傳送帶超聲無損檢測系統設計及其研究

王超

（山西大同煤礦集團地方煤炭有限責任公司，山西大同037100）

引言

我國是煤炭大國，保障煤礦安全生產是重中之重。帶式傳送機作為礦井煤炭主要運輸設備，集運輸能力大、靈活度較高、效率高以及適應性強等優點于一身，對提高煤礦生產效率起到至關重要的作用。

傳送帶是帶式傳送機最關鍵的部分，由于大型煤炭傳送機功率高、速度快，而傳送帶強度較低，長時間受高負荷運作、反復彎曲、使用環境惡劣等因素影響，傳送帶撕裂損壞的情況時有發生。傳送帶的價格昂貴，動輒幾十萬乃至幾百萬的價格，若撕裂故障不能被及時被發現并停止帶式傳送機運行，往往會導致傳輸帶進一步撕裂，造成設備的嚴重損壞[1]。

為了及時發現傳送帶在運行過程中的故障問題，本文采用超聲無損檢測系統對傳送帶進行實時監測。在以往的超聲波探傷技術和計算機控制技術的基礎上，研究了小波變換對回波的去噪分析，完成了煤炭傳送帶超聲無損檢測系統設計和調試。深入分析了超聲波在傳送帶中的傳輸特性，提高了探傷檢測的實時性和準確性[2]。

1 實驗系統及實驗方法

1.1 實驗系統

1.1.1 硬件系統

傳送帶無損檢測系統為一套集信號發射、信號接收以及信號采集、分析、處理和顯示的完整檢測系統。該系統以FPGA為控制核心，通過超聲波發射電路激勵超聲波探頭發生超聲波信號[3]。通過接收電路接收探頭回波信號，回波信號經過放大、濾波處理后，進入A/D采樣電路進行數字量化，采樣后的數字信號經過USB傳入上位機，上位機經過數字信號處理后在人機界面顯示[4]。該系統總體設計框架圖如圖1所示。

圖1 硬件設計框架圖

1.1.2 軟件系統

軟件部分包括嵌入式軟件與上位機軟件，其中嵌入式軟件部分為FPGA程序，上位機軟件部分由Labview與MATLAB混合實現。

1.2 實驗方法

實驗通過利用超聲無損檢測軟件進行檢測，由超聲波發射電路發射聲波，超聲波接收電路接收信號，進而在無損檢測軟件系統上形成波形圖，通過對比去噪前后不同波形圖判斷檢測傳送帶是否出現損傷，進而達到傳送帶的優化設計，見圖2。

2 小波變換在超聲回波去噪應用中的研究與分析

傳送帶主要由橡膠和鋼芯組成，橡膠的粗晶體材料結構加上鋼芯的內部結構，使得聲波在傳播過程中衰減很明顯，當傳送帶發生撕裂損傷時，聲波衰減增強。由于接收探頭接收到的聲波信號幅值只是毫伏級甚至更小，因此當聲波信號非常小時，很難從回波信號中辨別開來。那么此時，回波信號的表達式為：

圖2 無損檢測軟件系統

式中：y（i）代表未處理前的回波信號，f（i）代表探頭發射的超聲波信號，e（i）代表噪聲信號，i代表采樣點數。為了排除噪聲的干擾，須將超聲波信號過濾出來，借助數字信號處理進一步提取超聲信號[5]。

本文應用小波分析具有獨特的優勢，小波分析能夠進行多分辨分析，有效提取超聲信號，最終實現回波信號去噪的目的[6]。

2.1 去噪流程

小波去噪流程示意圖如圖3所示。

圖3 流程示意圖

2.2 小波基的選取

處理信號時，應根據信號特點結合小波基的性質進行選取，以達到最終的去噪效果。本文選定Daubechies小波，是因為在信號處理過程中，它具有良好的短支撐性，呈正交且近似對稱，光滑性較好的特點，因此采用Daubechies小波對信號進行分解和重構[7]。

3 實驗結果及分析

實驗測試結果分為無損情況、孔洞損傷和撕裂損傷三種。

1）無損情況時，傳送帶無損傷，此時測試的回波信號與小波閾值去噪后的波形如圖4所示。對比去噪前后波形信號可以發現：去噪后回波信號更加清晰，信噪比更高。由波形圖可知，在無損傷的情況下，發射探頭發射的聲波在無損的傳送帶中傳送，聲波衰減程度較小，接收探頭接收到的回波較為清晰。因此將此波形作為傳送帶無損時的標準對比圖。

2）孔洞損傷時，在傳送帶運行過程中，測試1.3 cm直徑穿透損傷，那么回波信號去噪前后對比圖如圖5所示。從圖5可以發現，空洞損傷時的回波信號相比無損傷時，信號衰減程度較高，這是因為發生空洞損傷時，孔洞阻擋了部分信號的接收。對比去噪前后波形圖可以發現，小波去噪前的波形圖受到噪聲的干擾，辨認回波信號時比較困難，在去噪后，排除了噪聲的干擾，回波信號變得清晰可見。

圖4 無損去噪前后回波信號對比

圖5 空洞損傷去噪前后回波信號對比

3）撕裂損傷時，此時假定空洞損傷后傳送帶依然運行，那么此時損傷進一步擴大，造成了撕裂損傷。測試4.5 cm撕裂損傷時的波形圖如圖6所示。從圖6中可以發現，撕裂損傷接收到的信號相比孔洞損傷時更弱，這是因為撕裂損傷時撕裂部分阻擋了大部分信號，使得信號無法被接收，如果撕裂更大，那么就無法接收到回波信號。

圖6 撕裂損傷去噪前后波形對比

4 結論

借助FPGA的靈活邏輯控制能力、MATLAB對數據處理的能力以及Labview在人機交互界面的優勢，將三者有機的結合在一起，經過各個模塊的設計與調試，基本實現了傳送帶的無損檢測的各項功能。最終得到以下結論：

1）通過運用超聲無損檢測可以實現對傳送帶損傷情況的實時監測，及時發現傳送帶損傷情況，并避免傳送帶損傷帶來的人身安全問題。

2）實驗研究分析了小波去噪理論在超聲波去噪中的應用，利用MATLAB編程軟件實現小波去噪的數據運算，通過Labview與MATLAB混合編程實現波形顯示。

3）通過對回波信號圖的觀察，并對比小波去噪前后圖像，依據波形圖可以分辨傳送帶的損傷情況，及時進行維護修理。

[1]喬鐵柱.礦用輸送帶無損檢測技術[M].北京：國防工業出版，2015：34-42.

[2]李效露.基于小波奇異性和神經網絡的鋼繩芯輸送帶故障診斷方法的研究[D].太原：太原理工大學，2013.

[3]趙明階，吳德倫.工程巖體的超聲波分類及強度預測[J].巖石力學與工程學報，2000，19（2）：89-92.

[4]韓波，梁菁，史亦韋.國內外超聲波探頭測試與評價標準的比較與分析[J].無損檢測，2014，35（2）：71-74.

[5]王敏志.博客藏經閣叢書:深入理解Altera FPGA應用設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014：17-19.

[6]黨存祿，張旭.基于Daubechies小波族的電能質量信號去噪方法研究[J].電網與清潔能源，2014，30（12）：5-9.

[7]許召亞，葉千枝.鋼軌內側磨損對輪式探頭檢測影響的模擬[J].無損檢測，2013，35（2）：59-62.