CN106841379A - 一种钢丝绳无损检测装置 - Google Patents

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郑阔海
杨生胜
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Abstract

本发明公开了一种钢丝绳无损检测装置，除了励磁组件、传感器组件和数据处理模块，还包括角度编码器；其中，传感器组件为由n对传感器组成的传感器差分阵列，n对传感器分布在两个等半径的环形上，两个环形轴线重合，且两环之间的距离为钢丝绳的一个股波周期长度；每个环形上的传感器等角度分布，且属于一对的传感器分布在两个环形的同角度位置上；所述传感器差分阵列位于励磁组件内部；待检测的钢丝绳穿过传感器差分阵列，并与角度编码器的滚轮接触；数据处理模块对每对传感器的采集信号进行差分运算得n路差分结果；如果差分结果出现尖峰，则认为钢丝绳存在损伤缺陷。本发明能够有效地消除掉股波噪声的干扰。

Description

一种钢丝绳无损检测装置
技术领域
本发明属于无损检测领域，尤其涉及一种钢丝绳无损检测装置。
背景技术
钢丝绳由于具有强度高、自重轻、弹性好、工作平稳可靠、可在高速工作条件下运行等许多优点，被广泛作为提升、运输和承受设备重量的关键部件。钢丝绳在其长期作业过程中，受环境腐蚀、不确定***变载荷、机械冲击、磨损等的影响，会出现诸如断丝、磨损、锈蚀等损伤，日积月累导致钢丝绳强度降低甚至突然断裂，轻则生产停顿，重则机毁人亡。
理论上探讨过的钢丝绳无损检测方法很多，目前只有电磁检测法得到了实践和推广，其基本原理是：通过传感器头来磁化一段钢丝绳，钢丝绳中不连续部分将会产生漏磁，利用磁传感器(例如霍尔效应传感器、感应线圈或其它装置)来检测漏磁信号，通过漏磁信号来对钢丝绳缺陷进行表征识别。
钢丝绳漏磁检测基本原理图如图1所示，钢丝绳属于铁磁性材料，利用钕铁硼永磁铁对钢丝绳进行励磁至磁饱和，如图所示，励磁过程中会在永磁铁、工业纯铁、空气间隙和待测钢丝绳段中形成一个磁回路，如果材料材质连续、均匀，那么磁感应线将几乎都通过铁磁性材料；若材料存在缺陷，由于缺陷磁导率小、磁阻大，则缺陷附近的磁感应线分布发生变化，铁磁材料表面将会形成漏磁场，因此可以利用磁传感器对漏磁场进行检测。
目前，钢丝绳通过检测漏磁信号进行无损检测方法有一个问题是：与钢丝绳本底磁信号相比，漏磁信号很微弱，而且钢丝绳本身存在股波，对漏磁信号形成干扰，因此漏磁信号很容易被其它信号混淆或者淹没，进而造成漏判和误判。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种钢丝绳无损检测装置，能够有效地消除掉股波噪声的干扰。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种钢丝绳无损检测装置，包括励磁组件、传感器组件和数据处理模块，其特征在于，还包括角度编码器；
所述传感器组件为由n对传感器组成的传感器差分阵列，n对传感器分布在两个等半径的环形上，两个环形轴线重合，且两环之间的距离为钢丝绳的一个股波周期长度；每个环形上的传感器等角度分布，且属于一对的传感器分布在两个环形的同角度位置上；n为正整数；
所述传感器差分阵列位于励磁组件内部；待检测的钢丝绳穿过传感器差分阵列，并与角度编码器的滚轮接触；当钢丝绳移动时，通过摩擦力带动角度编码器转动；
所述角度编码器每转过设定角度均发出脉冲信号作为传感器差分阵列中传感器采集的开始指令；
所述数据处理模块，用于采集传感器差分阵列产生的2n路信号，对每对传感器的采集信号进行差分运算，获得n路差分结果；如果差分结果出现尖峰，则认为钢丝绳存在损伤缺陷。
优选地，所述数据处理模块进一步根据出现尖峰的差分结果属于哪对传感器，以及差分结果所属信号的序号，确定钢丝绳出现损伤缺陷的位置。
优选地，所述数据处理模块根据角度传感器测量的角度换算得到钢丝绳移动的距离。
优选地，所述励磁组件由筒形导磁体和两个环形永磁体组成；筒形导磁体的内壁两端安装两个环形永磁体；角度编码器通过固定杆连接其中一个环形永磁体的外端面。
优选地，所述筒形导磁体和两个环形永磁体均设计为可开合形式；传感器差分阵列也安装在可开合框架上；打开筒形导磁体、环形永磁体和可开合框架后，装入钢丝绳，然后关闭筒形导磁体、环形永磁体和可开合框架。
优选地，所述筒形导磁体由两个半圆筒导磁体对接而成，其中一个对接边通过合页连接，另外一个对接边通过卡扣相连；环形永磁体也是两个半环组成，并固定在筒形导磁体内壁；传感器差分阵列所在的可开合框架通过弹簧固定在励磁组件的内壁，并在励磁组件打开的过程中，受到牵拉而打开。
有益效果：
(1)本发明采用传感器差分阵列，通过两个差分环距离和环上探头的排布，从根本上去除掉了钢丝绳的股波噪声，使得信噪比得到很大程度的提升，进而最终为检测结果的判断提供科学有效的判断依据。
(2)本发明利用角度编码器将时间电压幅值转化为角度电压幅值，进而滤除掉检测过程中速度不均匀对检测结果的影响，且通过角度编码器转过的角度可实现对缺陷位置的定位。
(3)本发明采用可开合式探头的设计，使得该装置便于在实际工况中使用。
附图说明
图1为钢丝绳漏磁检测基本原理图；
图2为本发明钢丝绳无损检测装置的原理示意图；其中，图2(a)为正面视图的剖视图，对励磁组件进行了剖切；图2(b)为图2(a)的左视图。
图3为传感器数据采集流程和数据处理过程示意图；
图4为一对传感器的结果与差分效果图；
1-角度编码器，2-筒形导磁体，3-环形永磁体，4-空气间隙，5-钢丝绳，6-传感器差分阵列，7-合页，8-卡扣，9-弹簧。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
图2(a)和图2(b)为本发明钢丝绳无损检测装置的原理示意图。如图所示，该装置包括：励磁组件、传感器组件、数据处理模块和角度编码器1。
励磁组件用于提供均匀磁场。本实施例中，励磁组件由筒形导磁体2和两个环形永磁体3组成。其中，筒形导磁体2由工业纯铁制成，环形永磁体3由永磁铁制成。筒形导磁体2的内壁两端安装两个环形永磁体3，环形永磁体3中间具有空气间隙4。钢丝绳5穿过励磁组件的环形永磁体3，且不与筒形导磁体2和环形永磁体3接触。
角度编码器1通过固定杆连接其中一个环形永磁体3的外端面，角度编码器1的滚轮与钢丝绳5表面接触，通过与钢丝绳5相对移动的摩擦力来为角度编码器提供转动的能量，即当钢丝绳5移动时，通过摩擦力带动角度编码器1转动，角度传感器1测量的角度经换算后可以得到钢丝绳5移动的距离。
具体在使用时，本装置开始工作后，在钢丝绳5的带动下，角度编码器1开始转动，每转动一个固定角度后均发出脉冲信号作为传感器差分阵列中传感器采集的开始指令，传感器开始采集。这样形式安装的角度编码器1将时间与电压幅值的信号转换为转动角度与电压幅值之间的关系，能够有效地去除掉检测过程中钢丝绳与传感器探头之间运行速度不均匀而对检测结果造成影响的干扰。由于该触发器为等角度触发，因此通过采集的数据个数可计算触发轮转过的角度，而触发轮每转过固定角度时与钢丝绳的相对移动距离是固定的，因此，通过对缺陷信号位置的角度进行转化，即可实现钢丝绳的缺陷损伤位置的定位。
传感器组件采用传感器差分阵列6。传感器差分阵列6位于整个励磁组件内部，如图2所示，具***于筒形导磁体2内部的两个环形永磁体3之间。该钢丝绳无损检测装置设计的关键点在于传感器的布局方式，其布局方式直接决定了装置的检测精度和分辨率。本发明采用矢量磁传感器(例如灵敏度很高的TMR磁传感器)对钢丝绳的轴向漏磁场进行检测，传感器的实际提离距离(传感器与钢丝绳表面的距离)与钢丝绳的直径和钢丝绳的被磁化强度有关，在此基础上设计了传感器差分阵列结构，采用了对称型环形结构，且两组环形传感器差分阵列之间的距离为被检测钢丝绳的一个股波周期的长度，通过两组传感器差分阵列中左右相邻的一对传感器差分，实现对钢丝绳股波的硬件消噪。
如图2中所示，传感器差分阵列6由n对传感器组成。本实施例中n＝8，即共有16个TMR传感器，8对传感器分布在两个等半径的环形上，两个环形轴线重合，且两环之间的距离为钢丝绳的一个股波周期长度。每个环形上的传感器等角度分布，且属于一对的传感器分布在两个环形的同角度位置上。在实际中可以采用一个双环形的框架来承载这16个传感器。
数据处理模块，用于采集传感器差分阵列6产生的16路信号。由于左右相邻的两个传感器互为一对，这里对环形阵列的左右相邻传感器互相差分，差分结果为8路输出结果；如果差分结果出现尖峰，则认为钢丝绳存在损伤缺陷；根据出现尖峰的差分结果属于哪对传感器，以及差分结果所属信号的序号，确定钢丝绳出现损伤缺陷的位置。根据信号的尖峰高度还可以确定出损伤程度。
图3为传感器数据采集流程和数据处理方法，TMR传感器的输出信号可由NI采集卡和LabVIEW软件进行数据采集和模数转换处理，且在LabVIEW程序框图中实现数据差分，最终在LabVIEW界面中对差分后的8路结果进行显示。
图4为一对传感器的测试结果和差分结果的效果图，图中当一对探头中左侧探头检测到缺陷时，右侧传感器的检测检测结果是钢丝绳左侧传感器临近周期的相同位置未损伤的波形，左右传感器采集数据经过差分就得到了检测结果，检测结果中的尖峰就是缺陷位置，而其他位置因为差分而出现平坦的波形效果。因此通过图2中数据处理方法即可实现对钢丝绳股波噪声的消噪。
在一个较佳实施例中，为了便于在线使用，本装置需要设计为可开合的形式。那么就需要将筒形导磁体2、环形永磁体3和传感器承载框架都设计为可开合的形式。则使用时，打开筒形导磁体2、环形永磁体3和可开合框架后，装入钢丝绳，然后关闭筒形导磁体2、环形永磁体3和可开合框架。其中一种简便的实施方式是采用合页和卡扣的解决方式，即筒形导磁体2由两个半圆筒对接而成，其中一个对接边通过合页连接，另外一个对接边通过卡扣相连。环形永磁体3也是两个半环组成，并固定在筒形导磁体2内壁。传感器差分阵列6的安装框架与励磁组件相似，设计成一个可开合框架，将16个传感器按照位置要求均匀分布在可开合框架上，且该可开合框架通过两个位置固定的弹簧9固定在励磁组件的内壁，从而可开合式励磁组件打开的过程中，受到牵拉而打开。
采用本发明的装置测量钢丝绳的损伤情况时，测试探头通过与钢丝绳之间的相对运动来获得钢丝绳表面的漏磁场轴向分量。首先将该装置套至与被测钢丝绳上，然后对TMR传感器线圈进行供电。具体过程如下：
(1)将励磁组件打开，在打开过程中，弹簧9受到牵拉，从而将可开合的框架也一并打开，然后将被检测钢丝绳放到框架里面，将励磁组件合住，扣住卡扣。对传感器差分阵列6进行5V供电；
(2)启动LabVIEW数据采集程序，设置采样率和采样方式；
(3)滑动本装置，使得角度编码器1的探头与钢丝绳之间发生相对移动，进而能够通过角度编码器1对传感器阵列进行采集触发；
(4)通过LabVIEW对数据进行显示，进而判读钢丝绳无损检测的结果，测试结束。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钢丝绳无损检测装置，包括励磁组件、传感器组件和数据处理模块，其特征在于，还包括角度编码器(1)；
所述传感器组件为由n对传感器组成的传感器差分阵列(6)，n对传感器分布在两个等半径的环形上，两个环形轴线重合，且两环之间的距离为钢丝绳的一个股波周期长度；每个环形上的传感器等角度分布，且属于一对的传感器分布在两个环形的同角度位置上；n为正整数；
所述传感器差分阵列(6)位于励磁组件内部；待检测的钢丝绳(5)穿过传感器差分阵列(6)，并与角度编码器(1)的滚轮接触；当钢丝绳(5)移动时，通过摩擦力带动角度编码器(1)转动；
所述角度编码器(1)每转过设定角度均发出脉冲信号作为传感器差分阵列(6)中传感器采集的开始指令；
所述数据处理模块，用于采集传感器差分阵列(6)产生的2n路信号，对每对传感器的采集信号进行差分运算，获得n路差分结果；如果差分结果出现尖峰，则认为钢丝绳存在损伤缺陷。
2.如权利要求1所述的钢丝绳无损检测装置，其特征在于，所述数据处理模块进一步根据出现尖峰的差分结果属于哪对传感器，以及差分结果所属信号的序号，确定钢丝绳出现损伤缺陷的位置。
3.如权利要求1或2所述的钢丝绳无损检测装置，其特征在于，所述数据处理模块根据角度传感器(1)测量的角度换算得到钢丝绳(5)移动的距离。
4.如权利要求1所述的钢丝绳无损检测装置，其特征在于，所述励磁组件由筒形导磁体(2)和两个环形永磁体(3)组成；筒形导磁体(2)的内壁两端安装两个环形永磁体(3)；角度编码器(1)通过固定杆连接其中一个环形永磁体(3)的外端面。
5.如权利要求4所述的钢丝绳无损检测装置，其特征在于，所述筒形导磁体(2)和两个环形永磁体(3)均设计为可开合形式；传感器差分阵列(6)也安装在可开合框架上；打开筒形导磁体(2)、环形永磁体(3)和可开合框架后，装入钢丝绳，然后关闭筒形导磁体(2)、环形永磁体(3)和可开合框架。
6.如权利要求5所述的钢丝绳无损检测装置，其特征在于，所述筒形导磁体(2)由两个半圆筒导磁体对接而成，其中一个对接边通过合页连接，另外一个对接边通过卡扣相连；环形永磁体(3)也是两个半环组成，并固定在筒形导磁体(2)内壁；传感器差分阵列(6)所在的可开合框架通过弹簧(9)固定在励磁组件的内壁，并在励磁组件打开的过程中，受到牵拉而打开。
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