CN113567540B - 一种钢丝绳无损检测设备、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢丝绳无损检测设备、系统及方法，属于无损检测领域。本发明设备包括第一磁铁单元和第二磁铁单元，第一磁铁单元与第二磁铁单元相对设置，第一磁铁单元设有NV色心量子传感器。本发明系统包括钢丝绳无损检测设备和光路处理箱，光路处理箱与钢丝绳无损检测设备连接。本发明方法为将钢丝绳置于空腔内，而后行导轮引导移动钢丝绳，同时NV色心量子传感器和行程传感器采集数据；NV色心量子传感器和行程传感器将采集的数据传送至光路处理箱，光路处理箱对数据进行处理得到检测结果。本发明克服了现有技术中，钢丝绳无损检测的精度不高的不足，本发明通过对钢丝绳进行高精度测量，可实现对钢丝绳的高精度无损检测。

Description

一种钢丝绳无损检测设备、系统及方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，更具体地说，涉及一种钢丝绳无损检测设备、系统及方法。

背景技术

钢丝绳一般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、自重轻、弹性好、能承受冲击、过载能力强、即使高速工作也平稳无噪声、不会突然断裂等优点，一直作为绕性构件与滑轮、卷筒构成升、变幅等机构。由于种种原因，使一些钢丝绳在使用过程中过早损伤或破断，通过钢丝绳无损检测，及时得到检测数据，通过检测数据，反映出钢丝绳的破断拉力，与实际工况作对比，判定钢丝绳的安全性，对保证安全生产、提高工作效率和经济效益等都具有重要的意义。

量子精密测量是利用量子系统，量子性质或者量子现象对物理量进行测量的技术。近年来作为量子科学技术的一个分支，量子精密测量技术飞速发展，它具有灵敏度高、分辨率高可溯源等一系列有点，除了对基本物理参数进行测量外，量子精密测量技术在材料、能源、军工、医疗等领域均有这重大应用。

钢丝绳无损检测技术经过几十年的发展，经过大量的试验和探索，目前已经提出了多种钢丝绳的损伤检测方法。例如发明创造名称为：一种基于TMR磁传感器的钢丝绳无损探伤装置(申请日：2018年8月1日；申请号：201810859883.X)，该方案公开了一种基于TMR磁传感器的钢丝绳无损探伤装置，属于无损探伤领域。包括一对衔铁、两对永磁体、至少一对TMR磁传感器、滚动轴、待测段钢丝绳和一对编码器。TMR磁传感器放置待测段钢丝绳的两侧且位于一对衔铁的下方，成对称结构，其磁化方向都垂直于待测段钢丝绳，两对永磁体放置在待测段钢丝绳的两侧且和一对衔铁的两边相连接，以磁化方向相反的方式成对称方式放置，待测段钢丝绳放置在两TMR磁传感器中间且绕在滚动轴上，TMR磁传感器用于检测待测段钢丝绳所产生的漏磁场，并根据漏磁场的信号判断钢丝绳损伤程度。一对编码器装在两对永磁体左侧，该方案在提高漏磁检测信号强度的同时可以准确的显示钢丝绳损伤位置，具有很好的实用性和推广性。但是，该方案的不足之处在于：钢丝绳无损检测精度不高，进而导致钢丝绳无损检测的准确性不高。

综上所述，如何提高钢丝绳无损检测的精度，是现有技术亟需解决的问题。

发明内容

1.要解决的问题

本发明克服了现有技术中，钢丝绳无损检测的精度不高的不足，提出了一种钢丝绳无损检测设备、系统及方法，通过对钢丝绳进行量子精密测量，可实现对钢丝绳的高精度无损检测，从而可以进一步提高钢丝绳无损检测的准确性。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种钢丝绳无损检测设备，包括第一磁铁单元和第二磁铁单元，第一磁铁单元与第二磁铁单元相对设置，第一磁铁单元设有NV色心量子传感器，且第一磁铁单元和第二磁铁单元之间设有空腔，该空腔用于放置钢丝绳；其中，第一磁铁单元用于根据钢丝绳生成磁化回路，第二磁铁单元用于根据钢丝绳生成与第一磁铁单元的磁化回路相对称的磁化回路。需要说明的是，本发明的设备还包括聚磁环，该聚磁环设有开口，NV色心量子传感器位于聚磁环开口处，在一示例中聚磁环为C型聚磁环，即NV色心量子传感器置于C型开口处，从而可将钢丝绳的磁场分布聚集到开口处垂直分布，进而可以全面精确的定位钢丝绳缺陷类型。

作为本发明更进一步地改进，第一磁铁单元包括第一永磁磁铁和第二永磁磁铁，第一永磁磁铁通过第一衔铁与第二永磁磁铁连接，其中，第一永磁磁铁的N极靠近第一衔铁，第二永磁磁铁的S极靠近第一衔铁。

作为本发明更进一步地改进，第二磁铁单元包括第三永磁磁铁和第四永磁磁铁，第三永磁磁铁通过第二衔铁与第四永磁磁铁连接，其中，第三永磁磁铁的N极靠近第二衔铁，第四永磁磁铁的S极靠近第二衔铁。

作为本发明更进一步地改进，还包括外壳，外壳包括上外壳和下外壳，上外壳与下外壳连接，第一磁铁单元设置于上外壳内部，第二磁铁单元设置于下外壳内部，且空腔设置于上外壳和下外壳之间。

作为本发明更进一步地改进，还包括行导轮，行导轮与上外壳连接，且该行导轮用于引导移动钢丝绳。

作为本发明更进一步地改进，还包括行程传感器，行程传感器设于行导轮的后端。

本发明一种钢丝绳无损检测系统，包括上述的一种钢丝绳无损检测设备，还包括光路处理箱，光路处理箱与钢丝绳无损检测设备连接，其中，该光路处理箱用于对钢丝绳无损检测设备采集的数据进行处理得到检测结果。

作为本发明更进一步地改进，光路处理箱包括激光器和微波单元，激光器和微波单元分别与NV色心量子传感器连接。

作为本发明更进一步地改进，光路处理箱还包括CCD相机和锁相放大器，锁相放大器和NV色心量子传感器分别与CCD相机连接。

本发明的一种钢丝绳无损检测方法，采用上述的一种钢丝绳无损检测系统，包括：

将钢丝绳放置于钢丝绳无损检测设备的空腔内，而后钢丝绳无损检测设备的行导轮引导移动钢丝绳，同时钢丝绳无损检测设备的NV色心量子传感器和行程传感器采集数据；

NV色心量子传感器和行程传感器将采集的数据传送至光路处理箱，光路处理箱对数据进行处理得到检测结果。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种钢丝绳无损检测设备，通过设置双磁化回路结构和NV色心量子传感器，从而可以高精度测量出钢丝绳的磁场变化，进而检测出钢丝绳疲劳，断裂等异常，进一步实现了对钢丝绳的高精度无损检测，大大提高了钢丝绳无损检测的准确性。此外通过设置行程传感器和行导轮，进一步提高了钢丝绳无损检测的准确性，并提高了本发明设备适用广泛性。

(2)本发明的一种钢丝绳无损检测设备，通过设置聚磁环并将NV色心量子传感器放入开口处，从而可将钢丝绳的磁场分布聚集到开口处垂直分布，可360度的感应钢丝绳的磁场变化，进而实现了更加全面、精确的定位钢丝绳缺陷类型。

(3)本发明的一种钢丝绳无损检测系统，通过设置光路处理箱实现对钢丝绳无损检测设备数据的处理，进而可以获取钢丝绳无损检测结果，并且实现了钢丝绳的高精度无损检测。此外，本发明的一种钢丝绳无损检测方法，通过钢丝绳无损检测系统可以实现钢丝绳的量子精密测量，从而实现了对钢丝绳的高精度、高灵敏度的测量，进一步提高了钢丝绳无损检测的准确性。

附图说明

图1为本发明第一磁铁单元和第二磁铁单元结构示意图；

图2为本发明一种钢丝绳无损检测设备的侧视图；

图3为本发明的一种钢丝绳无损检测系统的结构示意图；

图4为本发明的聚磁环侧视图；

图5为实施例1的金刚石NV色心原子结构图；

图6为本发明NV色心量子传感器与磁场方向垂直时ODMR的图像示意图；

图7为实施例1的钢丝绳无损检测结果折线图。

标号说明：100、第一磁铁单元；110、第一永磁磁铁；120、第二永磁磁铁；130、第一衔铁；

200、第二磁铁单元；210、第三永磁磁铁；220、第四永磁磁铁；230、第二衔铁；240、聚磁环；

310、NV色心量子传感器；320、空腔；330、外壳；331、上外壳；332、下外壳；333、把手；334、开关；335、第一锁扣；336、第二锁扣；340、行导轮；350、行程传感器；360、开合轮；

400、光路处理箱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；而且，各个实施例之间不是相对独立的，根据需要可以相互组合，从而达到更优的效果。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

如图1所示，本发明的一种钢丝绳无损检测设备，包括第一磁铁单元100和第二磁铁单元200，第一磁铁单元100与第二磁铁单元200相对设置，且第一磁铁单元100和第二磁铁单元200之间设有空腔320，该空腔320用于放置钢丝绳；值得说明的是，第一磁铁单元100用于根据钢丝绳生成磁化回路，第二磁铁单元200用于根据钢丝绳生成与第一磁铁单元100的磁化回路相对称的磁化回路，值得说明的是，通过设置第一磁铁单元100和第二磁铁单元200可以产生双磁化回路，可以消除单边吸力，并且可以使得钢丝绳保持恒定磁性，进一步可以实现钢丝绳的无损检测。

进一步地，第一磁铁单元100设有NV色心量子传感器310，本实施例的NV色心量子传感器310为金刚石NV色心量子传感器。NV色心量子传感器310用于实时测取磁场信号数据，从而可以实现高精度、高灵敏度的数据测量。值得说明的是，本发明的一种钢丝绳无损检测设备还设有聚磁环240，该聚磁环240设置于第一磁铁单元100和第二磁铁单元200之间，且聚磁环240设有开口，NV色心量子传感器310位于聚磁环240的开口处，且本实施例中聚磁环240形状为C形，如图4所示，聚磁环240可将磁场聚集在开口处，磁场方向沿着开口垂直于金刚石的[100]晶向，图5中展示了金刚石NV色心原子结构，其中N为氮，C为碳，V为空心，箭头则表示磁场方向与NV色心垂直。本发明通过设置聚磁环240，从而使得每一种轴向的NV色心都与磁场方向夹角一致，并且可360度的感应钢丝绳的磁场变化，进而可以提升信号的对比度与探测灵敏度，进一步实现了更加全面、精确的定位钢丝绳缺陷类型。

进一步地，需要说明的是，当磁场方向与NV色心量子传感器310垂直时，ODMR图像显示为两个峰，并于2.87GHz相对称(如图6所示)；若磁场方向与NV色心量子传感器310不垂直时，即磁场方向与NV色心量子传感器310之间存在不为0的角度时，则显示的ODMR图像与图6所示的ODMR图像不同，此时需要调节NV色心量子传感器310的位置和方向，使得磁场方向与NV色心量子传感器310垂直，从而可以得到图6所示的ODMR图像，进而可以更加灵敏的、准确的进行钢丝绳无损检测。

进一步对本发明的钢丝绳无损检测设备进行详细描述，具体如下：

本发明的第一磁铁单元100包括第一永磁磁铁110和第二永磁磁铁120，第一永磁磁铁110通过第一衔铁130与第二永磁磁铁120连接，值得说明的是，第一衔铁130可以使得第一永磁磁铁110和第二永磁磁铁120在设备内部形成有序的磁化回路。此外，第一永磁磁铁110的N极靠近第一衔铁130，第二永磁磁铁120的S极靠近第一衔铁130，第一永磁磁铁110和第二永磁磁铁120的磁化方向均垂直于钢丝绳，且第一永磁磁铁110和第二永磁磁铁120分类连接于第一衔铁130的两端，两者以磁化方式相反的方式成对称方式放置。值得进一步说明的是，通过使用永磁磁铁，从而可在不通电的情况下对钢丝绳进行磁化，并且磁力稳定。

进一步地，第二磁铁单元200包括第三永磁磁铁210和第四永磁磁铁220，第三永磁磁铁210通过第二衔铁230与第四永磁磁铁220连接，第三永磁磁铁210和第四永磁磁铁220的磁化方向均垂直于钢丝绳，其中，第三永磁磁铁210的N极靠近第二衔铁230，第四永磁磁铁220的S极靠近第二衔铁230，且第三永磁磁铁210和第四永磁磁铁220分类连接于第而第二衔铁230的两端，两者以磁化方式相反的方式成对称方式放置。值得说明的是，第一永磁磁铁110与第三永磁磁铁210相对称设置，第二永磁磁铁120与第四永磁磁铁220相对称设置，从而使得第一磁铁单元100的磁化回路与第二磁铁单元200的磁化回路相对称。

此外值得说明的是，本发明的钢丝绳无损检测设备还包括外壳330，具体地，外壳330包括上外壳331和下外壳332，上外壳331与下外壳332连接，第一磁铁单元100设置于上外壳331的内部，第二磁铁单元200设置于下外壳332的内部，且空腔320设置于上外壳331和下外壳332之间。此外，外壳330还连接有行导轮340，具体地，行导轮340与上外壳331连接，且该行导轮340用于引导移动钢丝绳。需要说明的是，本发明的设备还包括行程传感器350，行程传感器350设于行导轮340的后端，该行程传感器350用于根据行导轮340的转动圈数计算出被测量的钢丝绳的位置信息，本实施例中行程传感器350呈圆柱状，且行程传感器350的顶部设置有长度为2cm的晶体管。

进一步地，外壳330还设有把手333，本实施例中上外壳331设有把手333，且该把手333上设有开关334，从而便于操作人员进行设备的开启或关闭。此外，外壳330设有锁扣，具体地，上外壳331设有第一锁扣335，且下外壳332设有第二锁扣336。值得说明的是，为方便钢丝绳的放置，外壳330设有开合轮360(如附图2所示)，该开合轮360可将上外壳331和下外壳332分开，以便于钢丝绳的放置。

本发明的一种钢丝绳无损检测设备，通过设置双磁化回路结构和NV色心量子传感器310，从而可以高精度测量出钢丝绳的磁场变化，进而检测出钢丝绳疲劳，断裂等异常，进一步实现了对钢丝绳的高精度无损检测，大大提高了钢丝绳无损检测的准确性。此外通过设置行程传感器350和行导轮340，进一步提高了钢丝绳无损检测的准确性，并提高了本发明设备适用广泛性。

结合图3所示，本发明的一种钢丝绳无损检测系统，包括上述的一种钢丝绳无损检测设备，还包括光路处理箱400，光路处理箱400与钢丝绳无损检测设备连接，该光路处理箱400用于对钢丝绳无损检测设备采集的数据进行处理得到检测结果。

下面对光路处理箱400的具体结构进行详细说明：

本发明的光路处理箱400包括激光器和微波单元，激光器和微波单元分别与NV色心量子传感器310连接，具体地，激光器通过光纤与钢丝绳无损检测设备的NV色心量子传感器310连接，微波单元通过微波天线与NV色心量子传感器310连接，微波单元可以实现NV色心量子传感器310的自旋态的调控，需要说明的是，本实施例的微波单元为现有技术中的微波系统设备，微波单元产生的微波信号经微波天线传送至NV色心量子传感器310。

进一步地，光路处理箱400还包括CCD相机、锁相放大器和计算机，锁相放大器和NV色心量子传感器310分别与CCD相机连接，计算机与锁相放大器连接。值得说明的是，CCD相机用于获取NV色心量子传感器310传输的信号，且CCD相机将获取的信号传输至锁相放大器，锁相放大器获得信号后传输至计算机进行处理，从而可以获得钢丝绳的无损检测结果。

值得说明的是，通过使用上述的一种钢丝绳无损检测系统，即可实现对钢丝绳的无损检测，具体如下：

本发明的一种钢丝绳无损检测方法，采用上述的一种钢丝绳无损检测系统，具体步骤如下：

将钢丝绳放置于钢丝绳无损检测设备的空腔320内，具体地，先通过开合轮360打开钢丝绳无损检测设备，即将上外壳331和下外壳332分开，而后将钢丝绳置于空腔320内，且将行导轮340置于钢丝绳上。

而后钢丝绳无损检测设备的行导轮340引导移动钢丝绳，具体地，打开把手333上的开关334，行导轮340引导钢丝绳移动。值得说明的是，与此同时，NV色心量子传感器310和行程传感器350采集数据；值得进一步说明的是，NV色心量子传感器310采集数据具体过程为：激光器发出激光通过光纤传输入至NV色心量子传感器310，使NV色心量子传感器310产生荧光，同时NV色心量子传感器310测得第一磁铁单元100和第二磁铁单元200产生的磁场信号，即实现了数据的获取。

NV色心量子传感器310和行程传感器350将采集的数据传送至光路处理箱400，光路处理箱400对数据进行处理得到检测结果。具体地，NV色心量子传感器310将获取的信号数据传送至CCD相机，而后CCD相机将获取的信号传输至锁相放大器，锁相放大器获得信号后传输至计算机进行处理，且行程传感器350采集的数据传输至计算机，通过计算机处理可获取可视化图像，即得到钢丝绳的无损检测结果。本实施例中的钢丝绳无损检测结果如图7所示，图7中从左到右依次的缺陷对应为断丝、疲劳、磨损和腐蚀，需要说明的是，针对缺陷类型的判断具体过程为：先建立数据库，具体地，先对不同型号、不同股数匝数的无缺陷的钢丝绳进行扫描得到钢丝绳磁场数据，同时对具有不同类型缺陷的钢丝绳进行扫描得到缺陷数据，再根据钢丝绳磁场数据和缺陷数据建立得到数据库。之后将所测的数据与数据库的钢丝绳磁场数据进行比较判断是否有缺陷，若判断有缺陷再将所测的数据与数据库的缺陷数据进行比较，从而可以判断钢丝绳缺陷类型。

本发明的一种钢丝绳无损检测方法，通过钢丝绳无损检测系统可以实现钢丝绳量子精密测量，从而实现了对钢丝绳的高精度、高灵敏度的测量，进一步提高了钢丝绳无损检测的准确性。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

Claims (10)

1.一种钢丝绳无损检测设备，其特征在于，包括第一磁铁单元和第二磁铁单元，第一磁铁单元与第二磁铁单元相对设置，第一磁铁单元设有NV色心量子传感器，且第一磁铁单元和第二磁铁单元之间设有空腔，该空腔用于放置钢丝绳；其中，第一磁铁单元用于根据钢丝绳生成磁化回路，第二磁铁单元用于根据钢丝绳生成与第一磁铁单元的磁化回路相对称的磁化回路，聚磁环设置于第一磁铁单元和第二磁铁单元之间，聚磁环设有开口，NV色心量子传感器位于聚磁环的开口处，聚磁环将磁场聚集在开口处，磁场方向沿着开口垂直于金刚石的[100]晶向。

2.根据权利要求1所述的一种钢丝绳无损检测设备，其特征在于，第一磁铁单元包括第一永磁磁铁和第二永磁磁铁，所述第一永磁磁铁通过第一衔铁与第二永磁磁铁连接，其中，第一永磁磁铁的N极靠近第一衔铁，第二永磁磁铁的S极靠近第一衔铁。

3.根据权利要求2所述的一种钢丝绳无损检测设备，其特征在于，第二磁铁单元包括第三永磁磁铁和第四永磁磁铁，所述第三永磁磁铁通过第二衔铁与第四永磁磁铁连接，其中，第三永磁磁铁的N极靠近第二衔铁，第四永磁磁铁的S极靠近第二衔铁。

4.根据权利要求1所述的一种钢丝绳无损检测设备，其特征在于，还包括外壳，所述外壳包括上外壳和下外壳，所述上外壳与下外壳连接，所述第一磁铁单元设置于上外壳内部，第二磁铁单元设置于下外壳内部，且所述空腔设置于上外壳和下外壳之间。

5.根据权利要求4所述的一种钢丝绳无损检测设备，其特征在于，还包括行导轮，所述行导轮与上外壳连接，且该行导轮用于引导移动钢丝绳。

6.根据权利要求5所述的一种钢丝绳无损检测设备，其特征在于，还包括行程传感器，所述行程传感器设于行导轮的后端。

7.一种钢丝绳无损检测系统，其特征在于，包括权利要求1~6任一项所述的一种钢丝绳无损检测设备，还包括光路处理箱，光路处理箱与钢丝绳无损检测设备连接，其中，该光路处理箱用于对钢丝绳无损检测设备采集的数据进行处理得到检测结果。

8.根据权利要求7所述的一种钢丝绳无损检测系统，其特征在于，所述光路处理箱包括激光器和微波系统，所述激光器和微波单元分别与NV色心量子传感器连接。

9.根据权利要求8所述的一种钢丝绳无损检测系统，其特征在于，所述光路处理箱还包括CCD相机和锁相放大器，所述锁相放大器和NV色心量子传感器分别与CCD相机连接。

10.一种钢丝绳无损检测方法，其特征在于，采用权利要求7~9任一项所述的一种钢丝绳无损检测系统，包括：

将钢丝绳放置于钢丝绳无损检测设备的空腔内，而后钢丝绳无损检测设备的行导轮引导移动钢丝绳，同时钢丝绳无损检测设备的NV色心量子传感器和行程传感器采集数据；

NV色心量子传感器和行程传感器将采集的数据传送至光路处理箱，光路处理箱对数据进行处理得到检测结果。