CN112730602B - 生物安全柜前窗移门悬挂钢丝缺陷的检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种悬挂钢丝缺陷的检测装置和方法，装置由励磁检测传感器单元、步进电机和驱动器单元、惠斯顿电桥单元、信号处理和控制单元、滚珠丝杠副、悬挂钢丝、卡具台架组成。悬挂/标准钢丝构成的惠斯顿电桥检测悬挂钢丝阻值R偏离度，推断钢丝LMA，简单有效。钢丝LF剩磁检测：借助开合式剖分结构的剩磁传感器，间歇式静态检测模拟动态检测，克服机械与检测对传感器与钢丝间隙精度的冲突；综合磁屏蔽、聚磁和差分技术提高了LF剩磁检测的精度。
Description
技术领域
本发明属钢丝缺陷的检测技术领域。特别是指LMA通过惠斯顿电桥检测；LF采用间歇式静态剩磁检测，综合磁屏蔽、聚磁和差分技术提高检测精度的装置。
背景技术
生物安全柜是利用空气净化技术，实现物理隔离的微生物实验室安全设备；操作原代培养物、菌毒株以及诊断性标本等具有感染性的实验材料时，旨在保护操作者、实验室环境以及测试样品，使其避免暴露于实验操作时可能产生的感染性气溶胶和溅出物。SARS、H1N1、H7N9、COVID-19期间，生物安全柜是出镜率极高的明星产品；生物安全柜标准有美国NSF/ANSI49-2012、欧洲EN12469:2000和中国医药行业的YY0569-2005等。以应用普及率最高的II级生物安全柜为例，安全柜前窗的负压开口区向内吸入气流，保护操作者的安全；经高效过滤器过滤后的垂直气流，保护测试样品不受污染；排出气流则经过高效过滤器过滤后排出，保护实验室环境安全。显然，生物安全柜的核心关键技术是气流模型和气流控制，以及高效空气过滤器；现有技术条件下，HEPA过滤器高效可靠，基于数值模拟法CFD建立的气流模型拥有扎实的理论。目前，生物安全柜研究的主要方向定位在过滤器的改进、风道结构设计和气流控制的优化。
生物安全柜凭借优异的安全性，不仅在应用的广度上取得长足进步：微生物实验室和医院化验室的配置数量逐年递增。而且在应用的深度上亦取得可喜成果：风道结构的迭代优化，气流控制的持续改进，产品安全性更上一层楼，日臻完善。从系统工程的视角审视生物安全柜，商品化产品的短板是生物安全柜的辅助系统，辅助系统短板对“安全性”的负面影响亟待解决。例如，
[1]顾中秋.一种生物安全柜电动前窗失电保护装置[P].ZL201710433725.3。
[2]曾博文.一种用于控制生物安全柜开合玻璃门力度的平衡悬挂系统[P].ZL200610111921.0。
文献[1、2]关注安全柜的辅助系统--前窗移门悬挂系统，存在非微生物致病的、机械损伤的安全隐患，并且给出失电保护、控制平衡悬挂系统力度的解决方案；遗撼的是，相关研究均未涉及前窗移门悬挂系统的、钢丝缺陷的安全隐患。
基于杭州XX三甲医院2019年运维大数据，前窗移门悬挂钢丝存在机械损伤导致的安全隐患。XX医院共配置各型生物安全柜104台，统计2019年配置中心的8台安全柜，钢丝断裂亊故合计7次。必须指出，上述钢丝断裂数据是执行定期更换钢丝制度之后的数据；鉴于钢丝断裂多发，XX医院制定了定期更换制度：断裂亊故减少，但增加了维护工作量和费用。解决方案是检测悬挂钢丝的缺陷，根据钢丝状态进行更换；如此，既减少钢丝断裂亊故，又降低运维量和费用。
钢丝无损检测(Nondestructive Testing，NDT)根据原理可分为磁/非磁检测两类，其中代表性检测方法有：电磁、电流、声学、涡流、射线、光学，以及机械振动法等，工程中应用最广泛的是电磁检测法。钢丝损伤缺陷亦分为两类：局部损伤(LocalizedFault，LF)，如钢丝裂纹、气孔、划痕、局部锈蚀等等；以及金属截面积损失型损伤(Loss of MetallicCross-sectional Area，LMA)。配置中心生物安全柜悬挂钢丝的工况如下：生物安全柜安装在空调密闭空间，温度波动范围[20，25]℃；7×7悬挂钢丝绳的直径Φ＝3mm，长度L＝168mm，钢丝绳简称钢丝；使用时间≈8h/d，16h/d是少数，24h/d是应对突发亊件的个案，按医院安全规章：需定期(例如once/d)清洁生物安全柜。立足生物安全柜前窗移门悬挂系统的特定工况，权衡各种钢丝无损检测技术的优缺点，提出本申请NDT解决方案：LMA通过惠斯顿电桥检测；LF则综合磁屏蔽、聚磁和差分技术，进行间歇式静态剩磁检测。NDT解决方案的依据分析如下：
1、LMA是一个渐变过程。NDT解决方案：配置与悬挂钢丝相同规格型号、相同长度电阻的标准钢丝一根；征询钢丝生产商并借鉴理论研究成果，确定悬挂钢丝电阻偏离度阈值R_threshold；定期维护时(例如week)，惠斯顿电桥(2个精密铂电阻+悬挂/标准钢丝)检测悬挂钢丝阻值R偏离度，令标准钢丝电阻值为R0，悬挂钢丝LMA合格判据：ABS(R-R0)/R0≤R_threshold。
2、LF电磁检测本质上属动态检测。考虑到检测mm级钢丝直径上的dmm级LF，传感器与钢丝的间隙应为cmm、甚至μm级；因为传感器采集的是钢丝LF+间隙的信息，LF信号不被间隙掩盖是检测有效性的必要条件。另一方面，传感器与钢丝的间隙又是动态检测的另一必要条件。因此，机械与检测对间隙精度的要求冲突：检测要求cmm或μm，机械方面无法实现。NDT解决方案是，间歇式静态检测模拟动态检测--开合式剖分结构传感器：开状态时执行间歇运动，闭状态时执行静态电磁检测，即采集无间隙干扰信号的钢丝LF信号。
3、钢丝静止+传感器的间歇运动。由于传感器静止+驱动轮带动缠绕其上的钢丝间歇运动方案存在两个难题：钢丝首尾端相连的接头会干扰传感器的检测，导致误检，而剔除误检非易事；制作接头不可避免会对悬挂钢丝造成某种损伤，这对悬挂钢丝的继续使用是安全隐患；故提出钢丝静止+传感器间歇运动的检测方案。
4、鉴于检测对象是钢丝dmm、甚至cmm级的LF微弱磁信号，综合磁屏蔽、聚磁和差分技术提高剩磁检测的精度。励磁和检测元件采用主流的永磁励磁和霍尔元件；永磁励磁和霍尔元件分离安装、实施剩磁检测，削弱永磁励磁磁场对微弱LF磁信号的干扰；霍尔检测模块内置在磁屏蔽罩内，进一步削弱永磁励磁磁场和环境磁场对微弱的LF磁信号的干扰；霍尔检测模块借助聚磁技术汇集LF磁信号，增强霍尔元件采集的LF磁信号；采集的LF磁信号经差分处理，基于LF差分磁信号检测钢丝的LF缺陷，更进一步削弱永磁励磁磁场和环境磁场对微弱LF磁信号的干扰；摒弃并行差分转向串行差分，即霍尔元件采集的LF磁信号与前一次采集的LF磁信号差分，降低了霍尔检测单元的复杂度和成本。
钢丝NDT方面较有代表性的知识产权成果综述如下：
·发明专利“一种钢丝绳表面损伤识别及直径测量异步检测系统”(ZL2016104748383)，提出系统包括钢丝绳机器视觉识别损伤装置和钢丝绳机器视觉测量直径装置，分先后次序完成了两次检测工序。
·发明专利“一种钢丝绳损伤检测装置”(ZL2015102460860)，提出装置包括上检测部以及下检测部，上检测部与所述下检测部通过铰链连接，两部分中间留有供钢丝绳通过的空洞；外部屏蔽壳是用于保护内部的电路不受外界磁场的干扰。
·发明专利“钢丝绳脉冲电涡流无损探伤检测装置及检测方法”(ZL2016102398012)，提出脉冲电涡流无损探伤检测装置及方法。信号检测装置包括：脉冲涡流探头与霍尔传感器；脉冲方波激励信号通过脉冲涡流探头在钢丝绳内部形成涡电流和磁场，霍尔传感器接收钢丝绳的变化的磁场。
上述有益探索，是钢丝绳NDT方面研究成果的综述；遗憾的是，针对mm级直径的、生物安全柜前窗移门悬挂钢丝的NDT至今少人问津，生物安全柜前窗移门悬挂钢丝的安全需求长期得不到满足。因此，有必要在现有成果的基础上，作进一步的创新设计。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种生物安全柜前窗移门悬挂钢丝缺陷的检测装置和方法。
悬挂钢丝缺陷的检测装置，其特征在于装置由励磁检测传感器单元、步进电机和驱动器单元、惠斯顿电桥单元、信号处理和控制单元、滚珠丝杠副、悬挂钢丝、卡具台架组成；励磁检测传感器单元包括永磁励磁模块、霍尔检测模块、霍尔信号调理模块、励磁检测传感器开合模块，步进电机和驱动器单元包括驱动器模块、步进电机；
励磁检测传感器单元、步进电机和驱动器单元、惠斯顿电桥单元与信号处理和控制单元相连，惠斯顿电桥单元输出悬挂钢丝电阻值R的偏离度、即悬挂钢丝的LMA；永磁励磁模块、霍尔检测模块沿悬挂钢丝的轴线分离安装，借助励磁检测传感器开合模块进行开/合状态的转换，励磁检测传感器开合模块安装在滚珠丝杠副的螺母滑块上、与滚珠丝杠副的螺母刚性连接；步进电机和驱动器单元驱动滚珠丝杠副，滚珠丝杠副的螺母带动励磁检测传感器单元沿悬挂钢丝的轴线平移，悬挂钢丝安装在卡具台架的卡具上；励磁检测传感器单元采用开合式沿钢丝轴心的剖分结构，开状态时执行间歇运动，合状态时执行静态电磁检测，即综合磁屏蔽、聚磁和差分技术，对悬挂钢丝的LF信号进行间歇式静态剩磁检测。
所述的永磁励磁模块由第1永磁体上半环、第1永磁体下半环、第2永磁体上半环、第2永磁体下半环、周向衔铁导磁套筒上半环、周向衔铁导磁套筒下半环组成，4个永磁体半环和2个周向衔铁导磁套筒半环构成永磁励磁源；第1永磁体上半环包括铷铁硼永磁铁、坡莫合金极靴，坡莫合金极靴与铷铁硼永磁铁为同圆心的内外环，第1永磁体下半环、第2永磁体上半环、第2永磁体下半环与第1永磁体上半环相同；周向衔铁导磁套筒上半环、周向衔铁导磁套筒下半环采用DT4C电磁纯铁；永磁励磁模块采用开合式沿钢丝轴心的剖分结构，借助励磁检测传感器开合模块进行开/合状态的转换，开状态时执行间歇运动，合状态时执行永磁励磁；通过永磁励磁模块提供的励磁磁场，进行悬挂钢丝LF信号的间歇式静态剩磁检测；
霍尔检测模块由设导磁凸台的第1聚磁上半环、设导磁凸台的第1聚磁下半环、设导磁凸台的第2聚磁上半环、设导磁凸台的第2聚磁下半环、上半环霍尔元件、下半环霍尔元件、上半环磁屏蔽罩、下半环磁屏蔽罩组成；上半环霍尔元件嵌在第1聚磁上半环、第2聚磁上半环的导磁凸台中间，构成聚磁上半环的导磁桥路，下半环霍尔元件嵌在第1聚磁下半环、第2聚磁下半环的导磁凸台中间，构成聚磁下半环的导磁桥路，上半环磁屏蔽罩、下半环磁屏蔽罩构成霍尔检测模块的磁屏蔽罩，上/下半环导磁桥路整体布置在磁屏蔽罩的中心位置；霍尔元件的型号UGN3503，聚磁环采用DT4C电磁纯铁；霍尔检测模块采用开合式沿钢丝轴心的剖分结构，借助励磁检测传感器开合模块进行开/合状态的转换，开状态时执行间歇运动，合状态时执行悬挂钢丝LF信号的间歇式静态剩磁检测；
霍尔信号调理模块以第1运放、第2运放、第3运放、第4运放、第5运放为核心，运放型号OP-27；第1运放构成上半环霍尔元件的调零电路，第2运放构成上半环霍尔元件的巴特沃斯滤波器，第3运放构成下半环霍尔元件的调零电路，第4运放构成下半环霍尔元件的巴特沃斯滤波器，第5运放构成上半环霍尔元件和下半环霍尔元件的加法电路；上半环霍尔元件的UGN3503脚1接5V、脚2接地，脚3输出UH1_upper、经R312与第1运放的OP-27脚3相连，OP-27脚3经R313接地；5V经可变电阻R315、电阻R311与第1运放(310)的OP-27脚2相连，OP-27脚2经R314接脚6；取值R314/R311＝R313/R312，则UH2_upper＝R314/R311×(UH1_upper-U315)，U315是可变电阻R315输出的电压，电路调零时上半环霍尔元件上加磁屏蔽、调节可变电阻R315、使UH1_upper＝U315、即上半环霍尔元件输出的静态电压调零，撤上半环霍尔元件的磁屏蔽，调零结束转入检测；调零电路输出UH2_upper，经上半环霍尔元件的巴特沃斯滤波器输出UH3_upper；下半环霍尔元件的UGN3503信号调理与上半环霍尔元件相同，输出UH3_lower；UH3_upper、UH3_lower分别经R351、R352与第5运放的OP-27脚3相连，R353和R354相连后接OP-27脚2，R354的另一端接地，R353的另一端接OP-27脚6，取值R351＝R352、R353＝R354，则第5运放的OP-27输出UH_ul＝UH3_upper+UH3_lower；UH_ul与处理和控制单元的ATmega128脚59相连；
励磁检测传感器开合模块包括开合螺母机构和控制电路；开合螺母机构由左半螺母、右半螺母、阶梯形螺杆组成，在左半螺母上横向设计一个直径为Md1的螺纹通孔，在右半螺母上横向设计一个直径为Md2的螺纹通孔(Md2>Md1)，右半螺母螺孔的螺纹旋向与左半螺母螺孔的螺纹旋向相反；阶梯形螺杆的螺柱的设计与两个半螺母螺孔相对应，螺杆的前半部有直径为Md1的螺柱，旋向与左半螺母相同，两者配合运动；螺杆的后半部有直径为Md2的螺柱，旋向与右半螺母相同，两者配合运动；
控制电路以L9110电机驱动芯片为核心，信号处理和控制单元的ATmega128脚48、47分别与L9110脚6、7相连，L9110脚1、2分别接入电机的两端；电机的正/反转对应开合螺母机构的开合状态转换，即永磁励磁模块、霍尔检测模块开/合状态的转换。
所述的驱动器模块的型号为ZD-6560-V4；ZD-6560-V4的A+、A-、B+、B-端口分别与57型两相步进电机的A+、A-、B+、B-端口相连，ZD-6560-V4的电源+、电源-分别与24V DC的+、-端相连；ZD-6560-V4的方向+、脱机+、脉冲+端口与信号处理和控制单元的ATmega128脚24相连，ZD-6560-V4的方向-、脱机-、脉冲-端口分别与信号处理和控制单元的ATmega128脚51、50、49端口相连。
所述的惠斯顿电桥单元包括2个相同规格电阻值的精密铂电阻RPt、悬挂钢丝、标准钢丝，标准钢丝与悬挂钢丝同规格型号，与出厂时的悬挂钢丝具有相同的长度和电阻值；精密铂电阻RPt串联成电桥的a c b臂、标准钢丝与悬挂钢丝串联成电桥的a d b臂，a、b端接3.3V，c、d端分别与信号处理和控制单元的ATmega128脚61、60相连；检测悬挂钢丝阻值R偏离度、即悬挂钢丝的LMA， 悬挂钢丝阻值为R，标准钢丝阻值为R0。
所述的信号处理和控制单元以ATmega128芯片为核心，ATmega128脚59，47、48分别与霍尔信号调理模块，励磁检测传感器开合模块相连；ATmega128脚24、51、50、49与驱动器模块相连；ATmega128脚61、60分别与惠斯顿电桥单元的c、d端相连。
所述检测装置的悬挂钢丝缺陷检测方法流程，包括LMA惠斯顿电桥检测流程和LF间歇式静态剩磁检测流程；
LMA惠斯顿电桥检测流程如下：
①配置与悬挂钢丝相同规格型号、相同长度电阻值的标准钢丝R0
2个相同规格电阻值的精密铂电阻RPt
②确定悬挂钢丝电阻偏离度阈值R_threshold
③精密铂电阻RPt串联成电桥的a c b臂、标准钢丝与悬挂钢丝串联成电桥的a d b臂，a、b端接3.3V，c、d端与信号处理和控制单元相连
④根据惠斯顿电桥的输出，得悬挂钢丝的电阻值R
⑤根据悬挂钢丝LMA合格判据：ABS(R-R0)/R0≤R_threshold
判定悬挂钢丝是否合规；
LF间歇式静态剩磁检测流程如下：
1、卡具台架上安装悬挂钢丝，确定悬挂钢丝LF差分阈值DD_threshold
2、信号处理和控制单元控制
2-1励磁检测传感器单元进入开状态
2-2步进电机和驱动器单元+滚珠丝杠副使传感器单元至初始位
2-3励磁检测传感器单元进入合状态
间歇式静态剩磁检测悬挂钢丝LF初始值D(0)
3、间歇式静态剩磁检测悬挂钢丝LF，信号处理和控制单元控制
3-0令i＝1，N＝INT(L/ΔL)，L悬挂钢丝长度，ΔL间歇平移长度
3-1励磁检测传感器单元进入开状态
3-2步进电机和驱动器单元+滚珠丝杠副使传感器单元平移一个间歇步
3-3励磁检测传感器单元进入合状态
间歇式静态剩磁检测悬挂钢丝LF值D(i)
计算LF差分值DD(i)＝D(i)-D(i-1)
3-4如果i＝N，间歇式静态剩磁检测悬挂钢丝LF结束，转3-5
否则，i＝i+1，转“3-1”
3-5根据悬挂钢丝LF合格判据：ABS(DD(i))≤DD_threshold
判定悬挂钢丝是否合规。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：悬挂/标准钢丝构成的惠斯顿电桥检测悬挂钢丝阻值R偏离度，推断钢丝LMA，简单有效。钢丝LF剩磁检测：借助开合式剖分结构的剩磁传感器，间歇式静态检测模拟动态检测，克服机械与检测对传感器与钢丝间隙精度的冲突；综合磁屏蔽、聚磁和差分技术提高了LF剩磁检测的精度。
附图说明
图1(a)是悬挂钢丝缺陷检测装置的原理框图；
图1(b)是励磁检测传感器的安装图；
图1(c)是悬挂钢丝缺陷检测装置的结构图；
图2(a)是永磁励磁模块的结构图；
图2(b)是霍尔检测模块的结构图；
图2(c)是霍尔信号调理模块的电路图；
图2(d)是励磁检测传感器开合模块的开合螺母和控制电路图；
图3是驱动器模块的电路图；
图4是惠斯顿电桥单元的电路图；
图5是信号处理和控制单元的电路图。
具体实施方式
如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，悬挂钢丝缺陷的检测装置由励磁检测传感器单元10、步进电机和驱动器单元20、惠斯顿电桥单元30、信号处理和控制单元40、滚珠丝杠副50、悬挂钢丝60、卡具台架70组成；励磁检测传感器单元10包括永磁励磁模块100、霍尔检测模块200、霍尔信号调理模块300、励磁检测传感器开合模块400，步进电机和驱动器单元20包括驱动器模块500、步进电机600；
励磁检测传感器单元10、步进电机和驱动器单元20、惠斯顿电桥单元30与信号处理和控制单元40相连，惠斯顿电桥单元30输出悬挂钢丝电阻值R的偏离度、即悬挂钢丝的LMA；永磁励磁模块100、霍尔检测模块200沿悬挂钢丝60的轴线分离安装，借助励磁检测传感器开合模块400进行开/合状态的转换，励磁检测传感器开合模块400安装在滚珠丝杠副50的螺母滑块上、与滚珠丝杠副50的螺母刚性连接；步进电机和驱动器单元20驱动滚珠丝杠副50，滚珠丝杠副50的螺母带动励磁检测传感器单元10沿悬挂钢丝60的轴线平移，悬挂钢丝60安装在卡具台架70的卡具上；励磁检测传感器单元10采用开合式沿钢丝轴心的剖分结构，开状态时执行间歇运动，合状态时执行静态电磁检测，即综合磁屏蔽、聚磁和差分技术，对悬挂钢丝60的LF信号进行间歇式静态剩磁检测。
说明1：考虑表述的完整性，简述了悬挂钢丝缺陷检测装置的组成。鉴于表述简洁性，因滚珠丝杠副50、悬挂钢丝60、卡具台架70属公知知识范畴，文中只提及不展开，图1(a)中用虚线框标注，以示区别。
如图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)所示，永磁励磁模块100由第1永磁体上半环110、第1永磁体下半环120、第2永磁体上半环130、第2永磁体下半环140、周向衔铁导磁套筒上半环150、周向衔铁导磁套筒下半环160组成，4个永磁体半环和2个周向衔铁导磁套筒半环构成永磁励磁源；第1永磁体上半环110包括铷铁硼永磁铁111、坡莫合金极靴112，坡莫合金极靴112与铷铁硼永磁铁111为同圆心的内外环，第1永磁体下半环120、第2永磁体上半环130、第2永磁体下半环140与第1永磁体上半环110相同；周向衔铁导磁套筒上半环150、周向衔铁导磁套筒下半环160采用DT4C电磁纯铁；永磁励磁模块100采用开合式沿钢丝轴心的剖分结构，借助励磁检测传感器开合模块400进行开/合状态的转换，开状态时执行间歇运动，合状态时执行永磁励磁；通过永磁励磁模块100提供的励磁磁场，进行悬挂钢丝60LF信号的间歇式静态剩磁检测；
霍尔检测模块200由设导磁凸台的第1聚磁上半环210、设导磁凸台的第1聚磁下半环220、设导磁凸台的第2聚磁上半环230、设导磁凸台的第2聚磁下半环240、上半环霍尔元件250、下半环霍尔元件260、上半环磁屏蔽罩270、下半环磁屏蔽罩280组成；上半环霍尔元件250嵌在第1聚磁上半环210、第2聚磁上半环230的导磁凸台中间，构成聚磁上半环的导磁桥路，下半环霍尔元件260嵌在第1聚磁下半环220、第2聚磁下半环240的导磁凸台中间，构成聚磁下半环的导磁桥路，上半环磁屏蔽罩270、下半环磁屏蔽罩280构成霍尔检测模块200的磁屏蔽罩，上/下半环导磁桥路整体布置在磁屏蔽罩的中心位置；霍尔元件的型号UGN3503，聚磁环采用DT4C电磁纯铁；霍尔检测模块200采用开合式沿钢丝轴心的剖分结构，借助励磁检测传感器开合模块400进行开/合状态的转换，开状态时执行间歇运动，合状态时执行悬挂钢丝60LF信号的间歇式静态剩磁检测；
霍尔信号调理模块300以第1运放310、第2运放320、第3运放330、第4运放340、第5运放350为核心，运放型号OP-27；第1运放310构成上半环霍尔元件250的调零电路，第2运放320构成上半环霍尔元件250的巴特沃斯滤波器，第3运放330构成下半环霍尔元件260的调零电路，第4运放340构成下半环霍尔元件260的巴特沃斯滤波器，第5运放350构成上半环霍尔元件250和下半环霍尔元件260的加法电路；上半环霍尔元件250的UGN3503脚1接5V、脚2接地，脚3输出UH1_upper、经R312与第1运放310的OP-27脚3相连，OP-27脚3经R313接地；5V经可变电阻R315、电阻R311与第1运放310的OP-27脚2相连，OP-27脚2经R314接脚6；取值R314/R311＝R313/R312，则UH2_upper＝R314/R311×(UH1_upper-U315)，U315是可变电阻R315输出的电压，电路调零时上半环霍尔元件250上加磁屏蔽、调节可变电阻R315、使UH1_upper＝U315、即上半环霍尔元件250输出的静态电压调零，撤上半环霍尔元件250的磁屏蔽，调零结束转入检测；调零电路输出UH2_upper，经上半环霍尔元件250的巴特沃斯滤波器输出UH3_upper；下半环霍尔元件260的UGN3503信号调理与上半环霍尔元件250相同，输出UH3_lower；UH3_upper、UH3_lower分别经R351、R352与第5运放350的OP-27脚3相连，R353和R354相连后接OP-27脚2，R354的另一端接地，R353的另一端接OP-27脚6，取值R351＝R352、R353＝R354，则第5运放350的OP-27输出UH_ul＝UH3_upper+UH3_lower；UH_ul与处理和控制单元40的ATmega128脚59相连；
励磁检测传感器开合模块400包括开合螺母机构410和控制电路420；开合螺母机构410由左半螺母411、右半螺母412、阶梯形螺杆413组成，在左半螺母411上横向设计一个直径为Md1的螺纹通孔，在右半螺母412上横向设计一个直径为Md2的螺纹通孔(Md2>Md1)，右半螺母螺孔的螺纹旋向与左半螺母螺孔的螺纹旋向相反；阶梯形螺杆413的螺柱的设计与两个半螺母螺孔相对应，螺杆的前半部有直径为Md1的螺柱，旋向与左半螺母相同，两者配合运动；螺杆的后半部有直径为Md2的螺柱，旋向与右半螺母相同，两者配合运动；
控制电路420以L9110电机驱动芯片421为核心，信号处理和控制单元40的ATmega128脚48、47分别与L9110脚6、7相连，L9110脚1、2分别接入电机422的两端；电机422的正/反转对应开合螺母机构410的开合状态转换，即永磁励磁模块100、霍尔检测模块200开/合状态的转换。
说明2：霍尔信号调理模块包括上半环霍尔元件250的调理电路，下半环霍尔元件260的调理电路，两者相同；鉴于表述简洁性，文中前者详述，后者略述。考虑绘图布局，用左/右半螺母；对应安装时的上/下半螺母。
如图3所示，驱动器模块500的型号为ZD-6560-V4；ZD-6560-V4的A+、A-、B+、B-端口分别与57型两相步进电机600的A+、A-、B+、B-端口相连，ZD-6560-V4的电源+、电源-分别与24V DC的+、-端相连；ZD-6560-V4的方向+、脱机+、脉冲+端口与信号处理和控制单元40的ATmega128脚24相连，ZD-6560-V4的方向-、脱机-、脉冲-端口分别与信号处理和控制单元40的ATmega128脚51、50、49端口相连。
如图4所示，惠斯顿电桥单元30包括2个相同规格电阻值的精密铂电阻RPt、悬挂钢丝、标准钢丝，标准钢丝与悬挂钢丝同规格型号，与出厂时的悬挂钢丝具有相同的长度和电阻值；精密铂电阻RPt串联成电桥的a c b臂、标准钢丝与悬挂钢丝串联成电桥的a d b臂，a、b端接3.3V，c、d端分别与信号处理和控制单元40的ATmega128脚61、60相连；检测悬挂钢丝阻值R偏离度、即悬挂钢丝的LMA，悬挂钢丝阻值为R，标准钢丝阻值为R0。
如图5所示，信号处理和控制单元40以ATmega128芯片为核心，ATmega128脚59，47、48分别与霍尔信号调理模块300，励磁检测传感器开合模块400相连；ATmega128脚24、51、50、49与驱动器模块210相连；ATmega128脚61、60分别与惠斯顿电桥单元30的c、d端相连。
悬挂钢丝缺陷检测装置的方法流程包括LMA惠斯顿电桥检测流程和LF间歇式静态剩磁检测流程；
LMA惠斯顿电桥检测流程如下：
①配置与悬挂钢丝相同规格型号、相同长度电阻值的标准钢丝R0
2个相同规格电阻值的精密铂电阻RPt
②确定悬挂钢丝电阻偏离度阈值R_threshold
③精密铂电阻RPt串联成电桥的a c b臂、标准钢丝与悬挂钢丝串联成电桥的a d b臂，a、b端接3.3V，c、d端与信号处理和控制单元相连
④根据惠斯顿电桥的输出，得悬挂钢丝的电阻值R
⑤根据悬挂钢丝LMA合格判据：ABS(R-R0)/R0≤R_threshold
判定悬挂钢丝是否合规；
LF间歇式静态剩磁检测流程如下：
1、卡具台架上安装悬挂钢丝，确定悬挂钢丝LF差分阈值DD_threshold
2、信号处理和控制单元控制
2-1励磁检测传感器单元进入开状态
2-2步进电机和驱动器单元+滚珠丝杠副使传感器单元至初始位
2-3励磁检测传感器单元进入合状态
间歇式静态剩磁检测悬挂钢丝LF初始值D(0)
3、间歇式静态剩磁检测悬挂钢丝LF，信号处理和控制单元控制
3-0令i＝1，N＝INT(L/ΔL)，L悬挂钢丝长度，ΔL间歇平移长度
3-1励磁检测传感器单元进入开状态
3-2步进电机和驱动器单元+滚珠丝杠副使传感器单元平移一个间歇步
3-3励磁检测传感器单元进入合状态
间歇式静态剩磁检测悬挂钢丝LF值D(i)
计算LF差分值DD(i)＝D(i)-D(i-1)
3-4如果i＝N，间歇式静态剩磁检测悬挂钢丝LF结束，转3-5否则，i＝i+1，转“3-1”
3-5根据悬挂钢丝LF合格判据：ABS(DD(i))≤DD_threshold判定悬挂钢丝是否合规。
Claims (5)
1.一种悬挂钢丝缺陷的检测装置，其特征在于装置由励磁检测传感器单元（10）、步进电机和驱动器单元（20）、惠斯顿电桥单元（30）、信号处理和控制单元（40）、滚珠丝杠副（50）、悬挂钢丝（60）、卡具台架（70）组成；励磁检测传感器单元（10）包括永磁励磁模块（100）、霍尔检测模块（200）、霍尔信号调理模块（300）、励磁检测传感器开合模块（400），步进电机和驱动器单元（20）包括驱动器模块（500）、步进电机（600）；
励磁检测传感器单元（10）、步进电机和驱动器单元（20）、惠斯顿电桥单元（30）与信号处理和控制单元（40）相连，惠斯顿电桥单元（30）输出悬挂钢丝电阻值R的偏离度、即悬挂钢丝的LMA；永磁励磁模块（100）、霍尔检测模块（200）沿悬挂钢丝（60）的轴线分离安装，借助励磁检测传感器开合模块（400）进行开/合状态的转换，励磁检测传感器开合模块（400）安装在滚珠丝杠副（50）的螺母滑块上、与滚珠丝杠副（50）的螺母刚性连接；步进电机和驱动器单元（20）驱动滚珠丝杠副（50），滚珠丝杠副（50）的螺母带动励磁检测传感器单元（10）沿悬挂钢丝（60）的轴线平移，悬挂钢丝（60）安装在卡具台架（70）的卡具上；励磁检测传感器单元（10）采用开合式沿钢丝轴心的剖分结构，开状态时执行间歇运动，合状态时执行静态电磁检测，即综合磁屏蔽、聚磁和差分技术，对悬挂钢丝（60）的LF信号进行间歇式静态剩磁检测；
所述的永磁励磁模块（100）由第1永磁体上半环（110）、第1永磁体下半环（120）、第2永磁体上半环（130）、第2永磁体下半环（140）、周向衔铁导磁套筒上半环（150）、周向衔铁导磁套筒下半环（160）组成，4个永磁体半环和2个周向衔铁导磁套筒半环构成永磁励磁源；第1永磁体上半环（110）包括铷铁硼永磁铁（111）、坡莫合金极靴（112），坡莫合金极靴（112）与铷铁硼永磁铁（111）为同圆心的内外环，第1永磁体下半环（120）、第2永磁体上半环（130）、第2永磁体下半环（140）与第1永磁体上半环（110）相同；周向衔铁导磁套筒上半环（150）、周向衔铁导磁套筒下半环（160）采用DT4C电磁纯铁；永磁励磁模块（100）采用开合式沿钢丝轴心的剖分结构，借助励磁检测传感器开合模块（400）进行开/合状态的转换，开状态时执行间歇运动，合状态时执行永磁励磁；通过永磁励磁模块（100）提供的励磁磁场，进行悬挂钢丝（60）LF信号的间歇式静态剩磁检测；
霍尔检测模块（200）由设导磁凸台的第1聚磁上半环（210）、设导磁凸台的第1聚磁下半环（220）、设导磁凸台的第2聚磁上半环（230）、设导磁凸台的第2聚磁下半环（240）、上半环霍尔元件（250）、下半环霍尔元件（260）、上半环磁屏蔽罩（270）、下半环磁屏蔽罩（280）组成；上半环霍尔元件（250）嵌在第1聚磁上半环（210）、第2聚磁上半环（230）的导磁凸台中间，构成聚磁上半环的导磁桥路，下半环霍尔元件（260）嵌在第1聚磁下半环（220）、第2聚磁下半环（240）的导磁凸台中间，构成聚磁下半环的导磁桥路，上半环磁屏蔽罩（270）、下半环磁屏蔽罩（280）构成霍尔检测模块（200）的磁屏蔽罩，上/下半环导磁桥路整体布置在磁屏蔽罩的中心位置；霍尔元件的型号UGN3503，聚磁环采用DT4C电磁纯铁；霍尔检测模块（200）采用开合式沿钢丝轴心的剖分结构，借助励磁检测传感器开合模块（400）进行开/合状态的转换，开状态时执行间歇运动，合状态时执行悬挂钢丝（60）LF信号的间歇式静态剩磁检测；
霍尔信号调理模块（300）以第1运放（310）、第2运放（320）、第3运放（330）、第4运放（340）、第5运放（350）为核心，运放型号OP-27；第1运放（310）构成上半环霍尔元件（250）的调零电路，第2运放（320）构成上半环霍尔元件（250）的巴特沃斯滤波器，第3运放（330）构成下半环霍尔元件（260）的调零电路，第4运放（340）构成下半环霍尔元件（260）的巴特沃斯滤波器，第5运放（350）构成上半环霍尔元件（250）和下半环霍尔元件（260）的加法电路；上半环霍尔元件（250）的UGN3503脚1接5V、脚2接地，脚3输出UH1_upper、
经R312与第1运放（310）的OP-27脚3相连，OP-27脚3经R313接地；5V经可变电阻R315、电阻R311与第1运放（310）的OP-27脚2相连，OP-27脚2经R314接脚6；取值R314/R311= R313/R312，则UH2_upper=R314/R311 ×（UH1_upper-U315），U315是可变电阻R315输出的电压，电路调零时上半环霍尔元件（250）上加磁屏蔽、调节可变电阻R315、使UH1_upper=U315、即上半环霍尔元件（250）输出的静态电压调零，撤上半环霍尔元件（250）的磁屏蔽，调零结束转入检测；调零电路输出UH2_upper，经上半环霍尔元件（250）的巴特沃斯滤波器输出UH3_upper；下半环霍尔元件（260）的UGN3503信号调理与上半环霍尔元件（250）相同，输出UH3_lower；UH3_upper、UH3_lower分别经R351、R352与第5运放（350）的OP-27脚3相连，R353和R354相连后接OP-27脚2，R354的另一端接地，R353的另一端接OP-27脚6，取值R351=R352、R353=R354，则第5运放（350）的OP-27输出UH_ul=UH3_upper+UH3_lower；UH_ul与处理和控制单元（40）的ATmega128脚59相连；
励磁检测传感器开合模块（400）包括开合螺母机构（410）和控制电路（420）；开合螺母机构（410）由左半螺母（411）、右半螺母（412）、阶梯形螺杆（413）组成，在左半螺母（411）上横向设计一个直径为Md1的螺纹通孔，在右半螺母（412）上横向设计一个直径为Md2的螺纹通孔，Md2>Md1，右半螺母螺孔的螺纹旋向与左半螺母螺孔的螺纹旋向相反；阶梯形螺杆（413）的螺柱的设计与两个半螺母螺孔相对应，螺杆的前半部有直径为Md1的螺柱，旋向与左半螺母相同，两者配合运动；螺杆的后半部有直径为Md2的螺柱，旋向与右半螺母相同，两者配合运动；
控制电路（420）以L9110电机驱动芯片（421）为核心，信号处理和控制单元（40）的ATmega128脚48、47分别与L9110脚6、7相连，L9110脚1、2分别接入电机（422）的两端；电机（422）的正/反转对应开合螺母机构（410）的开合状态转换，即永磁励磁模块（100）、霍尔检测模块（200）开/合状态的转换。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述的驱动器模块（500）的型号为ZD-6560-V4；ZD-6560-V4的A+、A-、B+、B-端口分别与57型两相步进电机（600）的A+、A-、B+、B-端口相连，ZD-6560-V4的电源+、电源-分别与24V DC的+、-端相连；ZD-6560-V4的方向+、脱机+、脉冲+端口与信号处理和控制单元（40）的ATmega128脚24相连，ZD-6560-V4的方向-、脱机-、脉冲-端口分别与信号处理和控制单元（40）的ATmega128脚51、50、49端口相连。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述的惠斯顿电桥单元（30）包括2个相同规格电阻值的精密铂电阻RPt、悬挂钢丝、标准钢丝，标准钢丝与悬挂钢丝同规格型号，与出厂时的悬挂钢丝具有相同的长度和电阻值；精密铂电阻RPt串联成电桥的a c b臂、标准钢丝与悬挂钢丝串联成电桥的a d b臂，a、b端接3.3V，c、d端分别与信号处理和控制单元（40）的ATmega128脚61、60相连；检测悬挂钢丝阻值R偏离度、即悬挂钢丝的LMA，悬挂钢丝阻值R偏离度 ABS（R- R0）/ R0，悬挂钢丝阻值为R，标准钢丝阻值为R0。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述的信号处理和控制单元（40）以ATmega128芯片为核心，ATmega128脚59，47、48分别与霍尔信号调理模块（300），励磁检测传感器开合模块（400）相连；ATmega128脚24、51、50、49与驱动器模块（500）相连；ATmega128脚61、60分别与惠斯顿电桥单元（30）的c、d端相连。
5.一种使用如权利要求1所述检测装置的悬挂钢丝缺陷检测方法流程，包括LMA惠斯顿电桥检测流程和LF间歇式静态剩磁检测流程；
LMA惠斯顿电桥检测流程如下：
①配置与悬挂钢丝相同规格型号、相同长度电阻值的标准钢丝，标准钢丝阻值为R0
2个相同规格电阻值的精密铂电阻RPt
②确定悬挂钢丝电阻偏离度阈值R_threshold
③精密铂电阻RPt串联成电桥的a c b臂、标准钢丝与悬挂钢丝串联成电桥的a d b臂，a、b端接3.3V，c、d端与信号处理和控制单元相连
④根据惠斯顿电桥的输出，得悬挂钢丝的电阻值R
计算悬挂钢丝阻值R偏离度 ABS（R- R0）/ R0
⑤根据悬挂钢丝LMA合格判据：ABS（R- R0）/ R0 ≤R_threshold
判定悬挂钢丝是否合规；
LF间歇式静态剩磁检测流程如下：
（1）卡具台架上安装悬挂钢丝，确定悬挂钢丝LF差分阈值DD_threshold
（2）信号处理和控制单元控制
2-1励磁检测传感器单元进入开状态
2-2步进电机和驱动器单元+滚珠丝杠副使传感器单元至初始位
2-3励磁检测传感器单元进入合状态
间歇式静态剩磁检测悬挂钢丝LF初始值D（0）
（3）间歇式静态剩磁检测悬挂钢丝LF，信号处理和控制单元控制
3-0 令i=1，N=INT（L/ΔL），L悬挂钢丝长度，ΔL间歇平移长度
3-1励磁检测传感器单元进入开状态
3-2步进电机和驱动器单元+滚珠丝杠副使传感器单元平移一个间歇步
3-3励磁检测传感器单元进入合状态
间歇式静态剩磁检测悬挂钢丝LF值D（i）
计算LF差分值DD（i）= D（i）- D（i-1）
3-4如果i= N，间歇式静态剩磁检测悬挂钢丝LF结束，转3-5
否则，i=i+1，转“3-1”
3-5根据悬挂钢丝LF合格判据：ABS（DD（i））≤DD_threshold
判定悬挂钢丝是否合规。
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