CN106290553B - 一种新型检测钢丝绳缺陷的电磁传感器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明具体公开了一种新型检测钢丝绳缺陷的电磁传感器系统，包括传感器外壳、永久磁铁、检测电路板和检测电路板支架，所述的传感器外壳采用剖分式结构，底部设有通孔，内部设有检测电路板支架安装凹槽，所述的检测电路板采用上下对称的半圆结构，所述的永久磁铁采用同轴同心排列嵌在传感器外壳的两端，所述的检测电路板支架上边设有螺纹孔。本发明的有益效果是：将电磁传感技术应用到钢丝绳缺陷检测中，实现了钢丝绳缺陷的实时处理和自动化无损检测，并且能够同时测量出多种缺陷情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测装置，具体来说是一种检测钢丝绳内部外部缺陷的电磁传感器系统，尤其能够实现一种传感器多种缺陷测量。
背景技术
国际一般把钢丝绳缺陷归结为两大类：金属截面积损失(Loss of metal cross-sectional area，简称LMA)型缺陷和局部(Local flaw，简称LF)型缺陷。LF型缺陷反映了钢丝绳局部诸如断丝之类的损伤情况，LMA型缺陷反映了钢丝绳较长距离诸如长距离磨损、腐蚀之类的损伤情况。但是目前国内用于检测钢丝绳的仪器大多只能检测其中的一个缺陷类型，并且检测精度不高。有的仪器对检测信号的处理不到位，容易出现干扰信号从而影响我们对缺陷的误判；而传统的人工目测检测法又容易受到个人主观因素的影响，误检率高；国内外用于钢丝绳检测的仪器精度参差不齐，大部分的仪器都不能对钢丝绳中的缺陷进行有效的检测，误检漏检情况时有发生。由于钢丝绳的缺陷引发的事故频繁出现，因此对钢丝绳缺陷有效的检测方法已经成为钢丝绳安全使用中一个迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是改变传统检测方法，充分利用电磁传感器原理结构简单、非接触式、检测信号容易处理、无损检测的优点，把电磁传感技术更好的应用至钢丝绳缺陷检测领域，提供出一种检测准确，稳定高效的钢丝绳缺陷在线检测系统。
本发明采用的技术方案如下：
一种检测钢丝绳缺陷的新型电磁传感器系统，包括传感器外壳，所述的传感器外壳包括上、下对称设置的上壳体和下壳体，所述的上壳体和下壳体之间形成了供待测钢丝绳穿过的间隙；沿着待测钢丝绳穿过的方向，在上、下壳体的两端上、下对称的设有为壳体内部提供磁场且用来磁化待测钢丝绳的磁性装置，且在所述的磁场内设有检测钢丝绳LF型缺陷的霍尔元件和检测钢丝绳LMA型缺陷的感应线圈，所述的霍尔元件与检测电路板相连，所述的检测电路板、感应线圈均与数据处理装置相连。
进一步的，所述的磁性装置采用同轴同心的方式镶嵌在传感器外壳的两端。
进一步的，所述的霍尔元件设有两组，其中一组与检测电路板I相连，另外一组与检测电路板II相连，检测电路板I、II相对于与待测钢丝绳轴线方向垂直的轴线对称设置，且每组霍尔元件沿待测钢丝绳的周向方向环绕。
进一步的，所述的检测电路板I、II各自采用上、下对称的半圆结构，且通过支架固定在传感器外壳内。
进一步的，所述的传感器外壳内部设有双排凹槽，所述的支架嵌在传感器外壳的凹槽中。
进一步的，所述的感应线圈套装在待测钢丝绳的外圈，且位于检测电路板I、检测电路板II之间。
进一步的，所述的感应线圈为由漆包线绕制而成的可剖分式线圈。
进一步的，所述的感应线圈与检测电路板III相连，所述的检测电路板III与数据处理装置相连。
进一步的，所述的数据处理装置与一个显示装置相连。
进一步的，所述的磁性装置采用永久磁铁。
本发明中采用一种传感器两种检测元件来实现对两种缺陷的分别检测，检测结果由后续数据处理装置来进行判别分析，大大提高了检测的精度。传感器外壳和永久磁铁能够在钢丝绳中形成稳定的磁回路，缺陷形成的漏磁场和磁通量变化被霍尔元件和感应线圈检测后形成模拟电压值，然后由检测电路板进行系统调零、积分处理、差动处理、放大、A/D转换等初步处理后发送给数据处理装置进一步处理。
由于钢丝绳是一种强导磁体，其导磁率为空气导磁率的100倍以上，故当钢丝绳被永久磁铁和传感器外壳组成的磁回路磁化至饱和时若钢丝绳有缺陷，其缺陷位置的磁导率会降低，从而造成磁阻的增加，在缺陷位置就会产生泄露到钢丝绳表面外的磁场，这个磁场就是用来被检测元件检测的漏磁场。根据软件仿真和实验分析可知：在LF型缺陷中，漏磁场的大小和缺陷的大小和长度都有关系，缺陷变大或者缺陷长度变长，都会使漏磁场密度和漏磁场峰值变大；对于LMA型缺陷，钢丝绳截面积损伤量越大、损伤距离越长，都会使穿过钢丝绳内部的磁通量变小。因此可以根据检测元件检测到的信号来判断钢丝绳的缺陷情况。
其中霍尔元件是一种由矩阵半导体薄片材料构成且基于霍尔效应原理工作的检测元件，当对霍尔元件通电时有外加磁场通过其垂直方向，该元件会产生霍尔电势，该电势与电流、磁场强度成正比。在磁场中，其输出的霍尔电压为
式中Kh为霍尔常数；Ic为输入的控制电流；B为磁场的磁感应程度；为磁感应强度的方向和霍尔元件工作面之间的夹角。我们把霍尔元件垂直钢丝绳表面放置，可以消除/>对霍尔电压的影响。由公式可得，当采用一定的控制电流时，霍尔电压和磁感应强度成正比。因此当我们采用霍尔元件对漏磁场进行检测时，可以根据霍尔电压的大小判断漏磁场的大小进而判定钢丝绳的缺陷情况。
在感应线圈相对于钢丝绳移动时，若钢丝绳的内部磁通量发生变化，则会在感应线圈中有感应电动势的产生其大小为
ec＝-ndΦ/dt＝-n(dΦ/ds)(ds/dt)＝-n(dΦ/ds)v
式中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移动量的变化率，v为钢丝绳相对于感应线圈的速度。由公式可以得出，当感应线圈的匝数和运行速度一定时，感应线圈产生的电动势只与钢丝绳内磁通量的变化情况有关。因此当钢丝绳内因损伤而产生内部磁通量变化时，可以使用感应线圈来实现对钢丝绳LMA型缺陷的检测。在对较长距离的LMA型缺陷进行检测时，由于缺陷变化缓慢的特性导致感应线圈检测到的电压信号通常为mV级，幅值较小、持续时间短，而且该信号和磁通对于时间的微分dΦ/ds有关，因此采用积分法处理检测信号可使得信号更具有直观性。
本发明的有益效果是：
该传感器是通过对钢丝绳的漏磁场的检测来判断缺陷存在及其损伤程度的，具体化为使用霍尔元件来检测钢丝绳的漏磁通和使用感应线圈来检测钢丝绳的主磁通来判断钢丝绳的LF型缺陷和LMA型缺陷的损伤情况，从而实现钢丝绳内外部缺陷的量化，通过对检测信号的分析可得到钢丝绳的损伤程度和损伤位置。
传感器可使钢丝绳磁化至饱和状态，具体是使用永久磁铁、传感器外壳和通过的钢丝绳组成一个完整的磁回路，使钢丝绳磁化完全。传感器外壳、感应线圈和检测电路板均采用剖分式结构，该结构方便拆卸及对传感器进行调整，消除了现场绕制感应线圈的麻烦，便于实现对钢丝绳的在线检测。
在对钢丝绳的缺陷测量过程中，不同检测元件检测不同类型的缺陷这种方式比较容易实现对缺陷的精确测量，霍尔元件检测范围有限，故采用把霍尔元件周向布置的方式以便实现对钢丝绳周向范围的全覆盖。为了滤除检测环境中的干扰信号对检测结果的影响，该发明采用了把霍尔元件双排布置差动处理的方法，首先将单排霍尔元件检测的信号经过加法电路叠加到一起，然后将叠加到一起的两路信号差动处理，通过这种方法可以消除干扰信号对检测信号的影响，便于增大信噪比以提取缺陷信息。感应线圈对磁场的变化不太敏感，所以对感应线圈检测到的LMA信号进行积分处理，使得检测信号更为直观的反映缺陷情况。
将电磁检测技术应用到钢丝绳缺陷检测中，实现了钢丝绳损伤信号的实时处理和自动化无损检测，并且能够同时测量多种缺陷参数。
附图说明
图1是电磁传感器检测钢丝绳缺陷的系统框图；
图2是模拟信号处理电路框图；
图3是检测电路板与霍尔元件位置示意图；
图4是传感器结构图；
其中1.待测钢丝绳，2.霍尔元件，3.检测电路板，4.感应线圈，5数据处理装置，6.显示装置，7.霍尔元件检测信号，8.感应线圈检测信号，9.调零放大模块，10.加法放大模块，11.差动放大模块，12.积分模块，13.A/D转换模块，14.永久磁铁，15.传感器外壳,16.检测电路板支架，17.导线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
以往的传感器都是采用一种元件来对缺陷进行检测，其中使用霍尔元件对LMA型信号进行检测时有检测信号弱，容易受到干扰信号的影响使得检测效果不明显；而感应线圈不敏感，故使用感应线圈对LF型缺陷进行检测时，有检测信号时间过短，微小缺陷无法识别，检测精度不高的缺点。为了克服这些缺点，本系统采用了使用两种检测元件分别实现对两种缺陷的检测，通过后续电路对检测信号进行分析筛选，从而得出不同类型缺陷的损伤情况。
本发明中检测钢丝绳缺陷的新型电磁传感器系统，包括传感器外壳15，传感器外壳15包括上、下对称设置的上壳体和下壳体，上壳体和下壳体之间形成了供待测钢丝绳1穿过的间隙；沿着钢丝绳穿过的方向，在上、下壳体的两端上、下对称的设有为壳体内部提供磁场且用来磁化待测钢丝绳的磁性装置，且在所述的磁场内设有检测钢丝绳LF型缺陷的霍尔元件2和检测钢丝绳LMA型缺陷的感应线圈4，所述的霍尔元件和感应线圈均与检测电路板相连，所述的检测电路板与数据处理装置相连。
具体的如图1、图2、图3、图4所示，本发明包括8个霍尔元件2，检测电路板3，感应线圈4，数据处理装置5，显示装置6，永久磁铁14，传感器外壳15；
四个霍尔元件为一组，放置在上下对称的检测电路板3上，检测电路板3包括两块半圆结构，两块半圆结构放置在一起后，使得钢丝绳正好从其中间穿过，检测电路板3通过螺钉固定在检测电路板支架16上并通过导线17和数据处理装置5相连接；
四个霍尔元件环绕在待测钢丝绳的周向方向；
感应线圈4与检测电路板III相连，检测电路板III与数据处理装置相连；在图中省略了检测电路板III，将感应线圈4和数据处理装置5通过导线17相连；感应线圈3采用剖分式结构，检测时可以直接扣在钢丝绳周围。
永久磁铁14在传感器外壳15两侧对应放置。检测电路板的底部圆和感应线圈大小根据待测钢丝绳的直径来选择。
进一步的，所述的磁性装置采用同轴同心的方式镶嵌在传感器外壳的两端。
进一步的，传感器外壳15内部设有双排凹槽，检测电路板支架16嵌在传感器外壳的凹槽中。
进一步的，感应线圈4套装在待测钢丝绳的外圈，且位于两个检测电路板3之间。
进一步的，感应线圈4为由漆包线绕制而成的可剖分式线圈。
进一步的，数据处理装置5与一个显示装置6相连，显示装置6对钢丝绳的缺陷类型进行显示。
如图2所示，多路霍尔元件检测信号7发送给调零放大模块9，调零放大模块9再发送给加法放大模块10，加法放大模块10再将处理后的信号发送给差动放大模块11,差分放大模块将处理后的信号发送给A/D转换模块13，A/D转换模块13与数据处理装置5相连。
感应线圈检测信号8直接与积分模块12相连，积分模块12与数据处理装置5相连。
进一步的，调零放大模块9，加法放大模块10，差动放大模块11，积分模块12，A/D转换模块13，这些模块都是现有的模块，在此处不进行赘述了。
进一步的，数据处理装置5为一个PC机或者单片机等具有数据处理功能的装置。
本发明中采用一种传感器两种检测元件来实现对两种缺陷的分别检测，检测结果由后续数据处理装置来进行判别分析，大大提高了检测的精度。传感器外壳和永久磁铁能够在钢丝绳中形成稳定的磁回路，缺陷形成的漏磁场和磁通量变化被霍尔元件和感应线圈检测后形成模拟电压值，然后由检测电路板进行系统调零、积分处理、差动处理、放大、A/D转换采集数据发送给数据处理装置处理。
由于钢丝绳是一种强导磁体，其导磁率为空气导磁率的100倍以上，故当钢丝绳被永久磁铁和传感器外壳组成的磁回路磁化至饱和时若钢丝绳有缺陷，其缺陷位置的磁导率会降低，从而造成磁阻的增加，在缺陷位置就会产生泄露到钢丝绳表面外的磁场，这个磁场就是用来被检测元件检测的漏磁场。根据软件仿真和实验分析可知：在LF型缺陷中，漏磁场的大小和缺陷的大小和长度都有关系，缺陷变大或者缺陷长度变长，都会使漏磁场密度和漏磁场峰值变大；对于LMA型缺陷，钢丝绳截面积损伤量越大、损伤距离越长，都会使穿过钢丝绳内部的磁通量变小。因此可以根据检测元件检测到的信号来判断钢丝绳的缺陷情况。
其中霍尔元件是一种由矩阵半导体薄片材料构成且基于霍尔效应原理工作的检测元件，当对霍尔元件通电时有外加磁场通过其垂直方向，该元件会产生霍尔电势，该电势与电流、磁场强度成正比。在磁场中，其输出的霍尔电压为
式中Kh为霍尔常数；Ic为输入的控制电流；B为磁场的磁感应程度；为磁感应强度的方向和霍尔元件工作面之间的夹角。我们把霍尔元件垂直钢丝绳表面放置，可以消除/>对霍尔电压的影响。由公式可得，当采用一定的控制电流时，霍尔电压和磁感应强度成正比。因此当我们采用霍尔元件对漏磁场进行检测时，可以根据霍尔电压的大小判断漏磁场的大小进而判定钢丝绳的缺陷情况。
在感应线圈相对于钢丝绳移动时，若钢丝绳的内部磁通量发生变化，则会在感应线圈中有感应电动势的产生其大小为
ec＝-ndΦ/dt＝-n(dΦ/ds)(ds/dt)＝-n(dΦ/ds)v
式中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移动量的变化率，v为钢丝绳相对于感应线圈的速度。由公式可以得出，当感应线圈的匝数和运行速度一定时，感应线圈产生的电动势只与钢丝绳内磁通量的变化情况有关。因此当钢丝绳内因损伤而产生内部磁通量变化时，可以使用感应线圈来实现对钢丝绳LMA型缺陷的检测。在对较长距离的LMA型缺陷进行检测时，由于缺陷变化缓慢的特性导致感应线圈检测到的电压信号通常为mV级，幅值较小、持续时间短，而且该信号和磁通对于时间的微分dΦ/ds有关，因此采用积分法处理检测信号可使得信号更具有直观性。
工作时，由传感器外壳和永久磁铁来将钢丝绳磁化至饱和，使钢丝绳穿过检测电路板和感应线圈，若钢丝绳中有缺陷，则在钢丝绳表面上会有漏磁场的产生，当钢丝绳穿过检测电路板和感应线圈时，漏磁场会被感应线圈和放置在检测电路板上的霍尔元件检测到，相应的在这两种检测元件上会有电压信号产生，产生的电压信号和钢丝绳的缺陷情况有关。霍尔元件产生的电压信号经过加法放大、差动放大消除干扰信号后进行A/D转换，感应线圈产生的电压信号先经过积分处理，然后进行放大和A/D转换，再对接收到的数字信号进行处理，由PC机进行信号提取，通过与标准值的对比分析得到钢丝绳内外部缺陷情况。
Claims (8)
1.一种新型检测钢丝绳缺陷的电磁传感器系统，其特征在于：包括传感器外壳，所述的传感器外壳包括上、下对称设置的上壳体和下壳体，所述的上壳体和下壳体之间形成了供待测钢丝绳穿过的间隙；沿着待测钢丝绳穿过的方向，在上、下壳体的两端上、下对称的设有为壳体内部提供磁场且用来磁化待测钢丝绳的磁性装置，且在所述的磁场内设有检测钢丝绳LF型缺陷的霍尔元件和检测钢丝绳LMA型缺陷的感应线圈，霍尔元件周向布置的方式以便实现对钢丝绳周向范围的全覆盖并将霍尔元件双排布置差动处理，首先将单排霍尔元件检测的信号经过加法电路叠加到一起，然后将叠加到一起的两路信号差动处理；
对感应线圈检测到的LMA信号进行积分处理，所述的霍尔元件和感应线圈均与检测电路板相连，所述的检测电路板与数据处理装置相连；
所述的磁性装置采用同轴同心的方式镶嵌在传感器外壳的两端；
所述的霍尔元件设有两组，其中一组与检测电路板I相连，另外一组与检测电路板II相连，检测电路板I、II相对于与待测钢丝绳轴线方向垂直的轴线对称设置，且每组霍尔元件沿待测钢丝绳的周向方向环绕；
工作时，由传感器外壳和永久磁铁来将钢丝绳磁化至饱和，使钢丝绳穿过检测电路板和感应线圈，若钢丝绳中有缺陷，则在钢丝绳表面上会有漏磁场的产生，当钢丝绳穿过检测电路板和感应线圈时，漏磁场会被感应线圈和放置在检测电路板上的霍尔元件检测到，相应的在这两种检测元件上会有电压信号产生，产生的电压信号和钢丝绳的缺陷情况有关；霍尔元件产生的电压信号经过加法放大、差动放大消除干扰信号后进行A/D转换，感应线圈产生的电压信号先经过积分处理，然后进行放大和A/D转换，再对接收到的数字信号进行处理，由PC机进行信号提取，通过与标准值的对比分析得到钢丝绳内外部缺陷情况。
2.如权利要求1所述的一种新型检测钢丝绳缺陷的电磁传感器系统，其特征在于：所述的检测电路板I、II各自采用上、下对称的半圆结构，且通过支架固定在传感器外壳内。
3.如权利要求2所述的一种新型检测钢丝绳缺陷的电磁传感器系统，其特征在于：所述的传感器外壳内部设有双排凹槽，所述的支架嵌在传感器外壳的凹槽中。
4.如权利要求1所述的一种新型检测钢丝绳缺陷的电磁传感器系统，其特征在于：所述的感应线圈套装在待测钢丝绳的外圈，且位于检测电路板I、检测电路板II之间。
5.如权利要求1所述的一种新型检测钢丝绳缺陷的电磁传感器系统，其特征在于：所述的感应线圈为由漆包线绕制而成的可剖分式线圈。
6.如权利要求1所述的一种新型检测钢丝绳缺陷的电磁传感器系统，其特征在于：所述的感应线圈与检测电路板III相连，所述的检测电路板III与数据处理装置相连。
7.如权利要求1所述的一种新型检测钢丝绳缺陷的电磁传感器系统，其特征在于：所述的数据处理装置与一个显示装置相连。
8.如权利要求1所述的一种新型检测钢丝绳缺陷的电磁传感器系统，其特征在于：所述的磁性装置采用永久磁铁。
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