張一兵，劉笑達(dá)，周義仁

（太原理工大學(xué) 測控技術(shù)研究所，太原030024）

鋼絲繩是牽引、起吊設(shè)備中的重要部件，具有強(qiáng)度高、耐磨損、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑、礦井、交通、碼頭和旅游索道等多個(gè)領(lǐng)域。由于其工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，在長時(shí)間使用過程中難免會(huì)出現(xiàn)斷絲、磨損、腐蝕等情況［1－2］，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)造成嚴(yán)重的事故，導(dǎo)致設(shè)備的損壞和人員的傷亡。因此，對(duì)鋼絲繩缺陷檢測被列入到重要日程，對(duì)牽引鋼絲繩損傷狀況進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的檢測，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前，國內(nèi)外在這方面的檢測，方法有很多，用得最多的還是人工目測法。這種方法一方面通常會(huì)換下大量仍然還有使用價(jià)值的鋼絲繩，另一方面并不能完全消除隱患，有時(shí)鋼絲繩盡管未到更換期，但損傷確已嚴(yán)重，急需更換卻得不到更換，從而引發(fā)事故［3－5］。依據(jù)鐵磁材料高的導(dǎo)磁性，鋼絲繩的斷絲檢測采用漏磁檢測技術(shù)，主要有感應(yīng)線圈、霍爾元件和磁阻傳感器［6－7］。但是這些都有一個(gè)共同的缺陷，就是不能檢測鋼絲繩的內(nèi)部斷絲。針對(duì)漏磁檢測的缺陷，我們提出了一種螺線管式磁感應(yīng)鋼絲繩斷絲檢測傳感器，它是根據(jù)電磁感應(yīng)檢測原理設(shè)計(jì)的。一旦鋼絲繩出現(xiàn)斷絲，將會(huì)引起中央次級(jí)線圈的磁場不平衡，會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生。利用此原理來檢測鋼絲繩表面以及內(nèi)部的斷絲，其檢測方法原理簡單，操作方便，檢測靈敏度高，是一種全新的檢測思路。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，采取一定的措施后有很好的效果。

1 傳感器模型以及測量原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過導(dǎo)體回路的磁通量的變化率和感應(yīng)電動(dòng)勢的大小成正比，其方向取決于磁場的方向和變化情況。當(dāng)鋼絲繩內(nèi)部發(fā)生斷絲時(shí)，對(duì)原有磁場的影響非常小，所以產(chǎn)生的磁通變化率也很小。如果要使磁通變化率增大，有兩種方法：一種是設(shè)法在感應(yīng)線圈中獲得大的感應(yīng)電動(dòng)勢，使磁通變化率變大，這樣就需要增加原來線圈的匝數(shù)，但這樣同時(shí)也會(huì)增加傳感器的體積，使傳感器體積過大，這種方法不可?。涣硪环N是使鋼絲繩完好時(shí)的磁場為零，這樣原磁場的磁通量是零。根據(jù)這個(gè)思路，設(shè)想在一個(gè)具有磁惰性的管子上繞制2組初級(jí)線圈和1組次級(jí)線圈。其中，初級(jí)線圈1和初級(jí)線圈2反向串聯(lián)，加以高頻交流電源驅(qū)動(dòng)，這樣這兩組線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，使得位于磁惰性管子內(nèi)部安置于中央處的次級(jí)線圈的磁場相互抵消，即形成了零磁場；次級(jí)線圈與系統(tǒng)處理單元相接。這樣設(shè)計(jì)的傳感器在磁通量變化很小時(shí)也具有較高的靈敏度?；驹砣鐖D1所示。

鋼絲繩穿過這個(gè)磁惰性管，鋼絲繩相當(dāng)于一個(gè)鐵心。當(dāng)鋼絲繩內(nèi)外部有斷絲時(shí)，引起磁場擾動(dòng)，導(dǎo)致次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。斷絲的多少與輸出信號(hào)的幅值有關(guān)。現(xiàn)在只考慮左側(cè)線圈，在沒有斷絲之前，線圈產(chǎn)生的電感為：

式中：μ1是鋼絲繩的相對(duì)磁導(dǎo)率；N1是初級(jí)線圈1的匝數(shù)；r是磁惰性管子的半徑；l是線圈1的軸向長度。

當(dāng)鋼絲繩內(nèi)外部有斷絲時(shí)，產(chǎn)生的電感量為：

式中：ra是一根鋼絲的半徑；la是斷絲的長度。假設(shè)2ra≈la，則上式可以變?yōu)椋?/p>

可見，μ1是確定的，在傳感器尺寸（r、l）確定的情況下，一根鋼絲的半徑ra越大，電感量的變化率越大，磁通量的變化率越大。又因?yàn)镋＝－dφ／dt（負(fù)號(hào)代表方向），所以輸出電壓信號(hào)的幅值也越大，且信號(hào)的幅值和鋼絲的半徑有關(guān)，根據(jù)半徑的大小可以判斷出有多少根斷絲。傳感器的模型檢測原理如圖1所示。

圖1 傳感器模型檢測原理

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及組成

本系統(tǒng)主要采用MSP430單片機(jī)作為處理器來設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、距離檢測模塊、通信模塊等組成。系統(tǒng)的硬件原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊主要用來定量檢測鋼絲繩斷絲情況。鋼絲繩一旦有斷絲通過，中央次級(jí)線圈將產(chǎn)生電動(dòng)勢。次級(jí)線圈產(chǎn)生的電信號(hào)先通過裝置的調(diào)理電路將信號(hào)進(jìn)行放大濾波，并將微弱信號(hào)放大、濾除雜波，轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號(hào)。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊包括數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、時(shí)鐘電路、報(bào)警電路、RS232串行通信電路等。主要是通過MSP430單片機(jī)內(nèi)置的12位A／D轉(zhuǎn)換器，將從傳感器出來的經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)，送入單片機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以便能夠準(zhǔn)確地判斷出鋼絲繩的斷絲數(shù)量。當(dāng)檢測到有斷絲的地方，報(bào)警電路開始報(bào)警。

2.3 距離檢測模塊

距離檢測的目的就是為了確定鋼絲繩斷絲發(fā)生的位置和累計(jì)鋼絲繩在某一長度范圍內(nèi)的斷絲量；同時(shí)，根據(jù)距離檢測信號(hào)還可以計(jì)算出鋼絲繩的運(yùn)行速度。距離檢測采用光電編碼器，在光電編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上固定連接一直徑為D的滾輪，鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)光電編碼器旋轉(zhuǎn)發(fā)出序列脈沖，發(fā)出的脈沖信號(hào)經(jīng)處理后產(chǎn)生計(jì)算機(jī)可以接受的中斷脈沖信號(hào)。精確定位是由計(jì)算實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算公式為：

式中：S為斷絲發(fā)生處與起始測點(diǎn)之間的距離；n為測得的脈沖數(shù)；a為每個(gè)脈沖數(shù)代表距離的長度。這樣，通過計(jì)算從檢測開始到發(fā)生斷絲位置時(shí)產(chǎn)生的總脈沖數(shù)，就可以精確地得知斷絲發(fā)生處與起始測點(diǎn)之間的距離。

2.4 通信模塊

通訊模塊用來實(shí)現(xiàn)MSP430單片機(jī)采集系統(tǒng)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞與信息傳送。即把單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的鋼絲繩斷絲檢測數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行定量處理和顯示，并把上位機(jī)的指令信息傳送給單片機(jī)。由于RS-232接口的邏輯電平與MSP430單片機(jī)的輸入、輸出TTL邏輯電平不兼容，因此要完成上位機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，采用MAX232芯片來完成。如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括主程序、A／D轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、與上位機(jī)的串行通訊。使用C語言進(jìn)行編程，系統(tǒng)的流程圖如圖4所示。

圖3 通訊系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換電路圖

光電編碼器轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖，對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生一次中斷，每一次中斷采集一次數(shù)據(jù)，并在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，直到全部采集完，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行處理和顯示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

上位機(jī)檢測軟件用VB語言編寫，主要包括在線檢測、手動(dòng)分析、自動(dòng)分析、波形分析、檢測報(bào)告、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)保存、參數(shù)設(shè)置等模塊。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

筆者在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)現(xiàn)場做了大量的實(shí)驗(yàn)。按上述電路原理自行設(shè)計(jì)了鋼絲繩斷絲檢測裝置，并在實(shí)驗(yàn)室制作了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上裝有自己研制的螺線管式鋼絲繩斷絲檢測傳感器，在傳感器的右端安裝了用于判斷鋼絲繩斷絲位置的光電編碼器。實(shí)驗(yàn)時(shí)將鋼絲繩從傳感器孔穿過，搖動(dòng)手輪帶動(dòng)鋼絲繩轉(zhuǎn)動(dòng)，讓鋼絲繩在傳感器的孔中勻速通過，光電編碼器隨著鋼絲繩的運(yùn)行同步旋轉(zhuǎn)，記錄脈沖數(shù)。

由于這個(gè)裝置是基于磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的，所以在現(xiàn)場使用時(shí)，要盡量遠(yuǎn)離熱源、磁源以及其他強(qiáng)磁場；在安裝時(shí)，應(yīng)選擇鋼絲繩擺動(dòng)最小的位置。由于鋼絲繩在運(yùn)行過程中可能會(huì)存在振動(dòng)、晃動(dòng)以及鋼絲繩繩徑的變化等，可選擇柔性的隨動(dòng)定心裝置來進(jìn)行固定，這樣可使檢測裝置與鋼絲繩表面保持恒定的間隙，避免徑向晃動(dòng)和振動(dòng)對(duì)檢測精度產(chǎn)生影響。

實(shí)驗(yàn)過程中，我們選擇6X19Φ32的鋼絲繩為實(shí)驗(yàn)樣品，鋼絲繩的長度約為6m，運(yùn)行速度小于1 m／s。在所實(shí)驗(yàn)的鋼絲繩上，人為地加工了一些斷絲，有外部斷絲也有內(nèi)部斷絲。例如，在1m處，外部剪斷2根鋼絲，在1.9m處內(nèi)部剪斷2根鋼絲，在2.9m的地方內(nèi)部剪斷1根鋼絲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖5中可以可看出，當(dāng)鋼絲繩完整無損時(shí)，螺線管式斷絲檢測傳感器沒有發(fā)生不平衡，電壓沒有明顯的跳變；當(dāng)內(nèi)部或者外部有斷絲時(shí)，次級(jí)線圈就會(huì)有明顯的電壓值產(chǎn)生。斷絲的多少根據(jù)電壓值的大小判斷。圖5中a、b、c三點(diǎn)處電壓發(fā)生明顯跳變，即前述1m、1.9m、2.9m 的斷絲處。實(shí)驗(yàn)證明，外部斷絲比內(nèi)部斷絲檢測出的信號(hào)強(qiáng)，容易測量；而內(nèi)部斷絲信號(hào)的強(qiáng)弱和斷絲的根數(shù)有關(guān)，斷絲越多，感應(yīng)電動(dòng)勢越大。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，本裝置的準(zhǔn)確率能夠達(dá)到95%以上。該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼絲繩內(nèi)外部斷絲在線實(shí)時(shí)檢測。

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