CN102200528B

CN102200528B - 一种用于钢丝绳断丝在线检测装置

Info

Publication number: CN102200528B
Application number: CN 201110083308
Authority: CN
Inventors: 周义仁; 吕青; 韩晓霞; 张妍
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2011-04-02
Filing date: 2011-04-02
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2031-04-02
Also published as: CN102200528A

Abstract

一种用于钢丝绳断丝在线检测装置是一磁惰性中空管长度方向对应部分形成方向相反大小相等的对应交变磁场，使中部形成一零磁场，并构成感应磁场，感应磁场的对应方向的交变磁场是由一高频交流电源产生。本发明装置不仅能够检测钢丝绳外部的断丝，还能够准确地检测出钢丝绳的内部断丝，其结构简单，使用方便，检测精准，灵敏度高。

Description

一种用于钢丝绳断丝在线检测装置

技术领域

本发明涉及一种钢丝绳断丝检测装置，特别是一种采用电磁式钢丝绳断丝在线检测装置的技术方案。

技术背景

钢丝绳作为物料搬运设备中的关键部件广泛应用于工矿和交通，尤其是矿山提升、舰船码头及旅游索道等各个行业。然而在长时间使用过程中往往会出现腐蚀和断丝等缺陷，如不及时发现，将会带来严重的后果。因此，准确检测钢丝绳损伤状况具有十分重要的现实意义。

现有钢丝绳断丝仍多由人工目测来检测，目测在线检测钢丝绳断丝在许多工况是无法实现的，需要将钢丝绳全部更换下来再进行人工检查，这样会造成两种情况：一是有的钢丝绳尽管未到更换期，但损伤已严重，急需更换却得不到更换，从而引发各种事故，无法完全消除安全隐患；二是根据钢丝绳的满负荷安全运行时间，设定钢丝绳的定时更换期，保证更换期内钢丝绳的安全可靠性，此时更换的钢丝绳还能继续使用，就会造成很大浪费。

依据铁磁材料高导磁性进行钢丝绳断丝检测是普遍使用的检测装置，如CN2015034134的一种“钢丝绳磁探伤仪的传感器”；公开号为CN101839891A的一种“钢丝绳的探伤装置”；公开号为CN101109729 A的一种“钢丝绳断绳定量探伤仪”等等，采用漏磁检测装置检测钢丝绳的断丝，主要有感应线圈，霍尔元件和磁阻传感器构成。使用该检测装置检测时检测不到钢丝绳内部的断丝，主要原因是内部断丝产生的漏磁被外部的钢丝短路掉了，漏磁信号很弱甚至不会向外发散任何漏磁信号，漏磁装置检测不到钢丝绳的内部断丝情况。

发明内容

针对上述现有钢丝绳检测装置利用漏磁检测时的不足，本发明提供一种磁感应钢丝绳断丝在线检测装置。

为了实现上述目的，本发明所采取的措施是一种磁感应钢丝绳断丝在线检测装置，该装置包括高频交流电源和磁惰性中空管，断丝信号感应单元、信号预处理单元，数据处理与传送单元以及断丝位置定位检测单元；其特征是一磁惰性中空管长度方向对应部分形成两个方向相反大小相等的对应交变磁场，使中部形成一零磁场，并构成感应磁场，感应磁场的对应方向的交变磁场是由一高频交流电源产生。

在上述的技术方案中，所述磁惰性中空管是铜管或铝管；所述交变磁场是由第一感应线圈和第二感应线圈构成的两个相对应的方向相反大小相等的交变磁场；所述在两个相对应的交变磁场中间的零磁场上设置有一第三感应线圈；所述第一感应线圈、第二感应线圈和第三感应线圈由直径相同的漆包铜线缠绕的三组线圈；所述磁惰性管子上相对应的第一感应线圈和第二感应线圈的匝数相等；所述第一感应线圈和第二感应线圈反向串联构成闭合回路, 回路中间并接一个高频交流电源；所述感应电动势的大小与钢丝绳断丝的多少成正比；所述第三感应线圈感应的断丝信号输入预处理单元；所述在磁惰性中空管的一端设置有光电编码器和同轴滚轮；所述由支架把光电编码器固定在磁惰性中空管的一端，支架上还连接有弹簧装置。

本发明一种磁感应钢丝绳断丝在线检测装置，与现有技术相比，其所具有的特点是该装置不仅能够检测钢丝绳外部的断丝，还能够准确地检测出钢丝绳的内部断丝，断丝检测的灵敏度高，为钢丝绳的安全使用提供准确可靠的评判依据，是现有钢丝绳在线检测的一种结构简单，使用方便，检测精准，安全可靠的断丝在线检测装置。

附图说明

图1是本发明钢丝绳断丝在线检测装置结构示意图。

图2是本发明信号预处理电路框图。

图3是本发明数据处理与传送电路框图。

图4是本发明程序流程图。

图中：1：第一感应线圈；2：第二感应线圈；3：第三感应线圈；4：高频交流电源；5：磁惰性中空管；6：滚轮；7：转轴；8：光电编码器；9：弹簧；10：支架；11：钢丝绳。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的详细说明，使本专业的技术人员能够按照本具体实施方式实际做出一种磁感应钢丝绳断丝在线检测装置，其具体实施方式如下：

图1所示，对于本发明断丝信号感应单元，在实际实施中，要将该单元即带有三个线圈绕组的惰性管子套在待测的钢丝绳11上，固定好。断丝信号感应单元的详细制作过程：在一长度为L直径为D的磁惰性（如铜或铝等材料）管子5上用直径为d的漆包铜线绕三组线圈，管子5两端的第一感应线圈1和第二感应线圈2的匝数相等，均为N1匝，且二者反向串联成闭合回路，在其中间加一电压为U频率为F的高频交流电源4；管子5中间的是第三感应线圈3，它的匝数为N2匝。第三感应线圈3用来感应检测钢丝绳11断丝信号，在钢丝绳11未断丝时其输出信号为零；当有钢丝绳11断丝的位置通过螺线管时，其输出信号不为零，第三感应线圈3就会产生相应的感应电动势，感应电动势的大小与钢丝绳11断丝的多少成正比，表征此时的断丝情况。这个弱感应电压信号进入信号预处理单元，经过放大、整流、滤波、调理和变送后，预处理单元将第三感应线圈3的微弱信号变成单片机能够处理的电压信号，通过A/D端口的采集，最后感应的断丝信号被送入到MSP430单片机中。

断丝位置定位检测单元包括光电编码器8和同轴滚轮，光电编码器8的转轴7上固定连接着一个直径为D同轴滚轮6。由支架10将光电编码器8固定在磁惰性中空管5的一端，支架上还连接有一弹簧9的装置，弹簧9的装置保证当钢丝绳11运动时，滚轮6能有效贴合在钢丝绳11表面。当钢丝绳11运动的时候，会驱动滚轮6随之旋转，从而带动光电编码器8也旋转并发出序列脉冲。发出的脉冲信号经处理后进入MSP430单片机，产生单片机可接受的中断脉冲信号。软件程序通过计算从检测起始到发生断丝位置处产生的总脉冲数，由公式

Figure 2011100833083100002DEST_PATH_IMAGE001

可以实现断丝精确定位，公式中s就为断丝发生处与始测点之间的距离， n为测得的脉冲数， a为每个脉冲数代表距离的长度。除了能对断丝位置进行精确定位外，软件还能同时计算出钢丝绳11在某一长度范围内的累计断丝量和钢丝绳11的运行速度。

如图3所示，数据处理与传送单元是由单片机为核心包括数据存储、数据处理、越限报警、时钟电路、复位电路和通讯接口电路等。实施例中选择MSP430单片机，A/D转换器是10位串行TLC1549，将断丝的模拟信号变成了数字信号。与存贮在软件系统中的各种断丝情况信号的标样进行比较，由软件的分析决策单元判断给出钢丝绳11的断丝数目和钢丝绳断丝11的位置。断丝定位检测的光电编码器8序列脉冲信号也进入单片机，软件程序计算出当前断丝的位置和钢丝绳11的运行速度。该单元不仅能直观显示出断丝的数目和位置等信息，还可以将这些信息通过RS485远传给上位计算机，同时利用声光报警提醒现场的工程技术人员。

系统软件主要包括主程序、A/D转化，数据处理、数据存储、与上位机的串行通讯。使用C51语言进行编程，系统的流程图如图4。光电编码器8转一圈产生一个脉冲，对单片机产生一次中断，每一次中断采集一次数据，并在单片机内进行A/D转换，直到全部采集完再将数据发送到上位机进行处理和显示。

所述感应断丝信号的检测机理如下：

钢丝绳11在出现断丝时，将会引起中央次级线圈的不平衡,会有感应电动势产生。利用此原理来检测钢丝绳11表面以及内部的断丝，其检测装置原理简单，操作方便，检测灵敏度高,经实验证明，具有明显的积极效果。

本发明的目的在于不但能将钢丝绳11表面的断丝检测出来，还能将钢丝绳11内部的断丝检测出来。因为钢丝绳11内部断丝，对原磁场的影响非常小，即产生的磁通变化量也很小，为了保证传感器有较高的灵敏度，需要在感应线圈中获得大的感应电动势，根据法拉第电磁感应定律，感应电动势的大小和通过导体回路的磁通量的变化率成正比，其方向取决于磁场的方向和变化情况。磁通量变化很小时，若要使其变化率大，其途径有两种：一是增大原线圈的匝数，但这样会导致传感器体积过大，不可取；一是使原磁场磁通量为零，即处于零磁场中。基于此，设计的传感器结构模型如图1所示。在一个磁惰性中空管5上绕有三组线圈。第一感应线圈1和第二感应线圈2反向串联，由高频交流电源4驱动，使得产生的磁场方向相反，可使在磁惰性中空管5内部正好位于中央处的次级线圈磁场相互抵消，即为零磁场。次级线圈与系统处理单元相接。当钢丝绳11内外部有断丝时，引起磁场扰动，导致次级线圈产生感应电动势。断丝的多少与输出信号的幅值有关。现在只考虑左侧线圈，在没有断丝之前，线圈产生的电感为

其中

Figure 2011100833083100002DEST_PATH_IMAGE003

是钢丝绳的相对磁导率；

是初级线圈1的匝数；

是磁惰性管子的半径；

是线圈1的轴向长度。

当

时，

Figure 2011100833083100002DEST_PATH_IMAGE009

管子内的磁场接近均匀磁场。

当钢丝绳内外部有断丝时，产生的电感量为

其中

Figure 2011100833083100002DEST_PATH_IMAGE011

是一根钢丝的半径；是断丝的长度；

假设

Figure 2011100833083100002DEST_PATH_IMAGE013

，则上式可以变为

，所以，电感的变率为

可见，

是确定的，在传感器的尺寸（

）确定的情况下，一根钢丝的半径越大，电感量的变化率越大，磁通量的变化率越大，又因为（负号代表方向），所以输出电压信号的幅值也越大，即输出信号的幅值和钢丝的半径有关，根据半径的大小可以判断有多少根断丝。

在实际使用中，要将该单元即带有三个线圈绕组的磁惰性中空管套在待测的钢丝绳11上，固定好，断丝信号感应单元的具体制作过程参见具体实施方式的初始部分。

此外，本发明所含有的其他高频交流电源4和磁惰性中空管5，信号预处理单元，数据处理与传送单元以及断丝位置定位检测单元，均属于现有技术，本领域的技术人员在阅读了上述技术方案的同时，能够很好地结合信号预处理单元，数据处理与传送单元以及断丝位置定位检测单元实施本发明所述的一种磁感应钢丝绳断丝在线检测装置，同时，也能够得到本发明所述效果。

Claims

1.一种用于钢丝绳断丝在线检测装置，其含有高频交流电源和磁惰性中空管，断丝信号感应单元，信号预处理单元，数据处理与传送单元，断丝位置定位检测单元，其特征是：

一磁惰性中空管（5）长度方向对应部分形成两个方向相反大小相等的对应交变磁场，使中部形成一零磁场，并构成感应磁场，感应磁场的对应方向的交变磁场是由一高频交流电源产生。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于一磁惰性中空管（5）是铜管或铝管。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于交变磁场是由第一感应线圈（1）和第二感应线圈（2）构成的两个相对应的方向相反大小相等的交变磁场；感应磁场是由交变磁场间的零磁场设置一第三感应线圈（3）形成；断丝信号感应单元包括第一感应线圈（1）、第二感应线圈（2）和第三感应线圈（3）。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于第一感应线圈（1）、第二感应线圈（2）和第三感应线圈（3）是由直径相等的漆包铜线缠绕的三组线圈。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于磁惰性中空管（5）上相对应的第一感应线圈（1）和第二感应线圈（2）的匝数相等。

6.如权利要求3所述的装置，其特征在于第一感应线圈（1）和第二感应线圈（2）反向串联构成闭合回路，回路中间并接一个高频交流电源。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于感应磁场形成感应电动势的大小与钢丝绳断丝的多少成正比。

8.如权利要求3所述的装置，其特征是第三感应线圈（3）感应的断丝信号输入信号预处理单元。

9.如权利要求1所述的装置，其特征是断丝位置定位检测单元包括光电编码器（8）和同轴滚轮（6），光电编码器（8）和同轴滚轮（6）设置在磁惰性中空管（5）的一端。

10.如权利要求9所述的装置，其特征是由支架（10）将光电编码器（8）固定在磁惰性中空管（5）的一端，支架（10）设置有弹簧（9）装置。