漏磁法鋼絲繩斷絲檢測裝置的設(shè)計(jì)

陳日豪，張文昭，劉志壯，翟樹，蔣華，何穎豪，李馬成

（湖南科技學(xué)院 智能制造學(xué)院，湖南永州，425199）

0 引言

鋼絲繩被廣泛應(yīng)用在電梯、礦井、纜車等行業(yè)，由于檢測不及時(shí)，安全因素不時(shí)有之，近幾年由于鋼絲繩斷裂造成人員傷亡的事故時(shí)有發(fā)生，比如礦井提升系統(tǒng)[1～3]出現(xiàn)跑車、過卷和斷繩事故，其中由于鋼絲繩斷繩所引發(fā)的事故就占29.6%[4]。及時(shí)準(zhǔn)確的判斷出鋼絲繩是否斷絲或存在損傷，就成了急需解決的問題。傳統(tǒng)的鋼絲繩斷絲檢測方法主要是用手去摸和用眼睛去看等方法，這些方法耗時(shí)耗力，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，極易導(dǎo)致鋼絲繩過早報(bào)廢和資源的浪費(fèi)[5]。

傳統(tǒng)的鋼絲繩損傷檢測方法主要有用眼睛去看，用手去摸等方法，這種方法耗時(shí)耗力，且檢驗(yàn)結(jié)果不理想，極易導(dǎo)致鋼絲繩過早報(bào)廢和資源的浪費(fèi)[6]。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，鋼絲繩的損傷檢測逐漸向智能化、信息化發(fā)展，采用超聲導(dǎo)波檢[7]、X 射線[8]、渦流[9]等多種檢測手段。以下是經(jīng)過上網(wǎng)查閱了解到的相關(guān)文獻(xiàn)描述。

劉雪芳等人制作的超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)具檢測距離長，使用方便和靈敏度高等優(yōu)勢，能夠?qū)︿摻z繩進(jìn)行快速的損傷檢測[7]。季曉華研究的鋼絲繩芯無損探傷系統(tǒng)主要是利用X射線檢測鋼絲繩的內(nèi)部缺陷問題，在線智能識(shí)別和分析鋼絲繩芯缺陷的圖像等功能[8]。于小杰等人設(shè)計(jì)了一種渦流檢測探頭，采用退化向量位有限元法對(duì)鋼絲繩渦流檢測進(jìn)行了數(shù)值模擬[9]，并通過實(shí)驗(yàn)與仿真證明了檢測非常有效。

本文針對(duì)鋼絲繩是否斷絲的問題展開研究和分析，采用無損檢測方法——漏磁檢測法[10,11]，即使用磁敏元件通過測量缺陷處鋼絲繩周圍的漏磁場來判斷損傷情況[12～14]，具體研究內(nèi)容如下。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)應(yīng)用霍爾效應(yīng)漏磁檢測原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)構(gòu)成的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)包括探頭，信號(hào)處理電路、單片機(jī)，顯示、報(bào)警模塊，根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測需要可以增加GPRS 模塊。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖

2 硬件模塊電路原理及軟件設(shè)計(jì)

2.1 探頭設(shè)計(jì)

探頭包括霍爾元件組和勵(lì)磁回路兩部分，如圖2 所示，霍爾元件組包括八個(gè)AH3503 線性霍爾傳感器，四個(gè)構(gòu)成一組，A、B、C、D 為1 組，E、F、G、H 為2 組，鋼絲繩穿過霍爾元件組；勵(lì)磁回路由磁源和磁路組成，磁源采用的是U 形永久性磁鐵或電磁鐵，磁路是被測鋼絲繩與U 形磁鐵形成的閉合回路。每組的四個(gè)霍爾傳感器成90°角周向均勻分布，兩組霍爾傳感器相互錯(cuò)位45°角相對(duì)而置，構(gòu)成漏磁檢測裝置。勵(lì)磁回路采用U 形永磁鐵勵(lì)磁或電磁鐵，使鋼絲繩內(nèi)磁場達(dá)到飽和狀態(tài)，將霍爾元件組置于U 形磁鐵的中間，當(dāng)鋼絲繩的斷絲通過霍爾元件組時(shí)，由于斷絲部分會(huì)產(chǎn)生漏磁，霍爾元件組探測到周圍的磁場發(fā)生變化，而霍爾傳感器就會(huì)將檢測到的漏磁輸出為電壓信號(hào)。

圖2 探頭結(jié)構(gòu)

■2.2 信號(hào)處理電路

由于AH3503 霍爾傳感器存在2.25～2.75V 的靜態(tài)輸出電壓，且輸出變化比較緩慢，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得知，由于靜態(tài)電壓存在，若將霍爾傳感器的電壓直接輸出，有用電壓值變化不明顯，易被淹沒，針對(duì)靜態(tài)電壓值的情況，設(shè)計(jì)一個(gè)差動(dòng)放大濾波電路，將兩個(gè)相臨的霍爾傳感器接成差動(dòng)輸入，8 個(gè)霍爾傳感器接成4 路差動(dòng)放大電路。其中一路差動(dòng)放大電路如圖3 所示，由R1、R2、R4、R3、C1、C2、LM324 芯片中的一路運(yùn)算放大器組成，R3、C1 構(gòu)成RC 積分濾波輸出電路，A ～H 中8 個(gè)霍爾傳感器相對(duì)面的A、C 兩個(gè)霍爾傳感器連接到一個(gè)運(yùn)算放大器的反向和同向輸放端，其他三路運(yùn)放的連接圖與圖3 相似。經(jīng)調(diào)整參數(shù)當(dāng)霍爾元件組周圍無漏磁時(shí)，輸出電壓為0，檢測漏磁時(shí)，差動(dòng)放大電路輸出的0～5V 的電壓。

圖3 差動(dòng)放大電路

8 個(gè)霍爾傳感器A ～H 與運(yùn)算放大芯片LM324 接成4路差動(dòng)放大電路，霍爾傳感器A ～H 連接到運(yùn)放時(shí)，相對(duì)的兩個(gè)連接到一個(gè)運(yùn)算放大器的反向輸入端和同向輸入端，如圖4 所示，即霍爾傳感器A、C 輸入到運(yùn)放A1 的反向輸入端和同向輸入端，B、D 輸入到運(yùn)放A2 的反向輸入端和同向輸入端，E、G 輸入到運(yùn)放A3 的反向輸入端和同向輸入端，F(xiàn)、H 輸入到運(yùn)放A4 的反向輸入端和同向輸入端，四路運(yùn)放A1、A2、A3、A4 的輸出端OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 分別連接到單片機(jī)的P10、P11、P12、P13。

圖4 四路差動(dòng)放大電路與單片機(jī)連接圖

2.3 單片機(jī)與顯示電路

如圖5 所示，單片機(jī)采用STC12C5204AD，該內(nèi)部具有8 路10 位ADC，將引腳P10～P13 用作ADC 功能，連接運(yùn)放的OUT1 ～OUT4。顯示器采用LCD1602，連接成4 位數(shù)據(jù)格式，高4 位數(shù)據(jù)引腳D4 ～D7 連接到單片機(jī)的P14 ～P17，LCD1602 的EN、RS 端連接到單片機(jī)的P32和P33；單片機(jī)的P34 和P35 用作獨(dú)立式按鍵，用于功能選擇和操作控制。單片機(jī)的P30 和P31 為通信口，J1 用于程序下載，如果需要擴(kuò)展GPRS 模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，GPRS模擬連接也可以連接到J1 口。

圖5 單片機(jī)與顯示電路圖

2.4 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，當(dāng)傳感器檢測到漏磁產(chǎn)生的時(shí)，單片機(jī)給蜂鳴器模塊一個(gè)低電平，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警。

圖6 蜂鳴器模塊原理圖

2.5 軟件設(shè)計(jì)

本檢測系統(tǒng)采用單片機(jī)STC12C5204AD 作為核心處理器，其引腳分配如表1 所示。單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)如圖7所示，單片機(jī)進(jìn)入主程序后首先進(jìn)行初始化，包括顯示和AD初始化；然后循環(huán)程序：按鍵、四路數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與顯示、判斷是否報(bào)警，然后再返回到按鍵。四路數(shù)據(jù)采集主要是將四路數(shù)據(jù)送來的模擬電壓進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得電壓值，再判斷是否超限，若有超限進(jìn)行報(bào)警再返回，若無超限立即返回。按鍵可以用于設(shè)置超限域值。

圖7 主程序流程圖

表1 單片機(jī)引腳分配表

3 檢測試驗(yàn)

將直徑為9mm 的鋼絲繩鋸下一小段，然后用鋼鋸在這一段中鋸開一個(gè)缺口，隨后把這段鋼絲繩置于設(shè)計(jì)好的檢測裝置中，用電壓表測量當(dāng)探頭檢測斷絲處和正常處位置時(shí)的輸出電壓值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，出現(xiàn)斷絲時(shí)候的輸出電壓比無斷絲時(shí)候的電壓值高得多，當(dāng)輸出電壓大于0.5V 時(shí)，可以認(rèn)為存在斷絲或損傷。

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前廣泛使用的鋼絲繩在實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的部分?jǐn)嘟z問題，而設(shè)計(jì)了一種基于STC12C5204AD 單片機(jī)的鋼絲繩斷絲檢測裝置。該設(shè)計(jì)包括裝配在鋼絲繩上的漏磁檢測單元、處理傳感器輸出漏磁信號(hào)的差動(dòng)放大濾波電路、顯示電路和報(bào)警，處理電路將兩個(gè)霍爾傳感器輸出的電壓進(jìn)行差動(dòng)放大濾波、由單片機(jī)內(nèi)部ADC 處理后獲得漏磁信息，再由單片機(jī)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將信息顯示在液晶屏上。當(dāng)檢測到漏磁達(dá)到一定時(shí)，發(fā)出報(bào)警。數(shù)據(jù)顯示當(dāng)鋼絲繩無斷絲時(shí)，每路差動(dòng)放大器的輸出電壓在0.30V 左右，推斷當(dāng)差動(dòng)放大電路輸出電壓高于0.5V 時(shí)，判定為鋼絲有可能存在斷絲或損傷，提示進(jìn)一步人工檢測。