CN105527338A - 一种金属丝绳的在线监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属丝绳的在线监测方法及装置。监测装置包括由通信模块、监测信号发生模块、电磁推挽偶极子式信号发射探头、磁敏式信号接收探头、接收信号预处理模块、运动扫描模块、控制器、存储器及电源组成的现场监测端，以及由通信模块、伤损分析模块、成像显示模块、人机交互模块、处理器、存储器及电源组成的远程监控端。本发明以磁信号作为信息的载体，主动发射宽频交变磁场激励信号，采用阵列磁敏元件获取金属丝绳的在磁场信号的激励下的二维、三维感应磁场及空间分布情况，从而反演出金属丝绳的物理特征参数的空间分布情况，在非接触的条件下实现金属丝绳的无损检测与伤损定位。本发明具有高精度、高可靠性、网络化、智能化等优点。

Description

一种金属丝绳的在线监测方法及装置

技术领域

本发明涉及金属丝绳的检测技术，具体涉及一种金属丝绳的在线监测方法及装置。

背景技术

金属丝绳广泛用于国民生活的方方面面，例如：钢丝绳是各类起重机、索道、电梯的承载和牵引的主要构件，一旦发生断裂将导致设备和人身的灾难性事故；铜丝绳是电力传输的重要组成部分，一旦发生断裂将导致供电故障、火灾等安全事故。金属丝绳在使用的过程中必然会发生疲劳、锈蚀、磨损甚至断裂现象，为防微杜渐，很多国家和地区制定了相关的检测标准，强制要求对其进行检测，既要保证其安全使用，又不因过早报废造成浪费。目前我国一般采用人工检测和定期强制更换的方法来保证安全，而以上两种手段存在人为主观因素和提前报废等问题。所以研制高精度、高可靠性、网络化的金属丝绳无损监测装置需求迫切。

现有的金属丝绳的无损检测方法主要包括以下四种：光学检测、X光检测、超声波检测、漏磁检测等方法。总结以上4种技术及设备，主要存在以下问题：

1）光学检测采用光学成像，然后通过对照片进行图像处理，实现金属丝绳的断股、断丝检测，如:申请公布号CN104063716A专利。由于金属丝绳的工作环境所限，成像效果一般不理想，而且适用于重大伤损的报警，对于微小的裂缝，金属疲劳等小型伤损效果不理想。

2）X光检测采用X射线成像，然后通过对X光图片进行图像处理，实现金属丝绳检测，具有精度高，可检测微小裂缝等伤损的特点，但需要较高的成本且X射线存在放射性，对人体、环境有害，需要严格监控，不适合大范围使用。

3）超声波检测利用超声在固体内部的传播特性，可实现远距离的，大范围的检测，且具有对人体无害，成本低等优点。但是一般情况下,采用超声波检测需要紧贴物体表面，需要耦合剂，在户外等工作环境应用受限，且不适合金属面存在不平整氧化层的检测。近年来，有一种新型非接触式超声波检测技术：电磁超声检测技术，根据铁磁性金属在居里温度下的强磁性特点，利用其磁致伸缩效应激发超声波导实现高速线材的无损检测，如授权公告号CN101281171B专利。然而该检测方法须将金属置于居里温度之下（铁为770℃，铁氧体为465℃，钕铁硼为400℃），且检测时需要磁化，因此使用场合十分受限。

4）漏磁检测是根据材料和缺陷的磁导率的差异实现无损检测，可实现缺陷的定量检测和精细检测，且对人体、环境无害，是目前市面上主流的钢丝绳检测方法，如公开号CN1928543A专利。然而漏磁检测是建立在铁磁性材料的高磁导率特性基础上的，是一种被动检测方法。漏磁检测在检测时需进行磁化，因此对铁磁性材料的检测效果较好，不适合用于铜、铝、金、银、不锈钢等非铁磁性材料，且在如下情况：内部缺陷、微小缺陷、有涂层等检测效果不理想。

有鉴于此，本发明提出一种新型的金属丝绳的在线监测方法及装置。本发明所述方法是一种主动检测方法，具有精度高、非接触式、无需磁化、对人和环境无害、体积小、低功耗、硬件简单、低成本、常温检测等优点，可用于铁磁性和非铁磁性金属丝绳的在线检测，并可推广应用于工业零部件及电路板焊点检测等，有广泛的应用前景。

发明内容

本发明目的在于克服现有金属丝绳无损检测***的诸多不足，将信息技术、电磁场技术有机地结合一起，提出一种金属丝绳在线监测方法与装置，具体原理如下：

根据麦克斯韦方程，变化的电场可产生磁场，变化的磁场可感生电场。将被测物体置于变化的磁场中，会感生变化的磁场和电场，其大小与通过该曲面的磁场变化率有关，同时跟被测物体的空间分布磁性参数、电性参数特性密切相关。用磁敏元件（如：霍尔元件、磁阻元件等）作为接收器件测出磁场的三维分布，根据其磁场分布可反演出被测物体的材质、空间分布信息，实现被测物体的特性估计。金属体具有良好的电导性，而磁导性则根据金属的类型略有差异。金属丝绳表面的裂缝、氧化腐蚀、内部的气泡、疲劳等，由于其性质不一致，电导率和磁导率会发生变化。例如：裂缝、气泡主要是空气，电导率较小；氧化腐蚀则是金属氧化物，如铁氧体，磁导率比较大。因此将金属丝绳置于由两个对称放置的且产生磁场极性相反的通电螺线圈（电磁推挽偶极子对）产生的宽频交变磁场中，通过阵列化或运动扫描形式，磁敏接收器测出磁场三维空间分布，反演出金属丝绳的内部材料的电导率和磁导率分布规律，从而实现其缺陷检测和定位。

根据以上原理，本方面提出一种金属丝绳的在线监测方法与装置。与现有的漏磁检测、磁记忆检测等被动式磁性检测方法不同，本发明是一种主动式检测方法，利用导电螺线圈产生的宽频交变磁场，发射检测信号；且检测过程无需磁化，可广泛适用于铁磁性金属和非铁磁性金属材料。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

一种金属丝绳的在线监测方法,其以磁信号作为信息的载体，主动发射宽频交变磁场激励信号，将被测金属丝绳置于该磁场中，采用阵列磁敏元件获取金属丝绳的在该磁场信号的激励下的二维、三维感应磁场及空间分布情况与特征，从而反演出金属丝绳的物理特征参数的空间分布情况，实施过程中无需磁化,在非接触的条件下实现金属丝绳的无损检测与伤损定位。

一种用于实现所述在线监测方法的监测装置，包括由通信模块、监测信号发生模块、电磁推挽偶极子式信号发射探头、磁敏式信号接收探头、接收信号预处理模块、运动扫描模块、控制器、存储器及电源组成的现场监测端，以及由通信模块、伤损分析模块、成像显示模块、人机交互模块、处理器、存储器及电源组成的远程监控端；

所述现场监测端用于收发宽频交变磁信号，一个或多个所述现场监测端放置在金属丝绳的工作路径上，且与相邻的金属丝绳有固定的间隙；所述通信模块，负责远程监控端与现场监测端之间控制信息、收发信号的有线或者无线传输；监测信号发生模块，按照远程监控端产生的控制参数信息，产生宽频交变电信号（可多路输出）；电磁推挽偶极子式信号发射探头，用于对金属丝绳监测宽频交变磁信号的发射，由两个以金属丝绳的横截面为中心的轴对称放置，且产生磁场极性相反的通电金属线圈组成，多个所述电磁推挽偶极子式信号发射探头配置成一组或多组组阵列；磁敏式信号接收探头，由磁敏元件组成，放置于被测钢丝绳附近，组成阵列，用于磁信号接收，并将磁信号转化为电信号，且传输到接收信号预处理模块；接收信号预处理模块，用于记录装置的校准信息，并对接收信号进行去噪、将可疑伤损部位的接收探头接收信息存储下来，并添加时间信息、位置信息；运动扫描模块，负责控制和感知监测的运动；控制器负责控制现场监测端中各构成模块的工作；存储器，用于缓存现场监测端中各构成模块的数据；电源，负责向现场监测端中各构成模块供电；

所述远程监控端相当于整个装置的数据处理端，可以是远程计算机、网络处理云终端或其他移动计算设备（例如：智能手机）；主要功能是控制参数的设置、产生，并对远程监测端获得的可疑伤损部位的磁信号进行处理、分析及结果显示输出，其中，远程监测端的通信模块，负责远程监控端与现场监测端之间控制信息、收发信号的有线或者无线传输；伤损分析模块，负责根据反演伤损可疑部位的电导率、磁导率物理特征参数的空间分布情况，并分析判断伤损类型和级别；成像显示模块，负责将伤损分析结果成像显示；人机交互模块，负责提供人机交互的界面剂外设；处理器，负责处理远程监控端各构成模块的数据；存储器，用于缓存远程监控端各构成模块的数据；电源，负责向远程监控端各构成模块供电。

进一步地，电磁推挽偶极子式信号发射探头的两个金属线圈根据绕制方式，调整线圈两端输入电压的极性以保证两线圈在靠近金属丝绳的端点产生的磁场极性相反，且在单个探测周期里面极性不发生变换，以利于磁场的矢量检测；所述的线圈两端输入的电压极性控制方式如下：电压由直流和交流两部分组成，且直流的幅度值比交流的最大峰值要大，从而保证总电压的极性在单个探测周期里面不变化，交流部分由宽频交变信号组成，负责产生交变磁场以在金属丝绳内部激发涡和带有被测金属丝绳物理特征的感应磁场。

上述现场监测端的通信模块用于实现现场监测端和远程监控端的有线或者无线通信，将远程监控端产生的控制信息等接收，且传输到现场监测端的监测信号发生模块；将磁敏式信号接收探头接收的经接收信号预处理模块处理的接收信号传输给远程监控端。其包含信号收发单元、数据传输接口单元，可采用有线或者无线的方式进行数据传输。

上述现场监测端的监测信号发生模块将从通信模块获得的控制参数信息，生成功率、中心频率、相位、带宽等参数可控的宽频电信号以激励电磁推挽式偶极子信号发射探头。如配置阵列式电磁推挽式偶极子信号发射探头，则检测信号发生模块产生的可产生相互正交的激励信号激励探头阵列。其包含数模转换单元、相位控制单元、功率放大单元、滤波单元、馈电网络单元。

上述现场监测端的电磁推挽偶极子式信号发射探头将监测信号发生模块产生的宽频电信号转换成磁信号向被测金属丝绳发射。由两个以金属丝绳的横截面为中心的轴对称放置的金属线圈组成。两个金属线圈（线圈中心可根据应用需求放置不同的材料，如空气、磁性材料，且根据监测金属的类型或监测对象决定）根据其绕制方式，调整线圈两端输入的电压极性以保证两线圈在靠近金属丝绳的端点产生的磁场极性相反，且在单个探测周期里面极性不发生变换。电压极性具体控制方式如下：电压由直流和交流两部分组成，且直流的幅度值比交流的最大峰值要大（例如：2倍以上），从而保证总电压的极性在单个探测周期里面不变化，以利于磁场的矢量检测；交流部分由宽频交变信号组成，主要负责产生交变磁场以在金属丝绳内部产生感应磁场，此感应磁场带有金属丝绳的结构特征，通过磁敏式信号接收探头接收以供后续分析。因此该探头在金属丝绳的横截面上产生磁北极到磁南极的对偶式磁场，类似于在天线的偶极子，故该探头称为电磁推挽偶极子式探头，其用于磁信号激励的电压信号由监测信号发生模块产生。

上述现场监测端的磁敏式信号接收探头用于磁信号接收，并将磁信号转换为电信号，且传输到接收信号预处理模块。该接收探头需要大量放置于被测金属丝绳附近，组成阵列，以监测金属丝绳的三维磁场分布情况，其由磁敏元件组成，可以根据实际情况选择磁阻元件、霍尔元件等实现磁场的矢量测量。

上述现场监测端的接收信号预处理模块用于对记录装置的校准信息，同时对磁敏式信号接收探头的接收信号进行去噪，并将可疑伤损部位的接收探头接收信息存储下来，并添加时间信息、运动扫描模块提供的位置信息等，然后通过通信模块发送到信号处理后端，包含滤波单元、低噪声放大单元和数模转换单元。

上述现场监测端的运动扫描模块负责控制和感知监测前端的运动，含运动电机单元、GPS定位单元，并向接收信号预处理模块提供位置信息。

上述现场监测端的控制器负责控制现场监测端各个功能模块的工作。

上述现场监测端的存储器用于缓存现场监测端各个功能模块的数据。

上述现场监测端的电源负责向现场监测端各个模块、器件的供电。

所述一种金属丝绳在线监测方法与装置的远程监控端可以是远程计算机、网络云处理终端或其他移动计算设备（例如：智能手机），是所述装置的远程数据处理端，具体由通信模块、伤损分析模块、成像显示模块、人机交互模块、处理器、存储器及电源组成，各个模块的功能和结构如下所述：

上述远程监控端的通信模块用于实现远程监控端和现场监测端的有线或者无线通信，并将现场监测端的可疑伤损部位的接收探头接收信息传输到伤损分析模块。包含信号收发单元、数据传输接口单元。可采用有线或者无线的方式进行数据传输。

上述远程监控端的伤损分析模块是一个计算机软件模块,其作用根据已经过接收信号预处理模块处理的磁敏式信号接收探头的接收信息，反演出被测金属丝绳的电导率、磁导率等物理特征参数的空间二维、三维部分情况，并将结果输出到成像显示模块，且根据存储器的伤损特征分析库，初步判断伤损类型和级别，并将结果输出到人机交互模块。

上述远程监控端的成像显示模块对现场监控端及其运动扫描的二维、三维金属丝绳的电导率、磁导率的物理参数的空间分布特征成像并显示，包含计算机成像显示软件单元、显示单元。

上述远程监控端的人机交互模块提供人机交互的界面及外设。

上述远程监控端的处理器负责处理远程监控端各个功能模块的数据。

上述远程监控端的存储器用于缓存远程监控端各个功能模块的数据。

上述远程监控端的电源负责向远程监控端各个模块、器件的供电。

本发明的另一目的在于提出一种金属丝绳在线监测方法，具体实现步骤包括：

步骤1：装置控制参数设置。检测人员通过装置远程监控端的人机交互外设，设置装置的控制参数。设置的控制参数包括：发射信号参数、通信模块参数、运动扫描模块参数、接收信号参数、伤损分析模块参数、成像显示模块参数。

步骤2：装置设备状态自动检测。该步骤所检测的状态包括：现场监测端与远程监控端的通信模块连接状态、现场监测端内部各个模块的连接状态、远程监控端内部各个模块的连接状态。

步骤3：监测前的增益校准。其中增益校准方式包括两种：手动增益与自动增益。手动增益校准方式由检测人员根据被测金属丝绳的结构及性质等特性设置各种增益参数。自动增益校准方式则是在被测金属丝绳获得一定的样本后，远程监控端自动估算被测金属丝绳结构及性质等特性的各种增益参数。其中增益参数包括磁波信号在各种介质材料中的各种特征参数，如电导率、磁导率等、各个时间点的增益大小、带通滤波频率带宽、对比度大小。

步骤4：装置监测初始校准。根据步骤1所设置的发射信号参数，远程监控端生成控制参数信息，并经由通信模块传输到现场监测端的监测信号发生模块生成宽频电信号，电磁推挽偶极子式信号发射探头的线圈受电信号的激励，向无伤损金属丝绳（标准件）发射磁波信号。大量放置于被测金属丝绳附近的磁敏式信号接收探头的负责接收磁波信号，同时将接收的磁波信号传输到接收信号预处理模块。接收信号预处理模块将各个磁敏式信号接收探头接收到的磁波信号及其参数特征存储下来，并记录为装置的初始校准数据。本步骤的作用在于记录由电磁推挽偶极子式信号发射探头激发，金属丝绳无伤损时三维磁场分布情况及其参数特征信息。

步骤5：监测信号发射。在经历了步骤4之后，将电磁推挽偶极子式信号发射探头的两个线圈置于被监测金属丝绳的轴向对称处，同时根据步骤1所设置的发射信号参数、通信模块参数、运动扫描模块参数，远程监控端生成控制参数信息，并经由通信模块传输到现场监测端的监测信号发生模块生成宽频交变电信号，电磁推挽偶极子式信号发射探头的两个线圈受电信号的激励，向被监测金属丝绳发射磁波信号。

步骤6：监测信号接收。根据步骤1所设置的接收参数信息，分布在被测金属丝绳附近的多个磁敏式信号接收探头的接收磁场信号，并传输到接收信号预处理模块，并与步骤4所记录的装置初始校准数据一起处理，获得被测金属丝绳的三维磁场分布。如发现被测金属丝绳的三维磁场分布与步骤4所记录的无伤损金属丝绳段（标准件）的三维磁场分布不一致，则将该段被测测金属丝绳列为伤损可疑段，并记录其三维磁场分布情况及其参数特征信息、时间信息、位置信息，通过通信模块，传输到远程监控端的伤损分析模块。

步骤7：现场监测端运动扫描成像。远程监控端通过通信模块控制现场监控端的运动模块的运动，实现现场监控端的运动或者感知其运动情况，实现对被测金属丝绳整体的监控，且重复步骤5至步骤6,获被测金属丝绳的可疑伤损段信三维磁场分布情况及其参数特征信息，并在接收信号预处理模块，将可疑伤损段的三维磁场分布情况及其参数特征信息添加时间信息和运动控制模块提供的位置信息，通过通信模块，传输到远程监控端的伤损分析模块。

步骤8：伤损分析。根据步骤1配置的发射检测信号的信息,步骤6所记录的伤损可疑段金属丝绳的三维磁场分布情况及其参数信息，伤损分析模块反演出被测金属丝绳的电导率、磁导率等物理特征参数的空间二维、三维分布情况，并与无伤损金属丝绳段（标准件）的电导率、磁导率等物理特征参数的空间二维、三维分布情况作比较，从而发现电导率、磁导率变化明显的区域，从而实现伤损定位及定性判断。

步骤9：显示及成像。从以上步骤获得的可疑段被测金属丝绳的空间二维、三维磁场分布信息、电导率、磁导率等物理特征参数的空间二维、三维分布信息作图显示，且步骤7所记录的时间信息和位置信息，根据作伤损分布情况图，作图结果在根据人机交互模块控制信息，通过成像显示模块显示出来。

另外，上述一种金属丝绳在线监测方法，可在步骤1之前，对被测金属丝绳样例进行样本数据采集；并将数据存储于远程监控端的存储器中，作为监测过程中伤损识别的参考依据，以提高伤损分析的速度。采集的样本数据应包括各种典型伤损的标准样本数据。

本发明所提出的一种金属丝绳在线监测方法及装置，以宽频交变信号为信息载体，用磁敏元件作为传感器，记录金属丝绳周围因宽频交变信号所激发的二维、三维磁场及其变换情况，结合电磁场理论，反演出被测金属丝绳的电导率、磁导率等物理特征参数的空间二维、三维分布情况，从而实现在金属丝绳的在线监测。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明以磁信号作为信息的载体，将被测金属丝绳置于宽频交变磁场中，通过用磁敏元件获取金属丝绳的在宽频磁信号的激励下的二维、三维磁场及其空间分布情况与特征，反演出金属丝绳的物理特征参数的空间分布情况，实现无损检测与伤损定位，相对于现有的漏磁检测等典型磁场检测技术，是一种主动检测技术，且无需磁化，可适用于铁磁性和非铁磁性金属材质的检测。

(2)本发明采用磁信号作为检测信号，相对于超声检测技术，不需要耦合剂可实现非接触检测；同时相对于X光检测技术，无需放射源，对人和环境无害；相对于光学检测技术，不受工作环境所限，检测精度高，对于微小的裂缝，金属疲劳等小型伤损效果明显。

(3)本发明可采用分体式结构，现场监测端和远程监控端通过有线或者无线连接，远程监控端用高性能计算机或网络处理终端实现。同时，本发明数据处理采用分级处理的模式，现场监测端连续采集检测数据，并进行预处理，发现并传输可疑数据到远程监控端处理，使得关键的数据能够获得细致分析处理，提高检测精度，同时可以大大减小数据传输的负荷以适应无线传输的要求。因此现场监测端，传输负荷小、数据分析简单、功耗低、体积小、成本低，可实现大范围分布式检测、在线检测、实时监测，提高监测的方便性与灵活性。

(4)本发明采用宽频信号为发射信号，根据香农信息论，可增加信息量，相对于现有的以脉冲信号为发射信号的探测技术，可增加检测信息量从而大幅提高检测精度。

(5)本发明的远程监控端可有丰富的特征库，可实现自动识别，因此对检测人员的要求降低，操作简单方便，且在发现伤损时可及时报警，提供详细的监测报告，从而提高监测的可靠性以保证设备的安全。

附图说明

图1是实例中监测装置的***框图；

图2a、图2b分别是实例中的金属丝绳的横截面和纵截面检测原理示意图；

图3是实例中监测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

实施例

本实例将信息技术、电磁场技术和无损检测技术有机地结合在一起，根据麦克斯韦方程，采用电磁推挽偶极子产生宽频交变磁场，将被测金属丝绳置于磁场中，采用磁敏式元件获取感应磁场的信息，获得其磁性参数（如：磁导率）和电性参数（如：电导率）的分布特征，结合伤损的部位的材质与被测金属丝绳的差异性，从而实现无损检测与伤损定位。本发明具有精度高、非接触、对人和环境无害、体积小、低功耗、硬件简单且低成本等优点，且相对现有的漏磁检测技术、光学检测技术等被动检测方法，本发明是一种主动检测方法，无需磁化，可用于铁磁性和非铁磁性金属丝绳的在线监测，且可推广应用于工业零部件及电路板焊点检测等，有广泛的应用前景。

以缆车钢丝绳检测为例，现有的检测方法包括：光学检测法，漏磁检测法。其中，光学检测法内需要在管道内设置摄像头，通过有线或者无线传输光学图像进行识别，检测效果受环境影响大，且对微小伤损、内部伤损不适用。漏磁检测法是现金钢丝绳检测的主流技术，其是建立在铁磁性材料的高磁导率特性基础上的，是一种被动检测方法。漏磁检测在检测过程中需要磁化，因此仅适用于铁磁性材料的钢丝绳检测，而对铜、铝、金、银、不锈钢等非铁性材料不适用，且对于内部缺陷、有涂层、表面氧化等检测效果不理想。此外，现有的漏磁检测设备以一体化设备为主，主要用于日常检测、维护时用，且对于大型的户外缆车，所需工作量大，停机检测时间长。综上所述，现有的缆车钢丝绳检测方法存在各种问题，急需解决。

本发明的所述的一种金属丝绳在线监测方法及装置可有效解决此问题。本发明采用宽频交变磁波信号作为检测信号，可在非接触的条件下实现对各种材质金属丝绳的检测，包括：铁磁性材质和非铁性材质，且检测精度高，可检测内外部微小缺陷。下文将以缆车钢丝绳检测为例，说明本发明的具体实施方式，即是检测钢丝绳的外部缺口、内部气泡、裂缝等伤损。

如图1所示，是本发明所述的一种金属丝绳在线监测装置的***框图。该装置主要由现场监测端和远程监控端两大部分组成，相互之间可以通过无线或者有线相连接，且现场监测端可以采用多个，以扩大监测的范围，实现分布式监测，提高使用的灵活性。

该实施例中，现场监测端放置在缆车牵引钢丝绳的工作路径上，且保证其相邻的牵引钢丝绳有固定的间隙（例如：1mm-1cm）。现场监测端的主要功能是收发宽频交变磁信号（其中具体的信号发射中心频率可根据检测的金属丝绳的直径、材质、分辨率要求综合考虑选择），相当于整个装置的传感器，主要由通信模块、监测信号发生模块、电磁推挽偶极子式信号发射探头(可多个组成阵列)、磁敏式信号接收探头、接收信号预处理模块、运动扫描模块、控制器、存储器及电源组成。其中通信模块，负责远程监控端与现场监测端之间控制信息、收发信号的有线或者无线传输；监测信号发生模块，按照远程监控端产生的控制参数信息，宽频交变电信号（可多路输出）；电磁推挽偶极子式信号发射探头（可配置多组组成阵列），用于对金属丝绳监测宽频交变磁信号的发射，由两个以金属丝绳的横截面为中心的轴对称放置，且产生磁场极性相反的通电金属线圈组成；磁敏式信号接收探头，由磁敏元件组成，用于磁信号接收，并将磁信号转化为电信号，且传输到接收信号预处理模块；接收信号预处理模块，用于记录装置的校准信息，并对接收信号进行去噪、将可疑伤损部位的接收探头接收信息存储下来，并添加时间信息、位置信息等；运动扫描模块，负责控制和感知监测的运动；控制器负责控制各个功能模块的工作；存储器，用于缓存各个功能模块的数据；电源，负责向各个模块、器件的供电。

该实施例远程监控端的主要功能是控制参数的设置、产生，并对远程监测端获得的可疑伤损部位的磁信号进行处理、分析及结果显示输出，相当于整个装置的数据处理端，可以是远程计算机、网络处理云终端或其他移动计算设备（例如：智能手机），由通信模块、伤损分析模块、成像显示模块、人机交互模块、处理器、存储器及电源组成。其中通信模块，负责远程监控端与现场监测端之间控制信息、收发信号的有线或者无线传输；伤损分析模块，负责根据反演伤损可疑部位的电导率、磁导率等物理特征参数的空间分布情况，并分析判断伤损类型和级别；成像显示模块，负责将伤损分析结果成像显示；人机交互模块，负责提供人机交互的界面剂外设；处理器，负责处理各个功能模块的数据；存储器，用于缓存各个功能模块的数据；电源，负责向各个模块、器件的供电。

该实施例的数据处理过程如下：远程监控端通过通信模块，控制现场监控端的电磁推挽偶极子是信号发射探头发射宽频交变磁信号，分布在钢丝绳附近的磁敏式信号接收探头接收磁信号，并通过接收信号预处理模块处理，传输到远程监控端的伤损分析模块进行处理，结果通过成像显示模块显示出来。另外远程监控端有人机交互模块，可实现监测的控制参数的设置、控制信息的设置以及输出结果的设置等。

此外，装置的数据处理方式包括两种：离线数据采集与实时处理。其中离线数据采集用于在通信环境恶劣的情况下，现场监测端按照预设的参数，控制磁信号的收发，磁敏式信号接收探头接收的信号存储在现场监测端的存储器中，待到通信条件改善的时候，通过通信模块发射到信号处理后端处理；实时处理用于通信环境好时，通过通信模块实时传输现场检测端的接收的磁信息到远程监控端，并进行分析、处理。

本发明的所述的金属丝绳的检测原理示意图，如图2a、图2b所示。本实施例的电磁推挽偶极子式信号发射探头，由两个以被测钢丝绳的横截面203为中心轴对称放置的通电金属线圈204组成，对称轴为Ф。电磁推挽偶极子式信号发射探头的激励信号由监测信号发生模块产生，具体方式如下：根据金属线圈的绕制方式，调整线圈两端的输入电压极性以保证线圈在靠近金属丝绳的端点产生的磁场极性相反，且在单个探测周期里面极性不发生变化。输入电压由直流I_D(t)和交流I_s(t)两部分组成，且直流的幅度值比交流的最大峰值要大，从而保证总电压的极性在单个探测周期里面不变化，以利于磁场的矢量检测，交流部分由宽频交变信号组成，主要负责产生交流磁场201以在钢丝绳内部产生感应磁场。多个磁敏式信号接收探头202放置于被测钢丝绳附近，组成阵列，以检测钢丝绳受到宽频交变磁信号激励感应磁场的矢量空间分布情况。

根据麦克斯韦方程，变化的电场可产生磁场，变化的磁场可感生电场。将钢缆车钢丝绳置于变化的磁场中，会感生涡流(电场)，从而感生磁场，其大小与通过该曲面的磁场变化率有关，即感生的磁场带有钢丝绳的结构特征信息，可反演出其磁性参数、电性参数的空间分布情况，从而实现其伤损检测及定位。钢丝绳具有良好的电导性。钢丝绳表面的裂缝、氧化腐蚀、内部的气泡等，由于其性质不一致，电导率和磁导率会发生变化。例如：裂缝、气泡主要是空气，电导率较小；氧化腐蚀则是金属氧化物，如铁氧体，磁导率比较大。

本实例提供的一种金属丝绳在线监测方法，其工作流程图如图3，包括以下步骤：

步骤1：装置控制参数设置。监测过程中，检测人员通过装置远程监控端的人机交互外设，设置装置的控制参数。设置的控制参数包括：1)发射信号参数（包括：发射信号波形，信号强度，发射中心频率，发射带宽，发射角度与发射信号的初始相位）；2)通信模块参数（包括：通信的连接方式与网络地址）；3)运动扫描模块参数（包括：远程监测端的位置参数及运动扫描方式的设置）；4)接收信号参数（包括：磁敏式接收探头的选择，接收信号带宽，接收频率偏移值，接收角度，采样频率，采样点数目，接收时窗大小，提前接收时间大小，磁信号在钢丝绳中的预设速度）；5)伤损分析模块参数；6)成像显示模块参数（包括：显示模式(包括三维立体模型、二维图像或一维波形形式显示)，坐标轴显示坐标与范围，图像显示对比度，对比度大小；如果检测过程采用的是三维扫描方式，还要设置检测的每条测线的位置参数，包括测线之间的间隔，起始点位置，扫描偏移，横纵方向测线选择等）。

步骤2：装置设备状态自动检测。该步骤所检测的状态包括：现场监测端与远程监控端的通信模块连接状态、现场监测端内部各个模块的连接状态、远程监控端内部各个模块的连接状态。如果设备状态正常，则进行下一步操作，如果设备状态有问题，则输出错误信息，并结束检测。

步骤3：监测前的增益校准。其中增益校准方式包括两种：手动增益与自动增益。手动增益校准方式由检测人员根据被测缆车钢丝绳的结构及性质等特性设置各种增益参数。自动增益校准方式则是在被测缆车钢丝绳获得一定的样本后，远程监控端自动估算被测缆车钢丝绳结构及性质等特性的各种增益参数。其中增益参数包括磁波信号在各种介质材料中的各种特征参数，如电导率、磁导率等、各个时间点的增益大小、带通滤波频率带宽、对比度大小。

步骤4：装置监测初始校准。根据步骤1所设置的发射信号参数，远程监控端生成控制参数信息，并经由通信模块传输到现场监测端的监测信号发生模块生成宽频电信号，电磁推挽偶极子式信号发射探头的线圈受电信号的激励，向无伤损缆车钢丝绳（标准件）发射磁波信号。大量放置于被测缆车钢丝绳附近的磁敏式信号接收探头的负责接收磁波信号，同时将接收的磁波信号传输到接收信号预处理模块。接收信号预处理模块将各个磁敏式信号接收探头接收到的磁波信号及其参数特征存储下来，并记录为装置的初始校准数据。本步骤的作用在于记录由电磁推挽偶极子式信号发射探头激发，缆车钢丝绳无伤损时三维磁场分布情况及其参数特征信息。如果接收到结束指令，则结束初始校准，进行下一步操作，如果没有接收到结束指令，则结束检测。

步骤5：监测信号发射。在经历了步骤4之后，将电磁推挽偶极子式信号发射探头的两个线圈置于被监测缆车钢丝绳的轴向对称处，同时根据步骤1所设置的发射信号参数、通信模块参数、运动扫描模块参数，远程监控端生成控制参数信息，并经由通信模块传输到现场监测端的监测信号发生模块生成宽频交变电信号，电磁推挽偶极子式信号发射探头的两个线圈受电信号的激励，向被监测缆车钢丝绳发射磁波信号。

步骤6：监测信号接收。根据步骤1所设置的接收参数信息，分布在被测缆车钢丝绳附近的多个磁敏式信号接收探头的接收磁场信号，并传输到接收信号预处理模块，并与步骤4所记录的装置初始校准数据一起处理，获得被测缆车钢丝绳的三维磁场分布。如发现被测缆车钢丝绳的三维磁场分布与步骤4所记录的无伤损缆车钢丝绳段（标准件）的三维磁场分布不一致，则将该段被测测缆车钢丝绳列为伤损可疑段，并记录其三维磁场分布情况及其参数特征信息、时间信息、位置信息，通过通信模块，传输到远程监控端的伤损分析模块。

步骤7：现场监测端运动扫描成像。远程监控端通过通信模块控制现场监控端的运动模块的运动，实现现场监控端的运动或者感知其运动情况，实现对被测缆车钢丝绳整体的监控，且重复步骤5至步骤6,获被测缆车钢丝绳的可疑伤损段信三维磁场分布情况及其参数特征信息，并在接收信号预处理模块，将可疑伤损段的三维磁场分布情况及其参数特征信息添加时间信息和运动控制模块提供的位置信息，通过通信模块，传输到远程监控端的伤损分析模块。

步骤8：伤损分析。根据步骤1配置的发射检测信号的信息,步骤6所记录的伤损可疑段缆车钢丝绳的三维磁场分布情况及其参数信息，伤损分析模块反演出被测缆车钢丝绳的电导率、磁导率等物理特征参数的空间二维、三维分布情况，并与无伤损缆车钢丝绳段（标准件）的电导率、磁导率等物理特征参数的空间二维、三维分布情况作比较，从而发现电导率、磁导率变化明显的区域，从而实现伤损定位及定性判断。如果分析结束，则进行下一步操作，如果尚没有结束，则重复步骤5至步骤7。

步骤9：显示及成像。从以上步骤获得的可疑段被测缆车钢丝绳的空间二维、三维磁场分布信息、电导率、磁导率等物理特征参数的空间二维、三维分布信息作图显示，且步骤7所记录的时间信息和位置信息，根据作伤损分布情况图，作图结果在根据人机交互模块控制信息，通过成像显示模块显示出来。

另外上述监测方法，可在步骤1之前，对被测缆车钢丝绳样例进行样本数据采集；并将数据存储于远程监控端的存储器中，作为监测过程中伤损识别的参考依据，以提高伤损分析的速度。采集的样本数据应包括各种典型伤损的标准样本数据。

本发明可实现各种金属材质丝绳的无损检测及内部缺陷目标识别及定位，具有高精度、高可靠性、网络化、智能化等优点。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种金属丝绳的在线监测方法,其特征在于以磁信号作为信息的载体，主动发射宽频交变磁场激励信号，将被测金属丝绳置于该磁场中，采用阵列磁敏元件获取金属丝绳的在该磁场信号的激励下的二维、三维感应磁场及空间分布情况与特征，从而反演出金属丝绳的物理特征参数的空间分布情况，在非接触的条件下实现金属丝绳的无损检测与伤损定位。

2.一种用于实现权利要求1所述在线监测方法的监测装置，其特征在于包括由通信模块、监测信号发生模块、电磁推挽偶极子式信号发射探头、磁敏式信号接收探头、接收信号预处理模块、运动扫描模块、控制器、存储器及电源组成的现场监测端，以及由通信模块、伤损分析模块、成像显示模块、人机交互模块、处理器、存储器及电源组成的远程监控端；

所述现场监测端用于收发宽频交变磁信号，一个或多个所述现场监测端放置在金属丝绳的工作路径上，且与相邻的金属丝绳有固定的间隙；所述通信模块，负责远程监控端与现场监测端之间控制信息、收发信号的有线或者无线传输；监测信号发生模块，按照远程监控端产生的控制参数信息，产生宽频交变电信号；电磁推挽偶极子式信号发射探头，用于对金属丝绳监测宽频交变磁信号的发射，由两个以金属丝绳的横截面为中心的轴对称放置，且产生磁场极性相反的通电金属线圈组成，多个所述电磁推挽偶极子式信号发射探头配置成一组或多组组阵列；磁敏式信号接收探头，由磁敏元件组成，放置于被测钢丝绳附近，组成阵列，用于磁信号接收，并将磁信号转化为电信号，且传输到接收信号预处理模块；接收信号预处理模块，用于记录装置的校准信息，并对接收信号进行去噪、将可疑伤损部位的接收探头接收信息存储下来，并添加时间信息、位置信息；运动扫描模块，负责控制和感知监测的运动；控制器负责控制现场监测端中各构成模块的工作；存储器，用于缓存现场监测端中各构成模块的数据；电源，负责向现场监测端中各构成模块供电；

所述远程监控端主要功能是控制参数的设置、产生，并对远程监测端获得的可疑伤损部位的磁信号进行处理、分析及结果显示输出，其中，远程监测端的通信模块，负责远程监控端与现场监测端之间控制信息、收发信号的有线或者无线传输；伤损分析模块，负责根据反演伤损可疑部位的电导率、磁导率物理特征参数的空间分布情况，并分析判断伤损类型和级别；成像显示模块，负责将伤损分析结果成像显示；人机交互模块，负责提供人机交互的界面剂外设；处理器，负责处理远程监控端各构成模块的数据；存储器，用于缓存远程监控端各构成模块的数据；电源，负责向远程监控端各构成模块供电。

3.根据权利要求书2所述的监测装置，其特征在于电磁推挽偶极子式信号发射探头的两个金属线圈根据绕制方式，调整线圈两端输入电压的极性以保证两线圈在靠近金属丝绳的端点产生的磁场极性相反，且在单个探测周期里面极性不发生变换，以利于磁场的矢量检测；所述的线圈两端输入的电压极性控制方式如下：电压由直流和交流两部分组成，且直流的幅度值比交流的最大峰值要大，从而保证总电压的极性在单个探测周期里面不变化，交流部分由宽频交变信号组成，负责产生交变磁场以在金属丝绳内部激发涡和带有被测金属丝绳物理特征的感应磁场。

4.根据权利要求书2所述的监测装置，其特征在于现场监测端的监测信号发生模块将从通信模块获得的控制参数信息，生成功率、中心频率、相位、带宽参数可控的宽频电信号以激励电磁推挽式偶极子信号发射探头；监测信号发生模块包含数模转换单元、相位控制单元、功率放大单元、滤波单元和馈电网络单元。

5.根据权利要求书2所述的监测装置，其特征在于现场监测端包括滤波单元、低噪声放大单元和数模转换单元；运动扫描模块包括运动电机单元、GPS定位单元，并向接收信号预处理模块提供位置信息。

6.根据权利要求书2所述的监测装置，其特征在于远程监控端的伤损分析模块根据已经过接收信号预处理模块处理的磁敏式信号接收探头的接收信息，反演出被测金属丝绳的电导率、磁导率物理特征参数的空间二维、三维部分情况，并将结果输出到成像显示模块，且根据存储器的伤损特征分析库，初步判断伤损类型和级别，并将结果输出到人机交互模块。

7.利用权利要求2所述检测装置的金属丝绳在线监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：装置控制参数设置；检测人员通过装置远程监控端的人机交互外设，设置装置的控制参数；设置的控制参数包括：发射信号参、通信模块参数、运动扫描模块参数、接收信号参数、伤损分析模块参数、成像显示模块参数；

步骤2：装置设备状态自动检测；该步骤所检测的状态包括：现场监测端与远程监控端的通信模块连接状态、现场监测端内部各个模块的连接状态、远程监控端内部各构成模块的连接状态；

步骤3：监测前的增益校准；其中增益校准方式包括两种：手动增益与自动增益；手动增益校准方式由检测人员根据被测金属丝绳的结构及性质设置增益参数；自动增益校准方式则是在获得被测金属丝绳的样本后，远程监控端自动估算被测金属丝绳结构及性质的增益参数；其中增益参数包括磁波信号在各种介质材料中的各种特征参数，特征参数包括：电导率、磁导率，各个时间点的增益大小，带通滤波频率带宽，对比度大小；

步骤4：装置监测初始校准；根据步骤1所设置的发射信号参数，远程监控端生成控制参数信息，并经由通信模块传输到现场监测端的监测信号发生模块生成宽频电信号，电磁推挽偶极子式信号发射探头的线圈受电信号的激励，向无伤损金属丝绳标准件发射磁波信号；大量放置于被测金属丝绳附近的磁敏式信号接收探头的负责接收磁波信号，同时将接收的磁波信号传输到接收信号预处理模块；接收信号预处理模块将各个磁敏式信号接收探头接收到的磁波信号及其参数特征存储下来，并记录为装置的初始校准数据；本步骤的作用在于记录由电磁推挽偶极子式信号发射探头激发，金属丝绳无伤损时三维磁场分布情况及其参数特征信息；

步骤5：监测信号发射；在经历了步骤4之后，将电磁推挽偶极子式信号发射探头的两个线圈置于被监测金属丝绳的轴向对称处，同时根据步骤1所设置的发射信号参数、通信模块参数、运动扫描模块参数，远程监控端生成控制参数信息，并经由通信模块传输到现场监测端的监测信号发生模块生成宽频交变电信号，电磁推挽偶极子式信号发射探头的两个线圈受电信号的激励，向被监测金属丝绳发射磁波信号；

步骤6：监测信号接收；根据步骤1所设置的接收参数信息，分布在被测金属丝绳附近的多个磁敏式信号接收探头的接收磁场信号，并传输到接收信号预处理模块，并与步骤4所记录的装置初始校准数据一起处理，获得被测金属丝绳的三维磁场分布；如发现被测金属丝绳的三维磁场分布与步骤4所记录的无伤损金属丝绳段标准件的三维磁场分布不一致，则将该段被测测金属丝绳列为伤损可疑段，并记录其三维磁场分布情况及其参数特征信息、时间信息、位置信息，同时通过通信模块，传输到远程监控端的伤损分析模块；

步骤7：现场监测端运动扫描成像；远程监控端通过通信模块控制现场监控端的运动模块的运动，实现现场监控端的运动或者感知现场监控端的运动情况，进而实现对被测金属丝绳整体的监控，且重复步骤5至步骤6,获被测金属丝绳的可疑伤损段信三维磁场分布情况及其参数特征信息，并在接收信号预处理模块，将可疑伤损段的三维磁场分布情况及其参数特征信息添加时间信息和运动控制模块提供的位置信息，通过通信模块，传输到远程监控端的伤损分析模块；

步骤8：伤损分析；根据步骤1配置的发射检测信号的信息,步骤6所记录的伤损可疑段金属丝绳的三维磁场分布情况及其参数信息，伤损分析模块反演出被测金属丝绳的电导率、磁导率等物理特征参数的空间二维、三维分布情况，并与无伤损金属丝绳段标准件的电导率、磁导率物理特征参数的空间二维、三维分布情况作比较，从而发现电导率、磁导率变化明显的区域，实现伤损定位及定性判断；

步骤9：显示及成像；从以上步骤获得的可疑段被测金属丝绳的空间二维、三维磁场分布信息、电导率、磁导率物理特征参数的空间二维、三维分布信息作图显示，且根据步骤7所记录的时间信息和位置信息，作伤损分布情况图，作图结果再根据人机交互模块的控制信息，通过成像显示模块显示出来。