基于弱磁检测技术在矿用钢丝绳的检测上的设计-吕茂超

1引言钢丝绳作为运输、提升及承载设备中的重要构件，被广泛用于冶金、运输、建筑及旅游等行业。在钢丝绳使用过程中，其损伤程度及承载能力直接关系到设备及人身安全[1]。而我国《煤矿安全规程》对此也有明确规定，需要每天对钢丝绳进行探伤检查。但目前人工目测、手摸检查钢丝绳缺陷，只能发现暴露在钢丝绳外部的缺陷，而定期强制更换钢丝绳的办法，又会使大量未到使用寿命期限的钢丝绳提前报废，造成大量资源的浪费，这严重影响我国构建社会主义和谐社会的进程，所以，采用先进的科学仪器以及检测技术无疑对我国的煤矿事业产生巨大的推动作用。在这个时候无损弱磁检测技术应运而生。它不但克服了强磁检测弊端，同时，大大的提高了矿用钢丝绳检测的精确性。这种技术能够准确地定性、定量、定位判定钢丝绳内外部各种类型的损伤程度。2弱磁检测技术简介弱磁检测是无损检测的一种新的检测方法，它在不破坏钢丝绳结构的情况下，应用一定的检测方法对钢丝绳的机械性能、内部结构、工作状态进行检测，并依据结果和准则对钢丝的技术状态做出准确的评估。它是无损检测中一门较新技术，它克服了强磁检测方法中磁灵敏度较低、温漂大，制成的传感器电路结构复杂且不可靠，运算过程中存在系统误差、容易受检测速度影响等缺点[2]，成功地突破了现有钢丝绳检测瓶颈即：量化检测难题。3弱磁检测原理弱磁检测技术是以“磁场空间矢量合成”为原理，采用弱磁加载技术对钢丝绳给定“剩磁载荷”，检测时依据钢丝绳内外部空间磁矢量和磁能势分布变化，以附加弱磁与钢丝绳剩磁间的场能置换方式。理论上通过研究损伤场强和各项磁场矢量变量其和差关系，建立其与钢丝绳损伤面积之间的数学模型，通过监测围绕钢丝绳出现的主漏磁场、局部漏磁场以确定钢丝绳内部和表面缺陷[3]。通过磁化器的磁化，钢丝绳出现主漏磁场和局部漏磁场，主要包括内外断丝造成的局部漏磁场、内外磨损造成的漏磁场、内外锈蚀所产生的局部漏磁场及断面变小、钢丝焊点等所产生的其他漏磁场等。此外，外界环境产生的磁场也在一定程度上影响着钢丝绳的磁场。传感器线圈捕捉到的磁感应强度Bs则是钢丝绳外该点各种磁感应强度矢量沿轴向分量的矢量和[4]，即Bs=∑i=1nBi式中，Bs为传感线圈捕捉到的磁感应强度，Bi为任何缺陷磁感应强度。通过实验表明：传感线圈的输出信号U是Bs函数，缺陷当量又是ΔS又是U的函数，可写成U=F()Bs，ΔS=F()U式中，U为传感线圈输出的电压信号。所以可得ΔS=A∑i=1nBi+C式中，ΔS为缺陷当量或损耗面积的百分比数，A为比例系数（由实验所得），C为常数。这样，钢丝绳损伤点的面积损耗值ΔS就变成了场强Bi的函数。4检测系统结构整个系统结构由三部分组成：检测系统，处理系统（主机系统），终端控制系统。整个结构如图1所示。图1检测系统结构图4.1包括探伤传感器、磁化装置和位置编码器,这是传感器线圈捕捉到的磁感应强度BS的主要部分,损伤信号的提取分两步完【第一作者】吕茂超（1985－），男，工程师，研究方向：仪器检测与研发。基于弱磁检测技术在矿用钢丝绳的检测上的设计吕茂超（江苏省淮安市计量测试所，江苏淮安223001）【摘要】介绍一种基于弱磁探测损伤的设计方案，重点介绍弱磁检测技术、检测原理以及整个检测装置的简单的设计。该设计方案对利用弱磁技术检测矿用钢丝绳的损伤有一定的参考意义。【关键词】无损检测；弱磁技术；钢丝绳【中图分类号】TG115【文献识别码】A【文章编号】2095-3518201703-105-022017年3月第3期（总第220期）轻工科技LIGHTINDUSTRYSCIENCEANDTECHNOLOGY检测与分析105成：即磁化和检测。图2为磁化和检测图。通过磁化装置，让钢丝绳处于待检测状态。第二步检测是通过探伤传感器完成对被测钢丝绳全程状态的提取，并输出原始信号。步骤一步骤二图2磁化和检测位置编码器传出的信号通过位置测量电路将信号由串口连接终端控制系统的PC，对损伤位置进行分析，得出准确的伤点位置。即：实现检测获得的信息从主机到终端控制系统的加工。4.2包括“数据采集处理系统”和预警系统。整个系统由放大器、滤波器、A/D转换器、ARM处理器、显示器以及报警器等组成。下图是原始信号进行预处理过程。本设计采用的弱磁检测技术，应用一种特殊检测元件进行检测。为达到A/D转换器的转换的要求,需要设计一种号放大电路，对原始数据进行处理。图3为“数据采集处理系统”对原始数据处理框图。放大器滤波器处理后信号A/D转化器原始信号图3“数据采集处理系统”原始数据处理框图在数据采集处理系统中，放大器先放大从检测系统的原始信号通过滤波器，滤去对缺陷无关的噪声及干扰信号,再经A/D转换变成数字量,完成数模和信息制式的转换。接着将采样后的数字信号经ARM处理后实现对原始数据的初步处理和信息存储。通过IO端口将钢丝绳损伤信号传输到主控中心——终端控制系统。预警系统由显示器、报警器等软硬件组成。LCD显示器使仪器系统具有良好的人机交互界面，并且在外部信号检测的同时实时地显示波形和钢丝绳的报废情况等。报警电路是采用普通的发光二极管（LED）和一个功放驱动蜂鸣器，其作用是告诉用户钢丝绳处于损伤状态。当损伤达到规定的安全警戒位的时候为安全情况，一旦损伤超过钢丝绳的报废标准，即引起用户的注意—报警。4.3终端控制系统是本系统监测的神经网络，它由中央处理处理组件、系统软硬件、网络通讯系统、显示终端等组成。它提供了良好的用户开放界面和简洁的工程实现方式。按照其功能可分为以下几个功能模块：人机交互界面、通讯功能、数据库功能、趋势曲线功能、报表功能、网络功能，WEB功能等一系列安全限制措施。图4终端控制系统模拟图图4为终端控制系统的操作流程，终端控制系统接收到信号，进行全面综合分析，为用户提出各种数据处理结果及损伤变化趋势，用户也可以随时检索查询当前或过去某段时间的损伤状态、量值、伤点位置、类型，通过显示终端打印检测报告等，并采用多信道同步收发分级实现信息步进互换同步完成信息的备份。终端控制系统不仅实现对整个系统的监控，同时实现对整个环节自动诊断、协调调度和终止启动，最终实现内外部公共联通共享。5结论本文研究的钢丝绳检测技术是对目前钢丝绳检测一种改进，它解决了强磁检测技术没有解决的量化检测问题，实现了钢丝绳无损检测的目标。具有在线检测、现场发现问题、可靠性高、操作简单等特点。但在研究中也发现了新的问题：（1）无法准确定量检测钢丝绳的各种损伤；（2）传感器技术存在重大缺陷，灵敏度低、检测通过能力弱，检测结果稳定性差；（3）用实验室模拟损伤代表使用现场的实际损伤不适用现场检测的实际情况等缺点。这些缺陷的存在，很大程度上制约无损检测的发展，需要大家共同研究解决。[1]高红兵,谈兵,卢文祥,等.细丝小直径钢丝绳断丝形式与断丝信号特征[J].华中理工大学学报,1993,21(1):159-160.[2]张步勤,冀庆亚,赵焕章.峰峰集团钢丝绳安全管理创新[J].煤矿安全,2006,6(7):70-72.[3]肖汉斌,周永华,陶德馨.基于钢丝绳弱磁在线检测技术的研究[J].起重运输机械,2009,3:80.[4]陶德馨,艾丽斯佳.基于弱磁探伤的钢丝绳无损检测技术[J].中国工程机械学报,2009,7(1):97.106