（机械电子工程专业论文）钢丝绳断丝损伤漏磁检测及检测信号处理.pdf

青岛理工大学工学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 本课题来源 本学位论文课题来源于高等学校博士学科点专项科研基金项目“钢丝绳安全检测理 论与关键技术研究”( 项目编号：2 0 0 8 0 4 2 9 0 0 0 1 ) 。 1 2 课题的概述 1 2 1 课题的提出 钢丝绳是由许多钢丝拧制成绳股，再由若干绳股围绕绳芯捻制成绳。由于其结构的 特殊性决定了它具有许多优点：弯曲性能好、强度高、弹性好、承受冲击能力强、自重 轻、工作平稳。所以，它被广泛应用于现代工业生产的各个领域和部门，已成为很多生 产过程和作业环境中不可缺少的重要设备。尤其在提升机构和系统中，钢丝绳更是发挥 着关键作用，其能否安全可靠的发挥性能，对整个提升系统能否正常工作起着决定性的 作用。 钢丝绳在工作过程中，除承受正常工作载荷外，还经常受到不确定性载荷及不同程 度恶劣环境的影响，故不可避免地产生诸如断丝、磨损、锈蚀等各种损伤，从而导致其 强度降低，甚至突然破坏，威胁到人身和设备的安全。一直以来，人们都在探索检测钢 丝绳损伤的各种方法，努力延长钢丝绳的使用寿命，又能确保钢丝绳在断裂前更换下来。 许多国家对钢丝绳制订了相应的安全规程和国家检测标准【m 】，要求定期对钢丝绳进行 检测，既能安全使用钢丝绳，又能不因其过早报废而造成浪费。积极开展钢丝绳安全检 测的理论、技术与方法研究；开发检测仪器，做到实时对钢丝绳进行检测，保证其安全 运行，是十分必要和迫切的。 所有损伤中，断丝的损伤危害最大。现在，钢丝绳在制作时经过热处理，断丝不向 外翘，断口间距相对较小。尤其钢丝绳外部包有保护层，更给检测带来一些新的难题。 这使得传统的目视挂纱检查越来越不可靠，达不到检查的目的。而现在已有的钢丝绳无 损检测存在可靠性低，智能化程度低，人为因素的影响大，检查结果主观性大等问题。 青岛理t 大学丁学硕十学位论文 随着交通、旅游事业的发展，低成本的斜拉桥、旅游索道大量出现，对钢丝绳的安全性 提出了更高的要求。所以迫切需要研制出高精度、高可靠性、多功能的智能化检查仪器 来满足损伤检测的要求。 1 2 2 研究的目的及意义 既保证钢丝绳的使用的安全性又不使其过早报废造成浪费，是钢丝绳损伤检测技术 研究的最终目的。下面从这两方面来说明本课题研究的目的及意义。 1 、钢丝绳使用的安全性 从电梯行业来说，钢丝绳安全对在用电梯的运行至关重要，根据国家公布的统计数 据电梯事故发生数量占特种设备安全事故发生总数的7 5 至1 8 3 ，2 0 0 5 和2 0 0 6 年处 于八类特种设备事故起数的第二位。2 0 0 6 年日本五大电梯公司发生了4 2 起电梯钢丝绳 断裂事故。 从起重机械行业来看，钢丝绳安全对于起重机械的正常使用有着重要的作用，同时 也是起重机械比较薄弱的部件。2 0 0 7 年上半年，我国起重机械部件失效导致事故共1 3 起，占特种设备事故总数的3 5 1 4 ，其中钢丝绳突然断裂事故竟达7 起。 从客运索道行业来看，钢丝绳在索道行业中处于相对恶劣的环境之中，自然侵蚀情 况严重，而且我国客运索道目前仍是新兴产业，所以很容易发生事故。上世纪九十年代 末期，我国四川渡口矿务局曾对其1 5 年间货运索道事故进行了统计分析，结果表明： 钢丝绳断绳事故9 0 次，占总事故的1 6 ，造成的停运时间为7 3 4 小时，占总停运时间 的2 4 。 2 、钢丝绳使用的经济性 有些钢丝绳使用部门由于没有科学实用的检测钢丝绳的手段及其仪器，人工目测又 只能发现外部的损伤，为了确保安全，他们采用定期更换钢丝绳的方法，即当钢丝绳工 作到一定时间或工作到一定循环次数或累计提升一定重量，无论钢丝绳的损伤状态如何 一律更换【3 】o 很明显这种方法会造成钢丝绳的浪费。1 9 8 4 年，美国曾对8 0 0 0 多个从钢 丝绳试验室和应用现场获取的记录进行统计分析，结果表明，己被更换下来的钢丝绳中， 7 0 以上仅有很少甚至没有强度损耗。另外日本的统计结果表明更换的钢丝绳中，5 0 以上其强度可达新钢丝绳的9 0 以上，还有些能达到1 0 0 。在我国也有相关的统计， 2 青岛理工大学t 学硕士学位论文 统计结果表明【4 】：如果加强钢丝绳状态检测和适时报废，每年至少可节约钢丝绳用量的 1 2 - - 3 0 ，节省用于进口钢丝绳外汇的2 0 - 3 0 。生产现场调查显示，约有2 0 的钢 丝绳，其强度下降3 0 却仍在使用，约有7 0 的钢丝绳，其强度损失很少甚至没有损 失却被强制更换。由此可以看出，研制先进的钢丝绳断丝损伤检测仪器是非常必要的。 1 3 钢丝绳损伤检测的国内外研究现状及其趋势 目前公认的较可靠的钢丝绳无损检测方法，是漏磁检测方法。它具有成本低、易于 实现的优点。其他的方法有：( 1 ) 声学检法；( 2 ) 机械检测法；( 3 ) 射线检测法；。( 4 ) 电流检 测法；( 5 ) 光学检测法；( 6 ) 电涡流检法；( 7 ) 超声波检测法；( 8 ) 振动检法；( 9 ) 声发射检测 法。从检测原理、经济实用性等方面考虑都不是最佳的方法。另外从钢丝绳检测技术的 发展来看，漏磁检测也是最好的检测方法【3 埘。 1 3 1 国外发展概况 从磁源的选择上来看，1 9 0 6 年，南非科学家c e m c c a n n 和r c o l s o n 共同研制了 第一台钢丝绳电磁无损检测仪，用于测量钢丝绳的截面损失。装置采用交流螺线管对钢 丝绳进行磁化，当作为电感铁芯的钢丝绳截面发生变化时，则励磁线圈与检测线圈之间 的阻抗将随之改变，记录检测线圈中的感应电动势的变化，就可以按顺序对导致钢丝绳 截面变化的缺陷进行测量。这种方法采用了交流( a c ) 励磁，故称为a c 方法【5 】。由于集 肤效应，这种方法测量精度很差，钢丝绳仪器容易发热，而且每次测量都要把线圈缠绕 在钢丝绳上，所以很难投入实际应用。1 9 2 9 年，德国的c h a p p u z e a v 进一步提出了d c 方法，对钢丝绳进行直流励磁，用检测线圈检测钢丝绳因局部损伤而产生的漏磁场，进 而判断钢丝绳的损伤情况。d c 方法的仪器结构庞大，操作复杂，检测信号信噪比低， 因而未得到推广应用。二十世纪6 0 年代以后的2 0 多年间，各国学者针对钢丝绳检测在 原理和实 践中存在的问题进行广泛而深入的研究，取得了一系列成果1 6 1 。集中表现在励磁装置改 用强永久磁铁。二十世纪8 0 年代后期至9 0 年代中后期，励磁装置采用稀土永久磁铁。 从钢丝绳电磁检测中的传感器开发、信号处理、检测仪器的研制方面来看。二十世 纪6 0 年代以后的2 0 多年间，各国学者通过大量试验对检测装置有了大步的推进，集中 表现为检测装置既用线圈也用霍尔元件、磁通门等。二十世纪8 0 年代后期至9 0 年代中 3 青岛理工大学t 学硕十学位论文 后期，在材料科学、计算机及电子集成电路的发展带动下，钢丝绳损伤检测技术迅速发 展0 1 。信号处理装置向集成化、数字化方向发展，整个检测仪器体积减少，重量减轻， 功能增强。美国n d t 公司的h r w e i s c h e d e l 博士深入研究了钢丝绳各种检测装置，对 检测线圈又做了进一步的改进，增加了积分电路。这种检测装置可定量检测钢丝绳金属 截面积损失，定性分析断丝等局部缺陷。加拿大矿业能源技术中心的e k a l w a 博士重点 研究了应用霍尔元件检测钢丝绳漏磁通和主磁通的方法，通过大量的试验，深入分析了 钢丝绳局部缺陷与检测信号的定量关系，找出了部分缺陷定量特征与检测信号之间的一 些关系【1 1 。1 4 1 。1 9 8 8 年日本的铃木纪生在理论和实验上研究了超声波检测钢丝绳缺陷( 主 要是断丝) 的方法，主要解决静态系固钢丝绳端部检测问题。1 9 8 8 年美国科学家h k w u n 与c t l b u r l c h a r d 对利用横向激励振动波检测钢丝绳缺陷作了试验研究。1 9 9 4 年h k u w 又对基于磁致伸缩效应检钡组钢丝绳缺陷的原理作了深入研究，取得了一定的进展 【1 5 - 16 1 。 1 3 2 国内发展概况 我国钢丝绳无损检测技术起步于6 0 年代初期，国内钢丝绳无损检测技术通过引进 和吸收国外的先进技术，发展很快，7 0 年代初，我国研制出第一代t g s 型钢丝绳探伤 仪。测取的信号主要进行模拟信号分析，记录方式是笔式记录或磁带记录。检测信号的 解释依靠人工进行，检测的结论受检测人员自身素质的影响。原华中理工大学学者从 8 0 年代开始研究钢丝绳断丝检测技术，他们采用稀土永久磁铁作为励磁装置，用集成 霍尔元件和聚磁技术测量钢丝绳周围的漏磁场，用编码器实现等距离采样，在计算机中 采用差分门限法识别断丝信号【1 7 - 2 0 。1 9 9 0 年利用单片机系统研制成功了g s t 型钢丝绳 探伤仪，该仪器可同时进行l m a 和l f 检测。我国其他一些单位也做了钢丝绳缺陷检 测的探索工作，河南洛阳涧西矿业机电研究所研究成功了g x t 型断丝在线检测装置。 9 0 年代中后期，上海海运学院在实验室实现磁通门检测钢丝绳缺陷漏磁场；抚顺石油 学院做了基于微机与线圈的钢丝绳缺陷检测研究【2 1 - 2 2 】。东北大学于1 9 9 8 年对声发射方 法检测钢丝绳断丝的技术做了试验探讨【2 引。另外2 0 0 8 年在上海举办的上海国际钢丝绳 工业展览会和2 0 0 9 年第二次全国重要用途钢丝绳市场与发展研讨会，提供了钢丝绳研 究的平台，对今后我国钢丝绳研究提供了有利的条件和发展空间。当然我国钢丝绳无损 检测技术的成熟程度与国外相比还有待于提高。国产钢丝绳探伤仪在生产工艺、系列化 4 青岛理工人学工学硕十学位论文 程度上与国外产品相比都还存在较大差距。 1 3 3 发展趋势 从钢丝绳的发展历史来看，目前还不能准确的定量分析钢丝的损伤状况。数据采集、 数据处理、结果分析方面还都存在一些不足。另外检测仪器结构复杂，功能单一，操作 麻烦等一些缺点的存在，制约着钢丝绳研究的发展。因此要从这些方面有所突破。美国 无损检测技术中心( n d t ) 研究了以永久磁铁和积分线圈为基础的钢丝绳金属截面积损 失检测系统。此系统可以定量检测钢丝绳截面积损失，但只能定性检测l f 缺陷。俄罗 斯的i n t r o n 公司在钢丝绳检测系统的数字化方面也做了很多工作【2 4 彩】，使检测仪器向小 型轻便、多功能方向发展。在国内，华中科技大学在9 0 年代初对钢丝绳断丝研究取得 一系列成果基础上，近几年对基于永久磁铁和霍尔元件的钢丝绳缺陷检测探头又进行了 深入研究，探讨了磁桥路法和漏磁通法检测钢丝绳金属截面积损失的问题。随着技术和 理论的不断发展和进步，钢丝绳无损检测技术必将向着多功能、高精度、操作简单、智 能化、计算机辅助检测的方向发展。 1 4 本文的主要研究内容 本文主要从以下几个方面开展研究工作： 1 、对钢丝绳的种类及其损伤形式进行概述及其总结，分析钢丝漏磁检测原理。 2 、基于漏磁检测原理进行励磁器设计，建立磁路模型、进行计算、制作励磁器。 基于电磁理论进行检测器设计，探讨了霍尔元件的布置方式，并对输出信号进行放大滤 波处理。制作检测器。 3 、基于数据采集卡对于钢丝绳断丝损伤信号进行采集，实现损伤信号的采集和存 储。 4 、指出了小波基选择的重要性，并通过信号特征和各小波系的理论分析以及利用 m a t l a b j 、波分析工具箱对特定小波基对比得出结论。 5 、运用神经网络理论对钢丝绳断丝损伤信号进行定量识别。 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 第二章钢丝绳损伤形式及其漏磁检测原理 2 1 钢丝绳的结构及其损伤形式 钢丝绳的结构复杂、品种繁多、应用领域十分广泛，在加上使用现场的环境与条件 各不相同，所以钢丝绳的损伤形式也是不尽相同的。 2 1 1 钢丝绳的结构及其分类 钢丝绳是由多条钢丝捻成股，再以绳芯为中心，由一定数量股捻绕成螺旋状的绳。 其中钢丝是用优质碳钢制成，经多次冷拔和热处理后可达到很高的强度。绳芯是 用来增加钢丝绳弹性和韧性、润滑铜丝、减轻摩擦，提高使用寿命的。常用绳芯 有机纤维( 如麻、棉) 、合成纤维、石棉芯( 高温条件) 或软金属等材料。因此， 其结构主要由钢丝、绳股和绳芯组成【2 6 1 ，具有卷绕性好、强度高、自重轻、工作平 稳、不易骤然整根折断，工作可靠等优点。由于钢丝绳中绳股数和捻向的不同以及绳 股中钢丝数目、直径、断面形状和排列方式不同，钢丝绳有不同的类型，图2 1 表示的是不同类型钢丝绳的断面结构。划分钢丝绳类型最主要的依据是根据钢丝 绳的结构形式。 根据钢丝绳捻绕的次数不同，可把钢丝绳分为一次捻、二次捻和三次捻。其 中最常见的形式是二次捻。 根据钢丝绳捻绕的方向不同，可把钢丝绳分为顺绕绳、交绕绳和混绕绳。 钢丝绳也可按股中每层钢丝之间的接触状态分为点接触、线接触、面接触以 及异型绳四种。 另外，在由钢丝捻制成绳股时，一般有股芯，股芯可以由不同断面的钢丝组成。 在由绳股捻制成钢丝绳时中心有绳芯，绳芯支撑着各股，防止在正常负荷和弯曲作用下 股与股之间的挤压。绳( 股) 芯的类型和标记代号为：( 1 ) 纤维芯( f c ) ，( 2 ) 金属丝 绳芯( i w r ) ，( 3 ) 金属丝股芯( i w s ) 。 6 青岛理工人学工学硕上学位论文 岛 鑫移 3 7 - 卜o4 7 _ 旧 毋臻枣辔窜露 6 7 + l w s6 1 2 + 7 f c6 1 争卜1 3 c6 1 9 + i w s6 1 9 s + f c 臻露露露枣枣 6 1 9 s + i w r6 1 9 、】l ，+ f c6 2 l f i + f c6 2 l f i + i w r6 2 4 7 f c6 2 5 f i + f c 臻壤露露藩豢 6 2 5 f i + i 、t6 2 6 w s + i w r6 3 7 s + f c6 4 l i 、s + i 、j 限6 1 9 s + f c8 1 9 w + f c 癣毒蘩臻黪臻 6 3 7 + f c6 3 7 + 州s8 2 5 f i + f c 1 8 7 + f c1 8 7 + i 、) l ，s 6 ( 6 7 + f c 卜f c 图2 1 钢丝绳的断面结构图 2 1 2 钢丝绳的损伤形式 随着钢丝绳使用时间的持续，钢丝绳会出现很多不同的损伤，通常把钢丝绳 的损伤分为两大类：l f 型损伤和l m a 型损伤，即局部缺陷型损伤( l o c a l i z e df a u l t s ) 和截面积损耗型损伤( l o s so f m a t e l l i cc r o s ss e c t i o l l a l a r e a ) ，l f 型损伤是指在钢丝绳局 部产生的损伤，包括内外部断丝、锈蚀斑点、局部形状异常等，以断丝损伤为主，特点 是钢丝绳的金属断面积突然减小。l m a 型损伤是指钢丝绳在轴向较长的范围内有效金 属断面积的缓慢减小，主要包括磨损、长距离锈蚀、绳径缩细等，特点是钢丝绳的金属 断面积在较长范围内普遍减小。 需要指出的是两种损伤形式不是孤立存在的，而是相互影响的。锈蚀导致磨 损，磨损引起断丝。相对其他损伤来说，断丝损伤的危害最大，也是最常见的损 伤形式。而且现行的钢丝绳报废标准g b 8 7 0 7 8 8 ( 等效于i s 0 3 5 7 8 8 0 ) 都是以单位绳长 即一个捻距内的断丝数目作为判断依据的【2 7 1 。这也是本论文以钢丝绳断丝损伤为主 7 青岛理t 大学工学硕士学位论文 第三章励磁器及检测器的设计 产生损伤漏磁信号和提取漏磁信号是漏磁检测技术的两个基本组成部分。因此，钢 丝绳的断丝损伤检测系统主要由两部分组成：一个是对钢丝绳进行磁化的励磁装置，另 一个是对漏磁信号进行采集的检测装置。 3 1 励磁器设计 励磁器是钢丝绳损伤电磁检测系统中的重要组成部分，它的作用就是将被检测钢丝 绳磁化至饱和状态，使钢丝绳损伤部位能够产生漏磁场，通过检测漏磁场判断钢丝绳的 损伤状态。励磁器的磁路参数决定它的磁化效率、结构参数决定它的体积和重量以及使 用的方便性。 励磁器是一个完整的磁回路模型，设计一个励磁磁路一般要采用下述步骤进彳亍【3 】： ( 1 ) 确定磁路的结构，并初步设定各个部分的尺寸。选择合适的磁性材料类型。 ( 2 ) 求解磁路的有关参数及磁性材料的有关尺寸。 ( 3 )比较求解结果与实际要求是否相符，若不相符则返回步骤( 1 ) 修改原设定 的结构尺寸，必要时也可改选磁性材料。直至结果与实际要求相符为止。 3 1 1 励磁磁路结构的确定 励磁磁路结构形式很多，可以根据对钢丝绳磁化方式来确定。从第一章励磁器的发 展上来看以永久磁铁为励磁源的永磁磁化方式具有体积小、质量轻、无需电流源、磁能 积高、使用方便等特点；多回路的励磁结构使得钢丝绳内的磁化强度更加均匀一致；弥 补了有电流源磁化方式的缺陷，得到了广泛应用。因此本研究课题选用多回路永磁磁化 方式对钢丝绳进行磁化。如图3 1 为多回路永磁式周向励磁的磁路结构。 青岛理t 大学t 学硕十学位论文 、f 八。 l m q遵 d i ；立 1 ta l l s t ( ) 1 ( ) 易m m 彦 ， 图3 1 励磁器结构形式 图中见：钢丝绳公称直径；厶：两极靴内侧间距；上。：永久磁铁沿钢丝绳轴向的 长度；乙：永久磁铁沿钢丝绳径向的厚度；s ：钢丝绳表面到衔铁内侧的距离；正： 衔铁沿钢丝绳径向的厚度；q ：永久磁铁与钢丝绳表面间的气隙。 这种形式的励磁回路可以保证钢丝绳被磁化到饱和且钢丝绳横截面上的磁场均匀 分布。 3 1 2 磁性材料的选择 从图3 1 中可以看出构成励磁器的励磁回路主要由励磁源、气隙、衔铁组成，对励 磁器材料选择就是对这几部分进行材料选择，尤其是励磁源和衔铁。由于本装置采用永 磁磁化方式，所以磁源选用永磁体【3 5 1 。永磁材料又称硬磁材料。这类材料的最主要的 特点：把它制成磁体，经外磁场磁化，在去掉磁化场后仍能对外保持较稳定的磁场。即 使在较大的反磁场下也能保留较强的磁感应。它包括稀土永磁材料、金属永磁材料、铁 氧体永磁材料等。其中，稀土永磁材料在矫顽力h c ，剩磁b r 及最大磁能积( b h ) m 瓤等 方面都优于另外两种永磁材料，其( b h ) m 默可达4 1 7 k j m 3 ，为铁氧体永久磁铁的5 - 1 2 倍，为铝镍钴永久磁铁的3 - - 一1 0 倍；其矫顽力可达1 3 0 0 k a m ，相当于铁氧体的5 - - 1 0 倍，铝镍钴的5 - 1 5 倍；稀土永磁材料资源丰富，价格便宜；机械性能和力学性能好， 便于切削加工。在励磁回路中可以用较小的稀土永磁体达到较高的磁化强度。具有磁能 积高、质量轻、体积小、稳定性高等优点，成为励磁源材料的首选。软磁材料就是比较 容易改变磁化状态的磁性材料，因此，它是衔铁材料的最佳选择。它易磁化，又易退磁， 具有矫顽力低、磁导率大等特点，其中以工业纯铁和低碳钢价格最便宜，性价比高且机 械加工性能好。因此，本研究中选用低碳钢材料加工极靴和衔铁。 1 4 青岛理工大学t 学硕十学位论文 3 1 3 励磁器结构参数的分析 对励磁器进行尺寸设计，就是要确定组成励磁器各部分的尺寸，钢丝绳的相关磁化 参数是其主要设计依据。在钢丝绳断丝损伤漏磁检测方法中，检测到的信号是被磁化段 钢丝绳由于断丝损伤而产生的径向漏磁场信号，为了减少极间漏磁场对检测信号的影 响，在励磁器的尺寸设计中，应保证钢丝绳被磁化段的中部形成一均匀磁化区域，使得 钢丝绳在无损伤的情况下，这一区域内沿钢丝绳径向的磁感应强度为零。均匀磁化区域 沿钢丝绳轴向的长度应保证不影响检测元件对损伤信号的采集为宜。为了减小磁路的磁 阻和衔铁与钢丝绳间的漏磁，要求衔铁与钢丝绳表面间的径向间隙s 3 0 m m 3 1 。 从图3 1 可以看出用永磁铁在钢丝绳周向均匀分布形成极靴，永久磁铁作为磁源， 经过衔铁、钢丝绳和气隙形成闭合的通路。图3 1 所示的励磁器结构的等效磁路模型如 图3 2 所示。 图3 - 2 等效磁路模型 在图3 - 2 中：磁源( 永久磁铁) 所提供的磁动势：r 肼：磁源的磁阻；r 。：永 久磁铁与钢丝绳表面间气隙的磁阻；。：通过永久磁铁的磁通量，即磁路主磁通；，： 衔铁内外端面与钢丝绳表面间的气隙的漏磁通；。：通过钢丝绳被检测段的磁通量；蜀： 衔铁内端面与钢丝绳表面间的气隙的磁阻；r 。：钢丝绳被检测段的磁阻；r ，：衔铁的 磁阻。 对于图3 2 所示的磁路的等效模型，由磁路的基尔霍夫第一定律和第二定律列出磁 1 气 青岛理工大学工学硕上学位论文 路计算的方程组如下： = r q 。+ 蜀， 羁，= k ( r 。+ r ，) o 。 ( 3 - 1 ) m 。= ，- i - 。 式中尺：i 1 ：一l ( 3 2 ) u “口 其中g 是磁导，它是材料导磁性能的量度，三是材料的长度，a 为物体的截面积。 磁路中各磁导计算如下 钢丝绳的磁导： g 。= 。棚；4 l ， ( 3 - 3 ) 衔铁内外端面与钢丝绳表面间气隙的磁导： g ，却以+ 廊h l ( 者) + 厄丽l n ( 等) ( 3 - 4 ) 衔铁的磁导： g ，= ，万( d 。+ 2 s + l ) 2 l 。 ( 3 5 ) 磁铁内侧与钢丝绳表面间的气隙磁导 g ，= 2 死f l o l , i n ( 1 + q r , ) - 2 掣o l , i n ( 警) ( 3 _ 6 ) 根据磁路设计的要求闭，磁体的长度乙不应小于磁体断面的等效边长厶。对于本 励磁器即要求乙厶。永磁铁应尽量靠近钢丝绳表面以提高励磁效果，这就要求有比 较合适的气隙g 的值。 在对钢丝绳损伤检测时，为了使钢丝绳在励磁器中顺利穿过，要求在钢丝绳和极靴 之间有一定的气隙。 在对钢丝绳进行磁化时，要把钢丝绳磁化到饱和状态，本论文以钢丝绳达到饱和时 的磁通量为已知量来对励磁器结构尺寸进行设计计算。磁通量的计算公式为： ：召丝( 3 - 7 ) 1 6 式中是通过钢丝绳的磁通量，d 为钢丝绳的等效直径。又有f m = r 可以计算出钢 丝绳上的磁势降。 由图3 3 所示的钢丝绳磁化曲线可以看出，当钢丝绳进入饱和磁化区时，磁感应强 度b 1 t ，即：要将钢丝绳磁化到饱和状态，需要励磁装置在钢丝绳中产生大于1 t 的 磁感应强度。 2 o ，一、 一 、- 一 1 5 1 - 0 o 5 |。 、 l l 初!台饱：阳区b h 一l 、 ，。 f ， f p h 、 0 8 0 0 ，、 f 土 6 0 0 4 0 0 2 0 0 24681 01 2 h ( 1 0 0 0 a m ) 图3 3 典型钢丝绳磁化特性曲线 根据上述分析经编程计算得：在其他参数不变的情况下，不同气隙、不同直径钢丝 绳所产生的磁势降如表3 1 所示。 表3 1 不同气隙、不同直径( m m ) 钢丝绳所需的磁势降( 单位：a ) 惑 1 02 03 0 ( m m )( m m )( m m ) 12 3 7 7 35 2 2 6 86 7 5 1 6 1 5 3 2 8 6 17 0 9 6 6 9 4 9 4 0 24 1 0 4 18 8 6 1 71 2 1 3 3 4 2 54 8 4 4 41 0 5 3 0 81 4 6 7 6 3 35 5 1 7 11 2 1 1 1 91 7 1 2 8 2 3 56 1 3 0 41 3 6 1 1 61 9 4 9 4 5 4 6 6 9 1 21 5 0 3 6 22 1 7 7 9 9 57 6 7 6 91 7 6 8 0 82 6 1 2 5 3 68 5 0 9 52 0 0 8 2 13 0 1 9 5 6 1 7 青岛理t 大学t 学硕十学位论文 从表3 一l 中可以看出，对于d 1 0 的钢丝绳其它参数不变的情况下，g 每增加0 5 m m ， 磁势降兄降低增加9 0 a 左右，而d 1 0 钢丝绳的磁势降1 3 3 1 0 a 。而对于d 2 0 、d 3 0 钢丝 绳增加的更多。这样随着气隙的增大，磁化效率大大的下降了。由此得出在钢丝绳可通 过的情况下气隙的值越小越好。虽然气隙的尺寸很小，但是由于气隙的磁导率远远小于 钢丝绳的磁导率，所以在气隙单位长度上有很大的磁势降，气隙尺寸的变化会带来磁路 总磁势降的巨大变化。因此在设计励磁器是一定要保证尽可能小的、稳定的气隙。 三。是两极靴内侧间距，它的大小直接关系到励磁器的重量和体积。在励磁器的结 构设计中，应保证钢丝绳磁化段的中部能形成一均匀磁化区域，即在钢丝绳在无损伤的 情况下，这一区域沿钢丝绳径向的磁感应强度为零。均匀磁化段在钢丝绳轴向长度应该 不小于检测器两排检测元件的间距( 考虑到设计的需要不小于钢丝绳的两个股间距 l 。) 。由于漏磁通的存在，在进入均匀磁化段之前会出现一段的过渡磁化段，这段区域 钢丝绳表面的径向磁感应强度由最大减d , n 零，这段是非均匀的磁化段三。所以，要 求l 。2 三脚，+ 2 l 窖 o hc d 占 倒昌 瞍。 刨 霾异 器量 01 0扣3 0 5 1 3】【钿) 图3 - 4 过渡磁化段长度 s 按照上述分析及计算公式，选用钕铁硼作为永磁铁、工业纯铁作为衔铁，对直径 1 0 一6 0m m 的钢丝绳励磁回路进行设计计算，得到相应的磁路和结构参数列于表3 2 。 励磁器是钢丝绳损伤电磁检测的关键组成部分，通过本文的分析计算可知，磁路中 的气隙是影响励磁效率和励磁器结构尺寸的重要因素。因此，实用中，在保证钢丝绳顺 利通过励磁器极靴的前提下，应尽量减小气隙尺寸；为使励磁器体积小、重量轻，在保 1 8 表3 2 励磁器磁路及结构参数j 球厨涵一汁昧h慊淘上慊高黔h 正警憾猗藤妄洒寻磐器迫潞i苗岔藤安冈簿吕昝艟爿。离好卜。墨如，j、赢爵诽薄潼警 隐筒啡敲墨遗汁。潭踟墨薄藤帮雌苍斗汹料群菰器枣蚪潞盖阿诔汁。 磁路结构参数p钢丝绳磁参数f气隙)磁铁p 4 j j j+ l互一 s j 5p j 磁通磁势磁通磁势降j磁动 ( n l m ) =( 讪) 降( a ) =( w 6 ) +( a ) p 势j ( 蚴) ( m m ) r a m ) =( i r l l l 1 ) ( r a m ) ( 1 1 1 1 1 i ) ( a ) p 1 0 栌5 5 p 1 0 p2 0 ，3 0 02 )0 5 p0 0 0 0 0 6 p1 3 3 1 0 0 0 0 0 0 8 p4 1 0 4 l p7 0 0 p 2 0 p7 0 p1 0 p2 0 p3 0 02 pl p0 0 0 0 2 5 p1 6 9 4 0 +0 0 0 0 3 0 p8 8 6 1 7 p1 2 0 0 3 0 p8 5 01 0 p 3 0 p4 0 ，2 p2 00 0 0 0 5 7 p2 0 5 7 0 +0 0 0 0 6 4 = l1 2 1 3 3 4 +1 6 0 0 p 4 呐 1 0 0 0 1 0 p3 0 p4 0 p2 03 0 0 0 1 0 2 p2 4 2 0 0 +0 0 0 1 1 2 p1 6 2 4 7 8 +2 0 0 0 p 5 0 p1 1 5 01 0 p4 0 05 0 p2 p4 p0 0 0 1 5 9 02 7 8 3 0 +0 0 0 1 7 2 pl9 9 2 4 7 +2 5 0 0 】 6 呻1 3 0 p1 0 )4 0 05 0 ，2 p5 p0 0 0 2 2 9 - 3 1 4 6 0 +0 0 0 2 4 5 p2 3 p 6 0 7 ,2 9 0 0 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 1 4 励磁器励磁能力的检测 根据以上的计算分析，选取以磁化直径1 6 m m 的钢丝绳为目标制作励磁器，如图 3 5 所示。 为了便于检测励磁器对钢丝绳的磁化能力，实验中选取等直径钢棒代替钢丝绳作为 试件。在钢棒的表面人工做模拟断丝如图3 6 图3 5 永磁式周向均匀励磁的励磁器 图3 - 6 模拟试件 2 0 青岛理t 大学工学硕士学位论文 用u n g 3 5 0 3 型霍尔元件对试件漏磁场进行检测，放大1 0 0 倍后，由示 虱3 7 。 e d i t、j e r t i c a l h o r i z a c qt r i gd i s p l a y , i 三u r s o r s m e a s u r e 4 a _ s k s m a t h m y _ s c o p e u t 图3 7 检测信号波形 从图中可以看出断丝信号明显，有一些高频的干扰信号在后续的处理中 勺清晰的试件损伤信号，由此可以得到本装置可以对钢丝绳进行断丝信号 2 断丝信号检测器的设计 实践证明：基于电磁检测原理实现钢丝绳断丝损伤检测是一种最有效酐 仑分析和实验结果表明，钢丝绳断丝损伤处的漏磁场信号磁场强度一般在 兹敏元件中，霍尔元件具有灵敏度高、频率响应宽、动态范围大、结构简上 怔低等优点，因此采用霍尔元件实现对钢丝绳损伤信号的检测。 2 l 青岛理工大学工学硕上学位论文 3 2 1 霍尔元件工作原理及电路 霍尔元件是一种利用霍尔效应进行工作的传感器，它具有在静止状态下感受磁场的 能力，可以将磁场信号线性地转换成电压信号。 1 、霍尔元件的工作原理 如图3 8 所示，在一块半导体薄片的两侧通以控制电流i ，并在薄片的垂直方向 上加磁感应强度b 的磁场，则在薄片的另两侧面上会产生一个与控制电流，和磁感应强 度b 的乘积成正比例的电势u h 。这一现象叫做霍尔效应【3 7 】，所用的半导体薄片叫做霍 尔元件，其产生的电势叫做霍尔电势u 阿： u 月= k h i b( 3 - 8 ) 图3 8 霍尔元件的工作原理 式中k h ：霍尔元件的灵敏度系数，取决于霍尔元件的材料及其厚度，表示霍尔元件 在单位磁感应强度和单位控制电流下的霍尔电势的大小。 当控制电流，的方向或磁场的方向发生改变时，霍尔电势的方向也将改变。当磁感 应强度b 与元件平面法线成一角度矽时，作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分 量，即b e o s 0 ，这时有： u = k 片i b e o s o ( 3 9 ) 霍尔电势与检测元件相对于磁场的运动速度无关。 2 、霍尔元件的基本电路 不同型号的霍尔元件其基本电路不同，但工作原理相同，霍尔元件的基本电路原理 图可用图3 - 9 表示，控制电流由电源e 供给，r i 为调节电阻，以保证元件获得所需的控 制电流i ，控制电流由霍尔元件的1 、3 管脚接入，霍尔电势由2 、4 管脚输出，霍尔元 件的输出端接负载电阻心( 它可以是放大电路的输入端或测量仪表的内阻等) ，其霍尔 电势u h = 电压输出u 0 2 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 通过电位器对u l 的大小进行调整，可使u 。为零，这样，就在对输出信号进行初级 放大的同时，完成了u g n 3 5 0 3 的调零。 i j + 耶 l 【f 图3 1 0u g n 3 5 0 3 的调零 3 2 2 霍尔元件提离值对检测信号的影响 对钢丝绳断丝损伤进行检测，主要是对断丝漏磁场的径向分量b r 进行测量，由霍 尔电势公式( 3 9 ) 可知，对b r 进行测量时需要将霍尔元件的作用面放置在垂直于钢丝 绳径向上。则在霍尔元件与钢丝绳外表面产生气隙。钢丝绳外表面到霍尔元件的距离称 为提离值。 以钢棒代替钢丝绳作为试件，利用本研究所设计的励磁器和检测器进行试验，提离值分别 设定为为o m m 、0 5 m m 、1 m m 、1 5 m m 、2 m m 、2 5 m m ，。输出波形放大1 0 倍得到的检 测波形如图3 1 1 所示。 图3 1 1 提离值不同得到的不同的波形图 图中纵向一方格为4 0 m v 。从图中可以看出检测波形的大小与提离值有关，提离值 越小，检测波形越明显。因此为了得到比较明显的检测结果，应尽量减小提离值，同时， 2 4 青岛理t 大学工学硕士学位论文 为了保证检测信号的稳定，应保持恒定的提离值。 3 2 3 霍尔元件布置方式与信号处理电路 根据以上分析本文选用提离值为2 m m 对霍尔元件进行布置。提离值太小影响钢丝 绳的顺利通过。钢丝绳断丝检测是对钢丝绳的圆周方向进行全方位检测，由于单个霍尔 元件的周向覆盖范围有限，为了检测钢丝绳在整个断面各个方位的漏磁场，在检测器中， 沿钢丝绳周向均匀地布置多个霍尔元件形成一个检测环。霍尔元件的数量和布置方式关 系到检测结果的准确程度。 l 、单排霍尔元件布置方式 多个霍尔元件在钢丝绳周向上均匀布置形成检测环，霍尔元件的表面均与其所处位 置的钢丝绳半径方向垂直，如图3 1 2 所示。 霍尔元件 铜丝绳 图3 1 2 单排霍尔元件布置 对钢丝绳断丝损伤进行检测，目的是为了得到钢丝绳某截面上的总的断丝损伤量而 不必考虑断丝所处的位置，因此，对单个霍尔元件的输出量进行求和处理。如图3 1 3 所示加法电路。图中，u 1 、u 2 、u n 表示各个霍尔元件的输出，u o 为整个检测环的输 出： u l 玛 u n 图3 一1 3加法电路 青岛理t 大学工学硕上学位论文 式中s ：钢丝绳轴向的空间位置参量； 三。：钢丝绳的股间距； 将a 、b 两路信号叠加后的信号为 。划0 c o s ( a 1 ，s + 争c o s 譬 m m - 令c o s 冬：0 ，即：1 8 0 。，则虬+ 6 ：0 ，可得 a 名：丝( 一5 - 1 8 )d = l1 5j 2 尸 即如果股波信号为余弦信号，则满足式( 3 1 8 ) 的两测点信号叠加后可以有效地 消除股波信号的影响，股波消除的效果仅同两霍尔元件的灵敏度误差有关。 通过试验可得，当检测环上霍尔元件的数量是钢丝绳绳股数的整数倍时，各霍尔元 件输出信号的叠加，可以有效地消除股波信号，而对于损伤信号，由于其输出在所有的 元件上都是同相的，叠加之后得到增强。因此，选取霍尔元件的数量为钢丝绳绳股数的 整数倍，有利于提高检测信号的信噪比。 一般情况下，在满足式( 3 - 1 2 ) 的情况下，取检测环上霍尔元件的数量为钢丝绳绳 股数的2 - - 3 倍，因为过多的元件无疑会增加检测电路的复杂性和成本，同时也可能造 成在结构上的无法实现。检测试验表明，u g n 3 5 0 3 霍尔元件的覆盖弧长为8 n u n ；若要 对钢丝绳直径为1 8 m m ，绳股数p = 6 的钢丝绳进行检测试验，检测环直径为 1 8 + 2 木2 = 2 2 m m ，根据式( 3 1 2 ) ，有兰半= 8 7 ，再由式( 3 - 1 3 ) ，沿钢丝绳周向 均匀布置1 2 片u g n 3 5 0 3 型霍尔元件。 2 、双排差动霍尔元件布置 如前所述，单排布置霍尔元件，根据股波信号的周期性相位变化规律，令霍尔元件 的数量是钢丝绳绳股数的整数倍，各霍尔元件输出信号的叠加，可以有效地消除股波信 号。在实际的检测中，除股波信号以外，钢丝绳断丝损伤的漏磁场信号还会受到其他因 素的干扰，主要是检测中钢丝绳的横向振动和现场随机的电磁辐射的干扰等，在霍尔元 件单排布置的基础上，采用双排差动霍尔元件的布置，可以有效地消除上述干扰。 如图3 - 1 5 所示，在钢丝绳表面布置两排完全相同的霍尔元件a 排和b 排，轴向相 距一个股间距l m m ，各检测环的霍尔元件求和输出得到u a 和u b ，对于u a 和u b 进行 2 7 青岛理工大学工学硕十学位论文 7 8 7 23 ) ( 4 q 毛：凰嗣 口( 二 叫d 口口 d 口 口 口 口 日甍 口 d 嘏+ 商叫兰h r = ；i 一一一 昌岛 蛾崆 二二二舢凸u 一等、口； 口 口 口 口 吕螽酗确 吾赫2 茸 昌凰+ 自巷 i 疰磊+ 肖吒：口辩= 筘r 。斟一 - r 吕黟而 i 霹雷 当 o j 蒯黼绻崆j 搿猫豁锚驾黠潋黜止二 攀：舢 。上 p 蕞铲0 p y r 工g h t1 9 9 6 8 3 4 6 7 3 3 6 6 3 2 6 5 3 二_ 6 4 3 0 6 3 2 9 5 2 2 8 6 二 2 7 6 0 2 6 5 9 2 5 5 8 2 4 5 7 2 3 ：2 o o o o o o o o o广 o o o o o o o o a oq o o 口o o o o o o o a 口d 口o o o o o o o j o o o o o o o o o o 1 d o o o o o o o o o ， o o o o o o o o o o ， 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 一鼍 o o 口o o o o o o o o o d o o o o oo o 鼍o o o d o o o o o o o - p o o o o o o o o o o 一) 口d o 口o o o o o o o o o o o o o o o o 警了 o o o o o o o o o o 一， o 口o o o 台o o o o o o o o o o o o o o o 嚣 o o o o o o o aooo u o o o o o o o 0 0 0 。一 o o 口o o o o o o o ， o o o o o o o o o o ， o o o o o o o o o oo 工 o o o o o o o 。 o o o oo o o 山o o o o oo o o 产 a o o o o o o o o o ) z o 口口o o o o o o o o o o o o o o o o o 二了 o o 口o o o o o o d 一， o o o o o o o o o o ) j o o o o o o o o o o o o o o o o o a o oz v o o o o o o o o o o ：_ 0 0 0 0 0 0 口o o o ) 鼍 o d o o o o o o o o o o o d o o o o o o - j o o 口o o o o o o o 一一 o o o o o o o o o oj j o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 上 o o o o o o o 0 0 0 ：广 o o o o o o o o o oj d o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 口o o o o o o 叠o o o o 冒墨q 钝= ， p o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o a o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o d o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o d 借荫 a c = ) 1 口。芒， 3 3 3 ， 3 4 4 6 )( 3 )( 6 )( 7 q 5 6 图4 _ 3 接线盒s c b 一6 8 印刷电路板 p x i 6 2 8 1 有两个接口，一个是p x i 总线接口，另一个是6 8 p i i l 信号输入接口。这 个接口的信号有三类：数字输入输出、模拟输入输出和定时计数器信号。接口的分布定 义如图卜4 所示。有1 6 对模拟输入舢 ，甜g n d 是板卡的模拟输入地，m s e n s e 是不同于模拟输入地另一种模式，为非参考单端模式。 此外实验室配置了n ip 一1 0 4 5 机箱，它是n i 公司基于p 总线平台设计的高性 能1 8 插槽机箱，通过编程方式对机箱背板上的触发路由模块进行配置，可以轻松地实 现触发器与设备之间的路由。可支持w i n d o w s 操作系统，可以方便的运行l a b v i e w 软 件，易于信号处理的实现。 o一0国一盘。一一o一0一蛮。一o一q一口一盘母囝一o一口。一母一母彤一一o一盘一心。一国盘一毋盘 口一一o一心d一母。一岱。一位一盘。一m一m om一母 黼埘罾鬻 v见日蒸 口 邕 、_-llilii， r 旧眨匕 青岛理工大学工学硕上学位论文 io 剐g 怕 a l9 a i2 a i g n d a i1 1 a i s e n s e i1 2 a l5 剐g n d a l1 4 矧7 a i g n d a o g n d 1 0 g n d d g n d p 0 o p 0 5 0g n d p 0 2 p 0 7 p 0 3 p f i1 1 ，p 2 3 p 同1 q 驴| 2 2 dg n d p f i2 ，p 1 2 p f l 髫p 1 3 p f i 捌l p l 鼻 p f l1 3 犀1 2 5 p f l1 刮p z 7 p f i 7 ，p 1 7 p f l 剐p dg n d d g n d 厂 6 8 3 4 6 73 3