CN107941899A - 一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置和探伤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置和探伤方法，钢丝绳探伤装置，包括分体设置的励磁部分和漏磁信号检测部分；励磁部分包括两个励磁单元，分别用于设置在待测钢丝绳的两端；漏磁信号检测部分设有用于供待测钢丝绳穿过并沿钢丝绳移动的检测通道，检测通道上设置有第一设定数量的磁感应传感器。本发明所提供的技术方案，将励磁部分与漏磁信号检测部分分体设置，当需要对钢丝绳进行探测时，将两个励磁部分被的励磁单元分别设置在待测钢丝绳的两端，不需要移动励磁单元，只需要移动漏磁信号检测部分即可对钢丝绳进行检测，从而解决钢丝绳探伤装置由于质量大而造成使用不方便的问题。
Description
技术领域
本发明属于钢丝绳探伤技术领域，具体涉及一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置和探伤方法。
背景技术
工业生产、旅游业、煤矿业、船舶业以及日常起重装吊通常采用钢丝绳作为牵引、承重以及连接部件。钢丝绳长时间大负荷使用易产生断丝、松丝、磨损损伤，在恶劣环境下的使用会导致钢丝绳腐蚀径缩，承载能力下降，极易发生安全事故从而危及到人身安全和设备安全。因此实时地监测钢丝绳损伤情况预测实现钢丝绳快速无损自动化检测技术具有重要的社会和经济效益。
目前，钢丝绳损伤检测技术领域应用较多，最常用的是电磁检测法。基于电磁的钢丝绳无损检测从磁化角度来可大致分为两类，即线圈磁化和永磁体激励磁化两种。采用线圈磁化检测装置通常将线圈绕制为两个鞍形线圈，通过调节线圈中电流大小来产生不同的磁场强度。同时用主磁通法或是磁通门对钢丝绳表面漏磁进行采集，可以基本实现表面损伤的位置和损伤情况的定量检测。但是该法由于采用周向磁场加和的方式，获取的是一维信号，其周向磁场分布信号必然缺失，尤其对于集中缺陷和分散缺陷的检测识别有较大影响。
使用永磁铁作为激励源的检测装置大多采用大量磁铁，制作成马鞍形，再以导磁体进行聚磁将钢丝绳磁化至饱和，当钢丝绳出现损伤时，损伤处将会产生漏磁场，如图1所示。这种测试方法测试时，测试装置需要沿着待测钢丝绳来回移动，但是所用的测试装置通常包括作为激励源的永磁铁和用于检测漏磁信号的检测装置，由于永磁铁的质量比较大，使得励磁装置笨重，使用不方便。
发明内容
本发明提供一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置和探伤方法，用于解决钢丝绳探伤装置由于质量大而造成使用不方便的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
装置方案1：一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置，包括分体设置的励磁部分和漏磁信号检测部分；
励磁部分包括两个励磁单元，分别用于设置在待测钢丝绳的两端；漏磁信号检测部分设有用于供待测钢丝绳穿过并沿钢丝绳移动的检测通道，检测通道上设置有第一设定数量的磁感应传感器。
本发明所提供的技术方案，将励磁部分与漏磁信号检测部分分体设置，当需要对钢丝绳进行探测时，将两个励磁部分被的励磁单元分别设置在待测钢丝绳的两端，不需要移动励磁单元，只需要移动漏磁信号检测部分即可对钢丝绳进行检测，从而解决钢丝绳探伤装置由于质量大而造成使用不方便的问题。
装置方案2：在装置方案1的基础上，还包括主控制模块，主控制模块连接所述漏磁信号检测部分中各磁感应传感器的输出端。
设置主控模块，能够对检测到的数据及时进行处理，得到检测结果。
装置方案3：在装置方案1或2的基础上，各励磁单元均包括第二设定数量的磁性元件，其中第一磁单元中各磁性元件N极的方向相同或者均指向同一点，第二励磁单元中各磁性元件S极的方向相同或者均指向同一点。
装置方案4：在装置方案3的基础上，所述各励磁单元中的磁性元件为永磁铁或励磁线圈。
装置方案5：在装置方案1或2的基础上，所述检测通道上设置有检测环，各磁感应传感器在检测环上沿检测通道的轴线周向设置。
装置方案6：在装置方案2的基础上，还包括信号调理模块，信号调理模块包括差分信号放大电路和模数转换电路，差分信号放大电路的输入端连接各磁感应传感器的输出端，差分信号放大电路的输出端连接模数转换电路的输入端；所述主控制模块连接模数转换电路的输出端。
装置方案7：在装置方案6的基础上，所述信号调理模块还包括加法基线抬升电路，加法基线抬升电路的输入端连接所述模数转换电路的输出端，加法基线抬升电路的输出端连接所述主控制模块。
装置方案8：在装置方案2的基础上，还包括脉冲发生模块，脉冲发生模块包括光电编码器和光电编码器检测电路，光电编码器用于发出脉冲信号；光电编码器检测电路的输入端连接所述光电编码器的输出端，所述主控制模块连接光电编码检测电路的输出端。
装置方案9：在装置方案8的基础上，所述光电编码器检测电路包括光电耦合器和信号整形电路，光电耦合器的输入端连接光电编码器，输出端连接信号整形电路；所述主控制模块连接信号整形电路的输出端，整形电路用于对光电编码器发出的脉冲信号上升沿和下降沿整形。
设置光电耦合器和整形电路，可使脉冲的上升沿和下降沿变得陡峭，对脉冲信号有整形的作用。从而得到消除数字信号干扰的脉冲信号。
装置方案10：在装置方案2的基础上，所述主控制模块还连接有显示模块。
装置方案11：在装置方案2的基础上，所述处理器包括ARM芯片和FPGA芯片，ARM芯片连接所述漏磁信号检测部分中的各磁感应传感器。
装置方案12：在装置方案2或11的基础上，所述主控制模块还连接有数据存储模块。
方法方案：一种弱磁激励的钢丝绳探伤方法，包括如下步骤：
(1)将第一励磁单元中磁性元件的N极设置在待测钢丝绳的其中一端，第二励磁单元中磁性元件的S极设置在待测钢丝绳的另一端；
(2)采用漏磁信号检测部分对待测钢丝绳的表面进行磁场检测，得到待测钢丝绳表面的磁场数据；
(3)对待测钢丝绳表面的磁场数据进行除基线处理和降噪处理，并将处理后的数据转化为待测钢丝绳表面的磁场灰度图像；
(4)对待测钢丝绳表面的磁场灰度图像进行超分辨率重建，提高其分辨率；
(5)提取待测钢丝绳表面的磁场灰度图像的特征量，并将其输入人工神经网络进行定量识别，判断待测钢丝绳是否出现断点。
附图说明
图1为现有技术中钢丝绳损伤检测的原理图；
图2为实施例中弱磁激励钢丝绳探伤装置的结构示意图；
图3为实施例中励磁单元中磁铁的分布图；
图4为实施例中漏磁信号检测模块的结构示意图；
图5为实施例中信号调理部分的结构电路图；
图6为实施例中脉冲信号检测电路的示意图；
图7为实施例中主控制模块的结构示意图；
图8为实施例中采用弱磁激励钢丝绳探伤装置进行检测的示意图；
图9为实施例中弱磁激励钢丝绳探伤装置的检测流程图。
具体实施方式
本发明提供一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置和探伤方法，用于解决钢丝绳探伤装置由于质量大而造成使用不方便的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置，包括分体设置的励磁部分和漏磁信号检测部分；
励磁部分包括两个励磁单元，分别用于设置在待测钢丝绳的两端；漏磁信号检测部分设有用于供待测钢丝绳穿过并沿钢丝绳移动的检测通道，检测通道上设置有第一设定数量的磁感应传感器。
下面结合具体实施方案对本发明的技术方案作进一步说明。
本实施例提供一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置，用于解决在钢丝绳探伤时由于探伤装置质量过大而造成使用不方便的问题。
本实施例所提供的弱磁激励的钢丝绳探伤装置，其结构原理如图2所示，包括主控制部分107，漏磁信号检测部分102，信号调理部分103，脉冲信号发生及检测部分105，数据存储部分104，显示部分106和励磁部分101。
励磁部分101包括两个励磁单元，每个励磁单元中均设有n个磁性元件，本实施例中的磁性元件为永磁铁。第一励磁单元中各励磁单元的结构如图3中的a所示，各永磁铁设置成环状，各永磁铁的N极指向环状的圆心；第二励磁单元中各励磁单元的结构如图3中的b所示，各永磁铁设置成环状，各永磁铁的S极指向环状的圆心。
漏磁信号检测模块102包括一个检测通道1021，检测通道上设置有检测环1022，如图4所示，检测环1022包括18个巨磁阻传感器，各巨磁阻传感器在检测环处绕检测通道1021的轴线周向均匀设置。
信号调理部分103如图5所示，包括模数转换电路201、差分信号放大电路202和加法基线抬升电路203。差分信号放大电路202的输入端连接漏磁信号检测模块102中相应的巨磁阻传感器，输出端连接模数转换电路201的输入端；模数转换电路201输出端连接加法基线抬升电路203的输入端，输出端连接主控制单元107。
脉冲信号发生及检测部分105包括光栅编码器和脉冲信号检测电路，光栅编码器的输出端连接脉冲信号检测电路的输入端，主控制单元107连接脉冲信号检测电路的输出端。脉冲信号检测电路如图6所示，其中包括光电耦合器，光电耦合器的一次侧连接脉冲信号检测电路的输入端，二次侧连接一个RC低通滤波器和两个串联的74HC14M芯片构成的整形电路。
主控制单元107的结构如图7所示，包括ARM芯片和FPGA芯片两部分，两者之间相互连接，其中ARM芯片连接信号调理部分103、脉冲信号发生及检测部分105和数据存储单元104，FPGA芯片连接显示模块106。
本实施例所提供的弱磁激励的钢丝绳探伤装置，对钢丝绳进行探伤检测的方法如下：
首先搭建测试环境；如图8所示，将励磁单元101的第一励磁单元和第二励磁单元分别设置在待测钢丝绳的两端，使钢丝绳的一端处于第一励磁单元中各永磁铁N极指向的圆心，另一端处于第二励磁单元中各永磁铁S极指向的圆心，对被测钢丝绳加载弱磁激励磁场，使被测钢丝绳在弱磁磁场的作用下被磁化；各励磁单元中永磁铁的数量n根据待测钢丝绳的长度确定，待测钢丝绳越长，各励磁单元中设置的永磁铁越多；
使待测钢丝绳穿过漏磁信号检测模块102的检测通道1021，使漏磁信号检测模块102中的各巨磁阻传感器均匀分布在待测钢丝绳的周向；控制漏磁信号检测模块102沿钢丝绳延伸的方向移动，并同时转动光电编码器，使光电编码器产生数量与漏磁信号检测模块102沿钢丝绳延伸方向上移动距离相应的脉冲信号；
漏磁信号检测模块102中的巨磁阻传感器检测轮流选通，采集待测钢丝绳周向的磁场信号，并发送给差分信号放大部分202；差分信号放大部分202对接收到的磁场信号进行放大处理，然后传送给模数转换电路201；模数转换电路201将接收到的放大后的磁场信号转化为数字信号，并通过加法基线提升电路发送给主控制模块107中的FPGA芯片，FPGA芯片对接收到的数字信号进行处理，处理方法的流程如图9所示，步骤如下：
(1)对待测钢丝绳表面的磁场信号数据进行除基线处理和降噪处理，并将处理后的数据转化为待测钢丝绳表面的磁场灰度图像；
在对待测钢丝绳表面的磁场信号数据进行降噪处理，采用基于经验模态分机的小波软阈值去噪算法，具体如下：
步骤1：对待测钢丝绳表面的磁场信号数据进行镜像对称边界延拓，得到处理后的信号初始化
其中ci经验模态分解所得最终得固有模态模态函数；
步骤2：采用公式
y(t)为添加噪声后的信号量，即待分解函数；
对残余rn添加高斯白噪声序列w(t)；
步骤3：采用公式
对y(t)进行分解，得到满足固有模态分量要求的cij和残余量rn：
步骤4：重复k次步骤2和步骤3，得到了每次不同白噪声下满足固有模态分量要求的分量集合cij(i≤n,j≤k)，取集合平均作为最终固有模态分量
步骤5：判断是否满足退出分解条件，如果满足，则退出分解；否则采用db5小波将每个固有模态分量分解成6层；
步骤6：对于从第1层到第6层固有模态分量，每层选择一个阈值，并且对高频系数用软阈值进行处理；
步骤7：根据第6层的低频系数和从1层到第6层的经过修改的高频系数，计算出信号的小波重构。
将去噪后的待测钢丝绳表面的磁场信号数据归一化到0-255之间，并进行二维展开，即可得到待测钢丝绳表面的灰度图像。
对待测钢丝绳表面的灰度图像进行局部适应插值和领域插值，得到两幅差值后的高分辨率灰度图像，并对插值后的两幅灰度图像进行二维离散小波变换，取局部适应插值算法得到的灰度图像的高频部分和邻域插值算法得到的灰度图像的低频部分进行二维离散小波逆变换，重构出高分辨率的灰度图像。
局部适应插值算法的具体实现步骤为：
设原灰度图像的分辨率为M*N，放大后灰度图像的分辨率为2M*2N，则对应关系为：
E(I(i,j))＝Z(2i-1,2j-1)
其中i,j＝1,2,...,n；
将插值点的初始灰度值设为-1。放大后的图像有三种情况。
对于放大图像中i，j均为奇数的点，它的灰度值即为原图像中该点的灰度值I(i，j)；
对于放大图像中i，j均为偶数的像素点，考虑邻域2*2窗口，根据未赋值点属于哪个边缘梯度，获得该点的灰度值；
对于放大图像中i为偶数，j为奇数的像素点，考虑邻域3*2窗口，计算图像在4个方向上的相关性并在最大相关方向上插值得到插值点的灰度；
对于放大图像中i为奇数，j为偶数的像素点，考虑邻域2*3窗口，计算图像在4个方向的相关性并在最大相关方向上插值得到插值点的灰度。
从提高分辨率后的灰度图像中提取特征量，并将这些特征量输入到人工神经网络判断待测钢丝绳是否出现断点。
上述从提高分辨率后的灰度图像中提取的特征量，包括缺陷的等效面积、细长比、圆形度和七阶的不变矩特征量，作为缺陷几何形状特征描述，本实施例中共对缺陷灰图像提取出10个缺陷图像特征向量。
本实施例中的人工神经网络采用三层BP神经网络，三层的BP神经网络能够逼近任意非线性模型，可以有效地对钢丝绳的缺陷进行定量识别。
当漏磁信号检测模块102沿着待测钢丝绳延伸的方向移动时，光电编码器产生脉冲信号，脉冲信号经过脉冲信号检测电路中的RC低通滤波器滤除其中的高频分量，并通过两个47HC14M构成的施密特门电路，使脉冲的上升沿和下降沿变得陡峭，对脉冲信号有整形的作用，从而得到消除数字信号干扰的脉冲信号。
主控制模块107中的ARM芯片根据接受到的脉冲信号判断漏磁信号检测模块所处在待测钢丝绳上的位置，并根据漏磁信号检测模块102检测到的数据，判断出待测钢丝绳上缺陷出现的位置。
在ARM芯片上连接有数据存储模块104，ARM芯片将从信号调理模块和脉冲信号检测单元接收到的数据存储到数据存储模块104中，用户可以在上位机处实时查询。
在FPGA芯片连接显示模块106，将检测的结果通过显示模块106显示出来，以便用户查看。
本实施例中，励磁部分101中磁性元件采用的是永磁铁；作为其他实施方式，可以采用电磁线圈。
作为其他实施方式，可以设置为第一励磁单元中各磁铁的N极指向同一方向，第二励磁单元中各磁铁的S极指向同一方向。
作为其他实施方式，如果只检测钢丝绳是否存在缺陷而不需要对缺陷定位，可以不设置脉冲发生模块。
作为其他实施方式，主控制模块107可以只设置一个ARM芯片或FPGA芯片。
Claims (10)
1.一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置，其特征在于，包括分体设置的励磁部分和漏磁信号检测部分；
励磁部分包括两个励磁单元，分别用于设置在待测钢丝绳的两端；漏磁信号检测部分设有用于供待测钢丝绳穿过并沿钢丝绳移动的检测通道，检测通道上设置有第一设定数量的磁感应传感器。
2.根据权利要求1所述的一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置，其特征在于，还包括主控制模块，主控制模块连接所述漏磁信号检测部分中各磁感应传感器的输出端。
3.根据权利要求1或2所述的一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置，其特征在于，各励磁单元均包括第二设定数量的磁性元件，其中第一磁单元中各磁性元件N极的方向相同或者均指向同一点，第二励磁单元中各磁性元件S极的方向相同或者均指向同一点。
4.根据权利要求3所述的一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置，其特征在于，所述各励磁单元中的磁性元件为永磁铁或励磁线圈。
5.根据权利要求1或2所述的一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置，其特征在于，所述检测通道上设置有检测环，各磁感应传感器在检测环上沿检测通道的轴线周向设置。
6.根据权利要求2所述的一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置，其特征在于，还包括信号调理模块，信号调理模块包括差分信号放大电路和模数转换电路，差分信号放大电路的输入端连接各磁感应传感器的输出端，差分信号放大电路的输出端连接模数转换电路的输入端；所述主控制模块连接模数转换电路的输出端。
7.根据权利要求6所述的一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置，其特征在于，所述信号调理模块还包括加法基线抬升电路，加法基线抬升电路的输入端连接所述模数转换电路的输出端，加法基线抬升电路的输出端连接所述主控制模块。
8.根据权利要求2所述的一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置，其特征在于，还包括脉冲发生模块，脉冲发生模块包括光电编码器和光电编码器检测电路，光电编码器用于发出脉冲信号；光电编码器检测电路的输入端连接所述光电编码器的输出端，所述主控制模块连接光电编码检测电路的输出端。
9.根据权利要求8所述的一种弱磁激励的钢丝绳探伤装置，其特征在于，所述光电编码器检测电路包括光电耦合器和信号整形电路，光电耦合器的输入端连接光电编码器，输出端连接信号整形电路；所述主控制模块连接信号整形电路的输出端，整形电路用于对光电编码器发出的脉冲信号上升沿和下降沿整形。
10.一种弱磁激励的钢丝绳探伤方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将第一励磁单元中磁性元件的N极设置在待测钢丝绳的其中一端，第二励磁单元中磁性元件的S极设置在待测钢丝绳的另一端；
(2)采用漏磁信号检测部分对待测钢丝绳的表面进行磁场检测，得到待测钢丝绳表面的磁场数据；
(3)对待测钢丝绳表面的磁场数据进行除基线处理和降噪处理，并将处理后的数据转化为待测钢丝绳表面的磁场灰度图像；
(4)对待测钢丝绳表面的磁场灰度图像进行超分辨率重建，提高其分辨率；
(5)提取待测钢丝绳表面的磁场灰度图像的特征量，并将其输入人工神经网络进行定量识别，判断待测钢丝绳是否出现断点。
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