基于漏磁檢測機理的鋼絲繩小缺陷精確化識別系統研究

鐘小勇，陳科安

(江西理工大學 理學院， 江西 贛州 341000)

0 引言

鋼絲繩作為提升、起重和牽引系統中的承載構件，在冶金、礦山、煤炭、建筑、港口、石油鉆探領域，以及機械行業、空中旅游架空索道、斜拉橋、電梯行業有著極為廣泛的應用[1]。鋼絲繩使用過程中，由于受到各種因素的影響，如摩擦、腐蝕、過載、疲勞、沖擊[2]，鋼絲繩會因此產生各種缺陷，導致其承載能力下降，甚至可能會瞬間斷裂造成事故發生。

由于電磁檢測法不受鋼絲繩表面油垢及塵埃的影響，是目前鋼絲繩無損檢測中的首選方法[3-4]，但是鋼絲繩呈復雜的螺旋型結構，磁化的鋼絲繩自身產生股波信號，對缺陷信號而言，是始終存在的干擾。由于小缺陷產生的漏磁信號一般比較微弱[5]，加之現場檢測時鋼絲繩難于避免會產生晃動，當鋼絲繩缺陷較小時，各種噪聲很可能把對檢測有用的缺陷信號淹沒。而小缺陷對鋼絲繩的承載力同樣會造成的影響，目前電磁檢測法對這類小缺陷定量診斷和評估的時候，誤差較大、準確性不高，尚不能滿足現場檢測要求[6]。為了提高漏磁檢測診斷中對缺陷的分析精度，特別是對小缺陷的分析精度，本文從硬件和軟件上尋求新的方法和結構，提高測量信號的信噪比，有效地提取缺陷特征量，實現鋼絲繩小缺陷精確化識別。

1 系統總體方案設計

本系統利用永磁體對被檢鋼絲繩進行磁化，當鋼絲繩存在缺陷時，缺陷周圍將產生擴散漏磁場[7]。分布于鋼絲繩周圍的磁敏元件檢測鋼絲繩表面及其周圍的漏磁場，并將漏磁信號轉化為模擬電信號。該模擬信號經調理電路處理，送至A/D采集模塊轉換為數字信號，然后經微處理器程序分析、反演得出鋼絲繩的缺陷狀態及完好程度，并在LCD顯示器上顯示檢測到的漏磁信號波形以及最后的檢測、分析結果。鋼絲繩缺陷識別系統的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統的硬件框圖

圖1中有鋼絲繩通常由多股鋼絲螺旋型捻制而成，不論其單根鋼絲形狀如何，最終鋼絲繩周向一般成圓形。為了便于檢測，傳感器的內徑往往要大于鋼絲繩直徑。當采用傳統的單回路勵磁，鋼絲繩容易在傳感器內部晃動，鋼絲繩的磁化狀態將會發生突變，造成漏磁信號的忽大忽小，從而給后續的信號分析帶來困難[8]。本系統采用獨特的雙回路勵磁結構(見圖1的傳感器部分)。該結構具有對稱的上、下兩條勵磁回路，通過合理地布置勵磁源可以避免磁力線的閉合、干涉等其它影響，使鋼絲繩在檢測過程中能得到有效地磁化。這樣，鋼絲繩的晃動對漏磁信號的影響明顯減小，較大程度上提高了傳感器輸出信號的穩定性，減少了干擾噪聲。雖然傳感器硬件結構更為復雜，但這有利于提高鋼絲繩小缺陷的檢測精度。

2 系統硬件設計

2.1 檢測元件

在電磁感應檢測方式中，常用感應線圈作檢測元件，感應線圈要求有足夠多的匝數以保證檢測靈敏度，其尺寸較大。定量分辨力受到感應線圈軸向寬度的限制難于提高[9]，對小缺陷尤其如此。為了克服電磁感應檢測方式的缺陷，提高鋼絲繩小缺陷的分辨力，本系統以磁敏元件為檢測元件。磁敏元件的類型較多，其中性能比較突出的有HALL元件和磁敏二極管、磁敏三極管。相對而言，磁敏二極管及磁敏三極管線性范圍比較窄， 難以用于動態范圍比較寬，又要求比較精確的測量，因而本系統最終采用結構尺寸較小、靈敏度較高、輸出信號不受檢測速度影響的集成HALL元件檢測漏磁場。由于單個的HALL元件檢測范圍較小，本系統采用在鋼絲繩周向均勻密布集成HALL元件組成360度檢測環，檢測鋼絲繩周圍的漏磁場。

單個HALL元件最大檢測角如圖2所示。當檢測元件沿圓周逆時針移至P1點位置，超過P1就無法正確識別缺陷，對應的角度為θ1；當檢測元件沿圓周順時針移至P2點位置，超過P2就無法正確識別缺陷，對應的角度為θ2，則最大檢測角：θmax=θ1+θ2

所需檢測元件的個數：

N≥360/θmax

(1)

所需元件的個數通過理論計算，并結合具體實驗確定，本系統選取N為32，即系統有32個檢測通道。

圖2 HALL元件最大檢測角示意圖

2.2 信號放大電路

信號調理電路包括前置阻容耦合、微弱信號放大器和用于抑制高頻干擾的低通濾波器。所用HALL元件工作電壓范圍4.5～6 V，當沒有外界磁場時，其靜態輸出電壓約為2.5 V左右。在信號放大之前，加一級RC阻容耦合電路，其作用：一是隔直耦合；二是高通濾波。隔直耦合放大電路如圖3所示。由于鋼絲繩為螺旋形結構，當鋼絲繩被磁化后，鋼絲繩表面始終存在因股波引起的漏磁場，經磁敏元件產生股波信號，是始終存在的干擾。當鋼絲繩缺陷信號比較微弱時，往往湮沒股波信號中；但與缺陷信號相比，股波信號的頻率比較低。因此，本系統中先在硬件電路上采用高通濾波器抑制股波信號的干擾，把信噪比提高到一定的程度，然后在后續的軟件分析中再做進一步處理。另外，由于鋼絲繩小缺陷產生的漏磁場較微弱，本系統用一級微弱放大器將信號放大至-5～+5 V，以滿足后續模/數轉換的要求。

圖3 隔直耦合放大電路

2.3 等空間間隔采樣

磁化后的被檢鋼絲繩，其漏磁場分布是鋼絲繩空間位置上的不變量，鋼絲繩周圍的漏磁場取決于鋼絲繩上的缺陷狀況。在檢測過程中，要做到勻速檢測是很困難的。若按常規的事先設定好采樣頻率進行等時間間隔采樣，檢測速度的變化就會造成采集鋼絲繩漏磁信號在空間軸上被拉伸或壓縮。這樣，各采樣點之間鋼絲繩上的間隔距離不一致，獲取的采集數據會受到檢測速度變化的影響，從而導致后續程序在數據分析及缺陷定量識別時的困難。因此，在鋼絲繩檢測中，一般采用等空間采樣的方法，它不僅降低了后續數據分析處理難度，同時還可精確記錄缺陷的空間位置信息。等空間間隔采樣有多種方法，本系統采用脈沖編碼器實現。在檢測過程中，傳感器導輪與鋼絲繩產生相對運動，從而帶動編碼器轉動，鋼絲繩每移動相同的距離間隔，編碼器發出1個等距離間隔脈沖(與運動速度無關)。該脈沖送至雙施密特觸發器74LS221一個觸發端第10腳(參見圖4等間隔采樣脈沖整形電路)，經過電路整形后的脈沖(74LS221第5腳)送至STM32處理器，啟動等空間間隔采樣。

圖4 等間隔采樣脈沖整形電路

采樣間隔的選取主要與傳感器所檢測的最細鋼絲繩直徑等因素有關，一般通過最細鋼絲繩直徑上，不同損傷的檢測實驗來確定采樣間隔，再由采樣間隔確定傳感器導輪直徑及編碼器光柵目數等其它有關加工參數。設傳感器導輪直徑為D，編碼器光柵目數為M，每個脈沖代表對應鋼絲繩上的距離(也即采樣間隔)：

ΔS=πD/M

(2)

本系統導輪直徑70 mm，選用200目光柵，ΔS=π×70/200≈1.1 mm

鋼絲繩走過的長度L可采用以下公式計算：

L=NΔS

(3)

式中,N為收到的總脈沖個數，ΔS為采樣間隔。另外，在圖4中，STM32的PA0接至雙施密特觸發器74LS221另一個觸發端第2腳，經電路整形、擴寬脈沖寬度，74LS221第13腳輸出，再經過7 407驅動蜂鳴器，當檢測到斷絲時，通過置STM32的PA0上升沿，系統能實現鳴叫報警功能。

2.4 A/D轉換電路

HALL元件檢測的漏磁信號，經信號調理電路后，送至A/D轉換電路，將模擬信號轉為數字信號。考慮到系統既要檢測大的缺陷，又要能檢測小的缺陷，A/D轉換芯片要有足夠的分辨力[10]。A/D轉換電路采用了高精度16位、8通道200KSPS的AD7606芯片，因系統有32個HALL檢測通道，共需要4片AD7606。每片AD7606的控制信號線除片選信號外，其余邏輯完全一致，A/D轉換電路如圖5所示。A/D轉換電路采用單電源+5 V供電，芯片AD7606在單電源供電情況下，能夠支持雙極性-10～+10 V或-5～+5 V信號輸入。4片AD7606的RANGE引腳均接為低電平，所有通道模擬輸入范圍設定為-5～+5 V。

AD7606的引腳PAR/SER/BYTE SEL接為低電平，將A/D轉換結果設置為并行的16位輸出。AD7606的DB0～DB15接至STM32處理器的FSMC_D0～FSMC_D15。AD7606的RESET引腳接至STM32處理器的PB7，上電后在初始化程序中置PB7高電平寬度≥50 ns，復位AD7606芯片。所有AD7606的引腳CONVST A、CONVST B都已連接在一起(CONVST)至STM32處理器的PA8、通過置PA8為低電平，32個通道同時采樣鋼絲繩上的漏磁場，實現同步采樣。當STM32處理器置PA8為高電平(已接至AD7606的CONVST)，模數轉換過程開始，同時AD7606的BUSY自動為高電平；轉換結束后，AD7606的BUSY自動變為低電平。當A/D結束后，STM32處理器通過分別置每片AD7606的CS引腳為低，可依次讀取32個通道的轉換數據。

圖5 A/D轉換電路

AD7606的引腳PAR/SER/BYTE SEL接為低電平，將A/D轉換結果設置為并行的16位輸出。AD7606的DB0～DB15接至STM32處理器的FSMC_D0～FSMC_D15。AD7606的RESET引腳接至STM32處理器的PB7，上電后在初始化程序中置PB7高電平寬度≥50 ns，復位AD7606芯片。所有AD7606的引腳CONVST A、CONVST B都已連接在一起(CONVST)至STM32處理器的PA8、通過置PA8為低電平，32個通道同時采樣鋼絲繩上的漏磁場，實現同步采樣。當STM32處理器置PA8為高電平(已接至AD7606的CONVST)，模數轉換過程開始，同時AD7606的BUSY自動為高電平；轉換結束后，AD7606的BUSY自動變為低電平。當A/D結束后，STM32處理器通過分別置每片AD7606的CS引腳為低，可依次讀取32個通道的轉換數據。

AD7606片內每個通道均有獨立的采樣保持器，如前所述硬件上已將4片AD7606的CONVST A、CONVST B引腳連接在一起，所以STM32處理器可以同時啟動所有32個通道同步采樣，采集鋼絲繩上同一橫截面上的漏磁信號。這樣，有利于相鄰通道的數據融合，對鋼絲繩上的小缺陷分析尤為重要。由于實現了所有通道的同步采樣，在A/D轉換結束后，讀取A/D轉換數據的先后通道次序對鋼絲繩缺陷分析檢測沒有任何影響。

AD7606有數字濾波與過采樣功能，它的OS0、OS1、OS2三個引腳分別接到與STM32處理器的PA6、PA7、PA8，可選擇設置過采樣倍數。在本系統中，為了兼顧小缺陷檢測，采樣頻率較高，PA6、PA7、PA8都接地，將AD7606設置成無過采樣。另外，雖然AD7606內部集成了2.5 V電壓基準，但它的溫漂較大，小缺陷檢測時對電壓基準的要求較高，因此將AD7606的REF SELECT引腳接成邏輯低電平，選用外部電壓基準。系統選用溫度系數小、電壓為2.5 V的基準芯片ADR421作為所有4片AD7606外部基準源，如圖5所示。這樣，可將溫漂對芯片精確度的影響降至較低，因而模數轉換絕對精度較高。

3 系統軟件設計

識別系統軟件設計主要包括STM32系統的初始化，設置被檢鋼絲繩直徑、規格、檢測長度，等待指令進行數據采樣，對采集的數據初步處理、定性判別缺陷；當完成所需檢測的鋼絲繩長度、到達檢測終點后，對所有數據進行分析、定量識別缺陷數量及位置信息，根據指令要求將數據發至上位機，進一步圖形可視化顯示。軟件流程框圖如圖6所示。

圖6 軟件流程框圖

對鋼絲繩上的細小缺陷，其漏磁信號比較微弱，雖然在硬件上經過雙回路勵磁，高通濾波、放大，小距離等間隔采樣，高精度多通道的模數轉換，信噪比有所改善，但鋼絲繩固有的螺旋性結構引起的股波信號依然是始終伴隨的干擾。經過數據分析小缺陷信號的頻率高于股波信號的頻率，在軟件的定量識別程序中，對模數轉換后的數據進行快速傅里葉變換FFT，在頻域股波信號幅度遠大于缺陷信號幅度。軟件上，比較容易判斷股波信號的頻率范圍，然后根據股波信號的頻率進行數字帶阻濾波，能有效地剔除股波信號的干擾，從而識別鋼絲繩上的細小缺陷。整個系統軟件在Keil MDK集成環境下采用C語言、利用STM32固件庫編寫而成。

4 實驗結果與分析

試驗樣件為直徑24 mm，6×37結構的順捻提升鋼絲繩，是一種典型的提升鋼絲繩，常應用于各種起重、提升和牽引設備，有一定的代表性。試件鋼絲繩單根鋼絲直徑1.1 mm、比較細小，斷絲引起的漏磁信號比較微弱。實驗過程中，鋼絲繩固定在支架上，將傳感器安裝在鋼絲繩上，沿鋼絲繩軸向移動傳感器，使傳感器與鋼絲繩作相對運動。相對運動速度不要求均勻，變化范圍控制在0.3～3 m/s即可，這是比較容易實現的，也適合現場鋼絲繩運行時可能會抖動引起速度變化的情況。然后，通過以下實驗考察本鋼絲繩缺陷識別系統檢測信號特性及系統對缺陷的準判能力。

4.1 檢測信號強度與磁化強度的關系

圖7為試件鋼絲繩上某根斷絲，斷口寬度為1 mm時，檢測元件輸出信號與磁化強度的關系曲線。從圖7中可看出，在曲線起始階段(磁化強度為1～4 kAm-1)隨著磁化強度的增大，檢測元件輸出信號強度增加，二者呈線性關系；當磁化強度大于4 kAm-1，輸出信號增加幅度開始趨緩；當磁化強度繼續增加，到達磁飽和后約8 kAm-1，輸出信號強度增加很少，保持在比較穩定的數值。實驗表明：為了提高檢測元件輸出信號強度，傳感器應磁化鋼絲繩至飽和狀態，這樣不僅可以提高檢測信號的強度，也有利于檢測信號的穩定，為后續斷絲數量的分析提供基礎條件。

圖7 檢測信號強度與磁化強度關系

4.2 檢測信號強度與斷口寬度的關系

檢測信號輸出電壓與斷絲的斷口寬度的關系如圖8所示。從圖8中可以看出：在曲線起始階段，即斷口寬度在0.6 mm以下，檢測信號輸出電壓隨斷口寬度增加而增加，呈線性關系，隨后變化趨于緩慢。分析表明，鋼絲繩斷口寬度增大，其產生的漏磁場強度增大，當斷口寬度大到一定程度后，如大于1.2 mm，漏磁場強度的變化減弱，從而檢測信號輸出電壓的變化緩慢。因此，在程序分析中本系統根據檢測信號的波形，綜合考慮了斷口寬度的影響。

圖8 檢測信號強度與斷口寬度關系

4.3 檢測信號強度與斷絲數量的關系

隨著鋼絲繩斷絲數量增加，其附近漏磁場增加，檢測元件輸出信號隨之增強。檢測信號輸出電壓與斷絲數量的關系如圖9所示，當斷絲數量在3根以下，檢測信號強度與斷絲數量呈線性關系；斷絲數量增加到一定程度如4根以上，由于檢測元件尺寸等限制，檢測信號輸出信號呈非線性增加。這時應對左右相鄰檢測元件輸出的信號進行數據融合，才能準確判斷鋼絲繩上斷絲的數量。

圖9 檢測信號強度與斷絲數量關系

4.4 系統檢測缺陷的準判率

在上述鋼絲繩試件上(直徑24 mm，6×37結構的順捻承載鋼絲繩)，在5處不同截面上制作具有代表性的缺陷，斷絲數量分別是1至5根。用本鋼絲繩缺陷識別系統測試100次，考查系統檢測缺陷的準判率。檢測缺陷的數據如表1所示。

實際測試結果表明：當要求系統無錯判時，缺陷定量準判率>90%；當允許系統誤差為1根時，缺陷定量準判率≥95%，能滿足實際使用要求。實驗過程中，傳感器與鋼絲繩相對移動的速度對檢測結果沒有影響，這與霍爾檢測元件輸出電壓與運動速度無關的特點完全相一致。另外，本系統采用的是漏磁檢測方法，鋼絲繩表面的油垢不影響霍爾元件對缺陷漏磁信號的拾取，因此在實驗及檢測前不需要清洗鋼絲繩表面，較大地提高了本方法檢測效率以及方法的實用性。

表1 鋼絲繩缺陷檢測數據

5 結束語

本文利用STM32處理器及模數轉換芯片AD7606等器件設計了一種鋼絲繩小缺陷精確化識別系統，較為詳細地闡述了該系統的雙回路勵磁結構，漏磁信號拾取方式，微弱信號放大電路，等距離小間隔同步采樣，高精度、多通道模數轉換等硬件及軟件的設計。經相關試驗表明：該系統缺陷檢測準判率高，能夠滿足工礦等企業鋼絲繩缺陷的檢測要求。同時，為其它鐵質類材料的無損檢測提供了有價值的參考。