钢丝绳芯强力胶带的电磁检测原理与实验研究(1)

武汉大学2009年国家大学生创新实验项目申报书 填表时间：2009 年 09月 07日 项目名称 钢丝绳芯强力胶带的电磁检测原理与实验研究 项目创新特色概述 1、学科交叉，项目是电磁学、电子学和机械学的融合； 2、国内仍无相关的基础研究，创新性是本项目的特色。 项目所属一级学科 理学、工学 经费:10000 预算合计:18700 起止时间 2009年09月至2011年 05月 申请人或申请团队信息 姓 名 学 号 院（系）、专业 联系电话 E-mail 许志浩 200732540222 电气工程学院 15527286351 zhxuhi@163.com 苏琪 200732540204 电气工程学院 15172332663 suqi517@163.com 罗恒 200732540208 电气工程学院 15926481429 Luoheng123@yahoo.cn 何浩 200732540252 电气工程学院 13659878293 hehao224@qq.com 注：项目负责学生的信息填写在本栏目的第一行，成员共计不超过5人。 导师信息 姓名 院（系） 职称 联系电话 E-mail 丁坚勇 电气工程学院 教授 62184154 jyding@whu.edu.cn 陈厚桂 电气工程学院 博士/讲师 13628662935 hougui_ch@163.com 一、申请理由（包括自身具备的知识条件：特长、兴趣等） 本小组成员因为共同的兴趣和爱好而走到了一起，并在指导老师的带领下，经过讨论与思考，最终确定申请“钢丝绳芯强力胶带的电磁检测原理与实验研究”这一项目。我们的申请理由如下： 1　为了准备申请书，团队成员与兖州矿务局，济宁鲁科检测器材有限公司两家单位进行了深入的交流，据两家单位的领导反映，强力胶带的无损检测对于煤矿至关重要，直接关系到煤矿的生产安全，但是，目前国内对该项目仍无系统地研究，市场上出现的两种仪器性能无法满足实际需要。根据所获得的信息，我们通过调研进行了确认，后来与指导老师进行讨论，共同认为该项目实用背景很强，国内研究不多，所选切入点新颖，有较大的创新空间和发挥余地。 2　该项目难度适宜，适合本科生层次的科研，学院实验室已有不少相关实验设备和仪器，故所需硬件成本较少，在指导老师的帮助下，已初步确定了可行性较强的实验方案。 3　项目需对专业课程有深入的理解与灵活运用能力，在此过程中我们有机会更深入地了解所学专业知识及专业领域的思维方式、解决问题的方法等。 4　本小组成员均刚刚进入大三学习，有了在大二一年专业基础课的知识根基，正值进一步扩充自己专业知识眼界的最佳阶段。而通过此项目的研究，我们可以在边学边练的过程中更加深入地了解和掌握所学专业知识，为以后的深造打下更好的基础 5　项目涉及诸多本专业的多种课程，如模电、数电、微机原理及接口技术、单片机、工程电磁场以及相关分析仿真软件的使用等，我们已经学完、自学完或者即将学习。该项目针对性很强，有助于达到理论与实践相结合的效果。 6　本小组成员已经做好了充足的准备，在学院老师的指导下，我们有信心在规定期限内将项目完成。 二、立项背景（研究现状、趋势、研究意义等，参考文献和其他有关背景材料） 2.1 钢丝绳芯强力胶带 输送机是矿山企业常见的连续式运输设备，钢丝绳芯强力胶带（以下简称强力胶带）是其关键部件。强力胶带主要用在比较恶劣的工作场合，在工作中，需要承受矿石、煤炭等原始物料的反复冲击和摩擦，与普通胶带不同，强力胶带使用钢丝绳作为骨架，因此其抗冲击能力更强，钢丝绳芯强力输送机如图1所示，强力胶带如图2所示。在制作强力胶带时，首先按照国家或供需双方所达成的，制作好钢丝绳骨架，然后使用硫化工艺制作完成胶带的硫化层。在胶带交付用户安装 图1　强力输送机 　 图2　强力胶带结构图 使用时，由于胶带不可能无限长，常采用固定长度的胶带首尾编结的形式，最终形成环状的胶带。由于不是整体结构，胶带的性能会大受影响，其中胶带与胶带之间的编结部位是最薄弱的环节。胶带在承受一定压力和拉力周期之后，编接部位将发生松动，编接头松动的直接后果是承载能力下降，当编接头的滑移量达到一定数值后，胶带发生断裂。对强力胶带的检测，目前还没有可靠的方法。 近两年，国内市场上陆续出现了一些初级的强力胶带检测仪，并已经进入矿井试运行，调研发现，这些产品存在两个关键性缺陷： (1)　检测通道少，强力胶带中的钢丝绳少则50根，多则176根，任一根钢丝绳断裂都会改变强力胶带局部的受力状态，进而对其他钢丝绳造成影响，导致状况的恶化，因此，将检测定位到每一根钢丝绳是必须的，但是由于技术方面的障碍，现有的仪器都是一个通道检测数根钢丝绳； (2)　不能定量，对于编接头而言，接头的滑移量是判断强力胶带是否需要维修的最关键依据，但是目前的仪器都不能实现此功能。 强力胶带的检测实质上是钢丝绳组的检测，因此钢丝绳的检测方法是本项目的理论基础。 2.2 　钢丝绳电磁检测方法 钢丝绳磁性无损检测技术是一门综合性学科，融数学、物理学、电磁学、电子学、自动化和计算机技术于一体，是目前钢丝绳检测技术的首选方法。 钢丝绳中的缺陷主要分为两大类：金属截面积损失（Loss of metal cross-sectional area, 简称LMA）型缺陷和局部（Local flaw, 简称LF）缺陷[1-3]。对于LMA类缺陷的检测，根据检测元件在磁路中位置的不同，可以分为主磁通检测法，回磁通检测法和漏磁通检测法。 钢丝绳电磁无损检测技术最早可以追溯1906年，南非的C. McCann 和R. Colson发明了基于交流励磁的电磁无损检测装置，并且获得了德国专利。该装置采用交流磁化的方式，当测量截面的面积发生变化时，励磁线圈与测量线圈之间的耦合阻抗将随之改变，记录检测线圈中感应电动势变化，就可以对导致钢丝绳截面变化的缺陷进行分析[4]。由于这种检测方法采用交流（AC）励磁，故称为AC方法。 1906年至1938年间，国外开发的大量基于AC方法的钢丝绳检测仪器，绝大多数是在C. McCann与R. Colson的装置基础上改进形成的[5]。基于AC方法的仪器普遍存在集肤效应和涡流损失，存在检测渗透深度低和检测过程中钢丝绳剧烈发热等缺点。AC方法在三角股钢丝绳的检测方面效果较好，在南非获得了长足的发展，但是由于磁性材料的发展，正逐渐被以磁钢为励磁源的永磁磁化法替代。 由于AC方法对钢丝绳的局部损伤不敏感，1925年，德国的H. Chappuzeau首次提出了基于漏磁测量的钢丝绳电磁无损检测装置，该装置采用直流线圈对钢丝绳进行励磁，当钢丝绳上存在局部损伤时，其附近将产生空间扩散漏磁场，利用检测线圈测量这一磁场，则可以按顺序测量钢丝绳的局部损伤缺陷[6]，实际上，真正将这种方法应用于钢丝绳检测，是在1937年由R. Wornle与H. Muller发明了分离式径向感应线圈之后[7]。由于这种方法采用直流（DC）励磁，故称为DC方法。1925年至1955年期间，国外在H. Chappuzeau的装置基础上，也开发了大量的基于DC方法的钢丝绳检测仪器。基于DC方法的仪器因直流励磁与检测线圈安装方面的困难，致使仪器结构庞大和操作复杂，目前以逐渐被永磁法替代。 二十世纪上半叶的钢丝绳电磁检测仪器普遍存在结构庞大的缺点，特别是对于LMA和LF需要采取不同的处理办法。1976年，加拿大的F. Kitzinger与G. A. Wint提出利用Hall元件作为检测元件实现对钢丝绳截面变化和局部损伤缺陷进行检测的技术方法和装置[8-9]。紧接着，为了进一步简化装置，加拿大的F. G. Tomaiuolo与J. G. Lang在1985年提出了利用磁通门技术组合检测钢丝绳截面变化和局部损伤缺陷的技术方法与装置[10]。 二十世纪后期的主要特征是计算机技术的发展，这使得复杂磁问题的求解和大信息量的处理成为可能，1998年，Lorant B.等在一篇文章中指出：新的计算机技术可以将LF信号的幅值与特定的钢丝绳和特定的断丝联系起来[11]。1995年，加拿大在原有的LMA检测截面积损失的主磁通检测法上，推出了基于计算机的MagnographⅡ型钢丝绳检测仪原理样机，提出了TCMA（Total Change in Metallic Area）检测的概念[12]，突破了LMA检测需要寻找检测基准的缺陷。1999年，德国斯图加特大学的Nussbaum, J. M.设计出两套由30个霍尔元件组成的检测阵列构成的传感器，借助计算机技术，在断丝的空间定位方面获得了成功[13]。 国内钢丝绳无损检测技术起步比较晚，直到80年代才出现针对单一因素进行检测的装置。1986年，抚顺煤矿分院和哈尔滨工业大学合作，研制成功了能同时检测LMA和LF检测的TGS型检测仪[14]。华中科技大学从1985年开始一直致力于钢丝绳无损检测方法的基础理论和仪器化等方面的研究，在缺陷的电磁解释、识别、量化以及漏磁成像等方面取得了卓有成效的成果[15-23]。 综上所述，强力胶带对于矿山企业异常重要，其断裂将导致企业停产和引起重大的人身伤亡事故，但是，目前国内还没有可靠的检测仪器来检测胶带的损伤状况，特别是学术领域针对该对象方法的研究还未系统展开，本项目以钢丝绳电磁检测方法作为研究基础，通过构造强力胶带的检测模型，研究其原理，项目的完成对于强力胶带的电磁检测方法，进而对于矿山安全具有重要的学术价值和应用价值。 参 考 文 献 [1] Chaplin, C. R., et al. Rope Degradation and Damage. HSE Report, OTO 1999-033 [2] Hecker, G. F. K., et al. Deterioration of Mine Winder Ropes. SIMRAC Report, July 1998 [3] Ridge, I. M. L., et al.. Investigation of Failure of Crane Rope From DSV DSND PELICAN. HSE Report, OTO 2002-031 [4] McCann C. E., S. Colson. Vorrichtung zum prüfen der schwächung des querschnitts von drahtseilkabeln u. dgl. German patent 175895 KL. 426 GR. 10, 1906 [5] Babel, H.. Zerstörende und zerstörungsfreie prüfverfahren zur bestimmung der lebensdauer von drahtseilen, teilⅡ, draht, 1979, 30(4): 354~359 [6] Chappuzeau, H.. Verfahren zum prüfen der materialeigenschaften langgestrecketr magnetisier-barer körper, German patent 1487856 KL. 42k GR. 22, 1929 [7] Weischedel, H. R.. A Survey of Wire Rope Inspection Procedures. Elevator World, 1981, (12): 18~23 [8] Kitzinger, F., Wint, G. A.. Magnetic Testing Device for Detecting Loss of Metallic Area and Internal and External Defects in Elongated Objects. US. patent, no. 4096437. 1978 [9] Kitzinger, F. and J. R. Naud. New Developments in Electromagnetic Testing of Wire Rope. CIM bulletin, 1979, 72(806): 99~104 [10] Tomaiuolo, F. G., Lang, J.G.. Method and Apparatus for Nondestructive Testing of Magnetically Permeable Bodies Using a First Flux to Saturate the Body and a Second Flux Opposing the First Flux to Produce a Measurable Flux. US. patent, no. 4495465. 1985 [11] Lorant, B. Geller, F., Kitzinger, et al.. NDT of Wire Ropes with a Novel, Computer-controlled, Dual Function Electromagnetic Wire Rope Tester. NDT solution, march 1998 [12] 宋大雷，张东来，徐殿国等. 钢丝绳无损检测的历史、现状及趋势. 无损检测, 1999，21(5): 230~233 [13] Winter, S., Briem, U., Nussbaum, J. M.. High Resolution Magnetic Wire Rope Test-case Study. In: OIPEEC Technical meeting“ The non-destructive testing of rope”, Krakow, September, 1999, 143~151 [14] 荣惠仙. TGS-46.5型钢丝绳直流电磁探伤器的使用与维护. 煤矿安全, 1982, 6: 20~25 [15] 李劲松. 钢丝绳状态在线自动定量检测原理与实践: [博士学位论文]. 武汉: 华中理工大学图书馆, 1991 [16] 康宜华. 钢丝绳断丝定量检测方法及仪器的研究: [博士学位论文]. 武汉: 华中理工大学图书馆, 1993 [17] 高红兵. 钢丝绳断丝若干定量检测问题与遥测技术研究: [博士学位论文]. 武汉: 华中理工大学图书馆, 1993 [18] 黄锐. 钢丝绳内部损伤自动定量无损检测技术及其装置的研究: [博士学位论文]. 武汉: 华中理工大学图书馆, 1994 [19] 谈兵. 钢丝绳缺陷定量检测技术及仪器的研究: [博士学位论文]. 武汉: 华中理工大学图书馆, 1995 [20] 刁柏青. 基于状态检测的钢丝绳缺陷诊断及其可靠性的理论与方法研究: [博士学位论文]. 武汉: 华中理工大学图书馆, 1995 [21] 胡阳. 漏磁计算机断层成象技术及漏磁场可视化技术的研究: [博士学位论文]. 武汉: 华中理工大学图书馆, 1998 [22] 武新军. 钢丝绳截面积损失的磁性无损检测原理与技术: [博士学位论文]. 武汉: 华中理工大学图书馆, 1999 [23] 陈厚桂. 钢丝绳磁性无损检测技术的评估方法及标准研究: [博士学位论文]. 武汉: 华中科技大学图书馆, 2006 三、项目方案 主要研究、试验内容： 钢丝绳芯胶带的检测实质上的钢丝绳阵列的检测，项目以6根钢丝绳构成的小模型作为对象，在项目经费的范围内开展研究，拟采用理论研究和实验研究相结合的技术路线，理论研究建立研究对象的数学模型，基于有限元仿真研究不同传感器构造和检测参数变化对信号的影响；实验研究建立检测装置，验证理论研究所获得的结论，修正研究结论，其研究路线如下： 图3　项目的技术路线 1、检测原理分析 项目的开展首先需要对强力胶带的检测原理进行研究，通过比较典型的检测原理，选出适合的检测方法，拟对漏磁法，回磁通法和磁桥路法进行比较，形成检测原理的分析，针对研究对象的可行性，给检测方法排序，为检测参数研究提供指导； 2、检测参数研究 根据检测原理分析所获得的结论，基于数值仿真方法（使用“ANSYS”软件），建立传感器和试样的有限元模型，研究传感器的结构参数对检测信号的影响，通过与检测原理分析的比较，确定钢丝绳组的检测方法和检测参数；修正和补充第一阶段的结论； 3、实验装置构建 构建图4所示的实验装置，由6根钢丝绳模拟组成的胶带，被固定在支架上。检测传感器以不变的速度相对钢丝绳匀速运动。钢丝绳的两端放置设计好的磁化装置和磁信号检测传感器，钢丝绳 图4 实验装置示意图 经过磁化装置磁化后，产生磁信号，被检测传感器检测，经过放大、滤波等初步处理被送到信号调理单元，调理后传送至信号采集系统，采集到标准的信号，此信号送到计算机系统进行软件算法分析与测评后，显示计算结果并送达显示器，同时完成结果的数据格式处理生成报告，最终完成数据存储并存档。检测系统的原理图如图5所示 图5 检测系统原理框图 （1）检测传感器设计。基本思路是将无形的磁场信号可视化为被仪器显示的电信号。霍尔元件基于霍尔效应原理工作，测量绝对磁场大小。元件的灵敏度、空间分辨力、覆盖范围等由敏感区域的几何尺寸、形状以及晶体性质决定。本项目钢丝绳的检测传感器设计就会用到这一思想。针对胶带内钢丝绳组的电磁特性，基于有限元方法建立电磁仿真模型，通过理论分析和实验研究确定最优的励磁器参数，根据缺陷的电磁信号特征和规律研究电磁信号的采集方式和形式，研究提高检测灵敏度的方法，研制检测传感器。 （2）信号预处理研究。包括信号的放大与滤波研究和信号预处理研究。磁场测量探头输出的信号一般较微弱，必须经过放大后才能进一步处理。首先根据测量信号的性质设计放大器。钢丝绳检测信号的特征可确定为在空间局部区域突变的磁场，采用交流放大技术，通过耦合或偏置调整来消除信号中的低频或直流分量。 若是缓慢变化的信号则采用直流放大技术。信号的滤波，需考虑到对磁场信号的滤波处理和磁电信号的处理。根据不同的处理对象选择是用空间滤波还是用时域滤波方法，或者是用时空混合滤波。利用现代计算机技术，我们可以通过对传感器收集信号的理论分析和实验研究，设计模拟电子系统，完成微弱测量信号的调理等作用，为了获得需要的电信号，须对放大后的信号进行适当调理，其中可能涉及增益调整、零点调节、温飘补偿以及电平偏置、电压电流转换、电压频率转换等。最终通过模数转换电路设计将模拟信号转换成数字信号，与计算机的USB接口连接。 （3）信号采集方式研究。实现对强力胶带断股定量检测的前提条件是对强力胶带电磁信号的采集。在选择信号采集方式时，一方面，要考虑到采集的电磁信号的数据量大小合适；另一方面，又必须考虑到钢丝绳的实际长度和检测信号精度的要求。首先根据传感器的信号特点，设计数字信号处理系统，将第二步通过模数转换得到的数字信号经过数字预处理，消除各种干扰对检测信号的影响。然后选择合适的采集时间间隔等时间因子，使信号真实的反映缺陷的真实状况。通过分析和处理的后最终得到一种能表示钢丝绳缺陷有无和程度的数据结构。 （4）信号的诊断与识别。采用模拟电路对检测信号的诊断与识别，主要依靠信号幅值以及能量、功率、有效值、峰峰值过零点、极点等特征，通过模拟电路运算并设置对应的阈值来提取磁性检测量值。当检测信号的某些值的特征达到预定阈值时，模拟信号识别电路即可诊断与识别出。 （5）检测软件设计。通过理论和实验研究，确定识别、分类和量化算法；设计检测软件主程序，数据库模块，缺陷识别和分类模块，量化特征提取模块，定量识别模块，打印和显示模块。 4、实验研究 利用建立的实验装置，开展实验研究，主要研究： (1) 磁化单元的相对位置对信号的影响 (2) 磁化水平对检测信号的影响； (3) 断绳和断股对检测信号的影响； (4) 接头滑移量变化对检测信号的影响； 通过实验数据分析，修正和补充检测参数研究的结论 5、算法研究 通过前述阶段的研究，研究断绳和断股的定性算法，研究接头滑移量的定量算法，根据研究结论修正和补充检测原理分析的结论。 技术关键： (1)　检测传感器的励磁磁路设计，测量磁路设计和结构设计； (2)　数/模信号处理系统设计； (3)　缺陷电磁信号的特征提取、识别、分类和量化算法； (4)　微细缺陷的信号提取和识别算法； 主要研究目标： (1)　设计出能获取缺陷电磁信息的检测传感器； (2)　设计出能有效进行信号预处理的模/数信号处理器； (3)　设计出能对缺陷进行识别和分类的软件； (4)　设计出缺陷量化特征提取和定量的软件； (5)　设计出能对微细缺陷进行识别的传感器和软件； 研究进度安排 2009年09月 检测方法分析 2009年11月—2010年02月 理论参数研究与设置 2010年03月—2010年07月　 实验台装置构建 2010年08月—2010年11月　 实验，采集实验数据 2010年12月—2011年03月　 算法研究与结果验证 2011年04月　 总结，完成报告 四、预期成果 1、形成一套钢丝绳芯输送带无损检测实验装置 2、形成钢丝绳芯输送带无损检测方法的研究报告； 3、发表3篇学术论文，其中核心1篇； 五、详细预算 序号 项 目 经费（元） 备 注 1 实验系统制作费 8000 实验台制作，传感器制作，信号调理器、数据采集卡等 2 试验材料费 1900 包括购买钢丝绳，夹具，工具等 3 学术会议费 2000 拟参加国内学术会议2人次，每人次1000元 4 差旅费 3300 拟调研3人次，每人次1100元 5 论文发表费 3000 拟发3篇，每篇1000元 6 资料费 500 购买资料，论文打印等 总计 　18700 导师： 签　　名： 年 　月 日 院（系）意见： 签名盖章： 年 　月 日 学校意见： 年 月 日 PAGE - 9 -