基于LabVIEW的電梯鋼絲繩狀態監測多通道數據采集

付其風, 路貴蘭

(河北科技大學機械工程學院，石家莊 050018)

電梯作為高層建筑中不可替代的交通工具，起著重要的作用。鋼絲繩是電梯的重要懸掛裝置，鋼絲繩的損傷程度及承載能力關系到乘客的生命和財產安全，因此電梯鋼絲繩的檢測變得極其重要。傳統的電梯鋼絲繩依靠人工目測來檢測鋼絲繩的缺陷，這種檢測方法效率低且不可靠[1-2]。

對于鋼絲繩的無損檢測，典型的方法有聲學檢測法、機械檢測法、射線檢測法、電流檢測法、光學檢測法、超聲檢測法、振動檢測法、聲發射檢測法和漏磁檢測法[3]，應用最多且比較成熟的是漏磁檢測法，目前其他方法都處在實驗室研究階段。

許多專家學者對鋼絲繩的檢測進行了研究：文獻[4]采用漏磁法檢測原理，選用線圈做為傳感器對鋼絲繩不同故障類型做了實驗；文獻[5]采用漏磁法檢測原理，設計了六回路勵磁器，研究了鋼絲繩斷絲損傷特征量；文獻[6]研究了鋼絲繩信號漏磁量的空間分布，對鋼絲繩磁化回路模型進行了分析，提出了自適應小波閾值消噪法。以上文獻都是針對礦井、索道、行車等應用的單根運行的鋼絲繩故障研究，對并排傳動的多根鋼絲繩缺少探討。為了解決電梯鋼絲繩在線監測困難的問題，搭建了針對電梯鋼絲繩檢測的多根鋼絲繩同時運行的試驗臺。設計了針對多根鋼絲繩檢測的勵磁器、檢測器。對勵磁器的磁極布置方式進行了仿真，得出最佳磁極布置方式。單根鋼絲繩周向陣列多個傳感器，同時采集數據，每個傳感器獨立輸出信號，有利于故障信號的判定和定位，提高了信號的空間分辨率。采用虛擬儀器，開發了電梯鋼絲繩狀態監測多通道數據采集系統，達到了對電梯鋼絲繩的不同程度的損傷信號進行采集并進行高速存儲的目的。

1 電梯鋼絲繩的漏磁法檢測原理

如圖1所示，電梯鋼絲繩屬于一種鐵磁性材料，永久磁鐵作為外加磁場，為勵磁回路提供充足穩定的磁場能量，當外加磁場施于鐵磁性材料時，材料內部會形成高密度的磁力線，一旦鋼絲繩出現不連續，即表層或內部有空隙或者缺陷時，磁阻發生改變，部分磁力線就會向外溢出，形成漏磁場。鋼絲繩缺陷處產生的漏磁通由式(1)計算。為使檢測器能準確捕捉到鋼絲繩缺陷漏磁場，需要將鋼絲繩磁化至飽和狀態。

Φ=B1S2

(1)

式(1)中：B1為鋼絲繩內磁感應強度；S2為缺陷的橫截面積。

圖1 漏磁法檢測原理Fig.1 Principle of magnetic flux leakage detection

2 電梯鋼絲繩硬件實驗臺的搭建

電梯鋼絲繩硬件實驗臺的搭建包括勵磁器的設計、檢測器的設計。圖2所示為電梯鋼絲繩檢測實驗臺，鋼絲繩實驗臺的傳動輪為雙槽輪，由24 V直流電機驅動，由直流電機控制器來控制電機的啟動和鋼絲繩運行速度，鋼絲繩利用和輪槽間的摩擦力進行運轉。控制電機速度，模擬電梯運行速度對鋼絲繩進行檢測。實驗采用公稱直徑為8 mm、結構為6×19S+FC的兩根鋼絲繩，同軸雙槽輪帶動鋼絲繩運轉，在鋼絲繩上人為制造不同程度的斷絲損傷，模擬電梯鋼絲繩的運行。

圖2 電梯鋼絲繩檢測實驗臺Fig.2 Elevator wire rope test bench

2.1 勵磁器的設計

傳統的直流勵磁方式結構復雜、需要提供外接電源。交流勵磁易產生集膚效應[7]。集膚效應是指導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內部的電流分布不均勻的一種現象。永久磁鐵勵磁方式克服了以上缺點，結構簡單、體積小、質量輕，產生的磁場穩定，因此得到了廣泛應用。電梯鋼絲繩的并排傳動特質決定了勵磁裝置也是并排排列，設計每根鋼絲繩對應獨立的勵磁裝置，相鄰勵磁裝置之間由隔磁板隔開，避免了相互之間的磁場干擾。勵磁裝置采用雙回路勵磁，雙回路勵磁方式較單回路勵磁磁化結果穩定，較多回路勵磁方式體積小，更容易集成。勵磁器沿鋼絲繩軸向布置，使用兩塊永久磁鐵，永磁體上方是導向耐磨裝置，永磁體下方是銜鐵，勵磁裝置兩邊對稱，永磁鐵材料選用釹鐵硼。在勵磁磁路的設計中，要求鋼絲繩磁化段中部均勻磁場區域沿繩軸向的長度應不小于一個股間距長度Lmm(Lmm為鋼絲繩表面相鄰兩股間的距離)[8]。實驗中鋼絲繩公稱直徑為8 mm，相鄰兩股間距離Lmm為8 mm。因此，勵磁長度Lm應滿足式(2)，Lms為永久磁鐵的寬度。銜鐵選用工業純鐵DT4，工業純鐵軸向尺寸為120 mm，徑向尺寸為20 mm，厚度為10 mm，永久磁鐵的尺寸為9 mm×9 mm×18 mm。

Lm≥Lmm+2Lms

(2)

為了研究在雙回路勵磁裝置中永久磁鐵不同磁極布置方式對鋼絲繩產生的勵磁效果，在ansoft軟件中構建三維仿真模型，在仿真材料、計算精度、邊界條件設置完全相同的條件下，只改變永磁體磁極布置，不同方式布置磁極的仿真結果分布如下。

(1)N-N-S-S(靠近鋼絲繩的磁極逆時針排序)磁極布置方式，即鋼絲繩同側磁極相異，鋼絲繩兩側磁極相同，磁通密度如圖3所示。

圖3 N-N-S-S 磁通密度云圖Fig.3 N-N-S-S magnetic flux density cloud

(2)S-S-S-S磁極布置方式，即鋼絲繩兩側的磁極都相同，仿真結果如圖4所示。

圖4 S-S-S-S磁通密度云圖Fig.4 S-S-S-S magnetic flux density cloud

(3)N-S-N-S磁極布置方式，即鋼絲繩同側磁極相異，仿真結果如圖5所示。

圖5 N-S-N-S磁通密度云圖Fig.5 N-S-N-S magnetic flux density cloud

(4)N-S-S-N的磁極布置方式，即鋼絲繩同側磁極相同，鋼絲繩兩側磁極相異，仿真結果如圖6所示。

由以上4種磁通密度云圖可以看出，N-N-S-S的磁極布置鋼絲繩磁感應強度為最大，接近2 T，磁化效果最好，圖4～圖6中鋼絲繩的磁感應強度達不到1 T，檢測要求當鋼絲繩進入飽和磁化區時，磁感應強度B≥1 T，即要將鋼絲繩磁化到飽和狀態，需要勵磁裝置在鋼絲繩中產生大于1 T的磁感應強度[9]。因此選擇N-N-S-S的磁極布置方式磁化鋼絲繩。

圖6 N-S-S-N磁通密度云圖Fig.6 N-S-S-N magnetic flux density cloud

2.2 檢測器的設計

磁敏感元件有感應線圈、磁通門、霍爾元件等，由于霍爾元件輸出信號不受鋼絲繩速度的影響，且體積小、反應靈敏，適合電梯鋼絲繩的檢測，故檢測元件采用線性霍爾元件。霍爾元件周向陣列布置在鋼絲繩周圍，均勻布置的元件數量應使多元件覆蓋范圍總和大于被測區域[10]，為了能保證實現無漏檢檢測，霍爾元件的數量N應滿足

(3)

式(3)中：N為霍爾傳感器的數目；D為檢測環的直徑，mm；L為霍爾元件的軸向覆蓋范圍，mm。

鋼絲繩的直徑為8 mm，選取傳感器的提離值為2 mm，霍爾元件的覆蓋弧度為8 mm，計算得N≥4.71，滿足此條件的前提下，鋼絲繩在經過霍爾傳感器時，鋼絲繩軸向會在鋼絲繩股與股空隙處產生漏磁通，此信號一般稱為“股波”信號。在檢測中，這類信號是無用信號[11]。霍爾元件的數量是鋼絲繩股數的整數倍，可以有效消除股波信號的影響，選用6個霍爾元件陣列在鋼絲繩周圍。霍爾元件輸出的漏磁信號較小，采用放大器對每路信號進行放大。設計單根鋼絲繩6個傳感器同時輸出信號，提高了信號的空間分辨率，有利于故障信號的定位。

檢測器安裝的提離值和方向也是影響檢測結果的重要因素，下面采用建立磁偶極子模型的方法來確定傳感器的安裝方向及提離值。

磁偶極子是在電偶極子的基礎上建立的物理模型，其等值異號組成封閉的回路，可以很好地描述小尺寸的磁場回路。在鋼絲繩無損檢測中，常用磁偶極子模型來模擬鋼絲繩的漏磁信息[12-13]，如圖7所示。磁偶極子在力矩的作用下會發生轉動，當力矩為零時，處于平衡狀態，利用此原理進行漏磁場的測量。在圖7中，正負Q是一對磁偶極子，Q是其電荷量，L1、L2是電荷到A點的距離，即斷絲的間隙大小。B為兩電荷在A處的磁場的方向和大小，2δ+2R為兩電荷的距離。

圖7 磁偶極子模型Fig.7 Magnetic dipole model

坐標y是鋼絲繩的提離值(鋼絲繩的表面到霍爾元件的距離)。在圖7中用A點的縱坐標y表示提離值的大小，采用圖7建立的磁偶極子模型，分析提離值的大小對B1、B2漏磁場的影響。當斷口寬度2δ一定，這里設定2δ=5 mm，其他條件不變，漏磁場軸向分量B1、徑向分量B2在不同提離值下與x的關系如圖8和圖9所示。

圖8 漏磁場水平分量Fig.8 Horizontal component of the leakage magnetic field

圖9 漏磁場豎直分量Fig.9 Vertical component of the leakage magnetic field

由圖8可知，當斷口寬度一定，提離值越大，漏磁場在水平方向上的分量逐漸減小，當提離值達到一定值，水平分量的值逐漸趨近于零。當提離值較小時，水平分量出現兩個最大的峰值。

由圖9可知，當斷口寬度一定，提離值越大，漏磁場在豎直方向上的分量越小，當提離值到達一定值，豎直分量趨近于零。且在正負方向都只有一個波峰。

圖10 電梯鋼絲繩數據采集波形Fig.10 Elevator wire rope data acquisition waveform

根據兩個仿真圖形的分析，軸向的漏磁場B1的圖形較為復雜，出現正負兩個峰值，且隨寬度的變化B1會出現回落現象，相比較B2隨寬度或提離值變化的趨勢較穩定、清晰。所以在檢測鋼絲繩漏磁信號時，應選擇徑向分量B2作為檢測對象進行檢測。霍爾傳感器的安裝應與鋼絲繩的徑向方向一致，且提離值為2～3 mm檢測效果最好。

3 電梯鋼絲繩的信號采集

3.1 信號采集裝置

電梯鋼絲繩的信號采集裝置采用研華的NI USB6351信號采集板卡，USB的數據接口，能實現信號的高速讀寫。為了提高空間分辨率，準確確定鋼絲繩的缺陷，對每個霍爾元件的輸出采用相互獨立的通道來處理。

3.2 多通道鋼絲繩信號的采集和儲存

系統多根鋼絲繩同時檢測，每根鋼絲繩用6個通道，采用波形圖表來顯示采集到的波形數據。

LabVIEW數據采集有3種方式，第1種是配置數據管理軟件MAX，在測試面板進行數據的采集；第2種是在MAX窗口中創建采集任務，根據提示配置一系列采集參數，配置完成后可以在程序框圖中生成DAQ Assistant VI；第3種是采用DAQmx API進行編程[14]。前兩種方法操作簡單，但準確性、靈活性較差，局限性較大，第3種利用測量I/O選板下VI可以完成數據采集的任務，根據需求可做任意改進，準確快捷地控制程序。本系統采用DAQmx API編程的方法對采集板卡進行相關參數的設置，包括物理通道、采樣率、采集電壓范圍等，來實時顯示采集的波形并保存數據。

在鋼絲繩上人為制造斷絲損傷，鋼絲繩1采集到的信號如圖10所示，每一通道對應相應的傳感器輸出，波形圖波動的部位對應鋼絲繩的損傷。實驗表明，在斷口較大的地方，每個傳感器都能檢測到漏磁信號，離斷絲最近的傳感器輸出電壓值最大。

在對電梯鋼絲繩缺陷進行檢測時，不僅希望能實現實時監測、控制功能，還需要對數據進行高速有效的存儲，以完成后續定性定量評估，對系統的實時運行再現。LabVIEW的環境支持的文件格式有文本文件、二進制文件和數據記錄文件3種[15-16]。二進制文件以其高速、高效的特點在高速流盤、安全存儲方面有廣泛應用，LabVIEW提供的二進制文件中TDMS文件讀寫速度快，占用空間小，適合于多通道、長時間、連續的海量數據存儲[17-18]，故采用TDMS文件進行數據存儲。圖11所示為多通道數據采集系統部分數據采集和存儲的部分程序框圖。存儲過程中LabVIEW可以將每根鋼絲繩不同通道的數據存儲分開保存并進行命名。鋼絲繩多通道數據采集系統，每一個通道都減去初始值，消除了傳感器自身的干擾。初始值是鋼絲繩無故障時每一個傳感器的輸出電壓值。采用順序結構，對數組初始化，使波形圖表顯示的信號長度可以進行設置，波形圖表面板上可以顯示系統時間，TDMS采集數據的同時將系統的時間信息也采集存儲下來。

圖11 數據采集和存儲部分程序框圖Fig.11 Data acquisition and storage block diagram

3.3 系統測試

如圖12所示，在鋼絲繩上人為制造3處斷絲，分別為斷6根絲、2根絲、4根絲，用信號采集系統對斷絲數據進行采集，經過消噪處理后的波形圖如圖13所示，斷絲位置在圖13中已標出，從左到右分別是斷6根絲、斷2根絲、斷4根絲的波形。從圖中可以看出通道1缺陷處峰值較大，波形的寬度和斷絲缺口的寬度相關，斷絲位置離檢測器1較近，檢測器1對應的是通道1的輸出信號。從波形圖上來看，通道1波形峰值變化比較明顯，通道2和通道3對應的信號有少許變化，由于斷絲數量較少，通道4～6信號幾乎沒有出現明顯變化。

圖12 鋼絲繩斷絲Fig.12 Wire rope broken wire

圖13 消噪處理后的波形Fig.13 Waveform after noise reduction processing

4 結論

(1)在實驗室搭建的模擬電梯鋼絲繩運行的實驗臺，多根鋼絲繩同時運行，設計了基于LabVIEW的電梯鋼絲繩數據采集和存儲系統，能對鋼絲繩的運行狀態進行實時監測，檢測鋼絲繩不同的損傷程度，對采集數據進行高速存儲，解決了電梯鋼絲繩在線監測困難的問題。

(2)設計的勵磁器永久磁鐵N-N-S-S的磁極布置方式磁化效果最好，雙回路的磁路設計能將鋼絲繩磁化至飽和狀態，勵磁效果均勻，產生的磁場穩定。檢測器沿鋼絲繩徑向方向安裝，周向陣列布置，最佳提離值為2～3 mm。單個霍爾元件獨立輸出漏磁信號，易于提高空間信號的分辨率，檢測信號更加準確。