本發(fā)明屬于鋼絲繩損傷檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

工業(yè)生產(chǎn)、旅游業(yè)、煤礦業(yè)、船舶業(yè)以及日常起重裝吊通常采用鋼絲繩作為牽引、承重以及連接部件。鋼絲繩長時(shí)間大負(fù)荷使用易產(chǎn)生斷絲、松絲、磨損損傷，在惡劣環(huán)境下的使用會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩腐蝕徑縮，承載能力下降，極易發(fā)生安全事故從而危及到人身安全和設(shè)備安全。因此實(shí)時(shí)地監(jiān)測鋼絲繩損傷情況預(yù)測實(shí)現(xiàn)鋼絲繩快速無損自動(dòng)化檢測技術(shù)具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

目前，鋼絲繩損傷檢測技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用較多，最常用的是電磁檢測法?；陔姶诺匿摻z繩無損檢測從磁化角度來可大致分為兩類，即線圈磁化和永磁體激勵(lì)磁化兩種。采用線圈磁化檢測裝置通常將線圈繞制為兩個(gè)鞍形線圈，通過調(diào)節(jié)線圈中電流大小來產(chǎn)生不同的磁場強(qiáng)度。同時(shí)用主磁通法或是磁通門對(duì)鋼絲繩表面漏磁進(jìn)行采集，可以基本實(shí)現(xiàn)表面損傷的位置和損傷情況的定量檢測。但是該法由于采用周向磁場加和的方式，獲取的是一維信號(hào)，從而周向磁場分布信號(hào)必然缺失，尤其對(duì)于集中缺陷和分散缺陷的檢測識(shí)別有較大影響。

使用永磁鐵作為激勵(lì)源的檢測裝置大多采用大量磁鐵，制作成馬鞍形，再以導(dǎo)磁體進(jìn)行聚磁將鋼絲繩磁化至飽和，當(dāng)鋼絲繩出現(xiàn)損傷時(shí)，損傷處將會(huì)產(chǎn)生漏磁場，如圖1所示。采用磁敏感檢測器檢測損傷點(diǎn)的漏磁信號(hào)，就能判斷鋼絲繩是否存在損傷以及損傷出現(xiàn)的位置。但是這種方法，檢測被測鋼絲繩漏磁信號(hào)的傳感器必須設(shè)置在磁化被測鋼絲繩的磁激勵(lì)部分，所以作為磁激勵(lì)源的永磁鐵體積都比較大，所以整個(gè)檢測裝置的體積比較大，使用時(shí)不方便，并且檢測裝置必須設(shè)置在作為磁激勵(lì)源的永磁鐵兩級(jí)之間，不方便設(shè)置。而且用于檢測漏磁信號(hào)的磁敏感檢測器磁敏感度小，檢測精度小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中鋼絲繩損傷檢測裝置體積比較大，使用不方便的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測裝置，包括供待測鋼絲繩穿過的檢測通道；所述檢測通道上沿其延伸方向間隔設(shè)置有磁環(huán)和檢測環(huán)，磁環(huán)、檢測環(huán)同軸，且軸線沿所述檢測通道延伸方向；所述磁環(huán)為一個(gè)環(huán)形磁性元件或者由在檢測通道周向上間隔設(shè)置的至少兩個(gè)磁性元件構(gòu)成，磁性元件的n極和s極延伸的方向與磁環(huán)軸線方向相同；所述檢測環(huán)包括在檢測通道周向上間隔分布的至少兩個(gè)用于檢測所述磁環(huán)磁場的磁感應(yīng)傳感器。

進(jìn)一步的，還包括殼體，所述檢測通道為殼體上設(shè)置的通孔，所述磁環(huán)、檢測環(huán)設(shè)在所述通孔內(nèi)壁上。

進(jìn)一步的，所述磁感應(yīng)傳感器為巨磁阻傳感器。

進(jìn)一步的，還包括控制器，控制器采樣連接所述磁感應(yīng)傳感器，并連接有用于測量所述開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測裝置沿繩移動(dòng)距離的編碼器。

進(jìn)一步的，所述檢測通道中或端部，設(shè)有用于使所述開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測裝置沿待測鋼絲繩導(dǎo)向移動(dòng)的導(dǎo)向輪。

一種開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測方法，包括根據(jù)磁感應(yīng)傳感器采集的信息，進(jìn)行后續(xù)處理，獲取待測鋼絲繩缺陷位置的步驟，還包括對(duì)磁感應(yīng)傳感器采集的信息進(jìn)行基線移除和降噪抑制處理，并采用擬合插值法提升待測鋼絲繩表面漏磁圖像周向分辨率的步驟。

進(jìn)一步的，所述后續(xù)處理包括：

對(duì)提高分辨率之后的鋼絲繩表面漏磁圖像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換；

對(duì)灰度轉(zhuǎn)換后的鋼絲繩表面漏磁圖像進(jìn)行缺陷定位與分割；

對(duì)分割得到的缺陷圖像進(jìn)行壓縮感知特征提取，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類定量識(shí)別。

進(jìn)一步的，采用小波多分辨分析降噪方法對(duì)鋼絲繩表面的弱磁數(shù)據(jù)陣列進(jìn)行降噪抑制處理；所述小波多分辨分析降噪方法包括信號(hào)分解、小波閾值設(shè)定和小波重構(gòu)。

進(jìn)一步的，定位后截取設(shè)定長度數(shù)據(jù)點(diǎn)，取出鋼絲繩缺陷處的漏磁灰度圖像。

進(jìn)一步的，所述分割得到的缺陷圖像進(jìn)行壓縮感知特征提取，包括信號(hào)系數(shù)、壓縮采樣和信號(hào)重建三部分。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的技術(shù)方案，磁環(huán)和檢測環(huán)間隔設(shè)置，所以磁環(huán)中用于磁化被測鋼絲繩的磁性元件不需要設(shè)置較大的體積，從而減小裝置整體的體積，使裝置方便使用。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中鋼絲繩損傷檢測的原理圖；

圖2為實(shí)施例中開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例中開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測裝置的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖4為實(shí)施例中開放式磁激勵(lì)單元的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖5為實(shí)施例中信號(hào)調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖6為實(shí)施例中編碼電路的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖7為實(shí)施例中鋼絲繩損傷檢測的原理圖；

圖8為實(shí)施例中檢測信號(hào)的傳遞流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的目的在于提供一種開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中鋼絲繩損傷檢測裝置體積比較大，使用不方便的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測裝置，包括供待測鋼絲繩穿過的檢測通道；所述檢測通道上沿其延伸方向間隔設(shè)置有磁環(huán)和檢測環(huán)，磁環(huán)、檢測環(huán)同軸，且軸線沿所述檢測通道延伸方向；所述磁環(huán)為一個(gè)環(huán)形磁性元件或者由在檢測通道周向上間隔設(shè)置的至少兩個(gè)磁性元件構(gòu)成，磁性元件的n極和s極延伸的方向與磁環(huán)軸線方向相同；所述檢測環(huán)包括在檢測通道周向上間隔分布的至少兩個(gè)用于檢測所述磁環(huán)磁場的磁感應(yīng)傳感器。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說明。

裝置實(shí)施例：

本實(shí)施例提供一種開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，包括裝置殼體，裝置殼體內(nèi)設(shè)有控制板，并在裝置殼體上設(shè)有前后貫穿的通孔，該通孔即為檢測通道，用于供待檢測的鋼絲繩穿過，并且在檢測通道的兩端均設(shè)有導(dǎo)向輪，為待測鋼絲繩導(dǎo)向。檢測通道沿其軸線延伸方向間隔設(shè)有磁環(huán)和檢測環(huán)，磁環(huán)采用勵(lì)磁開放式磁激勵(lì)單元，檢測環(huán)采用巨磁阻傳感器組成的傳感器陣列單元，并在裝置殼體沿檢測通道的其中軸向的其中一端設(shè)有編碼器。

本實(shí)施例所提供的開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測裝置，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示，開放式磁激勵(lì)單元101和傳感器陣列單元102之間間隔設(shè)置，兩者之間的距離l取值范圍為20厘米至30厘米，在本實(shí)施例中，l取23cm。傳感器陣列單元通過信號(hào)調(diào)理電路連接主控電路，編碼器通過編碼電路連接主控電路，并且主控電路還連接有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。

本實(shí)施例所采用的開放式磁激勵(lì)單元101的結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用12個(gè)相同的直徑為4.7mm長度28.6mm的圓柱形永磁鐵，繞檢測通道軸線的延伸方向，在檢測通道的內(nèi)壁上周向呈環(huán)形均勻分布，形成磁環(huán)。開放式磁激勵(lì)單元101用于磁化被測鋼絲繩，為了保證對(duì)被測鋼絲繩的勵(lì)磁效果，將各圓柱形永磁鐵與被測鋼絲繩之間的距離設(shè)置為設(shè)定值d。為保證對(duì)被測鋼絲繩的磁化效果，l與d之間的比值約為9.5。

傳感器陣列單元102包括18個(gè)巨磁阻傳感器，每9個(gè)設(shè)置在一個(gè)印制板上，各巨磁阻傳感器繞檢測通道軸線延伸方向，在檢測通道內(nèi)部上周向均勻分布，形成檢測環(huán)。18個(gè)巨磁阻傳感器通過16路模擬開關(guān)連接信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示，包括差分放大電路和減法電路，差分放大電路的輸入端連接傳感器陣列單元中的磁巨阻傳感器，輸出端連接減法電路的負(fù)輸入端。差分放大電路中的差分放大器外接8.2k的電阻，將信號(hào)放大約7倍，減法電路的正輸入端輸入0.75v電壓，負(fù)輸入端輸入差分放大電路的輸出端，差分放大電路的輸出端輸出的電壓大約在-1.4v-1.4v之間。

編碼器電路的結(jié)構(gòu)原理圖如圖6所示，采用光電耦合器對(duì)光柵編碼器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行高頻噪聲隔離，然后再采用電容器對(duì)該脈沖進(jìn)行濾波，最后通過兩個(gè)反向器對(duì)該脈沖進(jìn)行整形后發(fā)送到主控電路。

在本實(shí)施例中，通過編碼器的脈沖信號(hào)計(jì)算檢測裝置的移動(dòng)距離，從而計(jì)算出鋼絲繩缺陷的位置；作為其他實(shí)施方式，可以采用其他位移傳感器計(jì)算鋼絲繩缺陷的位置。

在本實(shí)施例中，磁化段和檢測段之間的距離為23cm；作為其他實(shí)施方式，可以優(yōu)選24cm。

本實(shí)施例提供一種開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測裝置，其檢測的原理如圖7所示，通過采集鋼絲繩損傷點(diǎn)的漏磁信號(hào)判斷鋼絲繩的損傷位置，其信號(hào)傳遞流程如圖8所示，傳感器陣列單元檢測被測鋼絲繩的漏磁信號(hào)，然后將其通過模擬開關(guān)傳送給信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行差分放大處理和減法運(yùn)算處理，再通過adc采樣發(fā)送給arm控制器。arm控制器還連接編碼電路，編碼器根據(jù)裝置移動(dòng)的距離產(chǎn)生相應(yīng)的等間距脈沖，arm控制器根據(jù)脈沖計(jì)算裝置移動(dòng)的距離。arm控制器通過總線連接dsp數(shù)據(jù)處理器，dsp處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行梯度求導(dǎo)，梯度信號(hào)的濾波，圖像變換、定位與分割，以及壓縮特征提取，然后將特征通過總線傳輸給arm處理器進(jìn)行識(shí)別處理，定量輸出缺陷傷點(diǎn)。

方法實(shí)施例：

本實(shí)施例提供一種開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測方法，適用于上述裝置實(shí)施例中所提供的開放式微磁激勵(lì)鋼絲繩損傷檢測裝置，具體步驟如下：

(1)采用巨磁阻傳感器感應(yīng)弱磁場產(chǎn)生的電信號(hào)，采用編碼器采集裝置的位移信號(hào)，將18個(gè)巨磁阻傳感器采集到的數(shù)據(jù)和編碼器采集到的數(shù)據(jù)一起構(gòu)成19路數(shù)據(jù)陣列；

(2)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線去除；本實(shí)施例中采用求導(dǎo)算法，即相隔n采樣點(diǎn)之間進(jìn)行求差，由于采用等空間采樣，所以該差值體現(xiàn)了鋼絲繩漏磁信號(hào)在軸向上的變化情況；為最大體現(xiàn)出缺陷處的變化同時(shí)抑制無傷點(diǎn)的股波等噪聲，因此在繩體缺陷樣本中提取局部缺陷，對(duì)起始點(diǎn)進(jìn)行逐次求差，根據(jù)差值結(jié)果固執(zhí)最大的第一數(shù)據(jù)與起始點(diǎn)的采樣點(diǎn)間隔作為手游信號(hào)的求差間距；

式中xi是一個(gè)完整缺陷一維信號(hào)，m是由缺陷處逐步求差中值最大處所在位置，是求導(dǎo)后的梯度信號(hào)；

(3)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲抑制；本實(shí)施例中，采用小波多分辨分析降噪方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲抑制；小波多分辨分析降噪方法包括信號(hào)分解、小波閾值設(shè)定和小波重構(gòu)三部分，具體為對(duì)于一個(gè)小波φj,k(t)，在l²(r)空間中建立一組基底ψj,k(t)，漆建立過程通過在l²(r)的一子空間中建立一基底，然后通過變換擴(kuò)展，將該組基底擴(kuò)充到了整個(gè)l²(r)空間中，從而得到整個(gè)空間的一組關(guān)于小波φj,k(t)的基底；使用mallat多分辨分析法獲得的l²(r)的小波正交基

{ψj,k(t)|ψj,k(t)＝2^-j/2ψ(2^-jt-k)}j,k∈z

對(duì)于空間中任意信號(hào)f∈l²(r)可由該基底表述為

其中j是任意的設(shè)定尺度；φ(t)是尺度函數(shù)；而和是信號(hào)第2^j尺度下的分解系數(shù)，并且分別表示了低頻逼近和高頻細(xì)節(jié)，兩個(gè)系數(shù)通過下式求出

式中，是一對(duì)組合濾波器，分別是一個(gè)低通濾波器和高通濾波器；

對(duì)通上式獲得的小波系數(shù)施加閾值限制，將低于閾值的系數(shù)置為零，其它保留，所選用的閾值計(jì)算公式為

式中n是待濾波信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，而thr是計(jì)算的閾值；通過下式對(duì)進(jìn)行閾值處理后的小波系數(shù)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)

(4)采用三次樣條基進(jìn)行插值擬合，提高數(shù)據(jù)周向分辨率；

(5)對(duì)提升分辨率后的圖像進(jìn)行灰度變換，在屏幕上進(jìn)行顯示，并對(duì)缺陷進(jìn)行定位與分割；灰度變換的變換公式為

采用局部模極大值對(duì)缺陷的位置進(jìn)行定位，定位后截取一定長度的數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而取出被測鋼絲繩缺陷處漏磁灰度圖像；

(6)將分割所得到的缺陷圖像進(jìn)行壓縮感知特性提取，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類定量識(shí)別；壓縮感知理論可分為三個(gè)部分，即信號(hào)稀疏、壓縮采樣和信號(hào)重建；已知某一測量結(jié)果的矩陣為φ∈r^m×n(m＜＜n)，考慮信號(hào)x∈rⁿ，實(shí)際存在的信號(hào)都不是稀疏的，但是如果信號(hào)在某一變換域內(nèi)是稀疏，壓縮感知依然可恢復(fù)出信號(hào)因此假設(shè)信號(hào)x在變換域的一組基ψ∈r^n×n下是稀疏，變換公式為

ω＝ψx

則其在測量矩陣下的線性測量值y＝φω＝φ(ψx)；

線性測量值y重構(gòu)出最稀疏的無噪聲信號(hào)在變換域的表示方式所以通過對(duì)y進(jìn)行逆變換能夠得到信號(hào)由于線性測量值y的維數(shù)遠(yuǎn)小于在變換域的表示方式因此上式求解出的y有無窮多個(gè)解或是無解。假設(shè)其有解且存在，則可以通過測量值y由求解最優(yōu)0-范數(shù)精確重構(gòu)，即：

該式子的解在統(tǒng)計(jì)意義下是唯一的，并且是無偏的，解的均值和信號(hào)在變換域下的表達(dá)相同。此外，使用的測量矩陣φ應(yīng)該滿足一致不確定原則，即對(duì)于任一k稀疏度向量s，如果滿足：

則稱矩陣φ∈r^m×n滿足集合大小為k的不確定原則，其中k≤mlogn。目前常用的感知矩陣是隨機(jī)矩陣，例如：高斯矩陣、貝努利矩陣、傅里葉隨機(jī)測量矩陣以及非相關(guān)測量矩陣等。壓縮感知理論的核心在于恢復(fù)出無噪聲信號(hào)在變換域的表示方式

但對(duì)公式ω＝ψx求解0范數(shù)是一個(gè)難問題，無法求解，目前常用一些次最優(yōu)解算法，這些算法大致可分為兩類：一是凸優(yōu)化方法，例如求解最小1范數(shù)求解；另一個(gè)是貪婪算法，比如正交匹配追蹤算法等。貪婪算法雖然恢復(fù)精度較差，但因其算法速度快而經(jīng)常被采用。本實(shí)施例中采用omp算法來對(duì)公式ω＝ψx進(jìn)行求解，以高斯隨機(jī)矩陣作為測量矩陣。該算法的核心是通過貪婪的方式找到與當(dāng)前殘余最匹配的列，然后在將該列添加到已選列的矩陣當(dāng)中，通過最小二乘法求出近似解，更新剩余量。然后反復(fù)迭代，直到稀疏度k停止。因此如果選取合適的稀疏度k，就可以幾乎完美的恢復(fù)出原始信號(hào)。綜上所述，壓縮采樣序列y可以很好地表征信號(hào)x，從而該步驟中的特征提取辦法是將矩陣圖像轉(zhuǎn)換成一維信號(hào)，然后使用高斯隨機(jī)矩陣進(jìn)行線性壓縮采樣，所得采樣序列y即可表征缺陷圖像。在本實(shí)施例中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為分類識(shí)別網(wǎng)絡(luò)。