基于感应线圈的钢丝绳损伤检测系统设计

摘要钢丝绳广泛应用于矿山、交通运输、旅游等国民经济各主要行业，发挥着极为关键的作用。钢丝绳作为工程承载的关键构件，在使用过程中极易发生磨损、锈蚀、疲劳、断丝等各种形式的机械损伤，导致其安全承载能力下降，造成安全隐患。钢丝绳安全检测的原理、方法和技术的研究是非常重要的课题，具有重大的社会经济意义。因此，钢丝绳损伤检测已被世界各国高度重视，成为世界性的，既有理论意义又有实用价值的重要研究课题。对钢丝绳进行饱和励磁是能够准确检测到钢丝绳损伤信号的前提。本文基于磁路和磁场理论，建立了钢丝绳损伤的磁路计算模型，对影响励磁器性能的各种因素进行了分析，设计制作了永磁式周向多回路励磁器。在此基础上，采用了高性能的集成单感应线圈对钢丝绳损伤漏磁场进行检测，设计出了信号预处理电路，提出了基于感应线圈钢丝绳损伤检测方法，在此基础上，提出以AT89C52单片机为微处理器的钢丝绳断丝信号特征量数据采集系统以及基于虚拟仪器技术对钢丝绳的损伤信号进行数据的定量识别与分析显示。关键词：钢丝绳；断丝；励磁器；感应线圈；单片机ABSTRACTThesteelwireropeiswidelyusedinmining,transportation,tourismandothermajorindustriesofthenationaleconomy,playinganextremelycriticalrole.Asthekeycomponentofengineeringbearing,thewireropeisveryeasytobreak,rust,fatigue,brokenwireandotherformsofmechanicaldamageintheprocessofuse,resultinginadecreaseinitssafetycarryingcapacity,resultinginsafetyhazards.Thestudyoftheprinciple,methodandtechnologyofsafetydetectionofwireropeisaveryimportantsubjectandhasgreatsocialandeconomicsignificance.Therefore,thedetectionofwireropedamagehasbeenattachedgreatimportancetotheworld,boththeoreticalsignificanceandpracticalvalueofimportantresearchtopics.Saturatingexcitationofwireropeisaprerequisiteforaccuratedetectionofwireropedamagesignal.Basedonthetheoryofmagneticcircuitandmagneticfield,thispaperestablishesamagneticpathcalculationmodelforwireropedamage,analyzesvariousfactorsaffectingtheperformanceofexciters,anddesignsandproducespermanentmagneticcircularmulti-loopexcitations.Onthisbasis,thehigh-performanceintegratedsingle-sensingcoilisusedtodetectthewireropedamageleakagemagneticfield,thesignalpre-processingelectricwayisdesigned,themethodofwireroperopedamagedetectionmethodbasedontheinductioncoilisproposed,onthisbasis,thedatacollectionsystemofwireropewirebrokenwiresignalwithAT89C52microcontrollerasmicroprocessorisproposed,andthequantitativeidentificationandanalysisofthedamagesignaldatabasedonvirtualinstrumenttechnology.Keywords:wirerope;wirebreak;Excitation;Inductioncoil;microcontroller目录第一章绪论 71.1本课题研究的背景 71.2课题研究的出发点 71.3钢丝绳损伤检测的研究现状 81.4本文的主要研究工作 9第2章钢丝绳损伤电磁检测原理及磁场信号特征分析 102.1钢丝绳的结构组成和基本特性 102.3铁磁性材料缺陷的漏磁场信号特征 112.4钢丝绳断丝损伤的漏磁场信号特征 12第3章钢丝绳的磁化理论与励磁器设计 133.1磁化回路的基本内容 143.2钢丝绳励磁的相关内容研究 153.2.1钢丝绳磁化方式选择 153.2.2励磁回路分析 163.3励磁器结构设计 183.3.1磁化强度的选择 183.3.2极靴的材料和尺寸 193.3.3极靴间距L 203.3.4衔铁的材料和尺寸 21第4章感应线圈检测器及电路系统设计 224.1感应线圈检测器无损检测的基本原理 224.1.1感应线圈检测器的基本概述 224.1.2永磁式励磁感应线圈检测器的工作原理 224.2感应线圈检测器的基本特性参数 234.3感应线圈检测器的设计 244.3.1检测器设计类型的确定 244.3.2检测器的安放与布置 254.4检出信号的电路处理系统 264.4.1钢丝绳检测信号的特点及对积分电路的要求 264.4.2设计具有非线性反馈的高稳定积分电路 26第5章基于AT89C52单片机的钢丝绳损伤信号采集系统设计 295.1数据采集系统简介 295.2钢丝绳损伤检测信号的特征量 295.3AT89C52单片机功能简介 305.4采集系统硬件设计 315.4.1单片机主控模块 315.4.2A/D转换模块 325.4.3距离检测模块 335.4.4通信模块 345.4.5特征值检波模块 355.5数据采集系统软件设计 365.5.1系统工作原理 365.5.2程序模块组成 365.5.4INTI1中断服务程序 385.5.5T1中断服务程序 405.5.6CPU抗干扰措施 41结论 42致谢 43参考文献 44附录 46绪论1.1本课题研究的背景钢丝绳广泛应用于冶金、交通运输、旅游等重要经济行业，起着非常重要的作用。钢丝绳的绳股结构复杂，工作环境恶劣，易于出现磨损、锈蚀、断丝等损伤，导致其强度下降，牵引钢丝绳的安全使用和检测技术越来越多地引起人们的关注。因此，如何对钢丝绳合理的使用以发挥其最大的使用价值，同时又对钢丝绳的安全隐患防范于未然等问题的研究就成了我们必须面对的一个难题。尽管我们对钢丝绳的使用方法不断的进行优化，但在其安全性能评估与报废年限预判这方面的局限性很大。我国现有的关于“钢丝绳行业安全规程及国家检测标准”主要是基于钢丝绳损伤检测结果而制定的。想要实现钢丝绳的合理使用，并发挥其最大使用价值，同时还确保其安全性，就要求我们在现在的标准上不断提高检测技术与检测精度，使得检测结果更具客观性，更贴近真实工作状态，更符合我们对钢丝绳的合理使用与安全要求。1.2课题研究的出发点首先，分析目前出现的损失检测技术在原理上存在的问题以及钢丝绳的结构特点。由测试理论和技术的改进，开发了一种高可靠性、在线量的智能测试仪，尽可能客观地反映钢丝零件的损伤你可以。能根据受伤情况预测钢丝的安全性，以避免事故风险，保证人员安全。其次，再确定本次毕业设计的研究方向后，设计过程中势必会涉及到多学科的内容，这就需要将这些学科的内容进行合理的整合，以达到知识理论的综合运用的目的。例如利用力学知识分析钢丝绳的受力及损失情况；利用电磁学知识设计分析励磁与检测器件的工作特性；利用电学知识设计信号采集与处理、信号调理与分析电路；利用微机原理与接口技术设计硬件电路的驱动设备。最后，综合设计整个检测装备系统，结合软、硬件的使用，完善钢丝绳检测应用技术，提高钢丝零件的准确性，尽量避免人为因素的影响，实现记录过程的智能化，进一步提高钢丝零件安全性研究的可行性。（1）本课题主要是理论上的研究，但研究的基础是无损检测技术。与此同时设计中的多学科内容地相互渗透，也是对多学知识的熟悉与再运用。（2）本课题的研究以工程应用为背景，对开发和研制钢丝绳安全检测装置具有实际的指导作用。（3）对预防钢丝绳的使用损害事故，减少资源浪费，保障人身安全具有积极作用。1.3钢丝绳损伤检测的研究现状根据钢丝部分是否损坏，钢丝安全检测方法可分为有损检测法和无损检测法。有损检测法是通过对待检钢丝绳进行拉断或疲劳试验来测试钢丝绳的剩余强度。无损检测法应能反映介质对钢丝部分的损伤状态，而不损伤钢丝部分，再利用传感器检测介质的动态变化信息，以此得到钢丝绳的损伤信号，对损伤信号进一步分析处理，最后评估出钢丝绳的损伤状态和安全性能。虽然无损检测法相比于有损检测方法更被钢丝绳使用单位接受，但是现有的损伤检测设备还无法有效地识别钢丝绳的各类缺陷，检测结果可靠性较低，使得大多数钢丝绳使用单位仍将其作为一种辅助检测手段，主要检测手段仍以人工目视检测法为主。虽然目前无损检测法对钢丝绳的损伤检测效果不佳，但该方法可以实现高速非接触检测，具有较大发展前景，仍然是实现钢丝绳在线检测的必然发展方向。表1.1常用的钢丝绳无损检测方法针对钢丝绳的无损检测，按照其检测原理的不同，大致可以分为固体声测法、人工目视法、X射线检测法、磁性法、电涡流检测法、振动检测法、磁致伸缩检测法、电流法等，如表1.1所示。由于钢丝绳具有良好的导磁性能，特别适合使用电磁无损检测方法进行损伤检测，电磁检测法成本低、易于实现，且无论内外部缺陷都能检测的到，是目前钢丝绳无损检测的主流方法。本文的主要研究工作1、查阅国内外关于钢丝绳损伤检测的文献资料，掌握研究现状，写出综述材料。2、分析钢丝绳损伤电磁检测的基本原理，推导励磁回路参数计算公式，设计永久磁铁式励磁器。3、研究钢丝绳损伤的磁场信号特征及损伤信号检测与处理技术。4、设计双排差动感应线圈检测器及信号处理电路，设计电路板。5、设计基于AT89C52单片机的检测信号采集与转换的软、硬件系统，实现损伤信号的实时采集和转换。6、AT89C52单片机与上位PC机通信系统设计，程序编制、调试试验第2章钢丝绳损伤电磁检测原理及磁场信号特征分析2.1钢丝绳的结构组成和基本特性钢丝绳是种复杂的棒状构件，制作工艺复杂。首先需要制股，即将多根直径较细的高强度的钢丝捻制在一起；其次是饶制，即将制成的多根股围绕绳芯捻制成空间螺旋形，这样就决定了钢丝绳所特有的结构与使用性能；最后根据使用要求对钢丝绳做应力预处理和涂抹润滑油泥等一系列的过程。按照钢丝在绳中的捻制次数简单划分为一次捻、二次捻、三次捻。捻制的次数多少决定钢丝绳最终的形态，也对钢丝绳的使用强度与拉力等起到一定影响，其中最常用的捻次是二次捻。捻向关系着钢丝绳的绳股排布，将捻向分左捻向和右捻向。按钢丝在股中互相接触的情况，又可分为：点接触式、线接触式、面接触式三种。图2.1钢丝绳断丝损伤漏磁检测原理钢丝绳断丝漏磁检测原理如图2.1所示。用一励磁源沿钢丝绳轴向磁化至饱和时，如果钢丝绳上存在断丝损伤，则会在附近区域产生漏磁场。通过采集磁场信息，分析输出信号，可以确定缺陷导线的位置和数量。2.3铁磁性材料缺陷的漏磁场信号特征钢丝绳损伤的电磁检测是基于检测钢丝绳断丝损伤引起的漏磁场来实现的。为了解钢丝绳断丝损伤的漏磁场信号特征，对铁磁材料缺陷漏磁信号的特征进行了研究。铁磁性物质的磁导率是空气磁导率的数千倍，在被磁化以后可容纳高密度的磁场，受损部分形成向外的逃逸磁场，形成漏磁场。根据稳恒磁场的基本理论，绘出铁磁性材料矩形缺陷的漏磁分布如图2.2：图2.2铁磁性材料的矩形缺陷漏磁分布根据上图磁力线折射现象，我们将缺陷处漏磁场的漏磁通密度分解为水平分量和垂直分量,前者方向与磁化方向平行,后者方向与磁化方向垂直。图中Bx表示水平分量,By表示垂直分量。影响缺陷附近漏磁强度分布的主要因素是缺陷的几何尺寸和磁场强度。缺陷几何尺寸是指沿磁化方向的缺陷宽度b和垂直于磁化方向的深度h。对于非矩形槽缺陷,缺陷参数还应包括缺陷锐度。锐度以边锐角和底锐角的大小来表示。边锐角是指缺陷的斜边与材料表面形成的锐角,底锐角是指缺陷的斜边与缺陷底边所形成的锐角。缺陷的边锐角对Bx边缘的磁信号有较大影响,而底锐角对漏磁信号影响较小。较长的,渐变的,平滑的材料厚度变化缺陷对By的强度影响较弱。研究表明,材料的磁化水平是提供可靠精确检测结果的关键因素。因此被测工件的磁化程度达到深度饱和(至少接近饱和)是获得良好检测效果的前提条件。实验结果表明,低分辨率检测设备的检测效果优于高分辨率检测设备弱磁化。2.4钢丝绳断丝损伤的漏磁场信号特征LsLs图2.3钢丝绳的股波信号由于钢丝绳结构复杂，钢丝和绳股在绳中呈空间螺旋线形式，钢丝绳的金属截面约为直径相同的钢杆截面面积，其余由空隙和非导磁材料占据。磁化后的钢丝绳本身就存在较强的漏磁强度，其分布规律随结构的变化而变化。在钢丝绳表面，我们可测得漏磁信号即股波信号如图2.3所示。随着钢丝绳表面绳股的起伏，与正弦函数的周期性相似，其周期为钢丝绳的股间距Ls。当钢丝绳出现断丝缺陷时，由于铁磁性材料缺陷的漏磁场特性，缺陷会导致钢丝绳表面的磁感应强度B发生变化，但缺陷产生的漏磁会叠加在背景漏磁场中，即损伤信号叠加在股波信号中，如图2.4所示。叠加信号叠加信号图2.4信号的叠加根据铁磁材料缺陷漏磁场的特征及钢丝绳的结构特点，影响钢丝绳断丝漏磁场分布的因素有钢丝绳直径、断丝数目、断口距离以及断丝在钢丝绳截面的位置等。钢丝绳断丝损伤漏磁感应强度还与检测点到钢丝绳表面的距离有关，距离越小，漏磁感应强度越大。所以，在检测器设计中，应尽量减小磁敏元件与钢丝绳表面的间隙，以增强检测信号。并且，为了保证检测信号的稳定，应使间隙在检测过程中保持恒定。第3章钢丝绳的磁化理论与励磁器设计钢丝绳损伤电磁检测法中，检测损伤信号的理论立足于电磁感应现象，并由此结合磁场检测的范畴。因为电磁互感的现象实际存在，基于此设计一种可以检测电磁互感的仪器，以实现钢丝绳的无损检测。检测的依据，即通过设计一种传感器来捕获损伤信号在钢丝绳的表面形成的损伤漏磁场，以此实现电磁检测法对钢丝绳的无损检测。实现电磁检测的前提与首要任务，即对被检测段进行磁化以形成磁化回路并产生出电磁互感，励磁的效果尤为重要。另外对检测环节影响最直接的就是干扰损伤信号的可能性与准确性。3.1磁化回路的基本内容磁化回路就是用强磁材料构成的闭合回路其，中产生一定强度的磁场。通常用于研究具有磁心的电磁器件，在使用这些器件的过程中，往往需要产生所需特定磁场的电路。磁路的的本质是限制在一定范围内的恒定磁场问题。研究磁路在于确定励磁磁通势和它所产生的磁通的关系。根据设计要求设计出的磁路应注意以下几点：（1）设计时要考虑各材料部分的性质特点，依此来考虑磁导率的问题。从磁路的总体设计和分析可以看出，主磁流主要集中在铁磁材料和磁路中。（2）出于整体磁路的设计，可将磁路分为磁源、连接磁源形成磁通路的衔铁、气隙等，从磁回路理论可以看出总磁阻等于每段磁路磁阻之和。具有相同的截面积的各段磁路仍具有相同的磁特性。（3）基于磁路的概念和磁路产生的特点等内容，设计出的磁路又有其完整的理论，也具有与恒定磁场完全相同的物理量。与自然磁场、恒定磁场的理论一样，设计磁场应遵循磁场的基本规律，分别是：磁通连续性原理、安培环路定律、以及对它们的扩展。磁通连续性原理：∮BdA=0(3-1）安培环路定律：∮Hdl=∑I（3-2）磁通连续性原理的扩展即便是有了上述（3-1）计算式为理论依据，但磁场的概念同样发挥着重要作用，例如磁路中的主磁通，除了满足磁通的定义，在保证理论的正确使用的同时还得考虑到磁通也具有连续性，故通过实验的验证得到磁通连续性原理的演变：∑Φ=0(3-3)式（3-3）也就是先前所说的磁路也具有的基尔霍夫定律，同时磁路的基尔霍夫第一定律规定的穿过该闭合面的各分支磁路段磁通量的代数和等于零。磁场的理论在磁通磁通连续性原理基础上进行了扩展，得到公式（3-3），同理对于磁场的安培环路定律也进行如下扩展，即在磁路中，安培环路定律演变为：∑Hl=∑Ni（3-4）式（3-4）则表示出了磁路的基尔霍夫第二定律，即等强度的各段磁路上的总磁位降等于各段磁路上磁位降之和。磁位降即每一段磁路的磁位降等于各段磁路的磁阻与磁通的乘积。有了磁位降就会产生磁位差，与电位差的含义类似。在磁路段中，磁位差Um,其大小和方向可用磁场强度H与该磁场强度H上的磁路段长度l的乘积表示，也能用磁阻R与磁通量Φ的乘积RΦ表示，磁阻R可以对比着电阻的定义理解为一种阻碍，只不过是磁路段对磁通的阻力，定义为：R=l/µs（3-5）其中各字母所代表的物理意义如下：l是磁路段长度、µ是磁导率、S是磁路段的断面积。3.2钢丝绳励磁的相关内容研究3.2.1钢丝绳磁化方式选择磁化钢丝绳的方法根据励磁源的性质可分为：电磁铁磁化方式、永久磁铁磁化方式。永久磁铁磁化方式不需要外接电源，结构简单，但励磁强度固定，这与永磁材料的性能有关。永久磁铁磁化按结构形式主要分为三种，如图3.2所示。永磁铁永磁铁钢丝绳钢丝绳永磁铁衔铁AAA—A衔铁（1）（2）（3）图3.2永久磁铁磁化方式的结构图图3.2中，(1)、(2)分别为单回路和双回路磁化方式，结构简单，易于实现。但由于永磁体不能完全包围钢丝绳,影响了检测的准确性。(3)为环形回路磁化方式。连接磁极的衔铁做成管状，永磁体和衔铁均匀包裹在钢丝绳周围，最大限度地减少了磁路中的漏磁。所以环形回路磁化是较为适合的磁化方式。3.2.2励磁回路分析励磁器的总体设计过程包括以下几个方面：首先，确定励磁磁路的结构，设定其各部分的尺寸参数、确定各部分材料的性质特征与选择有关材料的类型；其次，用合理的方法求解磁场的尺寸参数的数值的大小，以确定励磁器的尺寸结构；最后，分析讨论磁路的各机构尺寸参数对于励磁器性能的影响，对励磁器的结构尺寸进行优化，设计出优化后的励磁器，使其满足机械设计所规定的实用性、经济性、可靠性、与精度要求。本励磁器设计采用环形回路励磁方式，励磁器的基本结构如图3.3所示。该励磁器由环抱钢丝绳的磁极（由永磁铁材料构成）、环抱磁极的衔铁构成。并都制成剖分式结构以便安装在运行的钢丝绳上。图3.3励磁器的结构其中，Ds：钢丝绳公称直径；Ls：两极靴内侧间距；Lm：永久磁铁沿钢丝绳轴向的长度；Tm: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；Tx: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。为保证钢丝绳和磁极能够顺利地相对运动，磁极内径应该大于钢丝绳外径，使钢丝绳和磁极内侧产生了一定的间隙——气隙。钢丝绳的励磁回路由极靴（此处为用永磁铁做成的磁极）、衔铁、气隙和钢丝绳四部分组成。这里采用磁导法对励磁回路进行分析计算，不考虑衔铁内外端面与钢丝绳表面间漏磁，励磁回路模型如图3.4所示。图3.4图3.4励磁回路模型由磁导法对回路进行分析：(1)钢丝绳的磁导：(3-6)式中为钢丝绳的相对磁导率，为钢丝绳的直径，为两磁极内侧间的距离，永磁铁沿钢丝绳轴向的长度。(2)气隙的磁导：（3-7)式中为气隙的相对磁导率，为钢丝绳的直径，为钢丝绳表面与磁极间的距离，永磁铁沿钢丝绳轴向的长度。(3)衔铁的磁导：(3-8)式中为衔铁材料的相对磁导率,为磁极的外圆直径，为衔铁沿钢丝绳轴向的长度。(4)在确定了各部分的磁导之后，根据磁路的欧姆定律，可以确定磁极产生的磁通势:(3-9)式中的是钢丝绳达到磁饱和时的磁通量,，是钢丝绳磁化到饱和状态时的磁感应强度，是钢丝绳的截面积。3.3励磁器结构设计3.3.1磁化强度的选择设计励磁器时，首先要选择磁化强度，要保证把钢丝绳磁化到饱和状态，使断丝缺陷产生的磁场能被检测到。图3.5为典型的619钢丝绳的磁化曲线。在初始饱和区，曲线已很平稳，钢丝绳的磁感应强度不易受到外界的影响。在曲线右侧，进入深度饱和状态，磁感应强度不再增加，而磁动势的消耗不断增大，为了达到既稳定又经济的磁化效果，钢丝绳的磁化工作点应选在初始饱和区内。图3.5钢丝绳磁化曲线3.3.2极靴的材料和尺寸本设计以永磁体作为极靴的材料，主要是保证稳定的磁感应强度，选取矫顽力较大的永磁铁材料，以提高磁路的稳定性。硬磁材料有很多种，目前广泛应用的永久磁铁材料有三类:铝镍钴、铁氧体、钕铁硼材料。图3.6为它们的退磁曲线，其中a为钕铁硼永久磁铁NTP-30H,b为铝镍钴永久磁铁LNGT72,c为铁氧体永久磁铁Y35。可见钕铁硼永久磁铁材料是目前磁性能最好的永久磁铁材料，故选钕铁硼作为极靴的材料。图3.6永磁材料的退磁曲线工程上常用的起重、提升和牵引钢丝绳其公称直径一般在20—40mm之间，极靴内径必须大于钢丝绳外径，以保证钢丝绳与对应的励磁极靴内侧有一定的间隙——气隙。为满足钢丝绳的饱和磁化要求，一般取气隙尺寸,所以:极靴（磁极）的内径。由于在之间，故在之间，考虑到通用性，取。为保证磁通能顺利地导入到钢丝绳中，极靴在垂直于磁通方向上的面积，应不小于钢丝绳的截面积。根据截面积和结构要求，取磁极的外径。为使钢丝绳磁化到理想效果，应保证每端磁极宽度，根据尺寸及通用性，取。对于结构尺寸已定的极靴而言，为使气隙保持，可根据钢丝绳的不同规格做一系列内径尺寸不同而外径皆为D的导磁环，导磁环的材料与衔铁材料相同。3.3.3极靴间距L在钢丝绳的检测中，由于检测信号是通过检测钢丝缺陷产生的漏磁场获得的，为了减小极间漏磁场的影响，极靴间距L要在励磁器中间位置形成一段磁化均匀的磁化段，其长度应大于钢丝绳的一个股间距。因为存在气隙，回路中存在着漏磁通，从两极靴内侧端面到励磁器的中部，钢丝绳表面径向的磁感应强度由最大值逐渐减小到零，形成非均匀的过渡磁化段，故极靴间距应满足：。其中大约为，根据钢丝绳的等效实验及其经验选取。图3.7过度磁化段测量测量装置示意图3.3.4衔铁的材料和尺寸衔铁用软磁材料做成，是磁回路中形成磁力线通路不可缺少的组成部分。常用的软磁材料有铸铁、铸钢、低碳钢和工业纯铁等，其中工业纯铁和低碳钢的磁导率和饱和磁感应强度很高，本论文选20号低碳钢来设计衔铁，衔铁的具体尺寸可根据钢丝绳达到磁饱和时的励磁回路主磁路各段磁通量都等于各段磁感应强度B与截面积S的乘积来确定，即。式中、分别为通过钢丝绳和衔铁的磁感应强度，、分别为钢丝绳和衔铁的横截面面积。以的钢丝绳为例，磁化到饱和状态时，钢丝绳的磁感应强度,衔铁的磁感应强度，可得衔铁的横截面面积，为了提高系统的灵敏度，在保证传感器体积要求的前提下，应使主磁路衔铁的横截面积尽量大些，励磁器内部安装检测器需要一定的空间，取衔铁的外径，厚度。第4章感应线圈检测器及电路系统设计4.1感应线圈检测器无损检测的基本原理4.1.1感应线圈检测器的基本概述基于电磁检测原理实现钢丝绳损伤的检测是一种有效实用的方法，它是利用钢丝绳是导磁体的特点，再利用有效的手段，检测其引起的磁场分布的变化，进而获得反映钢丝绳损伤信息的检测信号。感应线圈检测法成本低、易实现，但劣势同样明显，其最大的缺点是与以感应线圈作为传感器的输出和检测速度有关，检测速度的不均匀会使输出信号产生畸变，甚至在极低速无输出信号，因此需将时域采样信号转换空间域的等空间以消除速度的影响。4.1.2永磁式励磁感应线圈检测器的工作原理基于感应线圈检测钢丝绳损伤（亦称全磁通检测）的原理如图4.1所示，感应线圈传感器的结构原理是：永磁体将钢丝绳的被测区域沿轴向磁化至饱和，则钢丝绳内的磁感应强度B保持恒定，同时穿过钢丝绳的磁通量与钢丝绳的横截面积成正比，随着钢丝绳相对于检测线圈和励磁器的运动，钢丝绳将不断被励磁器逐段磁化至饱和态，若钢丝绳存在损伤，其内部磁通量（与钢丝绳的有效金属截面积成正比）必然减少，就会使感应线圈产生电压输出、测量钢丝绳的轴向主磁通，对感应线圈输出的信号进行处理，就可以定量检测钢丝绳的截面损伤。图4.1感应线圈法检测的基本原理图图中a是钢丝绳简图，b是永磁体，c是检测线圈，d是运算积分路，e是理想情况下的磁力线。由此可以看出但存在损伤的钢丝绳相对于感应线圈运动时，感应线圈将产生感应电动势，这种检测的方法实际上就是电磁法检测的范畴。4.2感应线圈检测器的基本特性参数采用感应线圈作为钢丝绳损伤检测的检测元件，原理如图4.1所示，检测线圈位于两级之间，匝数为n，当检测线圈相对于钢丝绳运动时，将产生电磁感应现象。由此可以看出当存在损伤的钢丝绳相对于感应线圈运动时，感应线圈也将产生感应电动势：ec=-ndΦ／dt-n(dΦ/ds)(ds/dt=-n(dΦ/ds)V(4-1)式（4-1）中的有关字母参数是这样规定的：n为感应线圈匝数；dΦ/ds为钢丝绳内部磁通量相对于钢丝绳位移的变化率；dΦ/dt为感应线圈中磁通量的变化率；V为钢丝绳相对于感应线圈的摇动速度；上述公式表明，当线圈匝数n与运动速度V一定时，感应线圈输出的电动势ec可以反映出钢丝绳中磁通量沿轴向的变化，即钢丝绳有效金属断面积沿钢丝绳轴向的变化，当检测线圈相对于钢丝绳运动时，将产生感应电动势ec=-ndΦ／dt，对等式两边同时取积分得ΔΦ=Φ-Φ0=1/n∫0tedt（4-2）式中Φo为参考位置（t=0）时线圈所包含的磁通量,ΔΦ则为钢丝绳轴向磁通的损失量。只要对感应线圈的感应电动势进行积分，就可以实现钢丝绳损伤的定量检测。如果感应线圈的匝数n不变，则输出的感应电动势ec与通过线圈的有效磁通量的变化率成正比。但磁通量的变化率不仅取决于钢丝绳的损坏程度，还取决于钢丝绳的运动速度，要想判断其损伤，必须尽量消除速度的影响。要实现完全检测不仅要清楚的了解感应线圈的上述特性参数，还要设计相应的积分电路处理信号。4.3感应线圈检测器的设计4.3.1检测器设计类型的确定利用电磁法原理进行的基于感应线圈的钢丝绳损伤检测，在使用方便性来看，可以做成管状的套筒式感应线圈和可剖分式的感应线圈。感应线圈的设计如图4.2所示。图4.2可剖分式双排检测线圈原理圈在图4.2中的a图是一般的感应线圈和积分器组成的用于电磁感应检测的装置，而图b，c两图都是可剖分式的用于钢丝绳无损检测的感应线圈，b图是双排等径差动线圈，c图是双排不等径差动线圈。考虑到使用的方便性，选择双排差动线圈。按照图中所示的绕制方式把导线(漆包线)绕制在非磁性材料制作的检测器框架上、检测时把上下两部分线圈扣在钢丝绳上即可。图b双排等直径差动线圈，可提高检测灵敏度。而实际应用中，为了避免钢丝绳运行速度变化以及外界电磁干扰对检测线圈输出信号产生影响，选择图c所示的双排不等直径差动线圈，该检测器中的第一个线圈为检测线圈，是检测环节；第二个线圈直径较大，是无感线圈，是比较环节。钢丝绳运行速度的变化和外部电磁干扰对两个不同直径线圈的影响是相等的，因此两线圈的输出信号经差动处理后，再经由差动电路分析处理，即可得到反映钢丝绳损伤状况的检测信号。4.3.2检测器的安放与布置感应线圈检测器在整个检测装置中的安放与布置，应满足检测装置的体积及放置位置要求。检测器的外壳由耐磨绝缘的非磁性材料制成，是一个封闭的上下可拆卸的框架。然后按照图4.2的c图所示方式把导线（漆包线）绕制在非磁性材料制作的检测器两个半体框架外，检测时把上下两部分线圈扣在钢丝绳上即可。如图4.2检测线圈框架及线圈安放图，图4.3检测线圈与励磁装置的组装图。图4.2检测线圈框架及线圈安放图其中,a代表双排不等直径差动感应线圈检测器；b代表被检测的钢丝绳。图4.3检测线圈与励磁装置的组装图其中,a代表不等直径差动感应线圈检测器在励磁器上的连接紧固部件；b代表双排不等直径差动感应线圈检测器；c代表被检测的钢丝绳；d代表永磁式周向均匀励磁的励磁器。4.4检出信号的电路处理系统4.4.1钢丝绳检测信号的特点及对积分电路的要求基于感应线圈检测器的钢丝绳无损检测，采用感应线圈的电磁法将钢丝绳的损伤转换为可测量的信号，将测得的损伤信号转换成电路信号进行分析处理，得到具体的数据结果来表明损伤的类型与程度。钢丝绳无损检测是在强噪声环境下进行的，产生噪声的主要原因是励磁磁路上的钢丝绳与励磁装置之间存在气隙。一般钢丝绳检测数据需对强干扰信号进行长时间的积分，所以要求积分电路具有高稳定性，且能有效抑制干扰，否则长时间积分，积分器的输出会偏离零点，严重时会积分饱和。针对上述情况设计了一个具有非线性负反馈的高稳定积分电路。4.4.2设计具有非线性反馈的高稳定积分电路理想的积分电路如图4.5所示，它的输出为V0=-1/RC∫Vidt,但在实际应用的情况下，运算放大器并非最理想的。其构成的积分等效电路图如图4.6所示，其中Vi0为运算放大器的输入失调电压，Ib为输入偏置电流，可以得出其实际积分电路的输出为[2]：V0=-1/RC∫Vidt+1/C∫Ibdt+Vi0(4-3)图4.5理想积分电路图4.6非理想积分电路从式（4-3）中可以看出，误差主要来自第2、3、4项；其中第2、3项为动态漂移，第4项为静态误差。为了减小误差首先需要选择高性能的运算放大器，使Vi0和Ib都很小。其次采用调零技术对静态误差进行补偿。应增加动态抑制环节来减小时间漂移和温度漂移等干扰的影响，以提高电路的稳定性。非线性负反馈的高稳定性积分电路能够很好地解决上述问题，原理图如图4.7所示。图4.7非线性负反馈的高稳定性积分电路在实际的检测过程中，利用电路图中的斩波稳零型运算放大器、外调零技术、非线性负反馈增强电路等技术来减小误差，对数据的处理与最终判断有实际指导作用。波稳零型运算放大器ICL7650能减小器件误差,其长期漂移很小，非常适用于高性能的积分电路。而采用外调零技术补偿输入偏差时可以看到，图4.7中R3、R4、R5、R6构成ICL7650的外调零电路。采用非线性负反馈增强电路来提高稳定性，在图中的OP-07是反馈环节的重要组成部分。采用这种非线性负反馈较线性反馈稳定性更强。对图所示的积分电路列电流方程： (Vi-V∑)/R1=C1d(V∑-V0)/dt(V-pV∑’)/R3+(Vf-V∑’)/R7=V∑’/R2（4-4）由V∑=V∑’，R2=R3=R7,得：V0=-1/R1C1∫Vidt+1/R1C1∫VPdt+VP/3+1/R1C1∫Vfdt/3+Vf/3（4-5）令VP可以补偿式（4-3）中的Vi0的影响以及来自传感器的直流干扰Vdc即VP=-3(Vi0+Vdc)（4-6）仅考虑负反馈Vf的影响V0=-1/RC∫Vidt+1/R1C1∫Vfdt/3+Vf/3（4-7）从电路的设计看，具有非线性反馈的积分电路对干扰有很强的抑制作用，在无损伤时，信号基本在0V左右波动；无反馈的积分电路经过长时间积分后可能会导致信号严重偏离零点，一旦积分时间延长，积分器就不可避免的出现饱和。第5章基于AT89C52单片机的钢丝绳损伤信号采集系统设计5.1数据采集系统简介完整的数据采集系统包括硬件和软件两部分，其中硬件是整个系统的基础，软件的设计必须围以硬件为中心，整个系统的工作由软件来调度。硬件的设计是为了驱动采集系统装置，为软件的运行提供平台；软件的设计是为了实现既定的目标，且应具有功能明确、调试方便、可扩展性及可维护性好、结构层次化、功能模块化的特点。数据采集系统主要完成对钢丝绳损伤信号的数据采集，并将采集到的数据上传给计算机。本文设计了以AT89C52单片机为核心的钢丝绳断丝损伤信号数据采集系统。5.2钢丝绳损伤检测信号的特征量经过预处理后的信号可用来进行断丝等缺陷的检测与评判。因为钢丝绳结构的复杂性，使检测信号极其复杂，所以只能选择清晰易识别的信号特征量判断断丝等缺陷程度。（1）信号的峰值信号局部峰值出现在断丝附近，断丝信号的绝对峰值通常高于正常钢丝绳的股波漏磁信号，如图5.1所示，p即为钢丝绳断丝损伤信号的峰值。根据峰值的大小可以粗略判断有无断丝、断丝的位置及断丝的多少。图5.1断丝损伤特征量（2）阈值波宽峰值是基于信号的幅度，为了更好地描述信号的状态以及钢丝绳断丝的程度提出的。除幅度因素外，还应考虑空间因素。最简单的空间参数是波宽。波宽是衡量断丝口宽度的主要性能指标。如图5.1所示，定义阈值电压Vy处信号的波宽w为阈值波宽。（3）波形下面积波形下面积是指一个阈值波宽的信号的波形下的面积，如图5.1的阴影部分。5.3AT89C52单片机功能简介AT89C52是美国ATMEL公司推出的基于80C51内核的、具有优良性价比的8位单片机，在工业控制和智能检测方面有着广泛的应用。AT89C52单片机内部包括：1个8位的中央处理器；256字节的数据存储器（RAM）；8K字节的可电气烧录及擦除的程序存储器（ROM）；2个标准的16位定时器/计数器(T0、T1)，具有四种工作方式；1个附加的16位定时器/计数器（T2），具有捕捉及波特率生成方式，多用作串行通讯的波特率发生器；可用于多机通讯、全双工的串行口；32条I/O线(四个8位口P0、P1、P2、P3)；6个中断源；特殊功能寄存器（SFR）；以及片内振荡器和时钟电路。以AT89C52单片机为核心，进行系统扩展，可以完成钢丝绳损伤信号特征量的采集以及与上位机的通讯。图5-2单片机内部结构框图5.4采集系统硬件设计如图5.3所示，钢丝绳损伤信号数据采集系统的硬件部分是以AT89C52单片机为核心实现相关操作。按照系统理论将整个设计模块化，可分为以下几个模块：单片机主控模块、A/D转换模块、距离检测模块、通讯模块和特征值检波模块。图5.3信号采集总体方案其中，芯片6264：作为AT89C52单片机的外部扩展RAM；MAX232：完成PC机与AT89C52之间两种电平的相互转换；AD574A：将模拟信号转换成数字信号；4051：多路开关。5.4.1单片机主控模块AT89C52单片机内部RAM空间只有256个字节，在单片机主控模块硬件设计时选用8K×8位的静态RAM芯片6264作为AT89C52单片机的外部扩展RAM，其接口电路如图5.4所示。其中发光二极管指示数据采集系统是否准备就绪。图5.4单片机主控模块接口5.4.2A/D转换模块将钢丝绳损伤信号的模拟特征量转换为计算机能够接收的数字量，需要一个A/D转换器来实现信号的转换以便机器识别使用。选择一个适合硬件系统的A/D转换器尤为重要。其中具有代表性的是AD574AA/D转换器。AD574A具有外接元件少，功耗低，精度高等特点和自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，它将钢丝绳断丝损伤的模拟信号转换为计算机可接收的数字信号。其接口电路见图5.4。图5.5A/D转换模块5.4.3距离检测模块钢丝绳报废标准是以一个捻距内或某一长度范围内的断丝总数来确定的，这与钢丝绳断丝的位置密切相关。为此设计距离检测模块以达到检测与预判的目的。距离检测模块如图5.6所示，由旋转编码器和导轮组成。当钢丝绳在运行时通过导轮沿钢丝绳轴做纯滚动，同时也带动旋转编码器作同步运动；这种同步运动的结果是伴随钢丝绳每移动一个空间距离ΔS时，旋转编码器光敏元件应输出一个计数脉冲；将该脉冲信号直接与AT89C52单片机的T1管脚相连，便实现了AT89C52单片机计数，计算的过程只需要简单的数学演算就能确定钢丝绳相对于检测器移动的距离。要说明的是空间距离ΔS的大小由导轮的直径D和旋转编码器的分辨率N决定，关系式为：ΔS=Πd/N（5-1）分辨率N：指旋转编码器旋转一周所产生的脉冲数。图5.6距离检测模块5.4.4通信模块在钢丝绳断丝损伤检测系统中，上位机与单片机数据采集系统采用串行通讯方式互传信息。通过串行通讯，把采集到的原始数据上传到计算机进行定量处理。IBM-PC系列及其兼容计算机内的异步通信接口，是符合RS-232C标准的接口部件。RS-232C是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，是目前最常用的串行接口标准。RS-232C接口的电气特性见表5－1。表5－1RS-232C电气特性表RS-232C接口逻辑电平与AT89C52单片机的输入、输出TTL电平不兼容,因此要完成PC机与单片机的数据通信，必须进行电平转换。本系统中采用MAXIM公司生产的集成器件MAX232来完成两种电平的相互转换。其硬件电路如图5.7所示。图5.7通信系统的电平转换5.4.5特征值检波模块特征值检波模块是钢丝绳断丝损伤检测系统的关键部分，特征值能否被准确地采集直接关系着检测的成败以及检测结果的准确度。为了准确实时地检测到损伤信号的峰值、阈值波宽以及波形下面积，我们设计了特征值检波电路。本文选用图5.8所示电路作为峰值采样电路。所示峰值采样电路是基于AT89C52单片机的智能系统，试验表明，其适合于脉冲频率较低的条件（40～400HZ），工作的复杂工作环境，能够实时地对峰值信号进行采样。图5.8峰值采样电路5.5数据采集系统软件设计5.5.1系统工作原理钢丝绳断丝损伤检测系统必须能够实时检测，即能够实时获得钢丝绳损伤的位置、采集到损伤的特征量等信息，并将这些特征量信息上传至计算机进行定量处理。这些都是在硬件确定之后由软件实现的。本系统可以测量的钢丝绳的总长度设定为式（5-2），方便各进制数的转换：（5-2）串行通信程序在主程序中作为检测到外存中的损伤标志位，随着启动完成一次数据上传。在上传过程中把指令信息在一一送到接收指令的部门，并等