王勁東，郭 鵬，王 雷

(1．中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2．燕山大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河北秦皇島 066004；3．徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇徐州 221004)

0 引言

自1906年第一臺(tái)鋼絲繩探傷儀問(wèn)世以來(lái)，歷經(jīng)一個(gè)多世紀(jì)的研究，各種檢測(cè)技術(shù)層出不窮，而電磁檢測(cè)法是目前國(guó)際上公認(rèn)的比較可靠的探傷方法之一[1-2]。

鋼絲繩電磁檢測(cè)分為強(qiáng)磁檢測(cè)與弱磁檢測(cè)[3]，目前工程實(shí)踐中應(yīng)用的主要是強(qiáng)磁檢測(cè)，其主流機(jī)型為磁化與檢測(cè)系統(tǒng)分開的分離式檢測(cè)系統(tǒng)，如俄羅斯的INTROS磁性鋼絲繩檢測(cè)儀。而借助MR01型磁阻式傳感器的高靈敏度特點(diǎn)所開發(fā)的鋼絲繩弱磁檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了激磁與檢測(cè)于一體的探傷裝置設(shè)計(jì)；運(yùn)用LabVIEW軟件平臺(tái)，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析及實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成的一體化集成操作界面，既能實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的實(shí)時(shí)觀察與分析，又可實(shí)現(xiàn)離線數(shù)據(jù)處理，極大地方便了用戶。

1 鋼絲繩弱磁探傷技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1．1鋼絲繩缺陷及報(bào)廢準(zhǔn)則

鋼絲繩的主要缺陷表現(xiàn)為斷絲、磨損、銹蝕、縮徑等。國(guó)家對(duì)報(bào)廢有嚴(yán)格規(guī)定，如起重機(jī)械用鋼絲繩檢驗(yàn)和報(bào)廢使用規(guī)范(GB5972—86)國(guó)標(biāo)中規(guī)定，鋼絲繩是否報(bào)廢，主要由斷絲的數(shù)量和性質(zhì)、斷絲的局部聚集、斷絲的增加率、繩股斷裂、繩徑減小、彈性減小、外部及內(nèi)部磨損、腐蝕、變形和由于其他原因造成的損壞等來(lái)判定在役鋼絲繩的安全程度，判斷其是否應(yīng)該報(bào)廢[3-4]。

1．2弱磁探傷技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

基于虛擬儀器的鋼絲繩弱磁探傷系統(tǒng)，主要由支架、行走機(jī)構(gòu)、探傷檢測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)等組成。其中，檢測(cè)裝置由屏蔽罩、弱磁激磁及檢測(cè)元件、導(dǎo)向與測(cè)速裝置等部分組成。v輪夾持鋼絲繩，減少由于鋼絲繩擺動(dòng)而引起的測(cè)量誤差，同時(shí)給出檢測(cè)裝置的位移信號(hào)。采用USB數(shù)據(jù)接口，通過(guò)LabVIEW程序開發(fā)環(huán)境[5]，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析及形成檢測(cè)報(bào)告單的多項(xiàng)操作。

圖1為Φ30 mm外層股鋼絲直徑為3 mm的鋼絲繩斷絲缺陷測(cè)試結(jié)果，缺陷b為3根斷絲，缺陷c為1根斷絲，傳感器距離鋼絲繩表面10 mm，激磁永久磁鐵表面磁場(chǎng)強(qiáng)度≤0．15 T，圖示波形為鋼絲繩缺陷處的軸向漏磁分布。

圖1 鋼絲繩斷絲缺陷及實(shí)測(cè)波形

試驗(yàn)結(jié)果證明：基于高靈敏度MR01型磁阻傳感器，及依據(jù)鋼絲繩磁化理論而設(shè)計(jì)的弱磁磁路系統(tǒng)，具有較高的信噪比，對(duì)各種直徑鋼絲繩的微小斷絲缺欠，及沾滿污垢人的視覺無(wú)法察覺的鋼絲繩斷絲缺陷，均可實(shí)現(xiàn)有效檢測(cè)[6]。

2 基于LabVIEW的鋼絲繩探傷人機(jī)界面設(shè)計(jì)

圖2為基于虛擬儀器的鋼絲繩無(wú)損探傷人機(jī)界面[7-8]。

該界面主要包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析與鋼絲繩報(bào)廢判斷，形成試驗(yàn)報(bào)告、打印試驗(yàn)結(jié)果等功能，實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩探傷過(guò)程的一體化操作。

通過(guò)定義信號(hào)幅值門限及融入鋼絲繩報(bào)廢準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了缺陷信號(hào)的自動(dòng)提取及試驗(yàn)報(bào)告的自動(dòng)生成。

2．1數(shù)據(jù)采集子程序

數(shù)據(jù)采集是探傷系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，其功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)，采集系統(tǒng)程序界面如圖3所示。主要包括物理通道、采樣率、采樣數(shù)、濾波器截止頻率的設(shè)置。窗口顯示了傳感器輸出的x、y、z三個(gè)方向漏磁通電壓信號(hào)波形。通過(guò)程序的起制動(dòng)操作按鈕，可方便地實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與終止操作。

圖3 數(shù)據(jù)采集界面

2．2信號(hào)分析子程序

【大意】耳朵、眼睛這類器官不會(huì)思考，所以會(huì)被外物所蒙蔽。當(dāng)與外界事物接觸時(shí)，耳朵、眼睛便容易被“引入歧途”。而心這個(gè)器官是會(huì)思考的，思考了就會(huì)有所得，不思考就一無(wú)所獲。這是上天賦予我們?nèi)祟惖模芰Γ?/p>

信號(hào)分析是鋼絲繩探傷系統(tǒng)的核心，該程序包括：數(shù)據(jù)導(dǎo)入、缺陷疑似數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)處理、缺陷判斷及形成試驗(yàn)報(bào)告等多個(gè)子程序。

2．2．1 數(shù)據(jù)的導(dǎo)入及缺陷疑似數(shù)據(jù)段的截取

利用數(shù)據(jù)讀取功能，可隨時(shí)調(diào)出采集過(guò)程中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件，供研究與分析。通過(guò)設(shè)定數(shù)據(jù)門限，程序可將測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)與門限值進(jìn)行比較，判斷缺陷類型并截取可疑數(shù)據(jù)段。通過(guò)后續(xù)程序?qū)梢啥蔚臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，大大降低了測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)處理的工作量，避免了數(shù)據(jù)提取過(guò)程中的人為因素，提高了分析判斷的準(zhǔn)確度。

數(shù)據(jù)分析中的門限值是一個(gè)非常重要的參數(shù)，門限值設(shè)置過(guò)大或過(guò)小，均會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果判斷的準(zhǔn)確性。因此門限值應(yīng)該依據(jù)鋼絲繩的使用場(chǎng)合、設(shè)備的安全裕度要求及報(bào)廢準(zhǔn)則，設(shè)定缺陷波形的門限，然后通過(guò)樣品采集及反復(fù)修改，建立鋼絲繩缺陷門限數(shù)據(jù)庫(kù)作為判斷依據(jù)。圖4為按照超門限原理提取的數(shù)據(jù)段，其門限值是以6X19+SF鋼絲繩兩根斷絲處漏磁信號(hào)波形的峰峰值為判斷依據(jù)，等于或高于此值則自動(dòng)提取可疑數(shù)據(jù)段。即：

(1)

式中：Ta為幅值門限；y(i)為序列。

通過(guò)設(shè)置幅值超門限y(i) 位置前后的時(shí)間段，確定讀取的可疑數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度，若某數(shù)據(jù)段上連續(xù)出現(xiàn)幅值超門限的y(i)，則連續(xù)提取該段數(shù)據(jù)。

圖4 幅值門限設(shè)置

2．2．2 基于小波分析的信號(hào)降噪處理

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于鋼絲繩擺動(dòng)以及外界磁場(chǎng)等因素的影響，使得檢測(cè)信號(hào)受到噪聲污染，在所提取的數(shù)據(jù)中存在干擾，不利于缺陷的分析判斷。為此必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，提高信噪比。

由于小波分析具有良好的去噪效果，通過(guò)小波分解后，所得到的低頻系數(shù)主要反應(yīng)信號(hào)的信息[9-10]。因此，采用‘db4’小波對(duì)提取的可疑信號(hào)進(jìn)行六層分解，信號(hào)的噪聲主要集中在高頻系數(shù)d1、d2、d3、d4之中，采用強(qiáng)制去噪法，將d1、d2、d3、d4的系數(shù)置為零，利用d5、d6、a6進(jìn)行信號(hào)的重構(gòu)即可得到良好的去噪效果，實(shí)現(xiàn)缺陷段數(shù)據(jù)的有效提取。

圖5為基于Matlab的小波分析程序，通過(guò)在LabVIEW中調(diào)用Matlab節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)小波分析程序在LabVIEW環(huán)境下的運(yùn)行。

圖5 小波分析降噪程序圖

圖6為缺陷信號(hào)的小波分解結(jié)果，其中d6已經(jīng)很好地反應(yīng)缺陷的存在，完全可用于鋼絲繩缺陷的定量分析。再結(jié)合鋼絲繩的報(bào)廢準(zhǔn)則，即可判斷鋼絲繩能否繼續(xù)使用。

圖6 多層小波分析結(jié)果

2．2．3 形成試驗(yàn)報(bào)告

對(duì)于上述分析結(jié)果，采用在LabVIEW中調(diào)用excel的方法生成試驗(yàn)報(bào)告文檔，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的發(fā)布。通過(guò)操作圖2所示的操作界面，按下試驗(yàn)報(bào)告輸出按鈕，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)報(bào)告的顯示與打印。

鋼絲繩探傷結(jié)果的試驗(yàn)報(bào)告主要包括使用單位信息、鋼絲繩信息、檢測(cè)部門信息；可植入缺陷圖片與實(shí)測(cè)的缺陷波形，更直觀地給出了缺陷形態(tài)，便于進(jìn)一步分析損傷原因；試驗(yàn)報(bào)告正文給出鋼絲繩斷缺陷類型及距離某一指定位置的距離；最后是依據(jù)國(guó)標(biāo)給出是否報(bào)廢的判斷。

3 實(shí)施案例

該案例為在煤炭裝卸現(xiàn)場(chǎng)使用的鋼絲繩，其直徑為25．4 mm，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、鋼絲繩表面被煤粉包裹，用人工目測(cè)法及人工掛絲檢驗(yàn)法很難發(fā)現(xiàn)該缺陷。

應(yīng)用基于MR01型磁阻式傳感器的鋼絲繩探傷系統(tǒng)，檢測(cè)到該鋼絲繩的缺陷如圖7所示。并自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告，給出斷絲位置及斷絲數(shù)量，并對(duì)是否需要對(duì)鋼絲繩進(jìn)行更換提出建議。

圖7實(shí)施案例

綜上所述，基于虛擬儀器的鋼絲繩斷絲弱磁檢測(cè)系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、靈敏度高、功能齊全、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可有效地檢測(cè)鋼絲繩微小的不易發(fā)現(xiàn)的斷絲缺陷，為鋼絲繩的安全使用提供了保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁方，胡斌梁，周知進(jìn)．在役鋼絲繩缺陷檢測(cè)方法的研究現(xiàn)狀與展望．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(2)：260-262．

[2]JOMDECHA C，PRATEEPASEN A．Design of modified electromagnetic main-flux for steel wire rope inspection．NDT&E Internation．2009(42)：77-83．

[3]陶德馨，艾麗斯佳．基于弱磁探傷的鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)．中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2009(1)：96-99．

[4]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局．起重機(jī)用鋼絲繩檢驗(yàn)和報(bào)廢實(shí)用規(guī)范．1986：3-4．

[5]DING J J，SUN C．Design of multi-channel signal acquisition system of the torsion spring Based on LabVIEW．Procedia Engineering，2011，15：426-430．

[6]郭鵬．基于弱磁探傷的鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)試驗(yàn)研究：[學(xué)位論文]．秦皇島：燕山大學(xué)，2011：44-59．

[7]KIS P，KUCZMANNA M，IVáNYI J A．Hysteresis measurement in LabView．Physica B，2004，343：357-363．

[8]ARPAIA P，BOTTURA L，INGLESE V，et al．On-field validation of the new platform for magnetic measurements at CERN，Measurement，2009，42(1)：97-106．

[9]MANGANIELLO L，VEGA C，RIOS A，et al．Use of wavelet transform to enhance piezoelectric signals for analytical purposes．Analytica Chimica Acta 2002，456：93-103．

[10]HAASE M，WIDJAJAKUSUMA J，Damage identi?cation based on ridges and maxima lines of the wavelet transform．International Journal of Engineering Science，2003，1：1423-1443．

作者簡(jiǎn)介：王勁東(1978-)，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：磁場(chǎng)探測(cè)理論與實(shí)踐。