CN214668765U - 一种钢丝绳在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多轴向的钢丝绳在线监测系统。系统主要包括数据采集装置，其用以获取针对磁化钢丝绳内部损伤而产生的漏磁场和磁通量变化数据，所述数据采集装置内部设置有能够瞬间轴向深度磁化钢丝绳的励磁单元；行程计量装置，其用以对钢丝绳内部损伤进行定位，获取损伤位置信息；检测主机，其用以接收所述漏磁场和磁通量变化数据，并对上述数据进行转化处理，配合所述损伤位置信息生成钢丝绳内部损伤数据。本发明可以及时发现钢丝绳的内外部损伤，准确检测钢丝绳磨损、锈蚀、内部断丝等损伤情况，有效避免重大钢丝绳安全事故，保障了生命财产安全。

Description

一种钢丝绳在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及无损探伤系统，具体而言，尤其涉及一种钢丝绳在线监测系统。

背景技术

钢丝绳是现代工业中常用的柔性承载构件，广泛应用于煤炭、运输、建筑、旅游等诸多行业，其运行安全问题已成为关注的焦点，钢丝绳芯无损探伤系统目前常用的钢丝绳无损检测方法有电磁检测法、固体声测法、声学检测法、射线检测法及光学检测法等。

电磁检测法缺陷在于如果钢丝绳上同时含有磨损和断丝，无法区别出来哪处是断丝，哪处是磨损。

固体声测法成本高，仅适用于实验室研究使用，因为外在干扰因素太多，无法应用于现场。

声学检测法测量片面，同样也是实验室研究使用，因为现场外接干扰因素太多，检测的精确度误过大，所以无法适用于现场。

射线检测法检测成本高、周期长，不能检出垂直射线方向的面状缺陷，且射线对人体有害，检测厚度受射线穿透能力限制，因此也不适合现场使用。

光学检测法的设备成本高，现场钢丝绳上会布满油污，而油污会影响光学检测法对钢丝绳断丝和磨损的判断，并且还会影响检测精度，因此现场测量一般也不采用此方法。

发明内容

一种钢丝绳在线监测系统。通过金属横截面积损失和LF断丝数量双通道多轴向的同步检测，迅速确认钢丝绳损伤的位置在哪一侧，避免了钢丝绳磨损和断丝难以同时检测的缺陷。此外，采用在线实时检测代替人工检测，减少了专门检测时间，提高工作效率。

本发明采用的技术手段如下：

本发明公开了一种钢丝绳在线监测系统，包括：

数据采集装置，其用以获取针对磁化钢丝绳内部损伤而产生的漏磁场和磁通量变化数据，所述数据采集装置内部设置有能够瞬间轴向深度磁化钢丝绳的励磁单元；

行程计量装置，其用以对钢丝绳内部损伤进行定位，获取损伤位置信息；

检测主机，其用以接收所述漏磁场和磁通量变化数据，并对上述数据进行转化处理，配合所述损伤位置信息生成钢丝绳内部损伤数据。

进一步地，系统还包括：

上位机，其用于接收钢丝绳内部损伤数据，并输出损伤曲线和检测报告。

进一步地，所述励磁单元为呈圆形环绕排列在所述数据采集装置内部供钢丝绳的通道周围的永久磁钢

进一步地，所述数据采集装置包括以环形阵列方式设置的若干个能够感应磁场合磁通量变化的电磁感应元件。

进一步地，所述电磁感应元件为感应线圈法、磁通门、霍尔元件或者磁敏电阻中的一种。

进一步地，所述检测主机包括：MCU主控单元、以太网单元、模拟量采集转换单元、编码器输入隔离单元以及开关量隔离输出单元；

所述以太网单元连接所述MCU主控单元的通信端口，其用以实现以太通信功能；

所述模拟量采集转换单元连接所述MCU主控单元的损伤数据采集端口，其用于接收数据采集装置发送的模拟数据并将其进行数字量转换后，传输至所述MCU主控单元；

所述编码器输入隔离单元连接所述MCU主控单元的定位数据采集端口，其用于接收所述行程计量装置发送的数字信号并传输至所述MCU主控单元；

所述开关量隔离输出电路连接所述MCU主控单元的输出端口。

进一步地，所述检测主机还包括：

隔离电源电路，其用以对所述MCU主控单元的外部输入部、信号处理部和接口部进行隔离，以提升模拟信号采集的稳定性。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明能够实现钢丝绳全生命周期的实时监控，并且能够自动定量判别、分类统计各种内外部损伤，准确评估钢丝绳安全状态。

2、本发明通过绝对值编码器定位技术实现精准确定问题点位，同时能够融合尖峰容错补偿算法消除现场干扰，检测精度可达到4‰。

3、本发明基于基础漏磁原理发展的弱磁耦合技术及多轴向微型磁通传感器。同时融入物联网、大数据、云计算等数据信息互联分析技术，实现安全管理“无边界”。

4、本发明将生产、检测合二为一，减少专门用于钢丝绳的检测时间，降低能耗，增加作业时间。

基于上述理由本发明可在提升设备等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明钢丝绳在线监测系统结构示意图。

图2为本发明数据采集装置工作原理示意图。

图3为本发明数据采集装置结构示意图。

图4为本发明数据采集装置结构主视图。

图5为实施例中主控单元电路连接图。

图6为实施例中以太网单元电路连接图。

图7为实施例中隔离电源单元电路连接图。

图8为实施例中模拟量采集转换单元电路连接图。

图9为实施例中模编码器输入隔离单元电路连接图。

图10为实施例中开关量隔离输出单元电路连接图。

图11a为实施例中钢丝绳锈蚀波形示意图。

图11b为实施例中钢丝绳磨损波形示意图。

图11c为实施例中钢丝绳一处断丝波形示意图。

图11d为实施例中钢丝绳多处断丝波形示意图。

图中：1、上壳体；2、下壳体；3、导轮。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转 90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示为本发明实施例中公开的一种钢丝绳在线监测系统，主要包括：数据采集装置、行程计量装置以及检测主机。其中数据采集装置内部设置有励磁单元。系统还可以包括与检测主机通信连接的上位机。其中：

数据采集装置工作时，原理如图2所示，励磁单元生成一磁场沿钢丝绳轴向磁化钢丝绳段，当钢丝绳通过这一磁化的磁场时，一旦钢丝绳中存在缺陷时，则会在钢丝绳表面产生漏磁场或者引起磁化钢丝绳磁路内的磁通的变化，采用磁敏感元件检测这些畸变的磁场，即可获得有关钢丝绳缺陷的信息。数据采集装置用以获取针对磁化钢丝绳内部损伤而产生的漏磁场和磁通量变化数据。优选地励磁单元为呈圆形环绕排列在所述数据采集装置内部供钢丝绳的通道周围的永久磁钢。

具体地，励磁源多种多样，使得钢丝绳的磁化方式不同，先后出现了交流励磁和直流励磁两种方式。交流励磁会导致钢丝绳表面发热，故无法现场应用；根据直流励磁源的不同，分为有源励磁和永磁励磁两种方式，两种方式磁路结构和磁化效果相同，由于不需电源，采用永久磁体励磁比有源直流励磁系统更加简单，且稳定性好。

本实施例选择环状的稀土钕铁硼永久磁铁作为磁源，稀土永磁材料具有较高矫顽力和磁化能力，与一般常用的铁氧体磁铁相比，其磁能积是铁氧体磁铁的10倍左右，机械加工性能和力学特性良好，性能稳定，易于切割，能够选用较小的稀土永久磁铁在励磁回路中实现较强的磁化强度，且在动态场合使用尤为适宜，稀土钕铁硼永久磁铁的温度稳定性、时间稳定性、外磁场稳定性及化学稳定性极好，正常工作下十年内磁通衰减不到10％，只有长期在高温环境下工作，才会消磁，但是耐热性也可达到80°以上，满足使用条件。

基于上述实施方式进一步优选地，所述数据采集装置包括以环形阵列方式设置于所述筒状主体内的若干个能够感应磁场合磁通量变化的电磁感应元件。其中电磁感应元件为感应线圈法、磁通门、霍尔元件或者磁敏电阻中的一种。

本实施例中，优选霍尔元件作为漏磁场测量元件。霍尔元件在使用时具有较高的磁场检测灵敏度和检测精确度，满足信号传输的不失真且干扰影响最小。其次，霍尔元件输出的检测信号具有足够的信噪比。再次，霍尔元件能够无漏检测钢丝绳周向任何位置出现的断丝。最后，霍尔元件不随检测过程中绳的晃动或者震动变化，不受检测时钢丝绳运动速度快慢影响。

本实施例中，将4组霍尔元件，以环形方式排列在钢丝绳周向。筒状主体左右两端各有三组稀土钕铁硼永久磁铁，以环形方式排列。内部还有上下两部分传感导套，通过接线端子连接。当钢丝绳轴向通过时，即能瞬间轴向深度磁化钢丝绳，并达到饱和状态。

行程计量装置用以对钢丝绳内部损伤进行定位，获取损伤位置信息。具体的，可以通过多种方式实现行程计量，包括使用导轮组与编码器配合，或者通过钢丝绳卷缆筒与编码器配合实现缆绳行程计量。

本实施例中，数据采集装置如图3-4所示，主要包括上壳体、下壳体和导轮。其中上壳体和下壳体内部构成了供钢丝绳通过的通道结构。上、下壳体内部设置有多励磁单元结构，并在通道周向设置有若干电磁感应元件。壳体外部设置有用于引导和定位钢丝绳的导轮，导轮上设置有位移测量器。上下壳体之间通过哈夫搭扣锁紧。数据采集装置通过设置于壳体上的航空插头，把采集的数据传给检测主机。优选地，上下壳体采用铝制材料。

检测主机用以接收所述漏磁场和磁通量变化数据，并对上述数据进行转化处理，配合所述损伤位置信息生成钢丝绳内部损伤数据，其中钢丝绳内部损伤数据包括损伤位置、损伤类型以及损伤程度。

基于上述实施方式进一步优选地，检测主机包括：MCU主控单元、以太网单元、模拟量采集转换单元、编码器输入隔离单元以及开关量隔离输出单元。

其中，以太网单元连接所述MCU主控单元的通信端口，其用以实现以太通信功能。模拟量采集转换单元连接所述MCU主控单元的损伤数据采集端口，其用于接收数据采集装置发送的模拟数据并将其进行数字量转换后，传输至所述MCU主控单元。编码器输入隔离单元连接所述MCU主控单元的定位数据采集端口，其用于接收所述行程计量装置发送的数字信号并传输至所述MCU主控单元。开关量隔离输出电路连接所述MCU主控单元的输出端口。进一步地，检测主机还包括隔离电源电路，其用以对所述MCU主控单元的外部输入部、信号处理部和接口部进行隔离，以提升模拟信号采集的稳定性。

优选地，如图5所示，MCU主控单元采用STM32F756ZG，其带DSP和FPU的高性能ARMCortex-M7 MCU，具有1MB Flash、216MHz CPU、ART 加速器、一级缓存、硬件加密、SDRAM和TFT接口。如图6所示，以太网单元采用TI公司生产的集成以太网控制芯片DP83848C，该芯片是一种 10/100Mbit/s单路物理层以太网收发器器件，支持10/100M的以太网通信，同时也支持MII和RMI接口模式，集成度高，具有全功能、低功耗等性能。由于远超过IEEE规格的电缆长度性能，以及为10BASE-T和100BASE-TX 以太网协议的应用提供低成本解决方案的特性。如图7所示，为了提升模拟信号采集的稳定性，电源电路的设计采用隔离架构。使用金升阳的隔离模块将外部输入、信号处理电路和RS485三个部分各自隔离。如图8所示，模拟量采集转换单元采用AD7265转换器，该模数转换器是一款12位双核高速、低功耗的逐次逼近型模数转换器(ADC)，工作电压为2.7V至5.25V单电源，最高呑吐量可达1MSPS。这款器件内置两个ADC，两者之前均配有一个3通道多路复用器和一个能够处理30MHz以上输入频率的低噪声、宽带宽采样保持放大器。如图9所示，编码器输入隔离单元采用东芝的高速光耦TLP2166做隔离后输入给MCU，保证了系统的抗干扰能力。如图10所示，开关量隔离输出单元采用东芝的光耦TLP291隔离后输出给外部。

本实施例中，将励磁装置、数据采集装置、行程计量装置以及检测主机均设置于一个工作箱体内，工作箱体采用全铝材料壳体，自动散热，无需外加风扇，支持TCP和UDP通讯协议，还有RS485和RS232接口。会放入防爆壳体中，通过螺栓背板安装方式与防爆壳体连接。采用24V电源供电，使用航空插头和传感器端连接。如果是在煤矿及井下现场环境中工作，由于空间密闭性强，很容易会积累爆炸性物质，很难预防，空气及氧气又是必定存在的，因此矿用的防爆工作箱，主要是针对点燃源的防护，即明火、电气火花、机械火花、静电火花、高温、化学反应、光能等的防护，因此检测主机外部需采用防爆壳体。根据《煤矿安全规程》中的要求本壳体采用矿用隔爆兼本安双重认证防爆壳体，壳体可有效限制点燃源，同时采用IP66的防护等级，可有效防止灰尘颗粒的进入，以及预防各个方向的强力喷水的冲击。

上位机用于接收钢丝绳内部损伤数据，并输出损伤曲线和检测报告。

具体来说，上位机接收钢丝绳损伤数据后，通过搭载的波形形态分析算法，找到漏磁位置，并根据波形峰值计算出断丝数量。首先分析漏磁波形找到波峰，然后计算波峰的高度，由于断丝数量与漏磁波峰的高度近似成正比，所以可以根据漏磁波峰的高度计算出断丝的数量。即Y＝KX，其中Y为断丝数量，X为漏磁波峰的高度，K为比例系数，根据不同规格的钢丝绳，K值也不相同。

上位机也可以通过内置损伤分类模型的方式获取损伤类型结果。其中所述损伤分类模型用以对所述钢丝绳内部损伤数据进行分类，得到所述钢丝绳内部损伤数据所述类别对应的损伤等级。

此外，上位机采用尖峰容错补偿算法，本算法执行讯速响应快，稳定性好，可以有效滤波，去除干扰信号，断丝根数计算准确。同事，可以通过提前设置预警阈值，十分方便的传达预警信息。例如矿用罐道钢丝绳的更换要求为直径减少量达到15％，软件可以设置成10％触发预警。并通过指示灯和蜂鸣器传达。如图11a-11d所示，为通过上位机展示的损伤识别结果，技术人员可以通过上位机展示的漏磁量波形，识别缆绳损伤及定位。

本产品通过多轴向全方位对钢丝绳进行实时监测，可实时监测钢丝绳的状态，通过电脑上的钢丝绳在线监测系统软件上的四条检测曲线，确认钢丝绳的损伤位置、损伤的严重程度以及损伤的方向，不需要通过人力去查找，既经济又安全，省时省力，还可预防因钢丝绳损伤过重而导致的风险。

本发明还提供了一种钢丝绳在线监测方法，基于上述的系统实现，包括：

通过励磁装置在供所述钢丝绳穿过的通道内形成稳定的磁场，并且能够瞬间轴向深度磁化钢丝绳，所述励磁装置安装在收缆卷筒一侧，且被设置为只有当钢丝绳穿过所述励磁装置时才能够实现钢丝绳的收集或者送出；

通过数据采集装置获取针对磁化钢丝绳内部损伤而产生的漏磁场和磁通量变化数据；

通过行程计量装置对钢丝绳内部损伤进行定位，获取损伤位置信息；

通过检测主机接收所述漏磁场和磁通量变化数据，并对上述数据进行转化处理，配合所述损伤位置信息生成钢丝绳内部损伤数据。

进一步地，还包括：

通过上位机接收钢丝绳内部损伤数据，并输出损伤曲线和检测报告；以及，

通过上位机内置的损伤分类模型对所述钢丝绳内部损伤数据进行分类，得到所述钢丝绳内部损伤数据所述类别对应的损伤等级。

对于本发明实施例的而言，由于其与上面实施例中的相对应，所以描述的比较简单，相关相似之处请参见上面实施例中部分的说明即可，此处不再详述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种钢丝绳在线监测系统，其特征在于，包括：

数据采集装置，其用以获取针对磁化钢丝绳内部损伤而产生的漏磁场和磁通量变化数据，所述数据采集装置内部设置有能够瞬间轴向深度磁化钢丝绳的励磁单元；

行程计量装置，其用以对钢丝绳内部损伤进行定位，获取损伤位置信息；

检测主机，其用以接收所述漏磁场和磁通量变化数据，并对上述数据进行转化处理，配合所述损伤位置信息生成钢丝绳内部损伤数据。

2.根据权利要求1所述的钢丝绳在线监测系统，其特征在于，系统还包括：

上位机，其用于接收钢丝绳内部损伤数据，并输出损伤曲线和检测报告。

3.根据权利要求1所述的钢丝绳在线监测系统，其特征在于，所述励磁单元为呈圆形环绕排列在所述数据采集装置内部供钢丝绳的通道周围的永久磁钢。

4.根据权利要求3所述的钢丝绳在线监测系统，其特征在于，所述数据采集装置包括以环形阵列方式设置的若干个能够感应磁场合磁通量变化的电磁感应元件。

5.根据权利要求4所述的钢丝绳在线监测系统，其特征在于，所述电磁感应元件为感应线圈法、磁通门、霍尔元件或者磁敏电阻中的一种。

6.根据权利要求1所述的钢丝绳在线监测系统，其特征在于，所述检测主机包括：MCU主控单元、以太网单元、模拟量采集转换单元、编码器输入隔离单元以及开关量隔离输出单元；

所述以太网单元连接所述MCU主控单元的通信端口，其用以实现以太通信功能；

所述模拟量采集转换单元连接所述MCU主控单元的损伤数据采集端口，其用于接收数据采集装置发送的模拟数据并将其进行数字量转换后，传输至所述MCU主控单元；

所述编码器输入隔离单元连接所述MCU主控单元的定位数据采集端口，其用于接收所述行程计量装置发送的数字信号并传输至所述MCU主控单元；

所述开关量隔离输出电路连接所述MCU主控单元的输出端口。

7.根据权利要求6所述的钢丝绳在线监测系统，其特征在于，所述检测主机还包括：

隔离电源电路，其用以对所述MCU主控单元的外部输入部、信号处理部和接口部进行隔离，以提升模拟信号采集的稳定性。

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