基于虛擬儀器技術(shù)的鋼絲繩芯膠帶在線檢測(cè)儀器的研究

摘要：應(yīng)用漏磁方法檢測(cè)鐵磁性材料原理和虛擬儀器技術(shù)，引用美國(guó)NI公司的DAQ數(shù)據(jù)采集模塊組合，借助小波變換的分析處理方法和具有強(qiáng)大函數(shù)庫(kù)的LabVIEW圖形化編程系統(tǒng)，研究MBV鋼絲繩芯膠帶監(jiān)控儀器，對(duì)鋼絲繩芯強(qiáng)力膠帶進(jìn)行在線無(wú)損檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控，能定性、定量的診斷出鋼絲繩的缺陷和接頭間距等狀況。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；鋼絲繩芯膠帶；監(jiān)控儀器；研究

1 目前現(xiàn)狀

鋼絲繩芯膠帶運(yùn)輸機(jī)是目前煤礦、冶金、港口、大型化工、鋼鐵企業(yè)和水利工程的重要運(yùn)輸設(shè)備，具備運(yùn)輸效率高、速度快、距離長(zhǎng)、負(fù)載重等特點(diǎn)，一旦鋼絲繩芯膠帶的出現(xiàn)接頭抽動(dòng)和斷帶事故，極易造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。特別是在煤礦中運(yùn)輸膠帶具有環(huán)境差、接頭多的特點(diǎn)，由于決定膠帶整體強(qiáng)度、剛度的內(nèi)部縱向排列的鋼絲繩，常常因膠帶破損發(fā)生銹蝕、斷絲、磨損、變形，尤其是每百米接頭處的鋼絲繩，因使用中的拉伸外力或膠結(jié)質(zhì)量問(wèn)題引起交錯(cuò)、位移，造成膠帶的大斷裂，該現(xiàn)象更容易發(fā)生。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼絲繩芯膠帶在線無(wú)損檢測(cè)作了大量的研究與試驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)有Ｘ射線透視儀、電渦流檢測(cè)儀、探片預(yù)置檢測(cè)儀，這些方法對(duì)研究工作起了很大推動(dòng)作用，但對(duì)鋼絲繩芯膠帶在線無(wú)損檢測(cè)沒(méi)能從根本上解決；在國(guó)外研制的SPF膠帶檢測(cè)儀是利用目前公認(rèn)的最佳的檢測(cè)鋼絲繩的方法--磁檢測(cè)法，但是SFP檢測(cè)儀實(shí)屬非信息時(shí)代的產(chǎn)品，基本思路還是應(yīng)用傳統(tǒng)儀器進(jìn)行信號(hào)處理，對(duì)無(wú)限不確定長(zhǎng)、接頭復(fù)雜、多根密集并列的鋼絲繩芯膠帶檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理，易出現(xiàn)漏檢與誤判，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際檢測(cè)。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，基于美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments）提出了軟件取代傳統(tǒng)儀器的虛擬儀器的新概念，并推出了圖形化編程環(huán)境的Lab VIEW軟件。利用漏磁和聚磁原理，成功地研制了虛擬儀器技術(shù)的MBV鋼絲繩芯膠帶監(jiān)控儀器，從而解決了鋼絲繩芯膠帶在線無(wú)損檢測(cè)的根本需求。

MBV鋼絲繩芯膠帶監(jiān)控儀器是采用永久磁鋼為勵(lì)磁裝置，將通過(guò)傳感器中的膠帶的鋼絲繩瞬間磁化到飽和，當(dāng)鋼絲繩有缺陷和接頭時(shí)即會(huì)產(chǎn)生漏磁信號(hào)，并利用陣列式的磁敏元件獲得最佳缺陷信號(hào)，采用內(nèi)置于計(jì)算機(jī)中虛擬儀器的電子模塊，將檢測(cè)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，壓縮并輸入計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示鋼絲繩的缺陷和接頭，運(yùn)用專用軟件進(jìn)行定性、定量的分析處理并出具檢測(cè)報(bào)告。

2 硬件研制

根據(jù)1989年《NDT International》文獻(xiàn)提供資料和歐美日俄發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)品介紹，磁檢測(cè)法是目前世界公認(rèn)的最可靠檢測(cè)鋼絲繩方法，因此傳感器利用漏磁和聚磁原理，并運(yùn)用霍爾效應(yīng)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

由于膠帶中的鋼絲繩是深埋于橡膠之中，采用平鋪式的永久磁鋼為勵(lì)磁機(jī)構(gòu)，建立的強(qiáng)大磁場(chǎng)，能穿透導(dǎo)磁率幾乎近于空氣的橡膠層，當(dāng)膠帶快速通過(guò)傳感器時(shí)，瞬間形成磁鋼和鋼絲繩之間貫通的足夠強(qiáng)度的磁回路。但鋼絲繩缺陷和接頭所產(chǎn)生的漏磁信號(hào)同樣穿過(guò)橡膠覆蓋層向四周擴(kuò)散，以致傳感器中的磁敏元件捕捉的缺陷信號(hào)是很小的。于是利用聚磁原理設(shè)有左右平等對(duì)置在適當(dāng)位置的銜鐵（材料為工業(yè)純鐵）將擴(kuò)散的很小的缺陷的漏磁信號(hào)集中并獲得放大的效果。運(yùn)用霍爾效應(yīng)的對(duì)偶特性，將高精度的霍爾元件實(shí)施交叉陣列法布置，以便獲得缺陷信號(hào)的最大信噪比。

鋼絲繩芯皮帶中的多根鋼絲繩并列排列，間距小，特別是最易發(fā)生鋼絲繩抽動(dòng)的接頭處，間距更小，選用普通的轉(zhuǎn)換模塊難以滿足高頻率、多通道信號(hào)收集與轉(zhuǎn)換。采用美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的虛擬儀器技術(shù)的電子信號(hào)調(diào)理模數(shù)轉(zhuǎn)換組合從而解決了這一問(wèn)題，也就是即測(cè)即用DAQ模塊，PCI－6224M，將該數(shù)據(jù)采集板組合直接嵌入計(jì)算機(jī)擴(kuò)展插槽，組成完整的虛擬儀器硬件模塊系統(tǒng)，一旦被嵌入后，軟件直接運(yùn)行在數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)用。這樣，就真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制，即可獲得較好的多路多型式的鋼絲繩缺陷和位移的數(shù)字信號(hào)。

3軟件設(shè)計(jì)

基于虛擬儀器技術(shù)的軟件應(yīng)滿足于儀器控制和數(shù)據(jù)采集與分析處理，因此在小波變換分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Lab VIEW圖形化編程系統(tǒng)為軟件對(duì)象進(jìn)行圖形化的組合操作，以達(dá)到數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

利用Lab VIEW內(nèi)置的編譯器進(jìn)行直觀明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程設(shè)計(jì)。由于LabVIEW使用圖形化編程語(yǔ)言——G語(yǔ)言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，是一個(gè)3D的圖形控件，增加了模塊化和可視化的特性；并借助其特有的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤方式和交互式的圖形化前面板(如下圖)來(lái)控制系統(tǒng)，可以連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀察數(shù)據(jù)信號(hào)及其變化情況，探測(cè)正常信號(hào)中夾帶的瞬態(tài)反常現(xiàn)象并顯示所得的結(jié)果。

數(shù)據(jù)采集之后，充分利用小波變換的方法和LabVIEW中強(qiáng)大的函數(shù)功能庫(kù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)提煉，有效地消除了高頻噪音及低頻漂移。同時(shí)方便地求出有關(guān)的峰值等數(shù)據(jù)，有些數(shù)據(jù)甚至比常規(guī)儀器讀數(shù)甚至高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的精度。

由于采集的鋼絲繩缺陷特征信號(hào)中是伴隨相鄰多根密集并列的，且鋼絲繩缺陷特征中存有大量的寄生信號(hào)，運(yùn)用小波變換的多分辨率特點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析方法，隨即對(duì)膠帶中鋼絲繩的真實(shí)缺陷特征信號(hào)與寄生信號(hào)進(jìn)行分析，剔除其他的寄生信號(hào)。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，并借助于DAQ板的庫(kù)函數(shù)和LabVIEW內(nèi)容豐富的高級(jí)分析庫(kù)，對(duì)膠帶中鋼絲繩的對(duì)接、搭接、銹蝕、斷絲、斷股信號(hào)以及真實(shí)缺陷特征信號(hào)與寄生信號(hào)進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)、曲線擬合以及復(fù)雜的分析工作，再通過(guò)LabVIEW循環(huán)比較法對(duì)鋼絲繩多根密列信號(hào)的比對(duì)，最終識(shí)別受檢鋼絲繩的真實(shí)缺陷信號(hào)。同樣從真實(shí)的缺陷信號(hào)中選取需要定量計(jì)算的信號(hào)特征——鋼絲繩接頭信號(hào)，并根據(jù)其采樣頻率計(jì)算出缺陷的實(shí)際空隙量。

軟件共設(shè)置參數(shù)設(shè)置、在線檢測(cè)、波形分析、檢測(cè)結(jié)果、文件轉(zhuǎn)換、退出系統(tǒng)等六項(xiàng)主程序。參數(shù)設(shè)置是系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)與處理的各項(xiàng)系數(shù)和信息；在線檢測(cè)是對(duì)儀器控制和數(shù)據(jù)采集；波形分析是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行回放和分析比對(duì)；檢測(cè)結(jié)果是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理分析的定性、定量的結(jié)果顯示；文件轉(zhuǎn)換是存盤數(shù)據(jù)的過(guò)濾；退出系統(tǒng)是結(jié)束并退出整個(gè)系統(tǒng)。

4 實(shí)際應(yīng)用

MBV鋼絲繩芯膠帶監(jiān)控儀器首先在華亭硯北煤礦的主斜井膠帶上得以應(yīng)用，該膠帶型號(hào)為ST/S4000，全長(zhǎng)2750m，寬1200mm，內(nèi)有鋼絲繩芯68根，直徑為9.mm，采用三階接頭硫化工藝全，運(yùn)行速度4.8m/s。

儀器傳感器應(yīng)安裝在平整、振幅較小的位置，一般選擇在回程膠帶的兩個(gè)滾筒之間固定安放。預(yù)先設(shè)置好所需參數(shù)，進(jìn)入在經(jīng)線檢測(cè)功能項(xiàng)，在膠帶運(yùn)行同時(shí)進(jìn)行采樣，當(dāng)檢測(cè)到缺陷時(shí)計(jì)算機(jī)自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)存儲(chǔ)到指定的文件夾。采樣結(jié)束后，進(jìn)入檢測(cè)結(jié)果中定性、定量地查看缺陷結(jié)果，并獲得檢測(cè)報(bào)告。

系統(tǒng)對(duì)所檢測(cè)的缺陷信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理分析，并用綠色和紅色的線段對(duì)鋼絲繩接頭之間的距離或缺陷的長(zhǎng)度進(jìn)行標(biāo)注，綠色為檢測(cè)通道的數(shù)據(jù)值在設(shè)定閾值之內(nèi)，否則顯示為紅色。根據(jù)分析的結(jié)果并詳細(xì)地將每一通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量計(jì)算，生成數(shù)據(jù)表格（如表1）。

系統(tǒng)并根據(jù)每次檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，將每一標(biāo)定的原始接頭的基準(zhǔn)與檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比處理，計(jì)算每組數(shù)據(jù)的變化情況，生成整段接頭的橫向區(qū)域的變化曲線的走勢(shì)圖，即而對(duì)對(duì)該區(qū)域的接頭做出評(píng)估報(bào)告。

綜合上述所言，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用磁檢測(cè)與先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，并利用美國(guó)國(guó)家儀器公司的數(shù)據(jù)采集與控制模塊和LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測(cè)過(guò)程，能夠準(zhǔn)確地對(duì)鋼絲繩芯膠帶進(jìn)行在線檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控，捕捉膠帶中鋼絲繩芯的各種缺陷與接頭的變化狀況，并提出可行性評(píng)估報(bào)告。

參考文獻(xiàn)

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