基于在線檢測系統(tǒng)的礦用鋼絲繩損傷信號抑噪的研究

栗 帥

（山西潞安檢測檢驗中心有限責(zé)任公司， 山西 長治 046200）

引言

礦用鋼絲繩是由多根碳素合金細(xì)微鋼絲擰合而成，具有高柔韌性、可彎曲性的特點。鋼絲繩結(jié)構(gòu)強度高，自身質(zhì)量較輕，目前被廣泛運用于各個煤礦的提升系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)中。但鋼絲繩長期處于惡劣的工作環(huán)境中，其受到的載荷作用變化形式多樣，鋼絲繩破壞形式主要有銹蝕、磨損、斷裂等。目前煤礦企業(yè)也對鋼絲繩日常安全檢查相當(dāng)重視，主要通過人工目視巡查的方法對鋼絲繩進(jìn)行安全檢查。但該種方法無法檢測鋼絲繩內(nèi)部缺陷，僅停留在表面檢查，但同時也有部分煤礦企業(yè)運用了在線系統(tǒng)檢測技術(shù)對鋼絲繩的損傷缺陷進(jìn)行檢測[1]。但最后數(shù)據(jù)分析結(jié)果受到了作業(yè)噪聲、電氣設(shè)備電磁場等多種因素的干擾，造成數(shù)據(jù)分析結(jié)果不準(zhǔn)確。因此有必要采用一種濾波的方法提取真實的鋼絲繩損傷信號，實現(xiàn)準(zhǔn)確找到鋼絲繩損傷部位，及時進(jìn)行安全隱患處置，保障煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)[2]。本文采用漏磁檢測對鋼絲繩損傷的信號進(jìn)行濾波處理，運用小波分析技術(shù)達(dá)到信號濾波消噪的效果。

1 鋼絲繩損傷分析

礦井采煤過程的提升系統(tǒng)和運輸系統(tǒng)中常用的鋼絲繩是由碳素合金鋼絲擰合而成，鋼絲繩強度大約為1 000～3 000 MPa[3]，具有良好的抗彎性能和柔韌性能。根據(jù)礦井提升系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)的載荷大小，可定制鋼絲繩的結(jié)構(gòu)類型，適應(yīng)性選擇性范圍較大，如圖1 所示為鋼絲繩各類型截面結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括圓形股截面、三角股及橢圓股截面，內(nèi)部截面結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可變化性較強，適用于多種工業(yè)場合[4]。

圖1 鋼絲繩繩股截面結(jié)構(gòu)示意圖

鋼絲繩在煤礦生產(chǎn)作業(yè)過程中受到反復(fù)循環(huán)的載荷作用，形成了各種類型的缺陷形式。根據(jù)相關(guān)研究資料，鋼絲繩損傷缺陷主要被劃分為LF 型和LMA 型損傷，代表含義為局部缺陷和截面缺陷。局部缺陷損傷為極小范圍內(nèi)截面積突然變小的損傷，截面損傷為鋼絲繩在長時間負(fù)載作用下不斷地磨損損耗產(chǎn)生的慢性損傷。對礦井現(xiàn)場的鋼絲繩進(jìn)行分析，LF 型損傷（局部損傷）為鋼絲繩常見的損傷方式，影響鋼絲繩安全受力狀態(tài)，造成承載力下降和斷裂風(fēng)險增加。針對LF 型損傷主要為斷絲破壞，在線檢測系統(tǒng)可以有效地對斷絲損傷位置進(jìn)行檢測[5]。

2 損傷檢測原理分析

2.1 鋼絲繩磁化原理

鋼絲繩由碳素合金金屬材料制成，因此鋼絲繩內(nèi)部材料含碳量高，導(dǎo)磁性能更好。電磁檢測技術(shù)是對鋼絲繩缺陷檢測有效的技術(shù)方法，通過采用電磁檢測技術(shù)對鋼絲繩軸線方向施加磁場，如趨勢出現(xiàn)了LF 型缺陷時，斷絲位置的磁阻加大，磁場線將由臨近的連續(xù)鋼絲中穿過從而繞過缺陷位置，造成此處的磁場信號不連續(xù)，產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象。漏磁部位的磁感線波動情況將被檢測裝置檢測出，從而確定出鋼絲繩斷絲的位置，斷絲部位漏磁場示意圖如下頁圖2所示。

2.2 勵磁裝置的設(shè)計

在對鋼絲繩進(jìn)行漏磁檢測過程中，鋼絲繩必須被勵磁至飽和狀態(tài)，確保內(nèi)部磁場分布勻稱，保證鋼絲繩磁場在徑向上的磁量較小。通過查閱資料得知，采用永久磁鐵直流勵磁的方法對鋼絲繩進(jìn)行勵磁處理。從圖3 可知，該勵磁裝置由磁體S 級觸發(fā)至另一極N 極，通過穿過鋼絲繩內(nèi)部形成閉合磁場回路，兩端均設(shè)置為環(huán)形永久磁體。

圖2 斷絲處的漏磁場示意圖

圖3 永磁勵磁的結(jié)構(gòu)形式示意圖

2.3 檢測電路的設(shè)計

鋼絲繩LF 型損傷產(chǎn)生的漏磁場強度數(shù)值大約在5.0 mT，目前常采用的漏磁場測量方法有感應(yīng)線圈法、磁通門法、霍爾元件法以及磁敏電阻。通過查閱資料分析，磁敏電阻更適合作為漏磁損失信號檢測的元件，因為其具有抗干擾性好、體積小、靈敏度較高、適用范圍廣等特點[6]。

磁敏電阻將輸入檢測的模擬信號進(jìn)行處理，通過電路圖將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過信號放大處理、濾波處理、零點調(diào)整、增益調(diào)整等信號處理方法對信號進(jìn)行調(diào)理，最終輸出檢測信號。

通過三級放大電路對磁敏電阻輸出的單向脈沖信號進(jìn)行放大，并且在信號放大之前通過采用RC 低通濾波電路進(jìn)行低通濾波。綜合考慮磁敏電子元件的特性，設(shè)計出鋼絲繩漏磁損傷信號的檢測傳感器，并對其輸出信號的處理電路進(jìn)行設(shè)計，如圖4 所示。

圖4 信號處理電路

3 信號抑噪處理

3.1 小波濾波方法

在煤礦復(fù)雜惡劣的作業(yè)環(huán)境中，通過采用小波濾波的技術(shù)處理方法對鋼絲繩檢測出的損傷信號進(jìn)行濾波處理，得出對研究有用的損傷信號數(shù)值。采用小波濾波方法，首先根據(jù)斷絲信號選擇適合檢測的小波函數(shù)，將含雜著噪聲信號的檢測信號分為不同的頻率段，并得到各個頻段的小波分解系數(shù)，將每個頻段的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理并將采集到的信號數(shù)值與門限閾值進(jìn)行比較，將大于門限信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其他信號設(shè)置為0，重新構(gòu)建各個頻段的分解信號，對數(shù)據(jù)檢測波形進(jìn)行濾波處理。在斷絲信號的分析過程中，小波技術(shù)的選擇性應(yīng)滿足以下條件：有可微性和線性相位；在時域上最小支撐，小波函數(shù)的緊支性越好，重構(gòu)算法中的序列就會越短；小波函數(shù)接近最優(yōu)，即時頻窗面積盡量最小，這樣小波應(yīng)用在時頻域局部化的聚焦能力就越強。

3.2 分析工具的選擇

通過采用MATLAB 數(shù)值分析軟件，在該軟件中選擇各類小波分析函數(shù)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換。利用GUI 圖形的方式進(jìn)行可視化展示，MATLAB軟件具有豐富的數(shù)據(jù)傳輸接口以及強大的數(shù)據(jù)分析處理能力，可作為鋼絲繩損傷信號數(shù)據(jù)處理分析的實用軟件。

3.3 小波的仿真分析

通常采用7 層多分辨率的方式分析每層鋼絲繩損傷檢測信號，對每一層頻段的信號取出異常數(shù)據(jù)的信號，對每層分解信號進(jìn)行重新構(gòu)建，將背景噪聲信號小波分解系數(shù)閾值強制設(shè)置為0，便可得到經(jīng)小波變換抑躁的信號數(shù)據(jù)，具體分析結(jié)構(gòu)數(shù)如圖5所示。

通過Matlab 軟件對鋼絲繩斷是缺陷信號進(jìn)行采集，信號采集點共3 510 個，其中輸入的原始信號為s，其中斷絲缺陷信號共計采集到100 個左右，7層多分辨率分析分解結(jié)果如下頁圖6 所示。

圖5 多分辨分析樹結(jié)構(gòu)圖

由圖6 可以得出，各層輸出信號較為雜亂，d1、d2、d3輸出的信號為高頻干擾，主要由礦井電機引起。a7輸出為低頻干擾，主要由鋼絲繩自身擺動所引起。鋼絲繩輸出的損傷信號主要集中于d4、d5。為避免其余信號干擾，將d1、d2、d3、a7、a6的閾值強制設(shè)置為0，并重新進(jìn)行小波重構(gòu)，進(jìn)行損傷信號消噪處理。

圖6 鋼絲繩檢測信號七層分解

3.4 損傷信號抑躁

通過小波重構(gòu)之后，鋼絲繩損傷信號輸出波形圖形由圖7 所示。

由圖7 可知，小波分析在抑噪方面取得了良好的效果，波形清晰明了，可以避免噪聲環(huán)境以及機器工作干擾對斷絲缺陷的判斷，并將重構(gòu)波形與原始信號波形進(jìn)行對比分析，可以準(zhǔn)確地找到鋼絲繩斷絲缺陷的部位，由此可以得出小波分析在一維信號的消噪方面表現(xiàn)良好，可以成為運用在線檢測系統(tǒng)探測鋼絲繩損傷數(shù)據(jù)后分析處理的有效技術(shù)措施。

圖7 重構(gòu)波形示意圖