CN103995048B - 钢丝绳磁记忆在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明钢丝绳磁记忆在线检测装置，属于无损检测技术领域。钢丝绳磁记忆在线检测装置，包括安装在该钢丝绳上且安装方向相同的两组三维磁阻传感器、加法器、乘法器、减法器，每组三维磁阻传感器组为在同一圆周上均匀分布的8‑12个三维磁阻传感器，采用平衡和差分的检测方法克服钢丝绳抖动，克服外界干扰为主要目的，二次输出信号特征，提高判断金属构件缺陷精确度；其次，采用分量信号单独输出法，根据法向分量和切向分量单独输出的特征信号判断此点是否为钢丝绳缺陷处；然后，采用两组环形均匀排列的三维磁阻传感器HMC1053实现对钢丝绳法向与切向分量全方位检测，消除测量盲区的问题。

Description

钢丝绳磁记忆在线检测装置

技术领域

本发明钢丝绳磁记忆在线检测装置，属于无损检测技术领域，涉及针对钢丝绳应力集中处的在线无损检测，连接后续电路实现对于在线工作的钢丝绳实时动态探伤及预警。

背景技术

钢丝绳由于其直径大，长度长，在线检测时有一定的运行速度并且速度不均匀，这些都为在线实时检测钢丝绳装置的设计带来了挑战。现在检测钢丝绳的方法一般都是将其磁化然后检测漏磁，但是对于比较长的钢丝绳来说，若将其磁化，势必会花费较高的代价，并且磁化不均匀会给检测结果带来很大误差。钢丝绳一旦被磁化之后,则围绕钢丝绳出现主漏磁场和局部漏磁场(即: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，由于地理条件、环境所产生的磁场也不同程度地影响着钢丝绳的磁场，而利用金属磁记忆检测技术，则可以避免磁化钢丝绳的过程。金属磁记忆检测技术利用处于地球磁场中的铁磁性金属的磁性能在应力和变形集中区产生不可逆转变化，在金属与空气边界出现磁导率跃变，其表面产生漏磁场，测试该漏磁场便可无损、准确地确定铁磁性金属构件上的应力集中区。金属磁记忆技术检测出的输出信号和地球磁场大小处于同一数量级，而且比较微弱，为了能够获得不失真的输出信号，对于钢丝绳测量装置的设计要求比较高，检测装置的设计既要有足够克服外界干扰的能力，也应该对信号有足够的分辨力。目前，在线检测钢丝绳的装置的特点是需要磁化钢丝绳；难以克服抖动带来的影响；仅根据法向分量经过零点判断钢丝绳应力集中区，金属磁记忆检测方法判断应力集中区同时要求检测到漏磁法相分量经过零点，切向分量达到最大的信号特征。很多检测装置忽略切向分量，主要因为切向分量方向不易确定，切向分量信号容易受到外界干扰更易产生失真，为了能够精确判定钢丝绳应力集中区，我们急需根据磁记忆检测技术研究出一种精确确定应力集中区的在线检测装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何克服现有检测装置的不足，设计出一种依金属磁记忆检测技术理论为指导，能同时提取切向和法向分量、克服钢丝绳抖动和外界干扰的新型检测装置。

本发明所采用的技术方案是：钢丝绳磁记忆在线检测装置，包括安装在该钢丝绳上且安装方向相同的两组三维磁阻传感器、加法器、乘法器、减法器，每组三维磁阻传感器组为在同一圆周上均匀分布的8-12个三维磁阻传感器，两组三维磁阻传感器法相分量z分量串联输出后电压为U_N1，U_N2，两组三维磁阻传感器的切向分量x分量和y分量分别并联输出后电压为U_x1，U_y1，U_x2，U_y2，切向分量x分量和y分量分别经过模拟乘法器后，电压为kU_x1 ²，kU_y1 ²，kU_x2 ²，kU_y2 ²，k为乘法器放大倍数，两组传感器输出电压分别再经过加法器为k'(U_x1 ²+U_y1 ²)，k'(U_x2 ²+U_y2 ²)；将k'(U_x1 ²+U_y1 ²)，k'(U_x2 ²+U_y2 ²)，k'为放大倍数，电压信号经过模拟减法器电压信号为U_H＝k''[(U_x1 ²+U_y1 ²)-(U_x2 ²+U_y2 ²)]，k"为放大倍数，将U_N1、U_N2电压信号经过模拟减法器后电压信号为U_N＝k'"(U_N1-U_N2),k'"为减法器放大倍数，U_H、U_N经过信号调理电路后显示出其波形，设定切向分量阈值为U_T，若某时刻U_H＞U_T且U_N过零点，说明钢丝绳有缺陷，否则说明钢丝绳无缺陷。

本发明的有益效果是是：首先，采用平衡和差分的检测方法克服钢丝绳抖动，克服外界干扰为主要目的，二次输出信号特征，提高判断金属构件缺陷精确度；其次，采用分量信号单独输出法，根据法向分量和切向分量单独输出的特征信号判断此点是否为钢丝绳缺陷处；然后，采用两组环形均匀排列的三维磁阻传感器HMC1053实现对钢丝绳法向与切向分量全方位检测，消除测量盲区的问题。

附图说明

图1是本发明的横向剖面图示意图；

图2是本发明的纵向剖面图示意图；

图3是本发明的切向信号合成图；

图4是本发明的平衡和差分示意图；

图5是磁阻传感器安装示意图；

其中，1、外壳，2、三维磁阻传感器，3、聚磁元件，4、填充物，5、钢丝绳，6、第一组传感器信号输出线，7、第二组传感器信号输出线，8、保护套，9、第一模拟乘法器，10、第二模拟乘法器，11、第三模拟乘法器，12、第四模拟乘法器4，13、第一加法器，14、第二加法器，U_x1、第一组磁阻传感器切向信号x分量电压，U_y1、第一组磁阻传感器切向信号y分量电压，U_x2、第二组磁阻传感器切向信号x分量电压，U_y2、第二组磁阻传感器切向信号y分量电压，U_H、切向分量电压，U_N、法向分量电压，

15、第一减法器，16、第二减法器。

具体实施方式

图1为本发明的磁阻传感器的横向剖面图，图2为本发明的纵向剖面图，三维磁阻传感器采用Honeywell生产的HMC1053，它的分辨率在微高斯级，线性误差不超过1.8％，内部结构由三组桥式电路组成，摆脱前人设计的用两个二维磁阻传感器测量三维信号，提高安装方便性和可靠性。第一组磁阻传感器与第二组磁阻传感器安装方向相同(如图5，设传感器测量方向为x，y，z方向，测量法相分量的方向为z方向，测量切向分量的为x，y方向的矢量合成，则根据三维传感器的引脚特点，第一组传感器与第二组传感器布局x，y，z方向应该相同，通过减法器时，构成差分结构)。

两组传感器切向分量的获取是根据图3，第一组传感器x方向输出信号U_x1，第一组传感器y方向输出信号U_y1，第二组传感器x方向输出信号U_x2，第二组传感器y方向输出信号U_y2，第一模拟乘法器9，第二模拟乘法器10，第三模拟乘法器11，第四模拟乘法器12，第一加法器13，第二加法器14，第一组传感器切向分量电压信号平方U_H1 ²，第二组传感器切向分量电压信号平方U_H2 ²，三维磁阻传感器的方向为x，y，z，它们构成空间直角坐标系，x，y方向信号的矢量叠加是漏磁切向分量，x，y向输出信号分别通过模拟乘法器后再与加法器相连:

U_H1 ²＝k·U_x1 ²+kU_y1 ²

U_H2 ²＝k·U_x2 ²+kU_y2 ²

式中：U_H1，U_H2切向分量，k模拟乘法器放大倍数，U_x1，U_x2代表传感器x方向输出，U_y1，U_y2代表传感器y方向输出。将两组传感器切向分量信号平方连接至减法器，法向分量直接连接到减法器。

根据磁记忆检测机理，在钢丝绳应力集中处，法相分量为零，切向分量达到最大值，此钢丝绳检测装置是由两组传感器组成，每组由8到12个传感器组成，具体数量根据要检测的钢丝绳直径设计，每组传感器均匀分布一周。这样可以解决钢丝绳测量盲区的问题。

这些传感器可以同时输出法向分量和切向分量的信号，法向与切向分量单独输出。

每组磁阻传感器切向信号x、y向分量采用并联形式连接，假如1号传感器经过应力集中处时，根据磁记忆检测技术，它的输出电压达到最大值，根据电压串并知识，输出也会达到最大值，所以只要有钢丝绳存在应力集中，则必有一个传感器会输出最大值。

每组磁阻传感器法向信号x、y向分量采用串联形式连接，根据磁记忆检测原理，应力集中处法向分量为零，假如1号传感器测量应力集中处时，那么它的输出电压为零，根据电压串并知识，电路中电压为零处相当于断路，此时输出电压为零，只要有一个传感器检测到的法向分量为零，则输出就为零，那么此点就是应力集中区。

检测装置的长度为50mm，检测装置的外径为48mm，保护套直径为35mm，检测的钢丝绳直径为32mm，两组磁阻传感器相距8mm。将本检测装置安装在固定装置内，固定装置为内径为48±0.1mm，固定装置含有导轮(减少钢丝绳抖动；内置位移传感器，定位缺陷位置)。

磁阻传感器HMC1053安装如图5，根据图1由10个传感器环绕一周，法向分量电压信号直接由磁阻传感器输出，切向分量电压信号经过模拟乘法器加法器后输出。每组磁阻传感器切向信号x、y向分量采用并联形式连接，每组磁阻传感器法向信号z向分量采用串联形式连接。HMC1053共有16个引脚，引脚10、16是x方向电压输出，引脚4、12是y方向电压输出,引脚9、13是z方向电压输出。如图3、图4第一组磁阻传感器x方向输出电压为x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆，x₇，x₈，x₉，x₁₀，将这些电压并联输出为U_x1；第一组磁阻传感器y方向输出电压为y₁，y₂，y₃，y₄，y₅，y₆，y₇，y₈，y₉，y₁₀，将这些电压并联输出为U_y1，经过模拟乘法器输出为kU_x1 ²，kU_y1 ²，经过加法器后为切向分量合成电压U_H1 ²。第二组磁阻传感器x方向输出电压为x₁’，x₂’，x₃’，x₄’，x₅’，x₆’，x₇’，x₈’，x₉’，x₁₀’，将这些电压并联输出为U_x2；第二组磁阻传感器y方向输出电压为y₁’，y₂’，y₃’，y₄’，y₅’，y₆’，y₇’，y₈’，y₉’，y₁₀’，将这些电压并联输出为U_y2，经过模拟乘法器输出为kU_x2 ²，kU_y2 ²，经过加法器后为切向分量合成电压U_H2 ²，经过减法器时在显示器显示的切向分量输出电压U_H＝K'(U_H1 ²-U_H2 ²)(K'放大倍数)。第一组磁阻传感器测量z法向分量z₁，z₂，z₃，z₄，z₅，z₆，z₇，z₈，z₉，z₁₀，测量信号串联后U_N1，U_N2直接经过减法器时在显示器显示的法向分量输出电压为U_N＝K''(U_N1-U_N2)(K''放大倍数)(中间还有信号处理模块)，在执行软件中输入可调报警阈值U_T，阈值只针对切向分量。只有当法向分量输出经过零点，同时，切向分量达到最大值且最大值超过阈值U_T，报警器报警，否则报警器不会报警。

检测装置参数：

灵敏度：1mV/V/高斯

分辨率：120微高斯

检测范围：-6高斯—6高斯

供电电压：1.8-20V

工作温度：-40—125℃

线性度误差：≤1.8

带宽：磁信号(下限为直流)≤5MHz

干扰场：≥20高斯。

本发明钢丝绳磁记忆在线检测装置克服钢丝绳抖动和外界干扰是采用平衡和差分的方法，第一组传感器测得的切向分量与第二组传感器测得的切向分量连接到一个减法器，第一组传感器与第二组传感器法相分量连接到一个减法器，切向分量与法向分量的输出信号分别显示在显示器上。正常情况下，两组传感器输出大小相同方向相同的两个信号，经过减法器后输出为零，当钢丝绳抖动时或者有外界干扰时，两组传感器的输出信号同时增加或同时减小，输出信号经过减法器时，由于两信号任然是大小相同方向相同，所以由减法器输出的信号仍为零；在检测应力集中区时，假设第一组传感器刚好经过应力集中区，则此时第一组传感器输出信号发生变化，两组传感器输出信号经过减法器时，由于第一组传感器输出信号的突变，导致减法器输出电压变为非零，此时，如果外界有干扰或者钢丝绳发生抖动时，两组传感器的输出同样会增加或减少相同数值的信号，对输出结果仍无影响。而且由于是钢丝绳的在线检测，所以应力集中区会分别先经过第一组传感器，再经过第二组传感器，输出信号就会产生两次突变，这样就形成了二次确定应力集中区，提高对钢丝绳缺陷检测的可靠性。

与现在测量钢丝绳的装置相比，本发明具有的优点有：

①三维磁阻传感器检测漏磁信号，漏磁切向分量信号、法向分量信号全方位检测；提高检测准确性；

②三维磁阻传感器组检测阵列，实现对钢丝绳法向与切向分量全方位检测，消除测量盲区的问题；

③法向分量、切向分量由不同的输出线输出，根据切向和法向分量输出波形的变化特点，准确判断应力集中处；

④磁记忆检测技术中，根据平衡和差分结构的设计，提高了抗干扰能力，使检测装置适应恶劣环境对钢丝绳缺陷的检测；

⑤平衡和差分结构使用两组磁阻传感器，应力集中区的输出信号在显示器上会被显示两次，二次检测提高了检测的可靠性。

Claims (1)

1.钢丝绳磁记忆在线检测装置，其特征在于：包括安装在该钢丝绳上且安装方向相同的两组三维磁阻传感器、加法器、乘法器、减法器，每组三维磁阻传感器组为在同一圆周上均匀分布的8-12个三维磁阻传感器，两组三维磁阻传感器法相分量z分量串联输出后电压信号为U_N1，U_N2，两组三维磁阻传感器的切向分量x分量和y分量分别并联输出后电压信号为U_x1，U_y1，U_x2，U_y2，切向分量x分量和y分量分别经过模拟乘法器后，电压信号为kU_x1 ²，kU_y1 ²，kU_x2 ²，kU_y2 ²，k为乘法器放大倍数，两组组传感器输出电压分别再经过加法器为k'(U_x1 ²+U_y1 ²)，k'(U_x2 ²+U_y2 ²)；将k'(U_x1 ²+U_y1 ²)，k'(U_x2 ²+U_y2 ²)，k'为放大倍数，电压信号经过模拟减法器电压信号为U_H＝k''[(U_x1 ²+U_y1 ²)-(U_x2 ²+U_y2 ²)]，k"为放大倍数，将U_N1、U_N2电压信号经过模拟减法器后电压信号为U_N＝k'"(U_N1-U_N2),k'"为减法器放大倍数，U_H、U_N经过信号调理电路后以波形形式显示，设定切向分量阈值为U_T，若某时刻U_H＞U_T且U_N过零点，说明钢丝绳有缺陷，否则说明钢丝绳无缺陷。