CN105258827A - 一种基于双谱分析的采煤机钻具应力监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种基于双谱分析的采煤机钻具应力监测系统，包括：磁场激励模块、信号接收模块、信号处理模块、双谱分析模块、数据存储模块、处理器模块、显示模块和系统软件模块等部分；将应力积聚信息转化为漏磁场谐波信号输出，通过磁敏探头将漏磁场信号转化为电信号，并对其进行双谱分析，实现对应力的定量分析；本发明能够有效提高检测系统对漏磁场谐波信号的处理能力，实现了采煤机钻具的实时无损监测，对减少采煤机钻具断裂事故的发生，保证设备和人员的安全有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对采煤机钻具的应力监测系统，特别是一种基于双谱分析解决杂散电磁场干扰、对应力损伤进行定量评估的无损检测系统。
背景技术
钻式采煤机是适合薄煤层开采的采煤装备，薄煤层开采不仅对提高煤炭资源的利用率，降低资源浪费起到重要作用，而且有利于煤炭工业的可持续发展战略。由于煤层地质结构复杂，煤岩分界不确定，且煤层中有矸石，当钻式采煤机钻头遇到岩层或矸石时，钻具受力突然增大，应力在钻具中的连接处或缺陷处容易发生积聚，造成钻具的断裂。要解决这个问题，需要实时监测采煤机钻具的受力情况，但是到目前为止，还缺乏有效方法直接测量钻具的应力。因此，如何实时、准确地监测钻式采煤机钻具的应力状态对保证煤矿生产效率和矿井安全生产具有重要意义。
针对应力的检测，通常的检测方法可大致分为有损检测和无损检测两种方式。有损检测必须破坏材料结构，这就会对钢结构造成不必要的损伤。对于很多已经投入生产的钢结构材料，有损检测会破坏其固有构造影响受力平衡，有损检测就暴露了其在工程检测领域的局限性，已经渐渐被淘汰。因此，对应力的无损检测特别是磁测法在应力检测应用中越发凸显其重要性。在针对铁磁体材料的检测方法中，漏磁无损检测技术由于具有高可靠性、高检测效率、高自动化、无污染等特点，在铁磁体材料的应力检测、损伤评估等领域具有非常广阔的应用前景。磁检测方法(ZL01143445.7)利用铁磁性材料表面磁场强度变化来侧量其内部的应力分布，该检测信号极容易受到环境电磁干扰，影响检测的可靠性。
发明内容
本发明的目的是：为了减少采煤机钻具在采掘时，由于应力积聚突然断裂造成的损失，同时也为了解决现有检测技术中存在的问题，而设计了一种基于双谱分析的采煤机钻具应力监测系统，通过磁测应力实现对采煤机钻具的无损检测，并通过双谱分析对采煤机钻具应力积聚进行定量评估，减少采煤机钻具断裂事故的发生。
为了实现以上目的，本发明提供的技术方案如下：
本发明的一种基于双谱分析的采煤机钻具应力监测系统包括：磁场激励模块、信号接收模块、信号处理模块、双谱分析模块、数据存储模块、处理器模块、显示模块和系统软件模块等部分；所述的磁场激励模块与信号接收模块根据磁场激励信号相适配，所述信号接收模块与信号处理模块连接，所述信号处理模块与双谱分析模块连接，所述双谱分析模块与显示模块和数据存储模块连接，所述处理器模块与磁场激励模块、双谱分析模块、数据存储模块和显示模块连接，所述系统软件模块通过处理器模块实现激励信号输出、双谱耦合分析、计算应力值和实时采集绘制信号曲线等功能。本发明所述的磁场激励模块，包括：励磁线圈单元和信号发生器单元；所述的信号接收模块，包括：多路磁敏探头检测阵列单元、定位监测单元和定位编码单元；所述双谱分析模块包括：波形提取单元、双谱估计单元、对角切片单元、状态函数分析单元、定量评估单元组成；所述的系统软件模块，包括：嵌入式Linux操作系统单元、驱动程序单元、Qt/Embedded控制单元。
所述的磁场激励模块，核心在于函数信号发生器单元，为励磁线圈单元提供脉冲、正弦和直流等频率可调的激励信号，为系统提供所需用的信号源；为了保证信号的可测性，加入功率放大器对信号源信号进行放大，该放大装置具有稳定性高和失真度低的性能指标；为了保证其可调性，设计了可调电阻，调节激励大小。
所述的信号接收模块，该模块的多路磁敏探头检测阵列单元能准确检测到钻具由于裂纹、应力集中等引起的漏磁场畸变信号，检测输出漏磁场谐波在不同位置的数值大小，同时还能够根据实际情况设计多路探头提高检测的检测效率和钻具损伤的全面性；定位监测单元实现对磁敏探头的拓扑分布和定位；定位编码单元进行测距定位，将定位信息转换成电压信号输出。
所述信号处理模块，通过开闭运算和自适应处理构建开、闭滤波器，对所述在线检测信号进行第一级滤波处理，能够有效滤除频率通道外的环境磁场噪声。
所述双谱分析模块由波形提取单元、双谱估计单元、对角切片单元、状态函数分析单元和定量评估单元组成。该双谱分析模块的特征体现在三个方面：谐波提取、分析辨识和定量分析；对在线检测信号进行多尺度分解提取特征信号幅频特性，双谱估计单元采用双谱分析法对漏磁场波形信息进行处理，得到双谱估计B(w1,w2)，然后双谱对角切片单元对双谱估计进行双谱对角切片，再由定量分析单元处理切片获得评估函数J＝f(m,F,k)。有效抑制采煤机钻具检测中的多种干扰，保留漏磁场谐波信号，以便做特征性分析，提高了谐波响应精确性，同时加快信号处理的时间，确保信号处理的实时性。
所述的Qt/Embedded控制单元，软件程序中开辟了一个新的线程用于控制磁场激励模块与信号处理模块的分时工作，同时该单元主程序实现在显示模块上绘制动态曲线和人机交互平台的操作响应。
相对现有技术，本发明一种基于双谱分析的采煤机钻具应力监测系统的优点是：
1、本发明能够适应生产现场的检测环境，无需对被检对象表面进行处理，可以实现无接触，无损伤快速检测；
2、本发明设计灵活，运用函数信号发生器作为激励信号系统，能够根据不同需求产生不同的激励信号，使其在不同的环境中都能发挥作用；提供了规范性代码包，降低了程序冗余度，可自行设计检测流程，设计监控换面，提高了系统的在线性和可靠性；提供了更加友好的人机交互平台，使系统操作简便，系统运行简单、可靠，具有广泛的实用性。
3、本发明将磁测应力技术与双谱分析方法相结合，使漏磁场波形信息定量化，获得应力积聚状态的定量化参数，从而获取应力积聚定量分布函数，实现对应力损伤的定量评估，提高了检测结果的可靠性和直观性；
4、双谱分析能够有效地滤除环境噪音干扰，凸显出漏磁场的谐波频率，更好的获取漏磁场谐波信号，提高了检测系统的精确性；
附图说明
图1是本发明一种基于双谱分析的采煤机钻具应力监测系统的结构示意图。
图2是本发明磁场激励模块的组成部分。
图3是本发明信号接收模块的组成部分。
图4(a)是本发明信号处理模块的组成部分，图4(b)是本发明信号处理模块的信号前置放大单元电路图，图4(c)是本发明信号处理模块的有源滤波单元电路图。
图5(a)是本发明双谱分析模块的组成部分，图5(b)是本发明双谱分析模块的工作流程图。
图6是本发明系统软件模块的程序框架。
图中：1-磁场激励模块；2-信号接收模块；3-信号处理模块；4-双谱分析模块；5-数据存储模块；6-处理器模块；7-显示模块；8-系统软件模块；11-信号发生器单元；11A-信号发生器电源部分；11B-二极管(11B)；11C-可变电阻；11D-电容；11E-功率放大器；11F-函数信号发生器；12-励磁线圈单元；21-多路磁敏探头检测阵列单元；22-定位监测单元；23-定位编码单元；31-信号前置放大单元；32-有源滤波单元；41-波形提取单元；42-双谱估计单元；43-对角切片单元；44-状态函数分析单元；45-定量评估单元组成；81-Qt/Embedded控制单元；82-驱动程序单元；83-嵌入式Linux操作系统单元；81A-查找子单元；81B-定义子单元；81C-事件设置子单元；81D-触发子单元；81E-执行子单元。
具体实施方法
下面结合附图，对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明的一种基于双谱分析的采煤机钻具应力监测系统。主要由磁场激励模块(1)、信号接收模块(2)、信号处理模块(3)、双谱分析模块(4)、数据存储模块(5)、处理器模块(6)型号为ARM920T核心的S3C2440、显示模块(7)型号为DC10600B070_05TF/NW串口组态屏和系统软件模块(8)等部分组成；所述的磁场激励模块(1)与信号接收模块(2)根据磁场激励信号相适配，所述信号接收模块(2)与信号处理模块(3)连接，所述信号处理模块(3)与双谱分析模块(4)连接，所述双谱分析模块(4)与显示模块(7)和数据存储模块(5)通过处理器模块(6)连接，所述处理器模块(6)与磁场激励模块(1)、双谱分析模块(4)、数据存储模块(5)和显示模块(7)连接，所述系统软件模块(8)通过处理器模块(6)实现激励信号输出、双谱耦合分析、计算应力值和实时采集绘制信号曲线等功能。
如图2所示的磁场激励模块(1)由信号发生器单元(11)和励磁线圈单元(12)组成，所述的信号发生器单元(11)由信号发生器电源部分(11A)型号为S-180-12直流稳压电源、二极管(11B)型号为MELF(DO-213)、可变电阻(11C)为3296X的100K精密可调电阻、电容(11D)是耐压值为35V容量为1000uF的高频低阻液晶电解电容、功率放大器(11E)型号为TDA7294大功率DMOS运放、函数信号发生器(11F)为10MHz的Keysight(安捷伦)33120A型。
如图3所示的信号接收模块(2)由多路磁敏探头检测阵列单元(21)型号为MMC3524xPJ、定位监测单元(22)和定位编码单元(23)组成；
如图4(a)所示的信号处理模块(3)，由信号前置放大单元(31)和有源滤波单元(32)组成；如图4(b)所示的信号前置放大单元(31)由两片LM358功放分别设计为电压跟随器和电压放大器，电阻R1为10k，电容C1取值为0.1uF，电路放大倍数可通过RF进行调节；如图4(c)所示的有源滤波单元(32)由LM358功放组成四阶巴特沃兹滤波电路，电阻R2＝R3＝R6＝R9＝16k，R4＝R5＝R7＝R8＝10k，电容C2＝C3＝C4＝C5＝0.1uF。
如图5(a)所示的双谱分析模块(4)由波形提取单元(41)、双谱估计单元(42)、对角切片单元(43)、状态函数分析单元(44)、定量评估单元(45)组成；如图5(b)所示的双谱分析流程图。
如图6所示的系统软件模块(8)由Qt/Embedded控制单元(81)、驱动程序单元(82)、嵌入式Linux操作系统单元(83)组成，Qt/Embedded控制单元(81)由查找子单元(81A)、定义子单元(81B)、事件设置子单元(81C)、触发子单元(81D)、执行子单元(81E)组成。
本发明的一种基于双谱分析的采煤机钻具应力监测系统，其具体的监测过程如下：
(1)S3C2440处理器(6)通过基于Linux操作系统单元(83)编写的人机交互界面发出指令控制磁场激励模块(1)的函数信号发生器(11F)发出励磁信号，该励磁信号可以通过信号发生器选择励磁类型，并可以通过调节可变电阻(11C)改变激励信号的幅值大小，在该信号作用下，将被测完全磁化，如果钻具受力突然增大，会在裂缝或连接处产生应力积聚，在钻具周围形成漏磁场谐波信号，通过信号接收模块(2)中的多路磁敏探头检测阵列单元(21)捕获漏磁场谐波信号，并经过一定转换关系，将磁场信号转变为电信号。
(2)该电信号再经过信号处理模块(3)中的信号前置放大单元(31)的作用，对电信号进行放大处理，此过程会提升信号的频率，并产生高频噪声，再经过有源滤波单元(32)设置合适的滤波范围对信号进行一级滤波。
(3)双谱分析模块(4)在获取一级滤波之后的电信号后，会对其进行双谱处理，使该信号的高斯噪音得到有效的滤除，从而达到比较有效的抗电磁干扰的功能，而且，双谱处理后的谐波信号有很明显的二次相位耦合现象发生，这将更利于漏磁场谐波信号的特征提取。该过程具体说明如下：
波形提取单元(41)能够获取一级滤波处理后的漏磁场信号波形信息，提取信号波形信息，由于信号源是具有非高斯性质的非线性信号，所以要进行双谱分析来对信号进行量化分析；通过双谱估计单元(42)得到的双谱估计B(w1,w2)是呈对称的二维函数，可以对其进行模型简化，利用对角切片单元(43)可以对双谱估计B(w1,w2)进行对角切片分析，获得信号的一维频谱图，实现了对信号的定量分析；再由状态函数分析单元(44)获取漏磁场双谱存在的若干频率峰值F1,F2...Fn，其所对应的双谱估计值分别为：B1,B2...Bn，则漏磁场信号谐波状态频率指数k＝(F1B1+F2B2+…+FnBn)/n，获取双谱的状态频次指数m和特征性频率F，其分别表示漏磁场谐波信波形的频次峰值个数和峰值频率取归一化双谱值的峰值频率，峰值频率的双谱值的大小作为权值，得到所有谐波信号的双谱峰值频率的加权平均值，即，漏磁场波形的频率指数k，故漏磁场信号状态函数可表示为：J＝f(m,F,k)；最后由定量评估单元(45)利用力磁耦合特性对应力损伤进行定量评估。
(4)S3C2440处理器模块(6)获取双谱分析模块(4)处理后的数据信息，将其存储于数据存储模块(5)中，并将数据曲线显示在显示模块(7)的组态串口屏中，该同步显示系统由Qt/Embedded控制单元(81)在Linux操作系统单元(83)下编写而成。
本发明建立了基于双谱分析的采煤机钻具应力监测系统，通过漏磁场检测技术对采煤机钻具进行监测，实现了对采煤机钻具应力积聚的无损检测，并采用双谱分析方法对其应力积聚状态进行定量评估。本发明能够实现对采煤机应力积聚状态进行直观、定量、实时的监测，减少采煤机钻具断裂事故的发生，保证了设备和人员的安全。
Claims (4)
1.一种基于双谱分析的采煤机钻具应力监测系统，包括：磁场激励模块(1)、信号接收模块(2)、信号处理模块(3)、双谱分析模块(4)、数据存储模块(5)、处理器模块(6)、显示模块(7)和系统软件模块(8)等部分；所述的磁场激励模块(1)与信号接收模块(2)根据磁场激励信号相适配，所述信号接收模块(2)与信号处理模块(3)连接，所述信号处理模块(3)与双谱分析模块(4)连接，所述双谱分析模块(4)与显示模块(7)和数据存储模块(5)通过处理器模块(6)连接，所述处理器模块(6)与磁场激励模块(1)、双谱分析模块(4)、数据存储模块(5)和显示模块(7)连接，所述系统软件模块(8)通过处理器模块(6)实现激励信号输出、双谱耦合分析、计算应力值和实时采集绘制信号曲线等功能。
所述的磁场激励模块(1)，包括：信号发生器单元(11)和励磁线圈单元(12)；
所述的信号接收模块(2)，包括：多路磁敏探头检测阵列单元(21)、定位监测单元(22)和定位编码单元(23)；
所述信号处理模块(3)，包括：信号前置放大单元(31)和有源滤波单元(32)；
所述双谱分析模块(4)包括：波形提取单元(41)、双谱估计单元(42)、对角切片单元(43)、状态函数分析单元(44)、定量评估单元组成(45)；
所述的系统软件模块(8)，包括：Qt/Embedded控制单元(81)、驱动程序单元(82)和嵌入式Linux操作系统单元(83)。
2.根据权利要求1所述的双谱分析模块(4)，其特征在于：所述的波形提取单元(41)实现对检测信号的谐波提取；所述的双谱估计单元(42)、对角切片单元(43)、状态函数分析单元(44)实现对检测信号的分析辨识；所述的定量评估单元(45)根据力磁耦合特性实现对应力损伤的定量评估。
3.根据权利要求1所述的信号接收模块(2)，其特征在于：所述的多路磁敏探头检测阵列单元(21)根据采煤机的力学特性检测输出漏磁场谐波信号的大小及分布特性；所述的定位监测单元(22)实现对磁敏探头的拓扑分布和定位；所述的定位编码单元(23)进行测距定位，将定位信息转换成电压信号输出。
4.根据权利要求1所述的系统软件模块(8)，其特征在于：所述的Qt/Embedded控制单元(81)开辟了一个新的线程用于控制磁场激励模块(1)与信号处理模块(3)的分时工作，同时该单元主程序实现在显示模块(7)上绘制动态曲线和人机交互平台的操作响应的功能。
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