CN103163215A - 大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测装置与方法，主要由单片机、脉冲信号发生器、脉冲驱动电路、电涡流探头、信号调理电路、采集卡及计算机组成；该装置和方法采用脉冲信号发生器产生适当的方波信号，经脉冲驱动电路后驱动电涡流探头，电涡流探头输出信号经调理电路和采集卡后进入计算机；计算机对采集信号进行去噪及特征提取处理后，根据估计的裂纹参数，将理论模型仿真结果与实验结果对比，根据二者的差别反复优化估计的裂纹参数，直至理论模型结果与实验结果误差最小，并将此时的估计参数作为最终结果输出显示。该装置与方法可实现大型矿用振动筛疲劳裂纹的无损定量检测，减少因故障引起的非计划性停产，潜在经济效益巨大。

Description

大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测方法及装置

  

技术领域

本发明涉及一种大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测装置与方法，属矿用机械装备技术领域。 

背景技术

煤炭是我国国民经济的主要能源之一，随着开采的不断深入，出现了混入原煤的矸石增加、灰分提高、末煤及粉煤含量增大、水分增高等问题，这就使原煤质量越来越差，导致运能浪费和环境污染等一系列不良后果。原煤洗选是解决上述问题的重要措施，而振动筛是筛分工艺的关键设备，煤炭需求量的日益增加和煤炭质量要求的提高，加大了振动筛的需求量，并要求振动筛的处理能力不断提高，同时对其可靠性的要求也越来越严苛。然而高负荷的振动筛工作一段时间后，往往在侧板、横梁和轴承等主要受力部件出现疲劳断裂、筛体过度变形、焊缝开裂等故障，导致非计划性停产，造成巨大的经济损失。 

现有的疲劳裂纹检测方法主要有振动法、超声法、声发射法以及常规涡流法等。振动法采用激振锤激发应力波，通过测量振动信号，并进行频谱分析。振动法虽然可以识别是否存在裂纹，但难以确定裂纹位置及大小，且诊断监测必须在停机状态下进行。超声波法需要耦合剂，需对材料表面进行预处理。声发射法是研究材料断裂过程的一种方法，仅适用于动态监测，对已经存在的裂纹和包覆层下面材料的断裂过程检测困难。常规涡流法成本低、速度快，但结果受提离影响大，不适用于振动设备疲劳裂纹故障检测。 

脉冲涡流检测技术是近年发展起来的新型无损检测技术。与常规涡流不同，脉冲涡流采用方波而非正弦波激励探头，因而传感器响应频谱宽、信息量大，特别适用于带有包覆层的大壁厚对象。本发明应用脉冲涡流响应提离交叉点（LOI）信号特征对裂纹进行分类和参数定量化，可用于大型振动筛疲劳裂纹故障的早期预警和无损定量检测，减少因故障引起的非计划性停产降低经济损失，潜在经济效益和社会效应巨大。 

发明内容

本发明的目的是要提供一种大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测装置与方法，解决现有的疲劳裂纹检测方法必须在停机状态与破坏包覆层的条件下实施检测，且探头抖动降低检测精度的问题。 

技术方案：本发明公开了一种大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测装置及方法，所述的装置包括单片机、脉冲信号发生器、脉冲驱动电路、电涡流探头、信号调理电路、采集卡和计算机；所述的单片机输出端与脉冲信号发生器的输入端相连接，脉冲信号发生器的输出端与脉冲驱动电路的输入端相连接，脉冲驱动电路的输出端与电涡流探头的输入端连接，电涡流探头的输出端与信号调理电路的输入端相连接，信号调理电路的输出端接采集卡输入端，采集卡的输出端接计算机输入端，计算机输出端接单片机的输入端。 

所述的电涡流探头由线圈、骨架及磁场传感器组成，且线圈绕制在骨架上，磁场传感器固定在骨架底端。 

所述的脉冲信号发生电路是以AD9833为核心，AD9833的第1脚通过第一电容(C1)接正5v电源，AD9833的第2脚接正5v电源，AD9833的第3脚通过第二电容(C2)接地，AD9833的第4脚接地，AD9833的第6脚、第7脚、第8脚分别与单片机SPI模块的SCLK、SDATA、FSYNC脚连接，AD9833的第9脚接地，AD9833的第10脚与脉冲驱动电路的输入端连接，AD9833的第5脚与有源时钟的第3脚连接，有源时钟的第4脚接正5v电源，有源时钟的第2脚接数字地，有源时钟的第1脚悬空。 

所述的脉冲信号驱动电路以功率放大器A1为核心，功率放大器A1的第1脚与脉冲信号发生器的输出端连接，功率放大器A1的第2脚与第3脚连接，功率放大器A1的第3脚接电涡流探头输入端。 

采用脉冲涡流方法进行大型矿用振动筛疲劳裂纹检测方法：将电涡流探头放置于振动筛被测部件上方，使电涡流探头与振动筛表面平行，脉冲信号发生器在单片机的控制下产生方波信号，经脉冲驱动电路后激励电涡流探头，电涡流探头在方波的激励下产生交变磁场，交变的电涡流信号又产生变化的二次磁场，影响原磁场的信号，因此磁场传感器测得的磁场为原磁场和二次磁场的叠加值；输出信号经信号调理电路和采集卡后输入到计算机，经所建立的优化模型处理后获得振动筛被测部件的待测裂纹参数； 

具体步骤如下：

（1）将电涡流探头放置于振动筛被测部件上方，使电涡流探头与振动筛被测部件表面平行，脉冲信号发生器在单片机的控制下产生方波信号，经脉冲驱动电路后激励电涡流探头，电涡流探头在方波的激励下产生交变磁场，交变的电涡流信号又产生变化的二次磁场，影响原磁场的信号，因此磁场传感器测得的磁场为原磁场和二次磁场的叠加值；

（2）电涡流探头的输出信号输入到信号调理电路，经采集卡采集后输入计算机；

（3）改变电涡流探头与振动筛被测部件表面间的距离，并将电涡流探头的输出信号输入到信号调理电路，经采集卡采集后输入计算机；

（4）经计算机处理后得到最优的被测部件裂纹参数，主要包含：

41）采用小波包等手段对采集的实验数据进行去噪处理，并利用处理后的数据获取提离交叉点这一信号特征，此为实验结果；

42）建立被测部件裂纹参数脉冲涡流检测的正向理论模型，并设定被测部件裂纹参数初值；

43）设定两个不同的探头与被测部件间的距离，应用建立的理论模型分别计算理论输出值，并提取提离交叉点信号特征的理论结果；

44）将实验结果作为优化目标，并将理论结果与优化目标进行比较，计算误差；

45）如果误差超过设定范围，则利用共轭梯度优化策略优化并修改被测部件参数，重复步骤43）、步骤44）和步骤45），如果误差没有超过设定范围，则停止计算；

46）将最后一次的被测部件裂纹参数设定值作为最终结果输出，即为被测部件的裂纹参数值。

有益效果，本发明所采用的脉冲涡流采用方波而非正弦波激励探头，因而传感器响应频谱宽、信息量大，且采用提离交叉点作为信号特征，可有效抑制探头与被测部件表面距离变化引起的误差，特别适用于带有包覆层的大壁厚对象。本发明可以实现大型振动筛疲劳裂纹的无损定量检测，减少因故障引起的非计划性停产，从而降低由此造成的经济损失。解决了现有的疲劳裂纹检测方法必须在停机状态与破坏包覆层的条件下实施检测和探头抖动降低检测精度的问题，达到了本发明的目的。 

优点在于，采用脉冲涡流技术检测振动筛疲劳裂纹，具有传感器响应频谱宽、信息量大等优点，且采用提离交叉点作为信号特征，可有效抑制探头与被测部件表面距离变化引起的误差，特别适用于带有包覆层的大壁厚对象，可实现大型振动筛疲劳裂纹故障的早期预警和无损定量检测；在不破坏包覆层的条件下实现大型矿用振动筛疲劳裂纹的早期预警及无损在线检测，并能有效抑制探头抖动引起的信号噪声，提高检测精度， 

附图说明

图1是本发明装置的原理框图。 

图2是本发明装置的探头俯视图。 

图3是本发明装置的探头截面图。 

图4是本发明装置的脉冲信号发生电路。 

图5是本发明装置的脉冲驱动电路。 

图6是本发明的数据处理流程图。 

图中，1、线圈；2、骨架；3、磁场传感器。 

具体实施方式

实施例1：一种大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测装置及方法，所述的装置包括单片机、脉冲信号发生器、脉冲驱动电路、电涡流探头、信号调理电路、采集卡和计算机；单片机输出端与脉冲信号发生器的输入端相连接，脉冲信号发生器的输出端与脉冲驱动电路的输入端相连接，脉冲驱动电路的输出端与电涡流探头的输入端连接，电涡流探头的输出端与信号调理电路的输入端相连接，信号调理电路的输出端接采集卡输入端，采集卡的输出端接计算机输入端，计算机输出端接单片机的输入端； 

所述的电涡流探头由线圈、骨架及磁场传感器组成，且线圈绕制在骨架上，磁场传感器固定在骨架底端；

所述的脉冲信号发生电路是以AD9833为核心，AD9833的第1脚通过第一电容(C1)接正5v电源，AD9833的第2脚接正5v电源，AD9833的第3脚通过第二电容(C2)接地，AD9833的第4脚接地，AD9833的第6脚、第7脚、第8脚分别与单片机SPI模块的SCLK、SDATA、FSYNC脚连接，AD9833的第9脚接地，AD9833的第10脚与脉冲驱动电路的输入端连接，AD9833的第5脚与有源时钟的第3脚连接，有源时钟的第4脚接正5v电源，有源时钟的第2脚接数字地，有源时钟的第1脚悬空；

所述的脉冲信号驱动电路以功率放大器A1为核心，功率放大器A1的第1脚与脉冲信号发生器的输出端连接，功率放大器A1的第2脚与第3脚连接，功率放大器A1的第3脚接电涡流探头输入端。

采用脉冲涡流方法进行大型矿用振动筛疲劳裂纹检测方法：将电涡流探头放置于振动筛被测部件上方，使电涡流探头与振动筛表面平行，脉冲信号发生器在单片机的控制下产生方波信号，经脉冲驱动电路后激励电涡流探头，电涡流探头在方波的激励下产生交变磁场，交变的电涡流信号又产生变化的二次磁场，影响原磁场的信号，因此磁场传感器测得的磁场为原磁场和二次磁场的叠加值；输出信号经信号调理电路和采集卡后输入到计算机，经所建立的优化模型处理后获得振动筛被测部件的待测裂纹参数； 

具体步骤如下：

（1）将电涡流探头放置于振动筛被测部件上方，使电涡流探头与振动筛被测部件表面平行，脉冲信号发生器在单片机的控制下产生方波信号，经脉冲驱动电路后激励电涡流探头，电涡流探头在方波的激励下产生交变磁场，交变的电涡流信号又产生变化的二次磁场，影响原磁场的信号，因此磁场传感器测得的磁场为原磁场和二次磁场的叠加值；

（2）电涡流探头的输出信号输入到信号调理电路，经采集卡采集后输入计算机；

（3）改变电涡流探头与振动筛被测部件表面间的距离，并将电涡流探头的输出信号输入到信号调理电路，经采集卡采集后输入计算机；

（4）经计算机处理后得到最优的被测部件裂纹参数，主要包含：

41）采用小波包等手段对采集的实验数据进行去噪处理，并利用处理后的数据获取提离交叉点这一信号特征，此为实验结果；

42）建立被测部件裂纹参数脉冲涡流检测的正向理论模型，并设定被测部件裂纹参数初值；

43）设定两个不同的探头与被测部件间的距离，应用建立的理论模型分别计算理论输出值，并提取提离交叉点信号特征的理论结果；

44）将实验结果作为优化目标，并将理论结果与优化目标进行比较，计算误差；

45）如果误差超过设定范围，则利用共轭梯度优化策略优化并修改被测部件参数，重复步骤43）、步骤44）和步骤45），如果误差没有超过设定范围，则停止计算；

46）将最后一次的被测部件裂纹参数设定值作为最终结果输出，即为被测部件的裂纹参数值。

图1为大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测装置，该装置包括单片机、脉冲信号发生器、脉冲驱动电路、电涡流探头、信号调理电路、采集卡、计算机，其特征在于：所述的单片机输出端与脉冲信号发生器的输入端相连接，脉冲信号发生器的输出端与脉冲驱动电路的输入端相连接，脉冲驱动电路的输出端与电涡流探头的输入端连接，电涡流探头的输出端与信号调理电路的输入端相连接，信号调理电路的输出端接采集卡输入端，采集卡的输出端接计算机输入端，计算机输出端接单片机的输入端。 

在图2和图3中，大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测装置中的电涡流探头由线圈、骨架及磁场传感器组成，且线圈绕制在骨架上，磁场传感器固定在骨架底端。系统工作时，将电涡流探头放置于振动筛被测部件上方，使电涡流探头与振动筛表面平行，脉冲信号发生器在单片机的控制下产生方波信号，经脉冲驱动电路后激励电涡流探头，电涡流探头在方波的激励下产生交变磁场，交变的电涡流信号又产生变化的二次磁场，影响原磁场的信号，因此磁场传感器测得的磁场为原磁场和二次磁场的叠加值；输出信号经信号调理电路和采集卡后输入到计算机。 

利用本发明提出的装置进行大型矿用振动筛疲劳裂纹的无损检测的方法，包含以下步骤： 

（1）任选两个不同的电涡流探头与振动筛被测部件的距离，分别采集信号，采用小波包等手段对采集的实验数据进行去噪处理，并利用处理后的数据获取提离交叉点这一信号特征，此为实验结果；

（2）建立被测部件裂纹参数脉冲涡流检测的正向理论模型，并设定被测部件裂纹参数初值；

（3）设定两个不同的探头与被测部件间的距离，应用建立的理论模型分别计算理论输出值，并提取提离交叉点信号特征的理论结果；

                                    （1）

式中，

为提离交叉点信号特征，

与

为理论模型计算所得的磁感应强度，

和分别表示获取信号的实部和虚部，ω是信号角频率。

（4）将实验结果作为优化目标，并将理论结果与优化目标进行比较，计算误差； 

（5）如果误差超过设定范围，则利用共轭梯度优化策略优化并修改被测部件参数，重复步骤（3）、步骤（4）和步骤（5），如果误差没有超过设定范围，则停止计算；

（6）将最后一次的被测部件裂纹参数设定值作为最终结果输出，即为被测部件的裂纹参数值。

采用脉冲涡流技术检测振动筛故障，由于脉冲涡流采用具有一定占空比的方波作为激励，与传统涡流检测相比，这种技术具有响应频谱宽、包含信息丰富、能检测到表面及深层缺陷等优点。此外，在脉冲涡流检测过程中，当探头与试件之间的距离提离变化时，在不同位置处获得的脉冲涡流信号交于一点，即提离交叉点。提离交叉点信号特征不受提离变化影响，但却对缺陷信号敏感，因此可用于包覆层厚度不均匀条件下试件裂纹的定量检测。提离交叉点这一信号特性使得脉冲涡流检测技术特别适用于带有包覆层的大壁厚对象，可实现大型振动筛疲劳裂纹故障的早期预警和无损定量检测。 

Claims (6)

1.一种大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测装置，其特征在于：该检测装置包括单片机、脉冲信号发生器、脉冲驱动电路、电涡流探头、信号调理电路、采集卡和计算机；所述的单片机输出端与脉冲信号发生器的输入端相连接，脉冲信号发生器的输出端与脉冲驱动电路的输入端相连接，脉冲驱动电路的输出端与电涡流探头的输入端连接，电涡流探头的输出端与信号调理电路的输入端相连接，信号调理电路的输出端接采集卡输入端，采集卡的输出端接计算机输入端，计算机输出端接单片机的输入端。

2.根据权利要求1所述的大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测装置，其特征在于：所述的电涡流探头由线圈、骨架及磁场传感器组成，且线圈绕制在骨架上，磁场传感器固定在骨架底端。

3.根据权利要求1所述的一种大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测装置，其特征在于，所述的脉冲信号发生电路是以AD9833为核心，AD9833的第1脚通过第一电容接正5v电源，AD9833的第2脚接正5v电源，AD9833的第3脚通过第二电容接地，AD9833的第4脚接地，AD9833的第6脚、第7脚、第8脚分别与单片机SPI模块的SCLK、SDATA、FSYNC脚连接，AD9833的第9脚接地，第10脚与脉冲驱动电路的输入端连接，AD9833的第5脚与有源时钟的第3脚连接，有源时钟的第4脚接正5v电源，有源时钟的第2脚接数字地，有源时钟的第1脚悬空。

4.根据权利要求1所述的一种大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测装置，其特征在于，所述的脉冲信号驱动电路以功率放大器A1为核心，功率放大器A1的第1脚与脉冲信号发生器的输出端连接，功率放大器A1的第2脚与第3脚连接，功率放大器A1的第3脚接电涡流探头输入端。

5.一种大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测方法，其特征在于：检测方法：将电涡流探头放置于振动筛被测部件上方，使电涡流探头与振动筛表面平行，脉冲信号发生器在单片机的控制下产生方波信号，经脉冲驱动电路后激励电涡流探头，电涡流探头在方波的激励下产生交变磁场，交变的电涡流信号又产生变化的二次磁场，影响原磁场的信号，因此磁场传感器测得的磁场为原磁场和二次磁场的叠加值；输出信号经信号调理电路和采集卡后输入到计算机，经所建立的优化模型处理后获得振动筛被测部件的待测裂纹参数；具体步骤如下：

（1）将电涡流探头放置于振动筛被测部件上方，使电涡流探头与振动筛被测部件表面平行，脉冲信号发生器在单片机的控制下产生方波信号，经脉冲驱动电路后激励电涡流探头，电涡流探头在方波的激励下产生交变磁场，交变的电涡流信号又产生变化的二次磁场，影响原磁场的信号，因此磁场传感器测得的磁场为原磁场和二次磁场的叠加值；

（2）电涡流探头的输出信号输入到信号调理电路，经采集卡采集后输入计算机；

（3）改变电涡流探头与振动筛被测部件表面间的距离，并将电涡流探头的输出信号输入到信号调理电路，经采集卡采集后输入计算机；

（4）经计算机处理后得到最优的被测部件裂纹参数。

6.根据权利要求5所述的大型矿用振动筛疲劳裂纹的脉冲涡流检测方法，其特征在于，所述经计算机处理后得到最优的被测部件裂纹参数，包含以下步骤：

41）采用小波包等手段对采集的实验数据进行去噪处理，并利用处理后的数据获取提离交叉点这一信号特征，此为实验结果；

42）建立被测部件裂纹参数脉冲涡流检测的正向理论模型，并设定被测部件裂纹参数初值；

43）设定两个不同的探头与被测部件间的距离，应用建立的理论模型分别计算理论输出值，并提取提离交叉点信号特征的理论结果；

44）将实验结果作为优化目标，并将理论结果与优化目标进行比较，计算误差；

45）如果误差超过设定范围，则利用共轭梯度优化策略优化并修改被测部件参数，重复步骤43）、步骤44）和步骤45），如果误差没有超过设定范围，则停止计算；

46）将最后一次的被测部件裂纹参数设定值作为最终结果输出，即为被测部件的裂纹参数值。

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