漏磁法鋼絲繩斷絲檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

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(cè)不及時(shí)，安全因素不時(shí)有之，近幾年由于鋼絲繩斷裂造成人員傷亡的事故時(shí)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(shí)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(cè)方法主要是用手去摸和用眼睛去看等方法，這些方法耗時(shí)耗力，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，極易導(dǎo)致鋼絲繩過早報(bào)廢和資源的浪費(fèi)[5]。

傳統(tǒng)的鋼絲繩損傷檢測(cè)方法主要有用眼睛去看，用手去摸等方法，這種方法耗時(shí)耗力，且檢驗(yàn)結(jié)果不理想，極易導(dǎo)致鋼絲繩過早報(bào)廢和資源的浪費(fèi)[6]。隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，鋼絲繩的損傷檢測(cè)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(cè)手段。以下是經(jīng)過上網(wǎng)查閱了解到的相關(guān)文獻(xiàn)描述。

劉雪芳等人制作的超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)具檢測(cè)距離長(zhǎng)，使用方便和靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)︿摻z繩進(jìn)行快速的損傷檢測(cè)[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(cè)鋼絲繩的內(nèi)部缺陷問題，在線智能識(shí)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(jì)了一種渦流檢測(cè)探頭，采用退化向量位有限元法對(duì)鋼絲繩渦流檢測(cè)進(jìn)行了數(shù)值模擬[9]，并通過實(shí)驗(yàn)與仿真證明了檢測(cè)非常有效。

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

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)應(yīng)用霍爾效應(yīng)漏磁檢測(cè)原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)構(gòu)成的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括探頭，信號(hào)處理電路、單片機(jī)，顯示、報(bào)警模塊，根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)需要可以增加GPRS 模塊。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖

2 硬件模塊電路原理及軟件設(shè)計(jì)

2.1 探頭設(shè)計(jì)

探頭包括霍爾元件組和勵(lì)磁回路兩部分，如圖2 所示，霍爾元件組包括八個(gè)AH3503 線性霍爾傳感器，四個(gè)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(lì)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(cè)鋼絲繩與U 形磁鐵形成的閉合回路。每組的四個(gè)霍爾傳感器成90°角周向均勻分布，兩組霍爾傳感器相互錯(cuò)位45°角相對(duì)而置，構(gòu)成漏磁檢測(cè)裝置。勵(lì)磁回路采用U 形永磁鐵勵(lì)磁或電磁鐵，使鋼絲繩內(nèi)磁場(chǎng)達(dá)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(shí)，由于斷絲部分會(huì)產(chǎn)生漏磁，霍爾元件組探測(cè)到周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化，而霍爾傳感器就會(huì)將檢測(cè)到的漏磁輸出為電壓信號(hào)。

圖2 探頭結(jié)構(gòu)

■2.2 信號(hào)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(shí)驗(yàn)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(duì)靜態(tài)電壓值的情況，設(shè)計(jì)一個(gè)差動(dòng)放大濾波電路，將兩個(gè)相臨的霍爾傳感器接成差動(dòng)輸入，8 個(gè)霍爾傳感器接成4 路差動(dòng)放大電路。其中一路差動(dòng)放大電路如圖3 所示，由R1、R2、R4、R3、C1、C2、LM324 芯片中的一路運(yùn)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(gè)霍爾傳感器相對(duì)面的A、C 兩個(gè)霍爾傳感器連接到一個(gè)運(yùn)算放大器的反向和同向輸放端，其他三路運(yùn)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(shí)，輸出電壓為0，檢測(cè)漏磁時(shí)，差動(dòng)放大電路輸出的0～5V 的電壓。

圖3 差動(dòng)放大電路

8 個(gè)霍爾傳感器A ～H 與運(yùn)算放大芯片LM324 接成4路差動(dòng)放大電路，霍爾傳感器A ～H 連接到運(yùn)放時(shí)，相對(duì)的兩個(gè)連接到一個(gè)運(yùn)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(yùn)放A1 的反向輸入端和同向輸入端，B、D 輸入到運(yùn)放A2 的反向輸入端和同向輸入端，E、G 輸入到運(yùn)放A3 的反向輸入端和同向輸入端，F(xiàn)、H 輸入到運(yùn)放A4 的反向輸入端和同向輸入端，四路運(yùn)放A1、A2、A3、A4 的輸出端OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 分別連接到單片機(jī)的P10、P11、P12、P13。

圖4 四路差動(dòng)放大電路與單片機(jī)連接圖

2.3 單片機(jī)與顯示電路

如圖5 所示，單片機(jī)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(yùn)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(jī)的P14 ～P17，LCD1602 的EN、RS 端連接到單片機(jī)的P32和P33；單片機(jī)的P34 和P35 用作獨(dú)立式按鍵，用于功能選擇和操作控制。單片機(jī)的P30 和P31 為通信口，J1 用于程序下載，如果需要擴(kuò)展GPRS 模塊進(jìn)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(jī)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(cè)到漏磁產(chǎn)生的時(shí)，單片機(jī)給蜂鳴器模塊一個(gè)低電平，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警。

圖6 蜂鳴器模塊原理圖

2.5 軟件設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)采用單片機(jī)STC12C5204AD 作為核心處理器，其引腳分配如表1 所示。單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)如圖7所示，單片機(jī)進(jìn)入主程序后首先進(jìn)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(bào)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(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得電壓值，再判斷是否超限，若有超限進(jìn)行報(bào)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(jī)引腳分配表

3 檢測(cè)試驗(yàn)

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(gè)缺口，隨后把這段鋼絲繩置于設(shè)計(jì)好的檢測(cè)裝置中，用電壓表測(cè)量當(dāng)探頭檢測(cè)斷絲處和正常處位置時(shí)的輸出電壓值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

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

4 結(jié)論

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