漏磁法鋼絲繩斷絲檢測裝置的設(shè)計

陳日豪，張文昭，劉志壯，翟樹，蔣華，何穎豪，李馬成

（湖南科技學(xué)院 智能制造學(xué)院，湖南永州，425199）

0 引言

鋼絲繩被廣泛應(yīng)用在電梯、礦井、纜車等行業(yè)，由于檢測不及時，安全因素不時有之，近幾年由于鋼絲繩斷裂造成人員傷亡的事故時有發(fā)生，比如礦井提升系統(tǒng)[1～3]出現(xiàn)跑車、過卷和斷繩事故，其中由于鋼絲繩斷繩所引發(fā)的事故就占29.6%[4]。及時準(zhǔn)確的判斷出鋼絲繩是否斷絲或存在損傷，就成了急需解決的問題。傳統(tǒng)的鋼絲繩斷絲檢測方法主要是用手去摸和用眼睛去看等方法，這些方法耗時耗力，無法進行實時檢測，極易導(dǎo)致鋼絲繩過早報廢和資源的浪費[5]。

傳統(tǒng)的鋼絲繩損傷檢測方法主要有用眼睛去看，用手去摸等方法，這種方法耗時耗力，且檢驗結(jié)果不理想，極易導(dǎo)致鋼絲繩過早報廢和資源的浪費[6]。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，鋼絲繩的損傷檢測逐漸向智能化、信息化發(fā)展，采用超聲導(dǎo)波檢[7]、X 射線[8]、渦流[9]等多種檢測手段。以下是經(jīng)過上網(wǎng)查閱了解到的相關(guān)文獻描述。

劉雪芳等人制作的超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)具檢測距離長，使用方便和靈敏度高等優(yōu)勢，能夠?qū)︿摻z繩進行快速的損傷檢測[7]。季曉華研究的鋼絲繩芯無損探傷系統(tǒng)主要是利用X射線檢測鋼絲繩的內(nèi)部缺陷問題，在線智能識別和分析鋼絲繩芯缺陷的圖像等功能[8]。于小杰等人設(shè)計了一種渦流檢測探頭，采用退化向量位有限元法對鋼絲繩渦流檢測進行了數(shù)值模擬[9]，并通過實驗與仿真證明了檢測非常有效。

本文針對鋼絲繩是否斷絲的問題展開研究和分析，采用無損檢測方法——漏磁檢測法[10,11]，即使用磁敏元件通過測量缺陷處鋼絲繩周圍的漏磁場來判斷損傷情況[12～14]，具體研究內(nèi)容如下。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本設(shè)計應(yīng)用霍爾效應(yīng)漏磁檢測原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)構(gòu)成的實時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)包括探頭，信號處理電路、單片機，顯示、報警模塊，根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測需要可以增加GPRS 模塊。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方框圖

2 硬件模塊電路原理及軟件設(shè)計

2.1 探頭設(shè)計

探頭包括霍爾元件組和勵磁回路兩部分，如圖2 所示，霍爾元件組包括八個AH3503 線性霍爾傳感器，四個構(gòu)成一組，A、B、C、D 為1 組，E、F、G、H 為2 組，鋼絲繩穿過霍爾元件組；勵磁回路由磁源和磁路組成，磁源采用的是U 形永久性磁鐵或電磁鐵，磁路是被測鋼絲繩與U 形磁鐵形成的閉合回路。每組的四個霍爾傳感器成90°角周向均勻分布，兩組霍爾傳感器相互錯位45°角相對而置，構(gòu)成漏磁檢測裝置。勵磁回路采用U 形永磁鐵勵磁或電磁鐵，使鋼絲繩內(nèi)磁場達到飽和狀態(tài)，將霍爾元件組置于U 形磁鐵的中間，當(dāng)鋼絲繩的斷絲通過霍爾元件組時，由于斷絲部分會產(chǎn)生漏磁，霍爾元件組探測到周圍的磁場發(fā)生變化，而霍爾傳感器就會將檢測到的漏磁輸出為電壓信號。

圖2 探頭結(jié)構(gòu)

■2.2 信號處理電路

由于AH3503 霍爾傳感器存在2.25～2.75V 的靜態(tài)輸出電壓，且輸出變化比較緩慢，經(jīng)過實驗得知，由于靜態(tài)電壓存在，若將霍爾傳感器的電壓直接輸出，有用電壓值變化不明顯，易被淹沒，針對靜態(tài)電壓值的情況，設(shè)計一個差動放大濾波電路，將兩個相臨的霍爾傳感器接成差動輸入，8 個霍爾傳感器接成4 路差動放大電路。其中一路差動放大電路如圖3 所示，由R1、R2、R4、R3、C1、C2、LM324 芯片中的一路運算放大器組成，R3、C1 構(gòu)成RC 積分濾波輸出電路，A ～H 中8 個霍爾傳感器相對面的A、C 兩個霍爾傳感器連接到一個運算放大器的反向和同向輸放端，其他三路運放的連接圖與圖3 相似。經(jīng)調(diào)整參數(shù)當(dāng)霍爾元件組周圍無漏磁時，輸出電壓為0，檢測漏磁時，差動放大電路輸出的0～5V 的電壓。

圖3 差動放大電路

8 個霍爾傳感器A ～H 與運算放大芯片LM324 接成4路差動放大電路，霍爾傳感器A ～H 連接到運放時，相對的兩個連接到一個運算放大器的反向輸入端和同向輸入端，如圖4 所示，即霍爾傳感器A、C 輸入到運放A1 的反向輸入端和同向輸入端，B、D 輸入到運放A2 的反向輸入端和同向輸入端，E、G 輸入到運放A3 的反向輸入端和同向輸入端，F(xiàn)、H 輸入到運放A4 的反向輸入端和同向輸入端，四路運放A1、A2、A3、A4 的輸出端OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 分別連接到單片機的P10、P11、P12、P13。

圖4 四路差動放大電路與單片機連接圖

2.3 單片機與顯示電路

如圖5 所示，單片機采用STC12C5204AD，該內(nèi)部具有8 路10 位ADC，將引腳P10～P13 用作ADC 功能，連接運放的OUT1 ～OUT4。顯示器采用LCD1602，連接成4 位數(shù)據(jù)格式，高4 位數(shù)據(jù)引腳D4 ～D7 連接到單片機的P14 ～P17，LCD1602 的EN、RS 端連接到單片機的P32和P33；單片機的P34 和P35 用作獨立式按鍵，用于功能選擇和操作控制。單片機的P30 和P31 為通信口，J1 用于程序下載，如果需要擴展GPRS 模塊進行遠(yuǎn)程監(jiān)控，GPRS模擬連接也可以連接到J1 口。

圖5 單片機與顯示電路圖

2.4 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，當(dāng)傳感器檢測到漏磁產(chǎn)生的時，單片機給蜂鳴器模塊一個低電平，蜂鳴器就會報警。

圖6 蜂鳴器模塊原理圖

2.5 軟件設(shè)計

本檢測系統(tǒng)采用單片機STC12C5204AD 作為核心處理器，其引腳分配如表1 所示。單片機軟件設(shè)計如圖7所示，單片機進入主程序后首先進行初始化，包括顯示和AD初始化；然后循環(huán)程序：按鍵、四路數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與顯示、判斷是否報警，然后再返回到按鍵。四路數(shù)據(jù)采集主要是將四路數(shù)據(jù)送來的模擬電壓進行AD 轉(zhuǎn)換，然后再進行數(shù)據(jù)處理獲得電壓值，再判斷是否超限，若有超限進行報警再返回，若無超限立即返回。按鍵可以用于設(shè)置超限域值。

圖7 主程序流程圖

表1 單片機引腳分配表

3 檢測試驗

將直徑為9mm 的鋼絲繩鋸下一小段，然后用鋼鋸在這一段中鋸開一個缺口，隨后把這段鋼絲繩置于設(shè)計好的檢測裝置中，用電壓表測量當(dāng)探頭檢測斷絲處和正常處位置時的輸出電壓值，實驗數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)

由實驗數(shù)據(jù)可見，出現(xiàn)斷絲時候的輸出電壓比無斷絲時候的電壓值高得多，當(dāng)輸出電壓大于0.5V 時，可以認(rèn)為存在斷絲或損傷。

4 結(jié)論

本文針對目前廣泛使用的鋼絲繩在實際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的部分?jǐn)嘟z問題，而設(shè)計了一種基于STC12C5204AD 單片機的鋼絲繩斷絲檢測裝置。該設(shè)計包括裝配在鋼絲繩上的漏磁檢測單元、處理傳感器輸出漏磁信號的差動放大濾波電路、顯示電路和報警，處理電路將兩個霍爾傳感器輸出的電壓進行差動放大濾波、由單片機內(nèi)部ADC 處理后獲得漏磁信息，再由單片機處理器進行數(shù)據(jù)處理，并將信息顯示在液晶屏上。當(dāng)檢測到漏磁達到一定時，發(fā)出報警。數(shù)據(jù)顯示當(dāng)鋼絲繩無斷絲時，每路差動放大器的輸出電壓在0.30V 左右，推斷當(dāng)差動放大電路輸出電壓高于0.5V 時，判定為鋼絲有可能存在斷絲或損傷，提示進一步人工檢測。