基于在線檢測系統的礦用鋼絲繩損傷信號抑噪的研究

栗 帥

（山西潞安檢測檢驗中心有限責任公司， 山西 長治 046200）

引言

礦用鋼絲繩是由多根碳素合金細微鋼絲擰合而成，具有高柔韌性、可彎曲性的特點。鋼絲繩結構強度高，自身質量較輕，目前被廣泛運用于各個煤礦的提升系統、運輸系統和牽引系統中。但鋼絲繩長期處于惡劣的工作環境中，其受到的載荷作用變化形式多樣，鋼絲繩破壞形式主要有銹蝕、磨損、斷裂等。目前煤礦企業也對鋼絲繩日常安全檢查相當重視，主要通過人工目視巡查的方法對鋼絲繩進行安全檢查。但該種方法無法檢測鋼絲繩內部缺陷，僅停留在表面檢查，但同時也有部分煤礦企業運用了在線系統檢測技術對鋼絲繩的損傷缺陷進行檢測[1]。但最后數據分析結果受到了作業噪聲、電氣設備電磁場等多種因素的干擾，造成數據分析結果不準確。因此有必要采用一種濾波的方法提取真實的鋼絲繩損傷信號，實現準確找到鋼絲繩損傷部位，及時進行安全隱患處置，保障煤礦企業安全生產[2]。本文采用漏磁檢測對鋼絲繩損傷的信號進行濾波處理，運用小波分析技術達到信號濾波消噪的效果。

1 鋼絲繩損傷分析

礦井采煤過程的提升系統和運輸系統中常用的鋼絲繩是由碳素合金鋼絲擰合而成，鋼絲繩強度大約為1 000～3 000 MPa[3]，具有良好的抗彎性能和柔韌性能。根據礦井提升系統、運輸系統的載荷大小，可定制鋼絲繩的結構類型，適應性選擇性范圍較大，如圖1 所示為鋼絲繩各類型截面結構示意圖，主要包括圓形股截面、三角股及橢圓股截面，內部截面結構復雜且可變化性較強，適用于多種工業場合[4]。

圖1 鋼絲繩繩股截面結構示意圖

鋼絲繩在煤礦生產作業過程中受到反復循環的載荷作用，形成了各種類型的缺陷形式。根據相關研究資料，鋼絲繩損傷缺陷主要被劃分為LF 型和LMA 型損傷，代表含義為局部缺陷和截面缺陷。局部缺陷損傷為極小范圍內截面積突然變小的損傷，截面損傷為鋼絲繩在長時間負載作用下不斷地磨損損耗產生的慢性損傷。對礦井現場的鋼絲繩進行分析，LF 型損傷（局部損傷）為鋼絲繩常見的損傷方式，影響鋼絲繩安全受力狀態，造成承載力下降和斷裂風險增加。針對LF 型損傷主要為斷絲破壞，在線檢測系統可以有效地對斷絲損傷位置進行檢測[5]。

2 損傷檢測原理分析

2.1 鋼絲繩磁化原理

鋼絲繩由碳素合金金屬材料制成，因此鋼絲繩內部材料含碳量高，導磁性能更好。電磁檢測技術是對鋼絲繩缺陷檢測有效的技術方法，通過采用電磁檢測技術對鋼絲繩軸線方向施加磁場，如趨勢出現了LF 型缺陷時，斷絲位置的磁阻加大，磁場線將由臨近的連續鋼絲中穿過從而繞過缺陷位置，造成此處的磁場信號不連續，產生漏磁現象。漏磁部位的磁感線波動情況將被檢測裝置檢測出，從而確定出鋼絲繩斷絲的位置，斷絲部位漏磁場示意圖如下頁圖2所示。

2.2 勵磁裝置的設計

在對鋼絲繩進行漏磁檢測過程中，鋼絲繩必須被勵磁至飽和狀態，確保內部磁場分布勻稱，保證鋼絲繩磁場在徑向上的磁量較小。通過查閱資料得知，采用永久磁鐵直流勵磁的方法對鋼絲繩進行勵磁處理。從圖3 可知，該勵磁裝置由磁體S 級觸發至另一極N 極，通過穿過鋼絲繩內部形成閉合磁場回路，兩端均設置為環形永久磁體。

圖2 斷絲處的漏磁場示意圖

圖3 永磁勵磁的結構形式示意圖

2.3 檢測電路的設計

鋼絲繩LF 型損傷產生的漏磁場強度數值大約在5.0 mT，目前常采用的漏磁場測量方法有感應線圈法、磁通門法、霍爾元件法以及磁敏電阻。通過查閱資料分析，磁敏電阻更適合作為漏磁損失信號檢測的元件，因為其具有抗干擾性好、體積小、靈敏度較高、適用范圍廣等特點[6]。

磁敏電阻將輸入檢測的模擬信號進行處理，通過電路圖將其轉換為數字信號，通過信號放大處理、濾波處理、零點調整、增益調整等信號處理方法對信號進行調理，最終輸出檢測信號。

通過三級放大電路對磁敏電阻輸出的單向脈沖信號進行放大，并且在信號放大之前通過采用RC 低通濾波電路進行低通濾波。綜合考慮磁敏電子元件的特性，設計出鋼絲繩漏磁損傷信號的檢測傳感器，并對其輸出信號的處理電路進行設計，如圖4 所示。

圖4 信號處理電路

3 信號抑噪處理

3.1 小波濾波方法

在煤礦復雜惡劣的作業環境中，通過采用小波濾波的技術處理方法對鋼絲繩檢測出的損傷信號進行濾波處理，得出對研究有用的損傷信號數值。采用小波濾波方法，首先根據斷絲信號選擇適合檢測的小波函數，將含雜著噪聲信號的檢測信號分為不同的頻率段，并得到各個頻段的小波分解系數，將每個頻段的分析數據進行量化處理并將采集到的信號數值與門限閾值進行比較，將大于門限信號的數據進行采集，其他信號設置為0，重新構建各個頻段的分解信號，對數據檢測波形進行濾波處理。在斷絲信號的分析過程中，小波技術的選擇性應滿足以下條件：有可微性和線性相位；在時域上最小支撐，小波函數的緊支性越好，重構算法中的序列就會越短；小波函數接近最優，即時頻窗面積盡量最小，這樣小波應用在時頻域局部化的聚焦能力就越強。

3.2 分析工具的選擇

通過采用MATLAB 數值分析軟件，在該軟件中選擇各類小波分析函數對采集到的數據進行小波變換。利用GUI 圖形的方式進行可視化展示，MATLAB軟件具有豐富的數據傳輸接口以及強大的數據分析處理能力，可作為鋼絲繩損傷信號數據處理分析的實用軟件。

3.3 小波的仿真分析

通常采用7 層多分辨率的方式分析每層鋼絲繩損傷檢測信號，對每一層頻段的信號取出異常數據的信號，對每層分解信號進行重新構建，將背景噪聲信號小波分解系數閾值強制設置為0，便可得到經小波變換抑躁的信號數據，具體分析結構數如圖5所示。

通過Matlab 軟件對鋼絲繩斷是缺陷信號進行采集，信號采集點共3 510 個，其中輸入的原始信號為s，其中斷絲缺陷信號共計采集到100 個左右，7層多分辨率分析分解結果如下頁圖6 所示。

圖5 多分辨分析樹結構圖

由圖6 可以得出，各層輸出信號較為雜亂，d1、d2、d3輸出的信號為高頻干擾，主要由礦井電機引起。a7輸出為低頻干擾，主要由鋼絲繩自身擺動所引起。鋼絲繩輸出的損傷信號主要集中于d4、d5。為避免其余信號干擾，將d1、d2、d3、a7、a6的閾值強制設置為0，并重新進行小波重構，進行損傷信號消噪處理。

圖6 鋼絲繩檢測信號七層分解

3.4 損傷信號抑躁

通過小波重構之后，鋼絲繩損傷信號輸出波形圖形由圖7 所示。

由圖7 可知，小波分析在抑噪方面取得了良好的效果，波形清晰明了，可以避免噪聲環境以及機器工作干擾對斷絲缺陷的判斷，并將重構波形與原始信號波形進行對比分析，可以準確地找到鋼絲繩斷絲缺陷的部位，由此可以得出小波分析在一維信號的消噪方面表現良好，可以成為運用在線檢測系統探測鋼絲繩損傷數據后分析處理的有效技術措施。

圖7 重構波形示意圖