Multi-channel signal fusion method for magnetic leakage detection of steel wire ropes
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摘要:
分析了现有钢丝绳漏磁检测系统中存在的损伤信号幅值较小、前端多个磁敏元件处理方式较为简单等问题,提出了一种钢丝绳漏磁检测系统中的多通道信号融合方法。首先从磁敏元件阵列的角度出发,提出了多种磁敏元件阵列方式；其次从信号处理模拟电路的角度出发,设计了多通道信号融合硬件电路;最后,针对钢丝绳进行了实际测试,验证了此方法的可行性。
Abstract:This paper analyzed some problems in the existing magnetic leakage detection system of steel wire ropes, such as the small amplitude of the damage signal and the relatively simple processing method of multiple magnetic sensitive components at the front end, and in response to these problems, a multi-channel signal fusion method in the magnetic leakage detection system of steel wire ropes was proposed. First, from the perspective of magnetic sensor arrays, a variety of magnetic sensor array methods were proposed. Secondly, from the perspective of signal processing analog circuits, a multi-channel signal fusion hardware circuit was designed. Finally, actual tests were conducted on steel wire ropes to verify the feasibility of this method.
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经过多年的探索和实践,钢丝绳无损检测技术取得了显著的进步,对应不同工业场合的各种钢丝绳检测仪也相继出现[1-2]。然而,由于钢丝绳本身结构和使用环境不同,检测时钢丝绳相对传感器的径向晃动和不规则扭转,钢丝绳的拉伸程度,损伤的深度、宽度和形态,环境温度的变化及外界的电磁干扰等,都会对检测信号产生较大影响[3]。
近些年来,笔者所在实验室也在钢丝绳无损检测领域持续探索,研制的基于漏磁检测的便携式/在线式钢丝绳检测系统,通常为探头、信号处理电路、采集卡和平板电脑/笔记本电脑协同工作的离散化结构或者探头与仪表箱的集成化结构[4-7]。现有的钢丝绳无损检测技术及仪器存在的主要问题有：对于内伤、股内损伤或大直径钢丝绳的损伤,有时探测效果不理想,信号幅值不大；针对特定的难以检测的损伤群（见图1）,检出度不高；前端信号处理较为简单,若前端探头中布置了多个磁敏元件,则输出端只是简单地捻合在一起,而不是用电路进行多通道磁敏元件信号的处理,其实物如图2所示。
针对上述问题,文章基于现有的霍尔元件[8]、电感传感器这两种磁敏元件及开环磁化器结构,重新设计了磁敏元件在探头中的阵列方式,并设计了硬件模拟电路,提出了一种钢丝绳漏磁检测磁敏元件多通道模拟信号融合技术,主要包括磁敏元件阵列、信号融合模拟电路设计,设计了具体的探靴与硬件模拟电路,并开展了试验验证。
1. 信号融合磁敏元件阵列方案
钢丝绳漏磁检测原理示意如图3所示。钢丝绳为缠绕的螺旋状结构,外表面呈现规律的凹凸形态。磁钢作为整个磁路的励磁源,对被测钢丝绳进行磁化,在磁钢、衔铁、气隙和钢丝绳中形成磁回路。当钢丝绳中存在缺陷时,部分磁通由于磁导率突然降低而泄露,进而被磁敏感元件捕获[9]。
现在有些钢丝绳漏磁检测前端探头具有以下特点：在一个探靴中布置一个或多个不同类型的磁敏元件,如电感传感器、霍尔元件、线圈等,将同一类型的所有磁敏元件输出脚接在一起,直接进入放大通道。这种方法比较原始,并不会对所得信号的信噪比产生很大的正面影响,而单个磁敏元件的周向覆盖范围又是有限的。针对此问题,在现有探头和磁敏元件的基础上,提出了磁敏元件的阵列多通道信号融合技术。将磁敏元件在环形探靴中进行等间距轴向、周向、径向排列,如图4,5所示,其中虚线框内为磁敏元件,箭头表明磁敏元件的排列方向。多个霍尔元件或电感传感器在环形探靴内轴向、周向或径向均匀布置形成检测阵列,并将每组传感器的通道单独引出,待后续进入多通道融合电路。
2. 信号融合硬件电路方案
2.1 多通道霍尔元件信号融合硬件电路方案
多通道霍尔元件信号融合方案如图6所示,主要包括电源、多路霍尔元件、负电压产生电路、参考电压产生电路、电位器、反向电路、加法电路以及放大电路。多路霍尔元件的作用为捕获一定空间内的缺陷漏磁场,并将其转化为电压信号。其检测原理为
(1) 式中:U为感应电压;RH为霍尔系数,由半导体材料决定;B为外加磁场强度；I为通过半导体材料的电流；θ为外加磁场方向与半导体平面法线的夹角。
霍尔元件测量的是磁场的绝对值大小,因此其检测结果不受检测时钢丝绳运行速度的影响,且工作寿命长,检测效果稳定,但工作时需要外加电源,有电磁噪声。该方案霍尔元件选用的型号为A1302,其灵敏度约为1.33 mV·G-1,具有高覆盖范围、低噪声的特点。
负电压产生电路的作用为生成基线调零静态电压,同时还可与外接的5 V供电电压组成双电源,对除霍尔元件以外的所有电路进行双电源供电。现有霍尔元件A1302的特性为输出信号的基准电压值为供电电压的一半,即在霍尔元件供电为单电源5 V的情况下,其输出的基准电压值为2.5 V。若将每个霍尔元件输出信号的直流分量也用加法电路直接加起来,则在加法电路供电电压为双电源±5 V的情况下,其很容易达到饱和截止状态。因此,在进行霍尔多通道信号的融合时,需要将其直流分量进行调零。需要通过负电压产生电路输入-5 V的基线调零静态电压,将直流分量进行一定的去除。因此,此方案基于MC34063电源芯片,搭建外围电路,实现了基线调零静态电压的生成及±5 V的双电源供电。
参考电压产生电路、电位器以及反向电路的作用为生成基线调零动态电压。不同钢丝绳被磁化后的背景磁场不同,背景磁场会略微影响霍尔元件的基线电压值,因此,霍尔元件输出信号的基线电压值并不稳定,而是以2.5 V为基准上下浮动。因此还需要人为通过电位器来调节基线调零电压,进而完全将霍尔信号的直流分量去除。文章采用参考电压+电位器+反相放大电路的方式来产生基线调零动态电压。参考电压产生电路使用稳压二极管LM336Z来产生2.5 V的参考电压,经电位器分压后输入反向电路的REF端,经单路运算放大器OP210反向后,最终在Dy_V端输出基线调零动态电压。
加法电路基于双路运算放大芯片TLC2262,实现三通道霍尔元件输入信号（IN1、IN2、IN3）、基线调零静态电压（-5 V）和基线调零动态电压（Dy_V）的加法功能,在OUT端输出融合后的信号,进入后续已有的放大电路进行放大滤波。
2.2 多通道电感信号融合硬件电路方案
多通道电感信号融合方案如图7所示,主要包括电源、多路电感传感器、加法电路以及放大电路。当穿过感应线圈的磁通量发生变化时,感应线圈会产生感应电压。磁通量变化越快,感应电压相应越高。
(2) 式中:E为感应电压;n为线圈匝数;ϕ为通过线圈的磁通量大小;t为时间。
感应电压大小与磁通量本身大小无关,而与线圈匝数和磁通量变化率有关。因此感应线圈测量的是磁通量的变化率,而不是磁通量的绝对值大小,测量结果受到检测速度影响。电感是无源器件,工作时不需要外加电源,传感器自身几乎不产生电磁噪声。电感传感器输出信号无基线电压,所以相较于霍尔方案,多通道电感信号融合方案比较简单,基于双路运算放大器TLC2262搭建了加法电路,三通道电感信号（IN1、IN2、IN3）直接输入加法电路即可。但需注意电感传感器输入此电路的信号为交流信号,因此电源必须用±5V双电源,即必须能够放大负电压。放大后的信号同样进入后续已有的放大电路进行放大滤波。
3. 试验验证
3.1 多通道霍尔元件信号融合方案试验验证
搭建测试电路并初步完成测试后,设计并制作了多通道霍尔元件信号融合前端探靴及其适配的PCB样板,采用双电源供电,其实物如图8所示。经初步测试,此方案能够对损伤信号的幅值有一定的提升。
针对ϕ32 mm钢丝绳的外部断丝损伤群（见图9）,采用便携式钢丝绳检测探头,采用图5所示探靴和图10所示的检测设备进行测试。霍尔元件的每种排列方式测4组数据,即3组输入数据和1组输出数据,每组数据记录20个波形信号。其3种排列方式的损伤信号波形特征如图11所示,所有数据的损伤信号幅值特征如图12所示。每组数据的损伤信号幅值均值如表1所示。
Table 1. 霍尔元件3种排列方式的损伤信号幅值均值项目 轴向 周向 径向 输入通道1幅值均值 132.0 89.0 28.4 输入通道2幅值均值 125.0 56.0 8.0 输入通道3幅值均值 212.0 82.0 16.0 输出信号幅值均值 302.4 137.0 40.8 由此可见,对于外部断丝损伤群的检测,霍尔元件在环形探靴中轴向、周向、径向分布时,霍尔加法器可以有效提升信号的幅值大小,3种排列方式分别提高40%,50%,40%以上,其中,霍尔元件轴向排列时,加法器输出的信号幅值最大。
3.2 多通道电感信号融合方案试验验证
搭建测试电路并初步完成测试后,设计并制作了多通道电感信号融合前端探靴及其适配的PCB样板,采用双电源供电,其实物如图13所示。经初步测试,此方案能够对损伤信号的幅值有一定的提升。
针对外部断丝损伤群(见图9),同样采用便携式钢丝绳检测探头,采用图4所示探靴和图10所示的检测设备进行测试。同样地,电感的每种排列方式测4组数据,即3组输入数据和1组输出数据,每组数据记录20个波形信号。其3种排列方式的损伤信号波形特征如图14所示,所有数据的损伤信号幅值特征如图15所示。每组数据的损伤信号幅值均值如表2所示。
Table 2. 电感元件3种排列方式的损伤信号幅值均值项目 轴向 周向 径向 输入通道1幅值均值 1.57 2.84 0.24 输入通道2幅值均值 1.31 2.14 0.32 输入通道3幅值均值 1.28 1.49 0.24 输出信号幅值均值 4.48 8.75 0.85 由此可见,对于外部断丝损伤群的检测,电感元件在环形探靴中轴向、周向、径向分布时,电感加法器可以有效提升信号的幅值大小,电感的3种排列方式分别能够提高50%,50%,40%以上,其中,电感周向排列时,加法器输出的信号幅值最大。
4. 结语
文章针对现有钢丝绳无损检测仪器中仍存在的对前端多个磁敏元件处理方式较为简单的问题,提出了一种多通道钢丝绳漏磁检测信号融合方法,主要包括磁敏元件阵列优化及硬件电路设计两个方面,并进行了试验验证。结果表明,该方法能够有效提升损伤信号幅值,并针对不同磁敏元件找出了各自最优的阵列方式。
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Table 1 霍尔元件3种排列方式的损伤信号幅值均值
项目 轴向 周向 径向 输入通道1幅值均值 132.0 89.0 28.4 输入通道2幅值均值 125.0 56.0 8.0 输入通道3幅值均值 212.0 82.0 16.0 输出信号幅值均值 302.4 137.0 40.8 
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Table 2 电感元件3种排列方式的损伤信号幅值均值
项目 轴向 周向 径向 输入通道1幅值均值 1.57 2.84 0.24 输入通道2幅值均值 1.31 2.14 0.32 输入通道3幅值均值 1.28 1.49 0.24 输出信号幅值均值 4.48 8.75 0.85
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