CN116297811A - 基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置及方法，该检测装置包括：壳体，壳体设有轴向磁化装置、漏磁场探头；轴向磁化装置，用于产生轴向分布的磁场，磁化钢丝绳；漏磁场探头，将检测到的漏磁场信号转化电压信号传输至信号调理电路；信号调理电路，用于处理漏磁场探头输出信号，并输出与漏磁场大小成正比的电压信号。本发明具有高灵敏度、体积小重量轻等优点，可在非屏蔽条件下进行钢丝绳的缺陷检测，并根据漏磁信号的特点判断缺陷运动的方向。

Description

基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置及方法

技术领域

本发明涉及钢丝绳无损检测技术领域，具体涉及一种基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置及方法，用于钢丝绳的缺陷检测。

背景技术

钢丝绳作为工程承载的关键构件，在使用过程中极易发生各种形式的机械损伤，如：断丝、磨损、锈蚀等。各种损伤的产生将会导致钢丝绳安全承载能力的下降，如果不及时更换可能或造成严重事故。目前，国内外最常用的无损检测方法有超声波检测法、辐射检测法、涡流检测法、电磁检测法和红外检测法。由于大多数钢丝绳采用的使具有良好导磁性能的高碳钢，因此电磁检测方法非常适合于钢丝绳的无损检测，已成为应用最广泛并且最成熟的检测方法。

钢丝绳的电磁检测法目前可分为两种，一种是饱和励磁型，即利用强磁检测法检测缺陷，通过励磁系统磁化钢丝绳至饱和，使其内部产生均匀轴向分布的磁场，并在缺陷处产生漏磁场，然后使用霍尔元件采集这些漏磁场。根据霍尔元件性能参数，布置位置以及漏磁场大小能够计算出漏磁大小，并得到钢丝绳的缺陷大小。饱和磁化型检测装置由于需要将钢丝绳磁化至饱和，其体积较大，重量较高，但灵敏度高。另一种就是非饱和励磁型，即利用弱磁法检测缺陷，先将钢丝绳磁化，在其未完全退磁时检测缺陷处泄露出的信号。非饱和励磁型由于不需要将钢丝绳磁化至饱和并且其漏磁场是由钢丝绳自身产生，所以其体积小，重量轻，还能通过其漏磁场大小以及缺陷大小判断钢丝绳剩余寿命，但灵敏度低。

目前钢丝绳电磁检测法的励磁装置主要是使用径向充磁的永磁体进行励磁，其励磁原理是，通过衔铁将两个径向充磁的永磁环连接起来，当永磁环内部存在钢丝绳时，两个径向充磁的永磁环通过衔铁与钢丝绳形成磁回路，并在处于永磁环间的钢丝绳内部形成轴向分布的磁场。使用径向充磁永磁体的励磁装置体积较大，不易于安装。并且相较于使用轴向充磁永磁体的励磁装置，其对钢丝绳表征缺陷产生漏磁场要小。

发明内容

针对目前饱和式励磁型检测装置体积过大，非饱和式励磁型检测装置灵敏度太低的问题。本发明提供了一种基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置及方法，可以有效检测出钢丝绳上缺陷，并根据缺陷运动方向产生不同的漏磁信号从而判断缺陷运动的方向；具有结构简单、高灵敏度的优点。

本发明采取的技术方案为：

基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置，该装置包括：

壳体，壳体设有轴向磁化装置、漏磁场探头；

轴向磁化装置，用于产生轴向分布的磁场，磁化钢丝绳；

漏磁场探头，将检测到的漏磁场信号转化电压信号传输至信号调理电路；

信号调理电路，用于处理漏磁场探头输出信号，并输出与漏磁场大小成正比的电压信号。

所述壳体设有PCB放置板，内设有PCB卡槽，用于固定漏磁场探头；

所述漏磁场探头包括霍尔元件阵列，霍尔元件阵列安装在前端为半圆环、后端为矩形的PCB放置板上。

所述壳体包括两个对称的半圆柱形结构，每个半圆柱形结构内设置固定永磁环的凹槽，在不同轴向距离设置用于固定霍尔元件阵列的PCB卡槽。

所述轴向磁化装置包括两块轴向充磁的半圆环形永磁体，所述半圆环形永磁体的充磁方向与钢丝绳的运动方向一致。

所述轴向磁化装置，将位于该检测装置内的钢丝绳磁化至饱和，使其在内部产生轴向分布的磁场以及在该检测装置内产生背景磁场，钢丝绳上的缺陷在未经过永磁环时产生较小漏磁场，钢丝绳上的缺陷经过永磁环时产生较大漏磁场。

其中一个半圆柱形结构外围设置底座，当检测装置不使用时方便放置；并且在壳体内部划分出固定轴向磁化装置的区域、漏磁场探头的区域。

本发明一种基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置及方法，技术效果如下：

1）本发明检测装置具有高灵敏度、体积小、重量轻的优点，信号调理电路与漏磁场探头易于集成化、可批量制作。

2）本发明通过将两路关于原点对称的霍尔元件信号差分处理，能够有效的抑制环境噪声的干扰，可在非屏蔽条件下测量漏磁场，制作成本较低。

3）本发明基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置，能够根据漏磁信号判断缺陷运动的方向。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明钢丝绳缺陷检测装置的结构示意图。

图2为本发明钢丝绳缺陷检测装置的电路硬件连接示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置，该装置包括：

壳体8，壳体8内设有位于前端的轴向磁化装置2、位于中后端的漏磁场探头；

轴向磁化装置2，用于产生轴向分布的磁场，磁化钢丝绳1；

漏磁场探头4，将检测到的漏磁场信号转化电压信号通过信号传输线7传输至信号调理电路；

信号调理电路位于外部，用于处理漏磁场探头4输出的电压信号，输出与漏磁场大小成正比的电压信号。

所述轴向磁化装置2包括两块轴向充磁的半圆环形永磁体，所述半圆环形永磁体的充磁方向与钢丝绳1的运动方向一致。

所述轴向磁化装置2，将位于该检测装置内的钢丝绳1磁化至饱和，使其在内部产生轴向分布的磁场以及在该检测装置内产生背景磁场，钢丝绳1上的缺陷在未经过永磁环时产生较小漏磁场，钢丝绳1上的缺陷经过永磁环时产生较大漏磁场。

所述漏磁场为钢丝绳被磁化过后因为缺陷处介质变化泄露出的磁场，以及因为背景磁场因为缺陷处介质变化避开缺陷进入钢丝绳产生的较弱磁场。所述背景磁场为轴向磁化装置2产生的散布在该检测装置内的磁场。

所述漏磁场探头4包括霍尔元件阵列、PCB板，霍尔元件阵列安装在两块前端为半圆环、后端为矩形的PCB板上，霍尔元件阵列中霍尔元件的数量根据其测量范围以及在PCB板上的周向距离确定，由于钢丝绳两端的磁场方向相反，对位霍尔元件的布置方向也要相反。

所述壳体8包括两个对称的半圆柱形结构，每个半圆柱形结构内设置固定永磁环的凹槽3，在不同轴向距离设置用于固定霍尔元件阵列的卡槽6。

其中一个半圆柱形结构外围设置底座9，底座9为4个凸起长方体柱，当装置不使用时方便装置的放置。并且在壳体8内部划分出固定轴向磁化装置2的区域、漏磁场探头4的区域。

实施例：

位于前端的轴向磁化装置2由第一轴向充磁半圆环形永磁体和第二轴向充磁半圆环形永磁体构成，半圆环的内径为15mm,外径为25mm，两块永磁体分别安装在检测距离可调的壳体8的前端凹槽3处。将壳体8闭合时，励磁系统能够产生轴向分布的磁场，即磁场与钢丝绳1的运动方向一致。

位于中后端的漏磁场探头4由两块分别带有3个霍尔元件的PCB板构成，所述PCB板前端为半圆环，半圆环的内径为15mm,外径为25mm；所述霍尔元件贴近半圆环内径等距分布为圆形阵列，霍尔元件焊接方向与磁场方向一致；后端为矩形，用于传输采集的漏磁信号。

所述霍尔元件圆形阵列包括第一霍尔元件，第二霍尔元件，第三霍尔元件，第四霍尔元件，第五霍尔元件，第六霍尔元件，其中：第一霍尔元件与第六霍尔元件关于圆形阵列原点对称，第二霍尔元件与第五霍尔元件关于圆形阵列原点对称，第三霍尔元件与第四霍尔元件关于圆形阵列原点对称。使用圆形阵列能够使得每个霍尔元件与钢丝绳之间的相对距离一致，此外将按原点对称的霍尔元件采集到的信号进行差分，能减少需要处理的信号数量；在保证检测效果的基础上，降低了信号调理电路难度与成本。

所述霍尔元件型号为HX6639-D的线性霍尔效应传感器，内部由霍尔传感器、线性放大器和推拉输出电路构成。其输出噪声低，节省了外部滤波电路，并且这种芯片式传感器具有体积小、灵敏度高、成本低的特点。

所述信号调理电路包括差分放大模块、RC低通滤波器、模数转换模块。差分放大模块包括第一仪表放大器，第二仪表放大器，第三仪表放大器，第四仪表放大器。

所述第一仪表放大器的正向输入端与第一霍尔元件相连，反向输入端与第六霍尔元件相连，将第一霍尔元件输出电压信号减去第六霍尔元件输出电压信号的差值放大5倍；所述第二仪表放大器的正向输入端与第二霍尔元件相连，反向输入端与第五霍尔元件相连，将第二霍尔元件输出电压信号减去第五霍尔元件输出电压信号的差值放大5倍；所述第三仪表放大器的正向输入端与第三霍尔元件相连，反向输入端与第四霍尔元件相连，将第三霍尔元件输出电压信号减去第四霍尔元件输出电压信号的差值放大5倍；所述第四仪表放大器的正向输入端与第二霍尔元件相连，反向输入端与2.5V参考电压相连，将第一霍尔元件输出电压信号减去2.5V参考电压的差值放大5倍。

RC低通滤波器由1个1kΩ电阻与1一个1.6uF电容构成，能够将仪表放大器输出信号内频率高于100Hz的噪声滤除。模数转换模块将RC低通滤波器输出信号传输至上位机进行处理。

基于本发明一种基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置的钢丝绳缺陷检测方法，工作过程可分为以下几个阶段：

第一阶段：完成检测装置安装，在检测装置内部产生均匀分布的轴向背景磁场；

第二阶段：将钢丝绳1穿过检测装置，使其被磁化，即在钢丝绳1内部产生轴向均匀分布的磁场，并在靠近轴向磁化装置2附近将钢丝绳1磁化至饱和状态；

第三阶段：钢丝绳1在检测装置内运动，当缺陷先经过霍尔元件再经过检测装置时，此时缺陷在经过霍尔元件时因为没被磁化至饱和过，不存在剩磁，因此在这一阶段，检测装置只能够检测出因为背景磁场避开缺陷进入钢丝绳1而产生的漏磁场，但非常微弱很难分辨；

第四阶段：缺陷向轴向磁化装置2方向移动，并在靠近轴向磁化装置2时，钢丝绳1逐渐被磁化至饱和，并在缺陷处泄露出大量漏磁场被霍尔元件阵列检测出；

第五阶段：缺陷离开检测装置一定距离后反向运动，重新进入检测装置，并在经过轴向磁化装置2时被磁化至饱和状态，并在缺陷处泄露出大量漏磁场被霍尔元件阵列检测出；

第六阶段：缺陷向霍尔元件阵列位置移动，并在霍尔元件阵列位置产生因被磁化至饱和后存在的剩磁泄露出的漏磁场以及背景磁场避开缺陷进入钢丝绳1产生的漏磁场；

所述第三、第四阶段检测装置检测到的漏磁场只存在一种漏磁信号；所述第五、第六阶段检测装置检测到的漏磁场存在两种漏磁信号。能够通过这一特性来分辨缺陷运动的方向，以及检测到的信号是噪声信号还是漏磁信号。

Claims (10)

1.基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置，其特征在于该装置包括：

壳体（8），壳体（8）设有轴向磁化装置（2）、漏磁场探头（4）；

轴向磁化装置（2）用于产生轴向分布的磁场，磁化钢丝绳（1）；

漏磁场探头（4），将检测到的漏磁场信号转化电压信号传输至信号调理电路；

信号调理电路，用于处理漏磁场探头（4）输出信号，并输出与漏磁场大小成正比的电压信号。

2.根据权利要求1所述基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置，其特征在于：所述壳体（8）设有PCB放置板（5），内设有PCB卡槽（6），用于固定漏磁场探头（4）。

3.根据权利要求2所述基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置，其特征在于：所述漏磁场探头（4）包括霍尔元件阵列，霍尔元件阵列安装在前端为半圆环、后端为矩形的PCB放置板（5）上。

4.根据权利要求2所述基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置，其特征在于：所述壳体（8）包括两个对称的半圆柱形结构，每个半圆柱形结构内设置固定永磁环的凹槽（3），在不同轴向距离设置用于固定霍尔元件阵列的PCB卡槽（6）。

5.根据权利要求2所述基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置，其特征在于：所述轴向磁化装置（2）包括两块轴向充磁的半圆环形永磁体，所述半圆环形永磁体的充磁方向与钢丝绳（1）的运动方向一致。

6.根据权利要求1所述基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置，其特征在于：所述轴向磁化装置（2），将位于该检测装置内的钢丝绳（1）磁化至饱和，使其在内部产生轴向分布的磁场以及在该检测装置内产生背景磁场，钢丝绳（1）上的缺陷在未经过永磁环时产生较小漏磁场，钢丝绳（1）上的缺陷经过永磁环时产生较大漏磁场。

7.根据权利要求4所述基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置，其特征在于：其中一个半圆柱形结构外围设置底座（9），并且在壳体（8）内部划分出固定轴向磁化装置（2）的区域、漏磁场探头的区域。

8.根据权利要求3所述基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测装置，其特征在于：霍尔元件阵列为霍尔元件圆形阵列，该阵列包括第一霍尔元件，第二霍尔元件，第三霍尔元件，第四霍尔元件，第五霍尔元件，第六霍尔元件；其中：第一霍尔元件与第六霍尔元件关于圆形阵列原点对称，第二霍尔元件与第五霍尔元件关于圆形阵列原点对称，第三霍尔元件与第四霍尔元件关于圆形阵列原点对称。

9.基于权利要求1~8所述任意一种检测装置的钢丝绳缺陷检测方法，其特征在于：工作过程包括以下几个阶段：

第一阶段：完成检测装置安装，在检测装置内部产生均匀分布的轴向背景磁场；

第二阶段：将钢丝绳（1）穿过检测装置，使其被磁化，即在钢丝绳（1）内部产生轴向均匀分布的磁场，并在靠近轴向磁化装置（2）附近将钢丝绳（1）磁化至饱和状态；

第三阶段：钢丝绳（1）在检测装置内运动，当缺陷先经过霍尔元件再经过检测装置时，此时缺陷在经过霍尔元件时因为没被磁化至饱和过，不存在剩磁，因此在这一阶段，检测装置只能够检测出因为背景磁场避开缺陷进入钢丝绳（1）而产生的漏磁场，但非常微弱很难分辨；

第四阶段：缺陷向轴向磁化装置（2）方向移动，并在靠近轴向磁化装置（2）时，钢丝绳（1）逐渐被磁化至饱和，并在缺陷处泄露出大量漏磁场被霍尔元件阵列检测出；

第五阶段：缺陷离开检测装置一定距离后反向运动，重新进入检测装置，并在经过轴向磁化装置（2）时被磁化至饱和状态，并在缺陷处泄露出大量漏磁场被霍尔元件阵列检测出；

第六阶段：缺陷向霍尔元件阵列位置移动，并在霍尔元件阵列位置产生因被磁化至饱和后存在的剩磁泄露出的漏磁场以及背景磁场避开缺陷进入钢丝绳（1）产生的漏磁场。

10.根据权利要求9所述基于轴向磁化的钢丝绳缺陷检测方法，其特征在于：所述第三、第四阶段检测装置检测到的漏磁场只存在一种漏磁信号；所述第五、第六阶段检测装置检测到的漏磁场存在两种漏磁信号。

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