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CN208833707U - 一种检测钢丝绳损伤的无损检测装置 - Google Patents

一种检测钢丝绳损伤的无损检测装置 Download PDF

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CN208833707U CN201821540838.XU CN201821540838U CN208833707U CN 208833707 U CN208833707 U CN 208833707U CN 201821540838 U CN201821540838 U CN 201821540838U CN 208833707 U CN208833707 U CN 208833707U
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郑阔海
李俊勇
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MultiDimension Technology Co Ltd
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Abstract

本实用新型公开了一种检测钢丝绳损伤的无损检测装置，包括：衬套通过限位槽对下壳体和上壳体进行限位，下壳体和上壳体通过开合结构连接，气囊包覆在衬套上，PCB电路板固定在上壳体或者下壳体上，PCB电路板通过电连接器与导向轮连接；磁电阻传感器阵列设置在气囊内并沿着衬套的周向均匀设置，钢丝绳穿过磁电阻传感器阵列，钢丝绳移动带动导向轮转动并触发采集指令；导向轮设置位置编码器，位置编码器用于计算钢丝绳移动的相对位置；PCB电路板通过外设接口与单片机相连，单片机用于计算N个相邻的磁电阻传感器的差分信号，并判断钢丝绳是否存在损伤。本实用新型提高了对钢丝绳断丝、绳径变细和深层损伤的检测能力。

Description

一种检测钢丝绳损伤的无损检测装置
技术领域
本实用新型涉及电磁无损检测领域，尤其涉及一种检测钢丝绳损伤的无损检测装置。
背景技术
钢丝绳的无损检测是用于检查公共交通设施(钢缆索道，货车道，升降椅，滑雪缆车等)或物料(货物升降机，起重机，铲车等)的钢丝绳状态的程序。定期进行无损检测旨在防止钢丝绳变质，这可能是由许多因素造成的：由于疲劳或异常刮擦导致钢丝绳断裂，腐蚀，由于制造或组装缺陷造成的张力异常分布等。
钢丝绳因高动载、过载承受能力，主要用于各种起重运输设备、机械传动装置、船舶牵引机构、架桥机械以及其它需要牵引、吊装和张拉固定等作业的场合。电磁无损检测是当前钢丝绳损伤检测最为常用的方法，通过励磁单元(永磁体励磁或电涡流励磁)对钢丝进行磁激励，利用磁传感器检测钢丝绳损伤部位的漏磁场来评价钢丝绳的损伤状态。该检测方法的弊端在于：要实现钢丝绳内部损伤检测，需要增强励磁场以增加漏磁场强度，这需要增大磁传感器的动态范围以防止磁饱和，但却降低了磁传感器的磁场灵敏度，从而降低了检测效果；另一种方法是提高磁传感器的灵敏度，采用较低的励磁场进行激励，但所采用的磁传感器空间分辨率不够，检测结果的可重复性差；同时两种检测方法均采用检测数据与基准信号相比对来判断损伤，检测过程中需要标准试块，或者选取被检测钢丝绳相对完整的部位作为基准。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型提出了一种检测钢丝绳损伤的无损检测装置。本实用新型利用钢丝绳使用过程中形成的磁记忆进行实时检测，无需励磁结构，无需基准，操作方便。
本实用新型是根据以下的技术方案实现的：
一种检测钢丝绳损伤的无损检测装置，包括：下壳体、衬套、上壳体、电连接器、气囊、PCB电路板和导向轮，其中，
衬套通过限位槽对下壳体和上壳体进行限位，下壳体和上壳体通过开合结构连接，气囊包覆在衬套上，PCB电路板固定在上壳体或者下壳体上，PCB电路板通过电连接器与导向轮连接；
N个磁电阻传感器构成的磁电阻传感器阵列设置在气囊内并沿着所述衬套的周向均匀设置，钢丝绳穿过磁电阻传感器阵列，钢丝绳移动带动导向轮转动并触发采集指令；
所述导向轮设置位置编码器，所述位置编码器用于计算钢丝绳移动的相对位置；
所述PCB电路板通过外设接口与单片机相连，所述单片机用于计算N个相邻的磁电阻传感器的差分信号，并判断钢丝绳是否存在损伤。
进一步的，开合结构包括：搭扣和合页；
下壳体和上壳体的第一连接部位通过搭扣连接，下壳体和上壳体的第二连接部位通过合页连接；
搭扣和合页分别由沉头螺钉固定在下壳体和上壳体上。
进一步的，PCB电路板由盘头螺钉通过金属化通孔固定在上壳体或者下壳体上；
PCB电路板通过双绞电缆连接至电连接器上，导向轮通过双绞屏蔽电缆与电连接器连接，双绞屏蔽电缆的屏蔽层通过电连接器的引脚与上壳体连接。
优选地，还包括至少两组簧片，每组簧片沿衬套内表面周向均匀分布，簧片的一端焊接在衬套内表面，簧片的另一端嵌入在衬套内表面开设的凹槽内。
优选地，每组簧片包含至少2个簧片，每组簧片之间沿衬套内表面轴向的间距相同。
优选地，衬套设置有多个定位柱，气囊设置有对应于定位柱的定位孔，定位柱插入定位孔。
优选地，PCB电路板集成多路复用器，通过多路复用器用于将磁电阻传感器阵列所采集到的信息按照预设顺序输出。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益技术效果：
1.本实用新型利用钢丝绳磁记忆特性，简化了励磁结构，本实用新型可提高检测装置的微小型化和便携性，更易推广；利用地球天然磁场对钢丝绳磁化的记忆效应，采用磁电阻传感器作为磁敏感单元，测量钢丝绳周围磁场梯度信息，无需励磁，具有结构简单、操作方便，缺陷分辨率高，数据易判读，可根据钢丝绳尺寸布局传感器。
2.在传统的检测方案中，磁传感器检测数据描述环钢丝绳周向磁场分布情况，小的损伤信号叠加在大的背景信号上，需基准试样(参考数据)进行比对，方可进行数据判读；而本实用新型的检测方法直接检测钢丝绳损伤引起的空间磁场梯度变化，无需参考数据或无需额外的比对传感器，实现钢丝绳损伤的描述，检测结果更直接，数据更具易判性。
3.本实用新型通过磁电阻传感器组成磁电阻传感器阵列的探头，在保证检测灵敏度的同时，损伤检测的空间分辨率达近微米量级，提高了对断丝、绳径变细和深层损伤的检测能力。
4.本实用新型的磁电阻传感器阵列具有可裁剪性，满足不同尺寸钢丝绳以及其他铁磁性材料损伤的检测需求。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1a为本实用新型的半桥结构的磁电阻传感器的示意图；
图1b为本实用新型的全桥结构的磁电阻传感器的示意图；
图1c为本实用新型的单磁阻结构的磁电阻传感器的示意图；
图2为本实用新型的检测钢丝绳损伤的磁电阻传感器阵列的结构示意图；
图3为本实用新型的检测钢丝绳损伤的无损检测原理示意图；
图4为本实用新型的检测钢丝绳损伤的无损检测装置侧视图；
图5为本实用新型的检测钢丝绳损伤的无损检测装置剖视图；
图6为本实用新型的检测钢丝绳损伤的无损检测装置前后视图；
图7为本实用新型的检测钢丝绳损伤的无损检测装置信号处理电路框图；
图8为本实用新型的检测钢丝绳损伤的无损检测装置信号处理的波形图。
其中，附图标记：1-下壳体，2-搭扣，3-衬套，4-上壳体，5-电连接器，6-簧片，7-合页，8-沉头螺钉，9-气囊，10-PCB电路板，11-盘头螺钉，12-定位柱，13-定位孔，14-限位槽，15-待测钢丝绳，16-导向轮，17-磁电阻传感器。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
本实用新型的检测钢丝绳损伤的磁梯度场常用的三种基本检测单元为半桥结构的磁电阻传感器、全桥结构的磁电阻传感器和单磁阻结构的磁电阻传感器。图1a为本实用新型的半桥结构的磁电阻传感器的示意图，图1b为本实用新型的全桥结构的磁电阻传感器的示意图，图1c为本实用新型的单磁阻结构的磁电阻传感器的示意图。如图1a-1c所示，设三种结构中，单个磁阻阻值为R，磁阻变化值为ΔR:
如图1a中所示，半桥结构的磁电阻传感器由第一磁阻Ra和第二磁阻Rb构成，其中，第一磁阻Ra的阻值为Ra1，第二磁阻Rb的阻值为Rb1，假设Ra1＝Rb1＝R，半桥结构的磁电阻传感器的输出信号V1的计算公式为：
其中，Vcc为磁电阻传感器的输入信号。
如图1b中所示，全桥结构的磁电阻传感器由第三磁阻Rm、第四磁阻Rn、第五磁阻Rp和第刘磁阻Rq构成，其中，第三磁阻Rm的阻值为Rm1、第四磁阻Rn的阻值为Rn1、第五磁阻Rp的阻值为Rp1和第六磁阻Rq的阻值为Rq1，若Rm1＝Rn1＝Rp1＝Rq1＝R，全桥结构的磁电阻传感器的输出信号V2的计算公式为：
其中，V+为第三磁阻Rm和第四磁阻Rn连接端的信号值，V-为第五磁阻Rp和第六磁阻Rq连接端的信号值，Vcc为磁电阻传感器的输入信号。进一步的，V+和V-的计算公式分别为：
如图1c中所示，单磁阻结构的磁电阻传感器由第七磁阻Rd构成，其中，第七磁阻Rd的阻值为Rd1，若Rd1＝R，单磁阻结构的磁电阻传感器的输出信号V3的计算公式为：
V3＝(R+ΔR)Icc
其中，Icc为单磁阻结构的磁电阻传感器的输入电流。
图2为本实用新型的检测钢丝绳损伤的磁电阻传感器阵列的结构示意图，如图2所示，磁电阻传感器阵列由N个磁电阻传感器构成，每相邻两个磁电阻传感器成一个磁场梯度传感器。
当磁场均匀时，也即钢丝绳无损伤时，各路磁电阻传感器输出相一致，对于半桥结构的磁电阻传感器、全桥结构的磁电阻传感器和单磁阻结构的磁电阻传感器均有：
各路磁电阻传感器输出信号之差Vn为0，计算公式为：
Vn＝Voutn-Voutn+1＝0
其中，Voutn为第n个磁电阻传感器的输出信号，Voutn+1为第n+1个磁电阻传感器的输出信号。
当磁场不均匀时，即钢丝绳存在局部损伤时，钢丝绳的局部损伤引起损伤位置的磁场空间分布存在梯度，则各路磁电阻传感器的输出信号与距离损伤的位置相关。
对于以半桥结构的磁电阻传感器为基本单元构成的磁电阻传感器阵列，各路磁电阻传感器输出信号之差Vn1的计算公式为：
其中，ΔRn为第n路磁电阻传感器的磁阻变化值，ΔRn+1为第n+1路磁电阻传感器的磁阻变化值。
对于以全桥结构的磁电阻传感器为基本单元构成的磁电阻传感器阵列，各路磁电阻传感器输出信号之差Vn2的计算公式为：
其中，ΔRn为第n路磁电阻传感器的磁阻变化值，ΔRn+1为第n+1路磁电阻传感器的磁阻变化值。
对于以单磁阻结构的磁电阻传感器为基本单元构成的磁电阻传感器阵列，各路磁电阻传感器输出电压之差Vn3的计算公式为：
Vn3＝(ΔRn-ΔRn+1)Icc
其中，ΔRn为第n路磁电阻传感器的磁阻变化值，ΔRn+1为第n+1路磁电阻传感器的磁阻变化值。
图3为本实用新型的检测钢丝绳损伤的无损检测原理的示意图，如图3所示，将由N个磁电阻传感器组成的磁电阻传感器阵列沿钢丝绳周向环绕一周；磁电阻传感器阵列是由多个磁电阻传感器17排列而成。用于在钢丝绳的损伤检测时，磁电阻传感器阵列沿钢丝绳轴向移动，将每相邻两个磁电阻传感器的输出值求差分信号，共获得N路差分信号，N路差分信号反映了环钢丝绳周向磁场梯度的分布。
V1＝Vout1-Vout2
V2＝Vout2-Vout3
……
Vn＝Voutn-Vout1
其中，Vout1为第1路磁电阻传感器的输出值，Vout2为第2路磁电阻传感器的输出值，Vout3为第3路磁电阻传感器的输出值，Voutn为第n路磁电阻传感器的输出值。V1为第1路磁电阻传感器与第2路磁电阻传感器输出值的差分信号，V2为第2路磁电阻传感器与第3路磁电阻传感器输出值的差分信号，Vn为第1路磁电阻传感器与第n路磁电阻传感器输出值的差分信号。
当钢丝绳局部存在损伤时，环钢丝绳周向的空间磁场分布在损伤位置发生突变，也即损伤位置空间磁场存在梯度，通过磁电阻传感器阵列的相对位置和梯度场的大小可实现损伤位置的快速定位和损伤状态的评估。
图4为本实用新型的检测钢丝绳损伤的无损检测装置侧视图，图5为本实用新型的检测钢丝绳损伤的无损检测装置剖视图，图6为本实用新型的检测钢丝绳损伤的无损检测装置前后视图，结合图4-图6，本实用新型的一种检测钢丝绳损伤的无损检测装置，包括：下壳体1、衬套3、上壳体4、电连接器5、气囊9、PCB电路板10、导向轮16，其中，
衬套3通过限位槽对下壳体1和上壳体4进行限位，下壳体1和上壳体4通过开合结构连接，气囊9包覆在衬套3上，PCB电路板10固定在上壳体4或者下壳体1上，PCB电路板10通过电连接器5与导向轮16连接；
N个磁电阻传感器构成的磁电阻传感器阵列设置在气囊9内并沿着衬套3的周向均匀设置，钢丝绳15穿过磁电阻传感器阵列，钢丝绳15移动带动导向轮16转动并触发采集指令；导向轮16设置位置编码器，位置编码器用于计算钢丝绳移动的相对位置；PCB电路板10通过外设接口与单片机相连，单片机用于计算N个相邻的磁电阻传感器的差分信号，并判断钢丝绳15是否存在损伤。
在本实施例中，衬套3为圆柱状，下壳体1和上壳体4分别通过多颗沉头螺钉8固定在衬套3上。PCB电路板10通过外设接口与单片机相连，单片机计算相邻两个磁电阻传感器采集数据的差分信号，得到N个差分信号，若至少两个相邻的差分信号为窄脉冲，则确定钢丝绳15存在损伤。
进一步的，开合结构包括：搭扣2和合页7；下壳体1和上壳体4的第一连接部位通过搭扣2连接，下壳体1和上壳体4的第二连接部位通过合页7连接；搭扣2和合页7分别由沉头螺钉固定在下壳体1和上壳体4上。
上壳体4和下壳体1通过开合结构连接，打开上壳体4和下壳体1，装入钢丝绳15，关闭上壳体4和下壳体1，并通过搭扣2扣紧。
进一步的，PCB电路板10由盘头螺钉11通过金属化通孔固定在上壳体4或者下壳体1上；PCB电路板10通过双绞电缆连接至电连接器5上，导向轮16通过双绞屏蔽电缆与电连接器5连接，双绞屏蔽电缆的屏蔽层通过电连接器5的引脚与上壳体4连接。
本实用新型还包括至少两组簧片6，每组簧片6沿衬套3内表面周向均匀分布，簧片6的一端焊接在衬套3内表面，簧片的另一端嵌入在衬套3内表面开设的凹槽内。进一步的，开设凹槽的内表面与焊接簧片6的其中一端的内表面为同一内表面。其中，每组簧片包含至少2个簧片6，每组簧片6之间沿衬套3内表面轴向的间距相同。在本实用新型的具体实施例中，凹槽的位置，长度和深度可实际需要进行选择。将簧片6的另一端嵌入衬套3内表面开设的凹槽内是为了使簧片6可以存在一定程度的位移，可以使无损检测装置中的可以检测半径不同的钢丝绳，使无损检测装置的使用范围更加广泛。
本实用新型的具体实施例中，衬套3设置有多个定位柱，气囊9设置有对应于定位柱的定位孔，定位柱插入定位孔。
图7为本实用新型的检测钢丝绳损伤的无损检测装置信号处理电路框图，如图7所示，PCB电路板10集成多路复用器，多路复用器用于将磁电阻传感器阵列所采集到的信息按照预设顺序输出。本实用新型的多路复用器采用ADG726芯片。其中，ADG726芯片采用-2.5V与+2.5V双电源供电，可以作为32路单端通路与16路差分通路，可以通过的信号电压范围为-2.5V～+2.5V。32路电压衰减网络采用相应的误差范围在1％以内的精密电阻进行分压。多路复用器将采集到的信号传递给由运算放大器构成的信号调理电路，本实用新型的运算放大器采用AD620芯片,当信号调理电路完成信号的调理，再通过数据采集卡实施采集并由单片机处理和存储，本实用新型的数据采集卡采用NI PIXe-6368。
本实用新型的工作原理简要介绍如下：
打开检测钢丝绳损伤的无损检测装置，通过搭扣2固定在钢丝绳15上，导向轮16贴合钢丝绳15；根据检测需求，设置采样速率，检测速度，检测起始位置；检测无损检测装置相对钢丝绳位移，保持钢丝绳检测装置稳定。实时采集并保存磁电阻传感器阵列的数据，同步采集导向轮16的位置数据并存储。单片机对采集数据实时分析。图8为本实用新型的检测钢丝绳损伤的无损检测装置信号处理的波形图，如图8所示，当钢丝绳存在损伤时，经过该损伤的磁传感器输出为窄脉冲，且当存在至少2路传感器同步输出窄脉冲时，判定为损伤信号；否则判定为钢丝绳相对无损检测装置抖动等引入的伪损伤信号。
单片机利用采样率、导向轮转速、采集时长对无损检测装置的位置数据实时分析，并与损伤数据关联，将检测传感器的时域数据转换为与钢丝绳位置相关的数据；再根据检测数据，定位钢丝绳损伤发生的位置。
利用磁电阻传感器阵列的位置信息，定位钢丝绳损伤的径向位置；根据损伤检测数据的幅值、脉宽判定钢丝绳的损伤模式：窄带脉冲判定为局部损伤(LocaL Fault，LF)，脉宽相对幅度较大的判定为横截面积损伤(Loss of Metallic Cross-Sectional Area，LMA)。其中，局部损伤包括锈蚀、磨损、断丝等，随着不断地使用,钢丝绳将会出现各种损伤现象不同的劣化模式反映了钢丝绳不同的使用环境。而事实上,在钢丝绳使用过程中,钢丝绳损伤的产生与发展是相互影响的,比如，钢丝绳锈蚀会加剧磨损损伤,磨损又将促成断丝的发生,只是在各使用状态下,损伤发展的速度和程度不尽相同。
本实用新型利用钢丝绳的磁记忆特性进行损伤检测，不需要励磁机构，简化了检测探头结构，操作更便捷；设计了用于检测钢丝绳损伤的磁场梯度的磁电阻传感器，传感器兼具皮特量级的高磁场灵敏度和近微米级的磁场空间分辨率，提高了钢丝绳断丝、线径变细和深层损伤等的检出能力；通过磁电阻传感器并联组成磁电阻传感器阵列的探头，构成磁电阻传感器阵列探头的磁电阻传感器数量可根据钢丝绳尺寸裁剪；利用相邻磁电阻传感器差分信号描述环钢丝绳周向磁场梯度信息，检测结果直接描述钢丝绳损伤状态，无需基准。
基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。尽管本实用新型就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本实用新型的权利要求所限定的范围，可以对本实用新型进行各种变化和修改。

Claims (7)

1.一种检测钢丝绳损伤的无损检测装置，其特征在于，包括：下壳体(1)、衬套(3)、上壳体(4)、电连接器(5)、气囊(9)、PCB电路板(10)和导向轮(16)，其中，
所述衬套(3)通过限位槽对所述下壳体(1)和所述上壳体(4)进行限位，所述下壳体(1)和所述上壳体(4)通过开合结构连接，所述气囊(9)包覆在所述衬套(3)上，所述PCB电路板(10)固定在所述上壳体(4)或者所述下壳体(1)上，所述PCB电路板(10)通过电连接器(5)与所述导向轮(16)连接；
N个磁电阻传感器构成的磁电阻传感器阵列设置在所述气囊(9)内并沿着所述衬套(3)的周向均匀设置，钢丝绳(15)穿过磁电阻传感器阵列，所述钢丝绳(15)移动带动所述导向轮(16)转动并触发采集指令；
所述导向轮(16)设置位置编码器，所述位置编码器用于计算钢丝绳移动的相对位置；
所述PCB电路板(10)通过外设接口与单片机相连，所述单片机用于计算N个相邻的磁电阻传感器的差分信号，并判断所述钢丝绳(15)是否存在损伤。
2.根据权利要求1所述的检测钢丝绳损伤的无损检测装置，其特征在于，开合结构包括：搭扣(2)和合页(7)；
下壳体(1)和上壳体(4)的第一连接部位通过搭扣(2)连接，下壳体(1)和上壳体(4)的第二连接部位通过合页(7)连接；
搭扣(2)和合页(7)分别由沉头螺钉固定在下壳体(1)和上壳体(4)上。
3.根据权利要求1所述的检测钢丝绳损伤的无损检测装置，其特征在于，PCB电路板(10)由盘头螺钉(11)通过金属化通孔固定在上壳体(4)或者下壳体(1)上；
PCB电路板(10)通过双绞电缆连接至电连接器(5)上，导向轮(16)通过双绞屏蔽电缆与电连接器(5)连接，双绞屏蔽电缆的屏蔽层通过电连接器(5)的引脚与上壳体(4)连接。
4.根据权利要求1所述的检测钢丝绳损伤的无损检测装置，其特征在于，还包括至少两组簧片(6)，每组簧片(6)沿衬套(3)内表面周向均匀分布，簧片(6)的一端焊接在衬套(3)内表面，簧片(6)的另一端嵌入在衬套(3)内表面开设的凹槽内。
5.根据权利要求4所述的检测钢丝绳损伤的无损检测装置，其特征在于，每组簧片包含至少2个簧片，每组簧片之间沿衬套(3)内表面轴向的间距相同。
6.根据权利要求1所述的检测钢丝绳损伤的无损检测装置，其特征在于，衬套(3)设置有定位柱，气囊(9)设置有对应于定位柱的定位孔，定位柱插入定位孔。
7.根据权利要求1所述的检测钢丝绳损伤的无损检测装置，其特征在于，PCB电路板(10)集成多路复用器，通过多路复用器用于将磁电阻传感器阵列所采集到的信息按照预设顺序输出。
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