The signal suppression method of magnetic leakage detection rope strand based on magnetic sensitivity modulation
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摘要:
分析钢丝绳漏磁检测方法中绳股信号的形成原因,提出了基于磁敏调向的钢丝绳漏磁检测绳股信号抑制方法,且搭建了消除绳股信号特征的磁敏调向试验装置,通过试验对比分析了不同磁敏方向的绳股信号特征,最终确定了抑制绳股信号的最佳磁敏调向。结果表明,该方法极大地抑制了绳股噪声信号,提高了钢丝绳损伤信号信噪比。
Abstract:The formation reasons of rope strand signal in magnetic leakage detection method of steel wire rope were analyzed, a signal suppression method of rope strand based on magnetic sensitive direction modulation was proposed, and a magnetic sensitive direction modulation experimental device was built to eliminate rope strand signal characteristics. The signal characteristics of rope strand in different magnetic sensitive directions were tested and compared. Finally, the best magnetic sensitive direction for rope strand signal suppression was determined through experimental analysis. The results showed the method greatly inhibited the noise signal of rope strand and improved the signal-to-noise ratio of rope damage signal.
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Keywords:
- wire rope /
- magnetic leakage detection /
- rope signal /
- signal-to-noise ratio
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已研发的便携式钢丝绳漏磁检测探头种类繁多,但其输出的检测信号中常存在绳股信号,影响检测信号信噪比,降低仪器的检测精度和分辨力[1],同时也为后续信号处理分析带来困难,不易于实现缺陷的定量检测。文章提出了改进探头中磁敏元件的排布方式,极大地减弱了绳股信号,提高了检测信号信噪比。
1. 钢丝绳漏磁检测信号基本构成
钢丝绳漏磁检测信号并非钢丝绳上缺陷的真实信号,实际的检测信号由真实缺陷信号、绳股信号以及环境噪声和振动信号组成,如图1所示。绳股信号、环境噪声和振动信号对于钢丝绳缺陷检测来说是干扰信号,其中绳股信号产生的干扰尤为明显。
2. 绳股信号抑制方法
钢丝绳通常由多股小绳绕制而成,每根绳股间存在股间空隙,通过磁敏元件对钢丝绳进行扫描时,饱和磁化后的钢丝绳会在钢丝绳股与股空隙处产生漏磁场,采集后的信号显示类似正弦波,这种信号即是绳股信号。从实践经验来看,绳股信号的幅度与钢丝绳结构以及直径有关。对比钢丝绳和钢管的漏磁检测,可将钢丝绳股间空隙看作是一种缺陷,绳股信号是这种缺陷形成的漏磁场[2-3]。
处于深度磁饱和状态下的钢丝绳绳股中的磁感线大多数都收束在绳股内部,但是靠近股间空隙部分的会出现外漏情况。相邻的两绳股类似于磁铁两极,磁感线从一极发出,经过股间空隙到达另一极。产生绳股信号的漏磁场具有明显的方向性,且与钢丝绳的捻角相关。
为了拾取较大的漏磁场信号,现有的钢丝绳漏磁检测探头中的磁敏元件磁敏方向通常正对钢丝绳漏磁场的轴向分量或者径向分量。这就导致磁敏元件拾取到的信号同时包含缺陷信号和绳股信号,真实缺陷信号与绳股信号混杂,降低最终检测信号的信噪比。磁敏元件的磁敏特性具有方向性,磁敏方向与绳股漏磁场方向垂直时,磁敏元件不会检测到绳股信号,理论上即可将绳股信号从检测信号中滤除,绳股信号抑制方法示意及实施如图2所示。
3. 试验验证
3.1 试验装置
为验证该理论方法,进行了相关试验,搭建了自动扫描试验台。试验系统结构框图如图3所示。自动扫描试验台实物如图4所示。自动扫描试验台包含两根y轴导轨,两根x轴导轨,总计4根高刚度滑轨。滑块内部采用滚珠内循环结构。立柱底部分别与y轴导轨端部固定连接,确保立柱之间的距离恒定不变。钢丝绳通过张紧器悬挂于立柱之间,通过调整张紧器的螺栓可以改变张紧程度,保证钢丝绳在检测时能被张紧。x轴导轨上有一滑块和夹持装置,检测探头和电机通过螺栓以及夹持装置固定在该滑块上。步进电机转动带动滑块左右移动,检测探头也就随着滑块沿钢丝绳的轴向方向往复扫描。电机控制盒可以控制步进电机的转速和方向。为排除后续处理电路的干扰,试验时直接将磁敏元件的原始输出信号接入示波器中。用直流稳压电源为磁敏元件提供5 V电压。
3.2 试验内容
为了进行对比试验,试验时将磁敏元件在钢丝绳同一径向位置,沿轴向方向左右布置,保证两片磁敏元件提离值相同,扫查路径一致,如图5所示。左侧的磁敏元件L磁敏方向存在一定偏转角,右侧磁敏元件R偏转角度为0°。磁敏元件L输出直接接入示波器通道2,磁敏元件R接入通道1。现有的探靴中没有图5所示探靴结构中的斜面台,为便于试验,设计了如图6所示的磁敏元件支架,共设计了3种磁敏元件支架（利用3D打印制成）,其斜面台倾角依次为25°,35°,45°。磁敏元件实际布放方式如图7所示。
（1）试验一：利用霍尔元件Hall A1324对直径为28 mm,25 mm的两根钢丝绳分别进行了3组测试,每组分别使用斜面台倾角为25°,35°,45°的磁敏元件支架。斜面台倾角为35°时,霍尔元件磁敏方向沿绳股沟槽方向。每组重复测量50次,其中中速测量20次,快速和慢速测量各15次。测量结果显示该钢丝绳上存在一处内伤,一处外部断丝。
(2) 试验二：利用TMR 2503[4]元件对直径为21 mm的钢丝绳进行了3组测试,每组分别使用斜面台倾角为25°,35°,45°的磁敏元件支架。斜面台倾角为35°时,TMR元件磁敏方向最接近沿绳股沟槽方向。每组重复测量50次,其中中速测量20次,快速和慢速测量各15次。该钢丝绳上存在两处外伤；一处3根断丝,一处1根断丝。
（3）试验三：利用线圈对直径为21 mm的钢丝绳进行了两组测试,均使用斜面台倾角为35°的磁敏元件支架。一组按照图8（a）所示方式布放线圈,线圈L与斜面台紧贴,磁敏方向偏转角度为35°,此时线圈磁敏方向最接近沿绳股沟槽方向；线圈R磁敏方向偏转角度为0°。另一组按照图8（b）所示方式布放线圈,线圈L与斜面台紧贴,磁敏方向偏转角度为35°；线圈R磁敏方向偏转角度为15°。每组重复测量50次,其中中速测量20次,快速和慢速测量各15次。测量结果显示该钢丝绳上存在两处外伤：一处3根断丝,一处1根断丝。断丝缺陷如图9所示。
3.3 试验结果
(1) 试验一：Hall A1324对ϕ28 mm钢丝绳的部分测试结果如图10所示。Hall A1324对ϕ25 mm钢丝绳的部分测试结果如图11所示。
（2）试验二：TMR 2503对ϕ21 mm钢丝绳的部分测试结果如图12所示。
（3）试验三：利用线圈对ϕ21 mm钢丝绳的部分测试结果如图13所示。
3.4 试验结论
在试验中,为了分析扫描速度对绳股信号抑制方法的影响,设置了不同扫描速度的对照组。由图10可以看出,无论是快速、中速还是慢速扫描,绳股信号抑制方法均起到了明显作用,即扫描速度是无关变量。为了分析绳股信号抑制方法的适用性,试验一、二、三分别使用霍尔元件、TMR元件、线圈对不同绳径的钢丝绳进行了测试,均起到明显作用,说明该方法适用于多种磁敏元件和不同绳径的钢丝绳,具有良好的适用性。
在试验一中,钢丝绳上缺陷产生的漏磁场信号十分明显,其幅值远大于绳股信号幅值。调整磁敏方向后,绳股信号得到极大抑制,检测信号信噪比得到提高。在试验二和试验三中,如图12和图13所示,磁敏偏角0°时,绳股信号尤其明显。而调整磁敏偏角后,尤其是调至35°时,绳股信号得到极大抑制,缺陷信号得以凸显,易于识别,最终检测信号信噪比有了明显提高。这也使得信号的算法分析难度大大降低,探头检测精度得到提升。
为了寻找绳股信号抑制效果最佳的磁敏偏角,试验时设置了不同磁敏偏角进行对比,对比分析25°,35°,45°时检测信号波形的特征,不难发现绳股信号的幅值与磁敏偏角有着明显联系。试验一、试验二以及试验三中当磁敏偏角为35°时,绳股信号的抑制效果最好,磁敏偏角变为25°或者45°时（试验三中设置的对照组磁敏偏角为15°）,绳股信号都会有所增大。磁敏偏角为35°时,磁敏元件磁敏方向基本和绳股产生的漏磁场方向垂直（试验使用的不同钢丝绳的捻角有少许差别）。这也就说明当绳股漏磁场在磁敏元件敏感方向上的分量为0时,绳股信号的消除效果最好,此时的磁敏方向即是绳股信号抑制效果最佳的磁敏调向。
4. 结语
现有的绳股信号的减弱方法大多采用双排传感器阵列差动处理或者在后续算法处理上入手。实际上双排传感器阵列在进行差动处理时,两路信号往往存在相位差,差分后得到的缺陷信号不易于分析处理,而从算法上入手,钢丝绳绳股信号的频率和缺陷信号的频率相近,难以在频域上区分开来,使用小波变换或者神经网络处理信号也较为困难[5]。文章在分析绳股信号的产生原因后,提出在探头结构上调整磁敏元件磁敏方向,以一种简单的方式抑制了绳股信号,并对比分析了不同磁敏方向的绳股信号特征,最终通过试验及分析确定了绳股信号抑制的最佳磁敏调向。结果表明该方法有效地抑制了绳股噪声信号,提高了钢丝绳损伤信号信噪比。
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[1] 杨叔子,康宜华 ．钢丝绳断丝定量检测原理与技术[M]．北京：国防工业出版社,1995. [2] 谭继文 ．钢丝绳安全检测原理与技术[M]．北京：科学出版社,2009. [3] 闻七男便携式钢丝绳开环磁化检测探头结构优化武汉华中科技大学2021闻七男 ．便携式钢丝绳开环磁化检测探头结构优化[D]．武汉：华中科技大学,2021. [4] JIN Z H ,MOHD NOOR SAM M A I ,OOGANE M ,et al ．Serial MTJ-based TMR sensors in bridge configuration for detection of fractured steel bar in magnetic flux leakage testing[J]．Sensors,2021,21(2)：668. [5] 黄松岭,孙燕华,康宜华 ．现代漏磁无损检测[M]．北京：机械工业出版社,2017.
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