CN110108782A - 应用于斜拉索的基于磁阻效应的漏磁检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于斜拉索的基于磁阻效应的漏磁检测装置，涉及漏磁检测技术领域，采用永磁体和衔铁作为励磁装置，采用于磁阻传感器霍尼韦尔HMC2003检测漏磁信号，通过背景消磁电路、置位/复位电路、放大电路和采集电路完成对漏磁信号的处理和采集，基于微处理器实现与上位机的通信和对采集电路的控制。通过上述方式，本发明能够准确有效地探测到桥梁缆索钢丝及斜拉索中的缺陷，相比基于霍尔传感器的漏磁检测仪，本发明提出的漏磁检测方法提高了漏磁检测的精度，同时可以大大缩小磁源体积，降低机器人自动检测的移动难度，减轻对斜拉索表面造成的损伤。
Description
技术领域
本发明属于磁漏检测领域，特别涉及一种应用于斜拉索的基于磁阻效应的磁漏检测装置。
背景技术
斜拉索是斜拉桥的重要承载构件，为了保证斜拉桥的安全运行，应定期对斜拉索进行健康检测。目前关于斜拉索的检测主要方法有目视检测、无人机检测、漏磁检测、智能缆索机器人检测等。其中漏磁检测法对拉索表面清洁度要求低、缺陷检测灵敏度高，是对斜拉索进行无损检测方法之一。采用爬行机器人携带漏磁检测设备进行斜拉索自动检测的方法，避免了检测人员高空作业，具有方便、高效的特点，是桥梁病害检测的发展方向之一。
传统的漏磁检测广泛采用霍尔传感器探测漏磁信号,但基于霍尔元件的漏磁检测精度和灵敏度比较低，在斜拉索的检测过程中，笨重的磁源大大增加了机器人自动检测的移动难度，并容易造成斜拉索表面损伤。因此，如何提高斜拉索漏磁检测方法的磁场探测精度，减小磁源体积，具有非常重要的工程意义和实用价值。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述现有技术的不足，提供一种应用于斜拉索的基于磁阻效应的漏磁检测装置，解决传统漏磁检测方法中磁源体积过大的问题。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种应用于斜拉索的基于磁阻效应的漏磁检测装置，包括永磁体和衔铁构成的励磁装置、磁阻传感器、背景消磁电路、置位/复位电路、放大电路和采集电路；所述的励磁装置成U型状结构，两个永磁铁分布在U型状结构的两个侧边，衔铁分布在U型状结构的底边，所述的磁阻传感器设置在所述的U型槽内，磁阻传感器检测漏磁信号，通过背景消磁电路、置位/复位电路、放大电路和采集电路完成对漏磁信号的处理和采集，并通过微处理器实现与上位机的通信和对采集电路的控制。
作为本发明的一种改进，所述的磁阻传感器的型号为霍尼韦尔HMC2003。
作为本发明的一种改进，在没有外部磁场时，所采用磁阻传感器HMC2003输出为恒定的2.5V，当背景磁场使传感器电桥放大器的输出偏离零磁场的工作点时，通过对芯片的偏置引脚上施加电流，产生一个反向磁场以补偿背景磁场的影响。
作为本发明的一种改进，所述的磁阻传感器HMC2003内置置位/复位电路带，通过对电流带施加一个瞬时的大电流脉冲，产生一个瞬时强磁场来使其保持高灵敏度和低噪声状态。
作为本发明的一种改进，所述的放大电路选用仪表放大器AD620，通过一个外部电阻设置其增益，该仪表放大器接成差分放大形式，在两个输入端分别设置了一个一阶RC低通滤波器以进一步降低噪声，同时采用滑动电阻作为放大电路的反馈电阻实现对放大倍数的调整。
作为本发明的一种改进，所述的采集电路，选择16位模数转换器AD7606，其输入电压范围设置为±10V，四路输入分别接入Xout、Yout、Zout放大后的信号和Vref，采用SPI串行输出模式。
作为本发明的一种改进，所述的微处理器采用单片机Atmega16的微处理器电路，微处理器为采集电路提供启动采集信号和采样时钟，并接收AD7606输出的数字信号，Atmega16与AD7606的数据传输采用SPI通信方式，AD7606和Atmega16分别工作在主机模式和从机模式。
作为本发明的一种改进，漏磁检测系统启动后，写入微处理内部的程序会自动运行，初始化各硬件电路并启动对漏磁信号的检测和处理。单片机Atmega16与采集器AD7606首先进行初始化，初始化信号来自Atmega16输出的逻辑高电平，由Atmega16向置位/复位电路发送一个复位脉冲，使磁阻传感器HMC2003处于高灵敏度的工作状态，经过2s延时之后，Atmega16向AD7606的CONVST A引脚发送启动脉冲，启动数据采集，采集到的数据在("CS" )和("RD" ) /SCLK引脚的时钟控制下发送至Atmega16，经过处理后通过串口发送给上位机。
有益效果:
本发明能够准确有效地探测到桥梁缆索钢丝及斜拉索中的缺陷，相比基于霍尔传感器的漏磁检测仪，本发明提出的漏磁检测方法提高了漏磁检测的精度，同时可以大大缩小磁源体积，降低机器人自动检测的移动难度，减轻对斜拉索表面造成的损伤。
附图说明
图1是漏磁检测方法示意图；
图2是漏磁检测传感模块系统框图；
图3是背景消磁电路图；
图4是置位/复位电路图；
图5是放大电路图；
图6是采集电路图；
图7是SPI连接方式示意图；
图8是实施例1中无缺陷钢丝检测结果图；
图9是实施例1中缺陷结构示意图；
图10是实施例1中当缺陷长度相同、截面面积不同时缺陷的检测结果图；
图11是实施例1中当缺陷长度相同、截面面积不同时漏磁信号的峰峰值和缺陷截面面积的关系示意图；
图12是实施例1中当缺陷长度不同、截面面积相同时缺陷的检测结果图；
图13是实施例1中当缺陷长度不同、截面面积相同时漏磁信号的峰峰值间距和缺陷长度的关系示意图；
图14是实施例2中斜拉索试验索示意图；
图15是实施例2中钢丝束不同弧度的漏磁检测信号对比图；
附图中各部件的标记如下：1、永磁铁，2、衔铁，3、磁阻传感器，4、被测件，5、上位机，6、钢丝，7、聚酯带，8、护套。
具体实施方式
为了进一步的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例作详细的阐述。本领域的技术人员应得知，在不违背本发明精神前提下所做出的优选和改进均落入本发明的保护范围，对于本领域的常规手段和惯用技术在本具体实施例中不做详细记载和说明。
如图1到图7所示的一种应用于斜拉索的基于磁阻效应的漏磁检测装置，包括永磁体和衔铁构成的励磁装置、磁阻传感器、背景消磁电路、置位/复位电路、放大电路和采集电路；所述的励磁装置成U型状结构，两个永磁铁分布在U型状结构的两个侧边，衔铁分布在U型状结构的底边，所述的磁阻传感器设置在所述的U型槽内，磁阻传感器检测漏磁信号，通过背景消磁电路、置位/复位电路、放大电路和采集电路完成对漏磁信号的处理和采集，并通过微处理器实现与上位机的通信和对采集电路的控制。
所述的磁阻传感器的型号为霍尼韦尔HMC2003。在没有外部磁场时，所采用磁阻传感器HMC2003输出为恒定的2.5V，当背景磁场使传感器电桥放大器的输出偏离零磁场的工作点时，通过对芯片的偏置引脚上施加电流，产生一个反向磁场以补偿背景磁场的影响。
所述的磁阻传感器HMC2003内置置位/复位电路带，通过对电流带施加一个瞬时的大电流脉冲，产生一个瞬时强磁场来使其保持高灵敏度和低噪声状态。
所述的放大电路选用仪表放大器AD620，通过一个外部电阻设置其增益，该仪表放大器接成差分放大形式，在两个输入端分别设置了一个一阶RC低通滤波器以进一步降低噪声，同时采用滑动电阻作为放大电路的反馈电阻实现对放大倍数的调整。
所述的采集电路，选择16位模数转换器AD7606，其输入电压范围设置为±10V，四路输入分别接入Xout、Yout、Zout放大后的信号和Vref，采用SPI串行输出模式。
所述的微处理器采用单片机Atmega16的微处理器电路，微处理器为采集电路提供启动采集信号和采样时钟，并接收AD7606输出的数字信号，Atmega16与AD7606的数据传输采用SPI通信方式，AD7606和Atmega16分别工作在主机模式和从机模式。
漏磁检测系统启动后，写入微处理内部的程序会自动运行，初始化各硬件电路并启动对漏磁信号的检测和处理。单片机Atmega16与采集器AD7606首先进行初始化，初始化信号来自Atmega16输出的逻辑高电平，由Atmega16向置位/复位电路发送一个复位脉冲，使磁阻传感器HMC2003处于高灵敏度的工作状态，经过2s延时之后，Atmega16向AD7606的CONVST A引脚发送启动脉冲，启动数据采集，采集到的数据在("CS" )和("RD" ) /SCLK引脚的时钟控制下发送至Atmega16，经过处理后通过串口发送给上位机。
实施例1：单根钢丝检测试验
选用直径为7mm的桥梁缆索钢丝为检测对象，使用磁阻漏磁检测仪沿着无缺陷钢丝的轴向方向进行检测。磁阻传感器与钢丝表面的距离约为2mm，检测到的漏磁信号见附图8。可以看出磁阻漏磁检测方法的等效噪声磁场小于±0.05Gauss,能够应用于微弱的漏磁场信号检测。相比于传统的基于霍尔元件的漏磁检测仪，基于磁阻传感器的漏磁检测方法的磁场探测精确更高且可大大缩小磁源体积。
在桥梁缆索钢丝上制作4个长度为4mm，深度分别为1mm、2mm、3mm、4mm的缺陷，4个缺陷的中心沿轴线方向均相距50mm，见附图9。使用磁阻漏磁检测仪沿着有缺陷钢丝的轴向方向进行检测，分析缺陷长度和缺陷截面面积对漏磁信号的影响，得到的漏磁信号见附图10。
通过检测试验发现，磁阻漏磁检测方法结果能够快速的定位缺陷在钢丝上的轴向位置，漏磁信号的峰峰值随着缺陷截面积的增加而增加。漏磁信号的峰峰值和缺陷截面面积的关系见附图11。
在桥梁缆索钢丝上制作4个深度为3mm、长度分别为5mm、10mm、15mm、20mm的缺陷，4个缺陷的中心沿轴线方向均相距50mm。试验发现，漏磁信号的峰峰值随着缺陷长度的增加变化比较缓慢，但是漏磁信号的峰峰值距离与缺陷长度呈现明显的线性关系，缺陷长度直接影响漏磁信号的峰峰值间距见附图12。漏磁信号的峰峰值距离和缺陷长度的关系见附图13。
实施例2：斜拉索试验检测
将基于磁阻效应的漏磁检测方法应用到斜拉索检测，制作斜拉索试验索见附图14，斜拉索由37根直径为7mm 的桥梁缆索钢丝组成，在钢丝外表面缠绕聚酯带并外挤HDPE护套。在缆索钢丝上人为制作长度为20mm、深度为4mm的缺陷，并分别预埋于图中位置1、2、3、4处制作了四根试验索，缆索钢丝上的缺陷正对径向0°方向。
使用基于磁阻传感器HMC2003的漏磁检测仪分别对四根试验索的漏磁信号进行了试验测试，测试位置选择缆索轴向上漏磁信号最强的切面，在此切面弧度-30°~30°的范围内检测漏磁检测信号，见附图14。不同弧度的漏磁信号对比情况见附图15。
可以看出，4根试验索均在0°径向方向具有最强的漏磁信号，沿着圆弧面距离0°方向越远位置，漏磁信号越弱，且埋藏深度越浅，漏磁信号越强，沿着圆弧面的漏磁信号衰减越快。
通过上述两个实施例来验证基于磁阻效应漏磁检测方法应用于斜拉索病害检查的效果，可以看出，通过进一步定量分析，可以将基于磁阻传感器的漏磁方法应用于钢丝束内部的缺陷检测。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种应用于斜拉索的基于磁阻效应的漏磁检测装置，其特征在于：包括永磁体和衔铁构成的励磁装置、磁阻传感器、背景消磁电路、置位/复位电路、放大电路和采集电路；所述的励磁装置成U型状结构，两个永磁铁分布在U型状结构的两个侧边，衔铁分布在U型状结构的底边，所述的磁阻传感器设置在所述的U型槽内，磁阻传感器检测漏磁信号，通过背景消磁电路、置位/复位电路、放大电路和采集电路完成对漏磁信号的处理和采集，并通过微处理器实现与上位机的通信和对采集电路的控制。
2.根据权利要求1所述的应用于斜拉索的基于磁阻效应的漏磁检测装置，其特征在于：所述的磁阻传感器的型号为霍尼韦尔HMC2003。
3.根据权利要求2所述的应用于斜拉索的基于磁阻效应的漏磁检测装置，其特征在于：在没有外部磁场时，所采用磁阻传感器HMC2003输出为恒定的2.5V，当背景磁场使传感器电桥放大器的输出偏离零磁场的工作点时，通过对芯片的偏置引脚上施加电流，产生一个反向磁场以补偿背景磁场的影响。
4.根据权利要求2所述的应用于斜拉索的基于磁阻效应的漏磁检测装置，其特征在于：所述的磁阻传感器HMC2003内置置位/复位电路带，通过对电流带施加一个瞬时的大电流脉冲，产生一个瞬时强磁场来使其保持高灵敏度和低噪声状态。
5.根据权利要求1或2所述的应用于斜拉索的基于磁阻效应的漏磁检测装置，其特征在于：所述的放大电路选用仪表放大器AD620，通过一个外部电阻设置其增益，该仪表放大器接成差分放大形式，在两个输入端分别设置了一个一阶RC低通滤波器以进一步降低噪声，同时采用滑动电阻作为放大电路的反馈电阻实现对放大倍数的调整。
6.根据权利要求1或2所述的应用于斜拉索的基于磁阻效应的漏磁检测装置，其特征在于：所述的采集电路，选择16位模数转换器AD7606，其输入电压范围设置为±10V，四路输入分别接入Xout、Yout、Zout放大后的信号和Vref，采用SPI串行输出模式。
7.根据权利要求5所述的应用于斜拉索的基于磁阻效应的漏磁检测装置，其特征在于：所述的微处理器采用单片机Atmega16的微处理器电路，微处理器为采集电路提供启动采集信号和采样时钟，并接收AD7606输出的数字信号，Atmega16与AD7606的数据传输采用SPI通信方式，AD7606和Atmega16分别工作在主机模式和从机模式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190809 |