趙章焰 程 茁

武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063

0 引言

漏磁檢測(cè)法作為非接觸式無(wú)損檢測(cè)的重要方法，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了各行各業(yè)中[1]，鋼絲繩的漏磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在鋼絲繩的檢測(cè)領(lǐng)域中相較于圖像檢測(cè)[2]、激光雷達(dá)[3]、超聲波檢測(cè)[4]等方法有著更高的可靠性和更廣泛的認(rèn)可程度。關(guān)于磁激勵(lì)方式，早期漏磁檢測(cè)用的直流或交變激勵(lì)的磁化方法[5]，但由于體積和質(zhì)量等原因已經(jīng)被淘汰，當(dāng)今永磁鐵磁化方法被較多使用[6]。關(guān)于信號(hào)獲取方法，感應(yīng)線圈的輸出受檢測(cè)速度的影響[7]，不利于后續(xù)信號(hào)的處理；磁通門傳感器靈敏度高但需要采用交流激勵(lì)，使用不方便[8]且使用場(chǎng)景有限；霍爾元件作為當(dāng)前使用最為廣泛的磁敏原件，其輸出的信號(hào)理論上不受鋼絲繩運(yùn)動(dòng)速度的影響[9]，且可保證探頭的整體體積小、無(wú)溫度漂移、無(wú)零點(diǎn)漂移、無(wú)需開(kāi)機(jī)校準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)對(duì)鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)的研究大約始于1960年。20世紀(jì)80年代楊叔子團(tuán)隊(duì)基于漏磁通法成功研制了一臺(tái)針對(duì)鋼絲繩斷絲故障的定性檢測(cè)設(shè)備，而后又研制出MTC-94鋼絲繩局部斷絲的定量檢測(cè)系統(tǒng)；20世紀(jì)90年代，采用磁通門傳感法和超聲波發(fā)射法等研究都取得一定的成果，被應(yīng)用在各自特殊的場(chǎng)景里[10，11]。

由于需要在簡(jiǎn)易升降機(jī)正常工作時(shí)對(duì)其鋼絲繩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)鋼絲繩有損傷需即時(shí)判別且將結(jié)果傳輸至CPU1215進(jìn)行匯總處理，進(jìn)而發(fā)出蜂鳴聲或強(qiáng)閃光等警告，必要時(shí)可控制簡(jiǎn)易升降機(jī)的運(yùn)行，避免其帶故障作業(yè)。傳統(tǒng)的停機(jī)檢查不可行，不實(shí)時(shí)且影響簡(jiǎn)易升降機(jī)正常工作；將原始信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸至上位機(jī)處理的方法則因?yàn)榫€路較長(zhǎng)導(dǎo)致模擬信號(hào)衰減且混入噪聲信號(hào)，不利于后續(xù)信號(hào)的處理。因此，設(shè)計(jì)一套可以本地處理，只傳輸判別結(jié)果的簡(jiǎn)易升降機(jī)用鋼絲繩缺陷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常有必要。

1 系統(tǒng)方案

基于上述背景及需求，設(shè)計(jì)了一套基于ARM開(kāi)發(fā)的鋼絲繩缺陷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括鋼絲繩漏磁檢測(cè)探頭、AD623放大電路、基于ARM的信號(hào)采集處理下位機(jī)3部分。

該系統(tǒng)工作的流程為：鋼絲繩漏磁檢測(cè)探頭獲取鋼絲繩狀態(tài)的模擬量信號(hào)，傳輸給AD623放大電路進(jìn)行約600倍的濾波放大，放大后的模擬信號(hào)傳輸給ARM下位機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)大小判別和開(kāi)關(guān)量輸出3個(gè)過(guò)程，其中數(shù)字信號(hào)大小判別的邏輯需提前通過(guò)USB to RS485接口寫入ARM下位機(jī)，最終將開(kāi)關(guān)量信號(hào)送至CPU1215模塊進(jìn)行匯總處理，作為簡(jiǎn)易升降機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要信號(hào)組成?？傮w工作流程如圖1所示。

圖1 總體工作流程

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案實(shí)物接線如圖2所示。其中，在布置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際線路時(shí)，AD623放大電路板和ARM下位機(jī)的供電可共用一個(gè)12 V輸出的電源，以減少隨行線纜的布置難度。

圖2 方案實(shí)物接線

2 鋼絲繩漏磁檢測(cè)探頭設(shè)計(jì)

漏磁檢測(cè)的原理如圖3所示，永磁磁化器周圍的閉合磁場(chǎng)將鋼絲繩磁化，若鋼絲繩存在磨損或者斷絲等缺陷將產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，位于探頭中間的磁敏器件將捕獲這一漏磁場(chǎng)信息，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最后對(duì)電壓信號(hào)處理和判別，結(jié)果即可作為鋼絲繩是否有缺陷存在的檢測(cè)評(píng)判依據(jù)。經(jīng)典的鋼絲繩永磁磁化漏磁探頭是采用的磁軛式結(jié)構(gòu)[12]，由幾組磁軛組件固結(jié)而成，且組件相對(duì)獨(dú)立，并通過(guò)銜鐵和磁敏元件組成一個(gè)整體，但這種結(jié)構(gòu)需要采用大體積大質(zhì)量的永磁體，不適合安裝在簡(jiǎn)易升降機(jī)15 mm鋼絲繩的吊鉤上。因此，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用小體積小質(zhì)量的穿過(guò)式永磁磁化器探頭，銜鐵材料選用導(dǎo)磁性極強(qiáng)的坡莫合金，磁敏元件選用無(wú)需外加激勵(lì)的霍爾元件。最終設(shè)計(jì)制造得到的鋼絲繩漏磁檢測(cè)探頭如圖4所示，探頭安裝在鋼絲繩吊鉤上的方式如圖5所示。

圖3 永磁激勵(lì)漏磁檢測(cè)原理圖

圖4 鋼絲繩探頭實(shí)物圖

圖5 探頭安裝方式

3 放大電路的設(shè)計(jì)

由于漏磁檢測(cè)探頭輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)別，而后續(xù)的ARM下位機(jī)的模擬量采集范圍為0～10 V，采集的分辨率為0.01 V，故需要設(shè)計(jì)一個(gè)放大倍數(shù)為數(shù)百倍的放大電路板。利用Multisim電路仿真軟件，確定一級(jí)放大倍數(shù)為20，二級(jí)放大倍數(shù)為30，總計(jì)放大20×30=600倍，此時(shí)放大后的信號(hào)信噪比高。放大板的原理如圖6所示。

圖6 放大板原理

該模塊基于經(jīng)典的三運(yùn)放進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，具有低功耗、低噪聲干擾和低輸入偏置電流等特性，且可實(shí)現(xiàn)軌至軌的運(yùn)放，其中增益電阻R1和R2的值設(shè)定為24.7 kΩ的絕對(duì)值，采用可變電阻即可實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱電壓的精確增益，當(dāng)G=100時(shí)，精度接近0.15%。增益公式為

4 數(shù)據(jù)處理下位機(jī)設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的將數(shù)字信號(hào)送至上位機(jī)進(jìn)行判別的方式不同，在此下位機(jī)中不僅要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)大小的判別，故對(duì)核心微處理器的選型非常關(guān)鍵，其需具有響應(yīng)速度快，處理精度高等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的51 Core單片機(jī)系列雖然兼容良好應(yīng)用廣泛，但是一般不具備自編程能力，且地址空間只有64 kb，片上存儲(chǔ)器ROM只有2 ～64 kb，RAM僅為128 byte～1 kb。相比較而言，ARM Core的STM32等系列地址空間有4 Gb，片上存儲(chǔ)器ROM有20 kb～1 Mb，RAM有8 ～256 kb。此外，51 Core單片機(jī)絕大部分的架構(gòu)為馮諾依曼結(jié)構(gòu)，而STM為哈佛結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理的速度更快，精度更高。

綜合實(shí)際需求和成本等多方面考慮，最終選定以ARM為核心進(jìn)行下位機(jī)設(shè)計(jì)，并選用KSN-1210電源，可將家用220 V電轉(zhuǎn)換為12 V、1 A的穩(wěn)定電源，保證下機(jī)的精確運(yùn)行。此外，預(yù)留一個(gè)RS485通訊接口，可根據(jù)預(yù)設(shè)的信號(hào)基準(zhǔn)值重新寫入判別邏輯，使下位機(jī)具有一定通用性。

通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)接口寫入ARM下位機(jī)的判別邏輯如圖7所示，漢字界面令編寫更簡(jiǎn)單。以圖7中的判別邏輯為例，將放大后的信號(hào)基準(zhǔn)值定為500，由于模塊的模擬量采集分辨率為0.01 V，所以代表 5 V，當(dāng)信號(hào)偏移至800以上或200以下時(shí)，即偏移值大于30%會(huì)閉合第一路輸出繼電器；當(dāng)在（200，800）區(qū)間時(shí)，第一路保持原來(lái)狀態(tài)不變。除此之外，預(yù)留了備用的第二路輸出繼電器，可用作信號(hào)存儲(chǔ)輸出口等。

圖7 判別邏輯程序

5 試驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體性能，搭建了如圖8所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，由于鋼絲繩柔性不佳，在實(shí)驗(yàn)室難以使用電葫蘆帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，故采用鋼絲繩繃直并保持靜止，手推探頭沿著鋼絲繩前進(jìn)，來(lái)模擬這二者的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并不用考慮二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，因磁敏霍爾元件的輸出不受運(yùn)速度的影響。以簡(jiǎn)易升降機(jī)用的φ15 mm 6股交互捻鋼絲繩為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在此鋼絲繩上人為制造3處缺陷，包括缺陷1表面1根斷絲、缺陷2表面3根斷絲和缺陷3表面4 mm磨損缺口，并將探頭往復(fù)推動(dòng)10次每種類型各檢測(cè)20次，最后通過(guò)上位機(jī)CPU1215讀取第一路繼電器的輸出，檢測(cè)結(jié)果如圖9示。

圖8 鋼絲繩實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖9 不同缺陷類型的檢測(cè)準(zhǔn)確度

由圖9可知，鋼絲繩表面1根斷絲的檢測(cè)準(zhǔn)確度為85%、表面3根斷絲檢測(cè)的準(zhǔn)確度為100%、表面4 mm磨損缺口檢測(cè)的準(zhǔn)確度為95%，綜合檢測(cè)準(zhǔn)確度高達(dá)93.33%。其中斷絲1根的缺陷類型下的檢測(cè)準(zhǔn)確度相對(duì)較低，分析可能是磁敏原件距缺陷位置在圓周上超過(guò)了180°，導(dǎo)致霍爾磁敏元件的輸出電壓值沒(méi)有到達(dá)提前所設(shè)置的閾值，沒(méi)有引起第一路繼電器的通斷變化。

6 結(jié)論

1)通過(guò)分析簡(jiǎn)易升降機(jī)鋼絲繩在線監(jiān)測(cè)的需求，確定了鋼絲繩缺陷監(jiān)測(cè)探頭需安裝在貨箱吊鉤上隨貨箱一起運(yùn)行，基于這一特點(diǎn)，采用弱磁永磁體作為勵(lì)磁元件，以減少隨行線纜的數(shù)量和探頭的質(zhì)量；此外，在實(shí)際工作時(shí)，鋼絲繩相對(duì)于探頭的運(yùn)動(dòng)速度并非勻速，有加減速的過(guò)程，故采用霍爾磁敏元件作為信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出元件，最后完成了鋼絲繩探頭的樣品制作。

2)基于經(jīng)典的三運(yùn)放大電路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一款可調(diào)倍數(shù)的放大電路板，他有著低功耗、低噪聲等特性；并確定了2級(jí)放大的相應(yīng)倍數(shù)，為后續(xù)輸出處理做準(zhǔn)備。

3)基于ARM進(jìn)行開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了一款集AD轉(zhuǎn)換、數(shù)值判別和開(kāi)關(guān)量輸出為一體的下位機(jī)。其中，模擬量的采集精度高達(dá)0.01 V，有助于提高檢測(cè)精確度；數(shù)值判別的基準(zhǔn)值和上下閾值都可通過(guò)USB to RS485接口寫入，使得模塊具有通用性和適用性；開(kāi)關(guān)量輸出是通過(guò)第一路繼電器實(shí)現(xiàn)，結(jié)果比波形圖輸出更加直接。

4)在實(shí)驗(yàn)室搭建了模擬實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，以鋼絲繩不動(dòng)，探頭沿著鋼絲繩來(lái)回移動(dòng)模擬實(shí)際與運(yùn)動(dòng)情況，在φ15 mm 6股交互捻鋼絲繩上人為造成3種最為常見(jiàn)的缺陷故障，測(cè)得總體檢測(cè)準(zhǔn)確度為93.3%，滿足投入應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。