CN108776171A - 基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置，由导轮，轴，支杆，螺丝，上下对称剖分式可拆卸传感器外壳，钢丝绳通孔，钢圈，导线通孔，极靴，环形永磁体，衬体，霍尔元件阵列，聚磁器，钢丝绳，360度可见光摄像头，固定框架组成。工作时将待测钢丝绳通过通孔，传感装置通过前后一对导轮在钢丝绳上移动检测。以多回路励磁电磁检测结合图像分析为检测方法。采用多回路磁化励磁对钢丝绳进行磁化。使钢丝绳内达到一定磁感应强度值。通过测量钢丝绳有缺陷和无缺陷时周围空气中磁感应强度差值来判断钢丝绳损伤类别及程度。同时，360度可见光摄像头采集钢丝绳的视觉图像传输至计算机进行图像分析。
Description
技术领域
本发明属于钢丝绳缺陷无损检测技术领域，具体涉及基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置。
背景技术
钢丝绳一般是由许多单根高强度钢丝绕在一起形成股，再由数条绳股围绕一个绳芯编绕而成。它具有强度高、弹性好、能承受冲击、过载能力强、即使高速工作也平稳无噪音等优点。在起重、矿山和船舶设备作业环节中扮演着重要的角色。但是，在其作业过程中难免会被磨损甚断裂，严重影响着现场工作人员的安全。因此研制一种钢丝绳状态检测设备变得极其重要。
在现有钢丝绳检测中，基于漏磁原理的无损电磁检测法是公认的最实用的检测方法。但是受钢丝绳检测环境和绳股结构的影响，现有的漏磁无损检测法难以使钢丝绳达到预期的饱和磁化状态。其检测结果可靠度低通常由于受环境的影响以及钢丝绳的摆动，使得钢丝绳均匀磁化效果较差，钢丝绳内某些部分达不到磁饱和，输出不同幅度的信号，造成后续信号定量识别困难。且检测装置笨重，体积大，十分不方便在钢丝绳上移动检测。
针对上述问题，本发明设计了基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置，该装置在实际操作时，无需将钢丝绳磁化至饱和状态，不仅可以减少传感器体积与重量，方便传感器在钢丝绳上的移动，而且可在钢丝绳上获得均匀磁化场。同时，采用图像分析系统将视觉图像与磁检测信号进行对比，更深入的分析钢丝绳的损伤状况。在复杂的工况环境下实现高效率、高精度、低误判率的检测效果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于以多回路励磁电磁检测结合图像分析为主要检测方法。采用多回路励磁法使钢丝绳内达到一定磁感应强度值，通过测量钢丝绳缺陷和无缺陷时周围空气中磁感应强度差值来实现无损判断钢丝绳损伤类别及程度；然后采用图像分析系统将视觉图像通过数字式通信接口将图像传输至计算机，通过MATLAB软件对采集图像进行分析，与磁检测信号进行对比，更深入的分析钢丝绳的损伤状况。多回路磁化方式采用环形永磁体构成多回路磁化励磁对钢丝绳进行磁化，采用聚磁器收集、均化、导向空间分布的漏磁场，由霍尔元件阵列进行数据差分，测量空间漏磁场的一个平均量。
本发明通过以下技术方案实现：基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置，装置整体图如图1所示，截面图如图2所示，外观图如图5所示，其特征在于：由导轮(1)，轴(2)，支杆(3)，螺丝(4)，上下对称剖分式可拆卸传感器外壳(5)，钢丝绳通孔(6)，钢圈(7)，螺丝(8)，导线通孔(9)，极靴(10)，环形永磁体(11)，衬体(12)，霍尔元件阵列(13)，聚磁器(14)，钢丝绳(15)，360度可见光摄像头(16)，固定框架(17)组成；其中：导轮(1)可在钢丝绳自由滑动，便于在悬空钢丝绳上移动测量，通过可调整导轮高度的轴(2)连接到支杆(3)上；支杆(3)通过螺丝(4)与上下对称剖分式可拆卸传感器外壳(5)固定；360度可见光摄像头(16)固定在传感装置的固定框架(17)上；可拆卸感器外壳(5)通过钢圈(7)和螺丝(8)加以固定；通孔(6)用于放置待检测的钢丝绳；通孔(9)用于引入电源线和引出信号线，将霍尔元件测得磁场信号提供给后续电路；在传感器内部，为避免趋肤效应，采用两对左右上下对称，且左右磁极方向相同的环形永磁体(11)构成的多回路磁化励磁对钢丝绳(15)进行磁化；采用聚磁器(14)收集、均化、导向空间分布的漏磁场，并将其引导到霍尔元件阵列(13)的检测通路中去，使得由霍尔元件阵列(13)测量空间漏磁场的一个平均量；霍尔元件阵列(13)采用双排布置差动处理的方法；同时，360度可见光摄像头(16)采集钢丝绳的视觉图像，采用图像分析系统将视觉图像与磁检测信号进行对比，更深入的分析钢丝绳的损伤状况。
所述传感器结构中，霍尔元件阵列(13)包含两列Ⅰ型霍尔元件阵列，分别在上、下半圆各布置一列；与钢丝绳为距离5mm，采用双排布置差动处理的方法，进行数据差分、相位比较处理，用于检测钢丝绳截面积的变化量。每对霍尔元件，分别都面对面或背对背放置，然后将两路信号进行差分，从而大大提高检测精度与仪器的抗干扰性能。
所述传感器结构中，聚磁器(14)沿钢丝绳圆周方向均匀分布，收集、均化、导向空间分布的漏磁场，将其引导到霍尔元件阵列(13)的检测通路中去。
所述传感器结构中，图像分析系统框图如图4所示：360度可见光摄像头(16)通过数字式通信接口将图像传输至计算机，使用MATLAB软件，先对整个图形进行二值化处理，若存在缺陷，则得到以两条白线为中心的缺陷位置，再对图像膨胀处理，最后对缺陷边缘提取。
所述传感器结构中，多回路励磁原理如图3所示：要获取缺陷信息，首先要对钢丝绳进行磁化。采用多个扇形拼接径向充磁方式对钢丝绳进行励磁，钢丝绳左右两个环形永磁体磁极方向相同，使得钢丝绳(15)、衬体(12)与环形永磁体(11)之间分别建立两个磁通回路，两个磁通回路的励磁参数保持一致，两个磁路的磁感应强度大小相等，方向相反。通过多回路磁化方式使钢丝绳内达到一定磁感应强度值。当钢丝绳无缺陷时，钢丝绳及其周围空气中磁感应强度值将达到一个稳定的状态。当钢丝绳发生断丝、磨损等损伤时，将会打破此稳定状态，钢丝绳周围空气中磁感应强度值将发生改变。通过测量钢丝绳缺陷和无缺陷时周围空气中磁感应强度差值来判断钢丝绳损伤类别及程度。
当传感器通过钢丝绳时，多回路励磁机构磁化钢丝绳，每根钢丝绳的断丝、磨损等缺陷产生的磁力线畸变，形成向空间扩散的漏磁场，不同缺陷的漏磁场各不相同。相邻钢丝绳各自产生的漏磁场又会相互交叉。为要保证不漏检，本发明采用聚磁技术来检测钢丝绳漏磁场。
所述传感器结构中，聚磁检测技术是通过聚磁器(14)来实现的。聚磁技术原理如下：磁场B受聚磁器(14)作用后重新分布，使得磁力线大量集聚到霍尔元件前后两个端面。霍尔元件敏感面积上的磁感应强度成倍增加，其上输入输出关系为:
VA(x)＝kckhI[B(x)+B0] (1)
式中kh——表示霍尔元件灵敏度系数；
kc——表示聚磁系数；
I——表示霍尔元件工作恒流源；
B0——表示磁化场极靴间泄漏磁感应强度；
Bx——表示断丝漏磁场磁感应强度；
所述传感器结构中，霍尔元件检测原理为：霍尔元件是一种由矩阵半导体薄片材料构成且基于霍尔效应原理工作的检测元件，当对霍尔元件通电时有外加磁场通过其垂直方向，该元件会产生霍尔电势，该电势与电流、磁场强度成正比。在磁场中,其输出的霍尔电压为：
其中Kh为霍尔常数；Ic为输入的控制电流；B为磁场的磁感应程度；为磁感应强度的方向和霍尔元件工作面之间的夹角。将把霍尔元件垂直钢丝绳表面放置，可以消除对霍尔电压的影响由公式可得，当采用一定的控制电流时，霍尔电压和磁感应强度成正比。因此对漏磁场进行检测时，可以根据霍尔电压的大小判断漏磁场的大小进而判定钢丝绳的缺陷情况。
本发明的有益效果是：本发明是以多回路励磁电磁检测结合图像分析为检测方法。其中，环形永磁体采用多块扇形拼接径向充磁方式，构成多回路磁化励磁对钢丝绳进行磁化。此方法能够改善传统的平行充磁方式使得钢丝绳磁化不均等现象。通过测量钢丝绳缺陷和无缺陷时周围空气中磁感应强度差值来判断钢丝绳损伤类别及程度。该方法不需要将钢丝绳磁化至饱和状态，对磁化装置的材料、结构要求也不高，能减少传感器体积与重量，且易于在工程中实现钢丝绳内外部缺陷的量化。
本发明装置两侧安装有高度可调节的一对导轮，在工程中便于装置在悬空钢丝绳上的移动测量，方便测量。
本发明的传感器外壳和内部结构均采用上下对称剖分式结构，该结构方便拆卸及对传感器进行调整，便于实现对钢丝绳的在线检测。
本发明采用聚磁器(14)收集、均化、导向空间分布的漏磁场，并将其引导到霍尔元件阵列(13)的检测通路中去，使得一方面可以减少布置的霍尔元件的数目；另一方面可以提高输出信号的信噪比及灵敏度，为后续预处理电路设计减少麻烦。
本发明采用的霍尔元件阵列(13)包含两列Ⅰ型霍尔元件阵列，分别在上、下半圆各布置一列；与钢丝绳为距离5mm，采用双排布置差动处理的方法。每对霍尔元件，两元件面对面或背对背放置，然后将两路信号进行差分，从而消除千扰信号对检测信号的影响，便于增大信噪比以提取缺陷信息。
本发明采用360度可见光摄像头(16)采集钢丝绳的视觉图像，将图像通过数字式通信接口上传至计算机使用MATLAB软件分析。将视觉图像与磁检测信号进行对比，更深入的分析钢丝绳的损伤状况。
综上，基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置，测量方便，便于携带，且测量精确度较高，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。
附图说明
图1是基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置结构示意图。
图2是传感装置截面详细示意图。
图3是多回路励磁原理示意图。
图4是数字图像分析的系统框图。
图5是基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置外观示意图。
具体实施方式
装置整体图如图1所示，截面图如图2所示，外观图如图5所示：基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置，由导轮(1)，轴(2)，支杆(3)，螺丝(4)，上下对称剖分式传感器外壳(5)，钢丝绳通孔(6)，钢圈(7)，螺丝(8)，导线通孔(9)，极靴(10)，环形永磁体(11)，衬体(12)，霍尔元件阵列(13)，聚磁器(14)，钢丝绳(15)组成，360度可见光摄像头(16)和固定框架(17)组成；其中：左右两个环形永磁体(11)磁极方向相同被分别充磁后，与衬体(12)，极靴(10)按图2所示结构连接，构成上下对称剖分式结构。霍尔元件阵列(13)包含两列Ⅰ型霍尔元件阵列，分别在上、下半圆各布置一列；与钢丝绳为距离5mm，采用双排布置差动处理的方法，进行数据差分、相位比较处理，用于检测钢丝绳截面积的变化量。每对霍尔元件,分别都面对面或背对背放置,然后将两路信号进行差分,从而大大提高检测精度与仪器的抗干扰性能，消除千扰信号对检测信号的影响，增大信噪比以提取缺陷信息。聚磁器(14)按图2所示位置沿钢丝绳圆周方向均匀分布。上诉元件在通过强力胶黏合在一起，与传感器外壳(5)形成上下剖分式的圆环体结构，其中外壳可拆卸。导轮(1)通过可调整导轮高度的轴(2)连接到支杆(3)上；支杆(3)通过螺丝(4)与上下对称剖分式可拆卸传感器外壳(5)固定；360度可见光摄像头(16)固定在传感装置的固定框架(17)上；可拆卸感器外壳(5)通过钢圈(7)和螺丝(8)加以固定；通孔(6)用于放置待检测的钢丝绳；通孔(9)用于引入电源线和引出信号线，将霍尔元件测得磁场信号提供给后续电路。
工作示意图如图1所示：在实际工程中时，将传感器外壳通过钢圈和螺丝固定，并将导轮安装完成后，将待测钢丝绳通过通孔，传感装置通过前后一对导轮在钢丝绳上移动，进行检测。钢丝绳被包围在该圆环体内，为避免趋肤效应，采用两对左右上下对称，且左右磁极方向相同的环形永磁体(11)采用拼接径向充磁方式对对钢丝绳(15)进行励磁，原理图如图3所示，在钢丝绳(15)、衬体(12)与环形永磁体(11)之间分别建立两个磁通回路，两个磁通回路的励磁参数保持一致，两个磁路的磁感应强度大小相等，方向相反，构成多回路磁化励磁对钢丝绳(15)进行磁化，使钢丝绳内达到一定磁感应强度值。同时360度可见光摄像头(16)在装置前进过程中采集钢丝绳的图像，将视觉图像与磁检测信号进行对比。当钢丝绳无缺陷时，钢丝绳及其周围空气中磁感应强度值将达到一个稳定的状态。当钢丝绳上出现断丝、磨损等缺陷时，其磁化产生的磁力线会发生畸变，将会打破此稳定状态，钢丝绳周围空气中磁感应强度值将发生改变。采用聚磁器(14)收集、均化、导向空间分布的漏磁场，并将其引导到霍尔元件阵列(13)的检测通路中去。霍尔元件阵列(13)采用双排布置差动处理的方法，进一步提高了测量精确度。其检测信号通过传感装置上的通孔供给后续电路。通过测量钢丝绳缺陷和无缺陷时周围空气中磁感应强度差值来判断钢丝绳损伤类别及程度。同时，如图4所示的图像分析系统框图，360度可见光摄像头(16)通过数字式通信接口将图像传输至计算机，使用MATLAB软件对采集图像进行分析得到缺陷信息，具体操作为：先对整个图形进行二值化处理，得到以两条白线为中心的缺陷位置，再对图像膨胀处理，最后对缺陷边缘提取。结合漏磁检测与图像分析系统，实现复杂的工况环境下达到高效率、高精度、低误判率的检测效果。
Claims (5)
1.基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置，由导轮(1)，轴(2)，支杆(3)，螺丝(4)，上下对称剖分式可拆卸传感器外壳(5)，钢丝绳通孔(6)，钢圈(7)，螺丝(8)，导线通孔(9)，极靴(10)，环形永磁体(11)，衬体(12)，霍尔元件阵列(13)，聚磁器(14)，钢丝绳(15)，360度可见光摄像头(16)，固定框架(17)组成；其特征在于：左右两个环形永磁体(11)与衬体(12)、极靴(10)、霍尔元件(13)和聚磁器(14)黏合在一起，与上下对称剖分式可拆卸传感器外壳(5)形成上下剖分式的圆环体结构，其中外壳可拆卸；导轮(1)通过可调整导轮高度的轴(2)连接到支杆(3)上，支杆(3)通过螺丝(4)与上下对称剖分式可拆卸传感器外壳(5)固定；360度可见光摄像头(16)固定在传感装置的固定框架(17)上；上下对称剖分式可拆卸传感器外壳(5)通过钢圈(7)和螺丝(8)加以固定；通孔(6)用于放置待检测的钢丝绳，通孔(9)用于引入电源线和引出信号线，将霍尔元件阵列(13)测得磁场信号提供给后续电路；以多回路励磁电磁检测结合图像分析为检测方法；用两对左右上下对称，且左右磁极方向相同的环形永磁体(11)拼接径向充磁方式对钢丝绳进行励磁，构成多回路磁化励磁对钢丝绳(15)进行磁化；使钢丝绳内达到一定磁感应强度值；通过测量钢丝绳缺陷和无缺陷时周围空气中磁感应强度差值来实现无损判断钢丝绳损伤类别及程度；同时，采用360度可见光摄像头(16)采集钢丝绳的视觉图像，通过数字式通信接口将图像传输至计算机进行图像分析。
2.根据权利要求1所述的基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置，其特征在于：聚磁器(14)沿钢丝绳圆周方向均匀分布；收集、均化、导向空间分布的漏磁场，并将其引导到霍尔元件阵列的检测通路中去。
3.根据权利要求1所述的基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置，其特征在于：霍尔元件阵列(13)包含两列Ⅰ型霍尔元件阵列，分别在上、下半圆各布置一列；与钢丝绳为距离5mm，采用双排布置差动处理的方法。
4.根据权利要求1所述的基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置，其特征在于：在钢丝绳(15)、衬体(12)与环形永磁体(11)之间分别建立两个磁通回路；两个磁通回路的励磁参数保持一致，两个磁路的磁感应强度大小相等，方向相反。
5.根据权利要求1所述的基于多回路励磁和图像分析的钢丝绳无损探伤传感装置，其特征在于：360度可见光摄像头(16)通过数字式通信接口将图像传输至计算机，先对整个图形进行二值化处理，若存在缺陷，则得到以两条白线为中心的缺陷位置，再对图像膨胀处理，最后对缺陷边缘提取。
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