包括：传感器夹持装置、亥姆霍兹线圈、隧道磁阻探头、分体式磁屏蔽壳、印制电路板；

所述传感器夹持装置固定安装于Y轴导轨滑块上，其用于夹持分体式磁屏蔽壳、固定亥姆霍兹线圈和硬性印制电路板；

所述亥姆霍兹线圈套装于分体式屏蔽壳两端并固定于传感器夹持装置的底座上，其通过锂电池供电，用于沿轴向均匀磁化被测钢索；

所述分体式屏蔽壳用于固定隧道磁阻探头和屏蔽环境磁场；

所述隧道磁阻探头由隧道磁阻元件和传感器固定环组成；所述传感器固定环过渡配合于分体式屏蔽壳内，其外壁沿周向均匀分布N个凹槽，内壁均匀分布N个与外壁凹槽位置对应且相互连通的浅槽；所述隧道磁阻元件均匀分布并胶封固定于传感器固定环外壁的凹槽内；其中2≤N≤16；

所述印制电路板由硬性印制电路板PCB和柔性印制电路板FPC组成；所述硬性印制电路板安装于传感器夹持装置的底座上，其用于为隧道磁阻元件供电和向数据采集单元发送检测信号；所述柔性印制电路板一端焊接隧道磁阻元件，一端连接硬性印制电路板，穿过传感器固定环内外壁连通孔，并胶封保护于传感器支撑内壁的浅槽内，其用于为隧道磁阻元件传输电能和向硬性印制电路板输出检测信号。

4.根据权利要求1所述的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***，其特征在于，所述钢索夹持组件包括：钢索预紧装置和钢索固定装置；

所述钢索预紧装置用于预紧钢索，拉伸钢索至准直状态；所述钢索固定装置成对使用，由底座、支架和固定螺栓组成，底座固定安装在钢索固定装置安装梁上，支架由“工”字形和“回”字形结构组装而成，四个固定螺栓分别从“回”字形支架四个方向穿过指向中心，通过固定螺栓调整从“回”字形支架中心穿过钢索的空间位置并夹紧固定钢索。

5.根据权利要求3所述的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***，其特征在于，所述传感器夹持装置、亥姆霍兹线圈、分体式屏蔽壳、传感器固定环和钢索均同轴。

6.根据权利要求3所述的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***，其特征在于，所述传感器夹持装置采用有机玻璃材料，所述亥姆霍兹线圈采用漆包铜线材料，所述分体式磁屏蔽壳采用低碳钢材料，所述传感器固定环采用有机玻璃材料。

7.根据权利要求3所述的基于圆周阵列式弱磁检测传感器的钢索缺陷扫查***，其特征在于，所述传感器固定环的内径比分体式磁屏蔽壳端盖的内径小1mm～2mm，比被测钢索直径大1mm～2mm；其内表面沿周向均匀分布N个深0.5mm～1mm、宽1mm～2mm从传感器支撑一端延伸至其中部的浅槽，浅槽与外壁凹槽位置相对并相互连通；其中2≤N≤16。