CN106707206A - 基于gmr效应的金属磁记忆三轴阵列传感器 - Google Patents

基于gmr效应的金属磁记忆三轴阵列传感器 Download PDF

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叶辉
阎高伟
庞宇松
王峰
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    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
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Abstract

本发明涉及钢丝绳缺陷检测领域，具体涉及一种针对矿井提升机钢丝绳的基于GMR效应的金属磁记忆三轴传感器，利用巨磁阻效应和金属磁记忆技术对矿井提升机钢丝绳进行早期诊断和缺陷分析的传感器。基于GMR效应的金属磁记忆三轴阵列传感器，包括均匀分布于上层的第一圆周上的N个传感器探头和均匀分布于下层第二圆周上的N个传感器探头组成的传感器阵列、微处理器模块、存储模块、供电电源模块、信号处理模块、温度补偿模块。本发明能够更加准精确地判断钢丝绳的缺陷程度和缺陷位置。

Description

基于GMR效应的金属磁记忆三轴阵列传感器
技术领域
本发明涉及钢丝绳缺陷检测领域，具体涉及一种针对矿井提升机钢丝绳的基于GMR效应的金属磁记忆三轴传感器，利用巨磁阻效应和金属磁记忆技术对矿井提升机钢丝绳进行早期诊断和缺陷分析的传感器。
背景技术
矿井提升钢丝绳是连接提升容器与提升机的重要部件，作为井下与井上的交换途径，它在使用中受载荷冲击与频繁磨损，导致其强度下降，容易造成安全隐患和人员伤亡。传统的钢丝绳安全策略是根据经验进行人工视检或者定期更换，而钢丝绳内部的磨损、断丝往往不能及时发现。目前市场上出现的替代人工的检测方法有射线检测、涡流检测、超声波检测等方法，但它们大都需要对钢丝绳进行预处理，只能检测钢丝绳已有的磨损和缺陷，无法做到对钢丝绳的早期诊断和寿命预估。金属磁记忆技术是目前唯一的能做到对钢丝绳损伤进行早期评估的无损检测新技术。该技术不仅避免了对钢丝绳的预处理过程，也能实现在钢丝绳正常运行状态下的动态监测。金属磁记忆是指铁磁性材料在加工和运行过程中，在载荷和地磁场的共同作用下，应变集中区会发生磁畴组织不可逆的重新取向，该部位会产生磁极，在金属表面形成微弱漏磁场。巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场变化时存在巨大变化的现象，外磁场的微弱变化会引起磁性材料电阻值的显著变化。利用巨磁阻芯片的这一特性可以检测微弱的金属磁记忆漏磁信号，检测灵敏度高、功耗小、响应快，从而更加准精确地判断铁磁性材料的缺陷程度和缺陷位置。目前大多数金属磁记忆检测方法通过检测缺陷位置法相分量HP(y)过零点来判断应力集中区。虽然缺陷位置同时具有切向分量HP(x)最大值这一信号特征，但由于方向难以确定，很多检测方法中将其忽略，导致漏检、错检时有发生。因此急需一种新的检测方法通过综合判断法相分量过零点、切向分量最大值来提高钢丝绳检测的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何实现钢丝绳的早期诊断和缺陷分析。
本发明所采用的技术方案是：基于GMR效应的金属磁记忆三轴阵列传感器，包括均匀分布于上层的第一圆周上的N个传感器探头和均匀分布于下层第二圆周上的N个传感器探头组成的传感器阵列、微处理器模块、存储模块、供电电源模块、信号处理模块、温度补偿模块，第一圆周与第二圆周直径相等，第一圆周上的传感器探头与第二圆周上的传感器探头在垂直方向上下一一对应组成N个差分方式的传感器探头对，待检测的钢丝绳沿垂直于第一圆周和第二圆周方向并从中心穿过，每个传感器探头对中的每个传感器测得的信号经过信号处理模块的差分、滤波、放大后传输到微处理器模块进行A/D转换和数据分析后保存在存储模块中，N为大于等于3的整数。
本发明通过N个传感器探头组成的传感器阵列对待检测的钢丝绳进行检测，检测钢丝绳应力集中区漏磁场切平面的各个方向的磁场大小和检测钢丝绳应力集中区漏磁场法平面磁场大小，通过同时判断切向分量最大值和法相分量过零点的信号特征综合判断此位置是否有钢丝绳缺陷，微处理器模块对接受到的各个传感器进行数据分析，当发现环待检测的钢丝绳一侧一个传感器探头的法相分量过零点，并且该传感器探头切向分量值较同层其它传感器都大（有明显数据差额）时，应该对待检测的钢丝绳进行重复检查，如果待检测的钢丝绳再次检测仍然存在同样的问题，说明待检测的钢丝绳对应该传感器位置缺陷在酝酿中，应该引起警戒并做出标注。
作为一种优选方式：所述数据分析是指微处理器模块实时检测传感器探头对检测到的于钢丝绳平行方向的磁性号和与钢丝绳垂直方向的磁性号，如果于钢丝绳平行方向的磁性号为0，同时与钢丝绳垂直方向的磁性号大于等于存储模块中保存的任意一个值，说明钢丝绳有缺陷。
作为一种优选方式：每个传感器探头包括处于X轴上的第一巨磁阻磁敏元件和第一聚磁片、处于Y轴上的第二巨磁阻磁敏元件和第二聚磁片，处于Z轴上的第三巨磁阻磁敏元件和第三聚磁片，X轴、Y轴、Z轴过同一个原点并彼此垂直，第一巨磁阻磁敏元件、第一聚磁片、第二巨磁阻磁敏元件、第二聚磁片、第三巨磁阻磁敏元件、第三聚磁片安装在由高导磁率的坡莫合金制成磁屏蔽外壳中。
本发明的有益效果是：1、本发明提供的钢丝绳检测传感器根据金属磁记忆检测技术设计，由于金属磁记忆检测技术不需要提前对钢丝绳进行预处理，例如对钢丝绳进行磁化，能够避免像漏磁检测装置那样永磁体对检测构件磁化不均匀的弊端；也无需矿用提升机停机检测，满足钢丝绳在线检测的需求。本发明设计的传感器磁敏元件采用巨磁阻效应传感器SAS030，相较于霍尔传感器和电磁线圈检测，具有灵敏度高，功耗小，反应快等特点，从而更加准精确地判断钢丝绳的缺陷程度和缺陷位置。2、通过在切平面放置二维巨磁阻效应传感器，检测钢丝绳应力集中区漏磁场切平面的各个方向的磁场大小，通过信号处理电路选出其中的最大值，即为应力集中区漏磁场切向分量的值HP(x)，通过在法平面内放置一维巨磁阻效应传感器，检测钢丝绳应力集中区漏磁场法平面磁场大小，即法向分量值HP(y)，封装的三轴传感器采用分量信号单独输出，输出两路磁场信号，通过同时判断切向分量最大值和法相分量过零点的信号特征综合判断此位置是否有钢丝绳缺陷，提高了检测的准确性，避免误检和漏检的发生。3、为了消除外界干扰信号对传感器检测信号的影响，采用差分对称的方式，每两个对称放置的传感器输出一组差分放大信号，同时为了消除钢丝绳自身股波干扰，以及增大弱磁场的输出信号，采用阵列合成的方式，放置多组差分对称传感器组成闭合环状，能够根据钢丝绳直径大小，选择放置可拆卸式探头的个数，提高传感器检测的灵敏度，并且满足工业现场需求。
附图说明
图1是本发明传感探头结构图；
图2是本发明传感器横向切面图；
图3是本发明传感器纵向切面图；
图1中：1、第一巨磁阻磁敏元件，2、第一聚磁片，3、第二巨磁阻磁敏元件，4、第二聚磁片，5、第三巨磁阻磁敏元件，6、第四聚磁片，7、探头外壳，8、法平面信号输出数据线，9、切平面信号输出数据线，10、探头左侧固定螺母，11、探头右侧固定螺母，12、第一传感探头，13、第二传感探头，14、第三传感探头，15、第四传感探头，16、第五传感探头，17、第六传感探头，18、保护套，19、矿用钢丝绳，20、传感器外壳，21、微处理器模块，22、存储模块，23、电源模块，24、信号处理模块，25、温度补偿模块，26、与第一传感探头组成差分方式的第七传感探头，27、与第六传感探头组成差分方式的第十二传感探头。
具体实施方式
传感探头包括：切平面X方向巨磁阻磁敏元件（第一巨磁阻磁敏元件）1、切平面X方向聚磁片（第一聚磁片）2、切平面Y方向巨磁阻磁敏元件（第二巨磁阻磁敏元件）3、切平面Y方向聚磁片（第一聚磁片）4、法平面Z方向巨磁阻磁敏元件（第三巨磁阻磁敏元件）5、法平面Z方向聚磁片（第一聚磁片）6、探头外壳7、法平面信号输出数据线8、切平面信号输出数据线9、探头左侧固定螺母10、探头右侧固定螺母11。其中，探头外壳7由高导磁率的坡莫合金制成磁屏蔽外壳。其所述每个巨磁阻磁敏元件旁边均放置一块聚磁片，收集空间分布的微弱漏磁场，引导到检测通道中去。切平面X方向上的巨磁阻磁敏元件1与Y方向上的巨磁阻磁敏元件2通过数据线9进行数据的传输采集一组切平面数据，由微处理器模块21从这一组数据中提取出最大值，即为切向分量HP(x)的值，同时法平面Z方向上的巨磁阻磁敏元件3测得的值即为法向分量HP(y)的值。
本传感器包括：第一传感探头12、第二传感探头13、第三传感探头14、第四传感探头15、第五传感探头16、第六传感探头17、保护套18、传感器外壳20、微处理器模块21、存储模块22、供电电源模块23、信号处理模块24、温度补偿模块25、与第一传感探头组成差分方式的第七传感探头26、与第六传感探头组成差分方式的第十二传感探头电源模块27。通过左侧固定螺母10和右侧固定螺母11方便安装和拆卸探头，根据现场工作钢丝绳的直径来决定探头的位置和个数。
以上所述的各个传感探头对称成环形放置成上下两排，每两个在上下位置对称的传感探头组成差分方式，多组差分传感探头组成阵列传感器，阵列个数可以根据现场环境调节。每个传感探头测得的信号经法平面信号输出数据线8、切平面信号输出数据线9传输到信号调理模块24，进行信号的差分、滤波、放大处理，再传输至微处理器模块21进行A/D转换和数据分析，将检测得到的数据保存到存储模块22；由供电电源模块23为所述的各个传感探头、微处理器模块21、存储模块22、信号调理模块24、温度补偿模块25进行供电。
传感器器外壳直径长160mm，矿用钢丝绳运输速度为0.8m/s,钢丝绳直径为80mm，根据钢丝绳直径确定传感器的个数为3组6个。根据现场钢丝绳的型号，调整相邻传感探头之间的距离和钢丝绳之间的距离相等；将传感器安装位置固定于提升机与钢丝绳连接处，本传感器的参数：
灵敏度：26.4 mV/V/mT
分辨率： 125 μG
工作电压：1.0V≤Vcc≤15V
漂移： 6.1ppm/℃
测量范围：±6 G
工作温度范围：-15℃
频率响应：0-1MHZ
传感器器外壳直径长160mm，矿用钢丝绳运输速度为1.0m/s,钢丝绳直径为60mm，根据钢丝绳直径确定传感器的个数为4组8个。根据现场钢丝绳的型号，调整相邻传感探头之间的距离和钢丝绳之间的距离相等；将传感器安装位置固定于提升机与钢丝绳连接处，本传感器的参数：
灵敏度：40.3 mv/V/mT
分辨率： 125 μG
工作电压：1.0V≤Vcc≤15V
漂移： 1.2ppm/℃
测量范围：±6 G
工作温度范围：20℃
频率响应：0-1MHZ
本传感器器外壳直径长160mm，矿用钢丝绳运输速度为1.5m/s,钢丝绳直径为40mm，根据钢丝绳直径确定传感器的个数为6组12个。根据现场钢丝绳的型号，调整相邻传感探头之间的距离和钢丝绳之间的距离相等；将传感器安装位置固定于提升机与钢丝绳连接处，本传感器的参数：
灵敏度：32.6 mv/V/mT
分辨率： 125 μG
工作电压：1.0V≤Vcc≤15V
漂移： 3.3ppm/℃
测量范围：±6 G
工作温度范围：40℃
频率响应：0-1MHZ。
切平面X方向上的巨磁阻磁敏元件1与Y方向上的巨磁阻磁敏元件2通过数据线9进行数据的传输采集一组切平面数据，由微处理器模块21从这一组数据中提取出最大值，即为切向分量HP(x)的值，同时法平面Z方向上的巨磁阻磁敏元件3测得的值即为法向分量HP(y)的值；其所述各个传感探头的外壳上都开有左侧固定螺母10和右侧固定螺母11用来固定探头位置，各传感探头相互之间的距离和数量可以根据现场情况调整；其所述的传感器外壳20直径长160mm，矿用钢丝绳运输速度为0.8m/s—1.5m/s,钢丝绳直径为2mm—80mm，根据钢丝绳直径确定传感器的个数，各个传感探头之间的距离与相邻钢绳芯之间的距离相等，将传感器安装位置固定于提升机与钢丝绳连接处，便于钢丝绳动态在线检测。微处理器模块21采用三星公司生产的S3C6410，基于ARM11架构，移植入Linux操作系统，运用QT编程，完成信号的高速采集、通道切换和A/D转换；存储模块22用于存储测量数据、缓存数据、操作系统和启动程序；供电电源模块23为所述的各个传感探头、微处理器模块21、存储模块22、信号调理模块24、温度补偿模块25进行供电，信号调理模块24将采集到的信号滤波、放大、差分，通过制作完成PCB板进行信号的处理；温度补偿模块25可以对敏感的巨磁阻磁敏元件进行温度补偿，保证整个传感器能在合适的温度变化范围内稳定工作。本传感器的参数为：
灵敏度：40.0 mV/V/mT
分辨率： 125 μG
工作电压：1.0V≤Vcc≤15V
漂移：≤1.0ppm/℃
测量范围：±6 G
工作温度范围：-40℃—125℃
频率响应：0-1MHZ
本发明与现有技术相比，如公开号为CN102879457A，公开日为2013年1月16日的中国专利文献公开了一种金属磁记忆三维信号检测方法，在文献中提到的检测元件是霍尔传感器HMC1043，将空间三维弱磁信号分别输出，而本发明中用到检测元件是基于巨磁阻效应的SAS030芯片，采用分量号信单独输出法，输出切向分量的最大值和法相分量两路信号，进行综合对比判断，不仅提高了检测的灵敏度，而且提高了检测的准确性。

Claims (3)

1.基于GMR效应的金属磁记忆三轴阵列传感器，其特征在于：包括均匀分布于上层的第一圆周上的N个传感器探头和均匀分布于下层第二圆周上的N个传感器探头组成的传感器阵列、微处理器模块、存储模块、供电电源模块、信号处理模块、温度补偿模块，第一圆周与第二圆周直径相等，第一圆周上的传感器探头与第二圆周上的传感器探头在垂直方向上下一一对应组成N个差分方式的传感器探头对，待检测的钢丝绳沿垂直于第一圆周和第二圆周方向并从中心穿过，每个传感器探头对中的每个传感器测得的信号经过信号处理模块的差分、滤波、放大后传输到微处理器模块进行A/D转换和数据分析后保存在存储模块中，N为大于等于3的整数。
2.根据权利要求1所述的基于GMR效应的金属磁记忆三轴阵列传感器，其特征在于：所述数据分析是指微处理器模块实时检测传感器探头对检测到的于钢丝绳平行方向的磁性号和与钢丝绳垂直方向的磁性号，如果于钢丝绳平行方向的磁性号为0，同时与钢丝绳垂直方向的磁性号大于等于存储模块中保存的任意一个值，说明钢丝绳有缺陷。
3.根据权利要求1所述的基于GMR效应的金属磁记忆三轴阵列传感器，其特征在于：每个传感器探头包括处于X轴上的第一巨磁阻磁敏元件和第一聚磁片、处于Y轴上的第二巨磁阻磁敏元件和第二聚磁片，处于Z轴上的第三巨磁阻磁敏元件和第三聚磁片，X轴、Y轴、Z轴过同一个原点并彼此垂直，第一巨磁阻磁敏元件、第一聚磁片、第二巨磁阻磁敏元件、第二聚磁片、第三巨磁阻磁敏元件、第三聚磁片安装在由高导磁率的坡莫合金制成磁屏蔽外壳中。
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