基于LabVIEW的电梯钢丝绳状态监测多通道数据采集

2020-06-04付其风路贵兰

科学技术与工程 2020年11期

付其风, 路贵兰

(河北科技大学机械工程学院，石家庄 050018)

电梯作为高层建筑中不可替代的交通工具，起着重要的作用。钢丝绳是电梯的重要悬挂装置，钢丝绳的损伤程度及承载能力关系到乘客的生命和财产安全，因此电梯钢丝绳的检测变得极其重要。传统的电梯钢丝绳依靠人工目测来检测钢丝绳的缺陷，这种检测方法效率低且不可靠[1-2]。

对于钢丝绳的无损检测，典型的方法有声学检测法、机械检测法、射线检测法、电流检测法、光学检测法、超声检测法、振动检测法、声发射检测法和漏磁检测法[3]，应用最多且比较成熟的是漏磁检测法，目前其他方法都处在实验室研究阶段。

许多专家学者对钢丝绳的检测进行了研究：文献[4]采用漏磁法检测原理，选用线圈做为传感器对钢丝绳不同故障类型做了实验；文献[5]采用漏磁法检测原理，设计了六回路励磁器，研究了钢丝绳断丝损伤特征量；文献[6]研究了钢丝绳信号漏磁量的空间分布，对钢丝绳磁化回路模型进行了分析，提出了自适应小波阈值消噪法。以上文献都是针对矿井、索道、行车等应用的单根运行的钢丝绳故障研究，对并排传动的多根钢丝绳缺少探讨。为了解决电梯钢丝绳在线监测困难的问题，搭建了针对电梯钢丝绳检测的多根钢丝绳同时运行的试验台。设计了针对多根钢丝绳检测的励磁器、检测器。对励磁器的磁极布置方式进行了仿真，得出最佳磁极布置方式。单根钢丝绳周向阵列多个传感器，同时采集数据，每个传感器独立输出信号，有利于故障信号的判定和定位，提高了信号的空间分辨率。采用虚拟仪器，开发了电梯钢丝绳状态监测多通道数据采集系统，达到了对电梯钢丝绳的不同程度的损伤信号进行采集并进行高速存储的目的。

1 电梯钢丝绳的漏磁法检测原理

如图1所示，电梯钢丝绳属于一种铁磁性材料，永久磁铁作为外加磁场，为励磁回路提供充足稳定的磁场能量，当外加磁场施于铁磁性材料时，材料内部会形成高密度的磁力线，一旦钢丝绳出现不连续，即表层或内部有空隙或者缺陷时，磁阻发生改变，部分磁力线就会向外溢出，形成漏磁场。钢丝绳缺陷处产生的漏磁通由式(1)计算。为使检测器能准确捕捉到钢丝绳缺陷漏磁场，需要将钢丝绳磁化至饱和状态。

Φ=B1S2

(1)

式(1)中：B1为钢丝绳内磁感应强度；S2为缺陷的横截面积。

图1 漏磁法检测原理Fig.1 Principle of magnetic flux leakage detection

2 电梯钢丝绳硬件实验台的搭建

电梯钢丝绳硬件实验台的搭建包括励磁器的设计、检测器的设计。图2所示为电梯钢丝绳检测实验台，钢丝绳实验台的传动轮为双槽轮，由24 V直流电机驱动，由直流电机控制器来控制电机的启动和钢丝绳运行速度，钢丝绳利用和轮槽间的摩擦力进行运转。控制电机速度，模拟电梯运行速度对钢丝绳进行检测。实验采用公称直径为8 mm、结构为6×19S+FC的两根钢丝绳，同轴双槽轮带动钢丝绳运转，在钢丝绳上人为制造不同程度的断丝损伤，模拟电梯钢丝绳的运行。

图2 电梯钢丝绳检测实验台Fig.2 Elevator wire rope test bench

2.1 励磁器的设计

传统的直流励磁方式结构复杂、需要提供外接电源。交流励磁易产生集肤效应[7]。集肤效应是指导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀的一种现象。永久磁铁励磁方式克服了以上缺点，结构简单、体积小、质量轻，产生的磁场稳定，因此得到了广泛应用。电梯钢丝绳的并排传动特质决定了励磁装置也是并排排列，设计每根钢丝绳对应独立的励磁装置，相邻励磁装置之间由隔磁板隔开，避免了相互之间的磁场干扰。励磁装置采用双回路励磁，双回路励磁方式较单回路励磁磁化结果稳定，较多回路励磁方式体积小，更容易集成。励磁器沿钢丝绳轴向布置，使用两块永久磁铁，永磁体上方是导向耐磨装置，永磁体下方是衔铁，励磁装置两边对称，永磁铁材料选用钕铁硼。在励磁磁路的设计中，要求钢丝绳磁化段中部均匀磁场区域沿绳轴向的长度应不小于一个股间距长度Lmm(Lmm为钢丝绳表面相邻两股间的距离)[8]。实验中钢丝绳公称直径为8 mm，相邻两股间距离Lmm为8 mm。因此，励磁长度Lm应满足式(2)，Lms为永久磁铁的宽度。衔铁选用工业纯铁DT4，工业纯铁轴向尺寸为120 mm，径向尺寸为20 mm，厚度为10 mm，永久磁铁的尺寸为9 mm×9 mm×18 mm。

Lm≥Lmm+2Lms

(2)

为了研究在双回路励磁装置中永久磁铁不同磁极布置方式对钢丝绳产生的励磁效果，在ansoft软件中构建三维仿真模型，在仿真材料、计算精度、边界条件设置完全相同的条件下，只改变永磁体磁极布置，不同方式布置磁极的仿真结果分布如下。

(1)N-N-S-S(靠近钢丝绳的磁极逆时针排序)磁极布置方式，即钢丝绳同侧磁极相异，钢丝绳两侧磁极相同，磁通密度如图3所示。

图3 N-N-S-S 磁通密度云图Fig.3 N-N-S-S magnetic flux density cloud

(2)S-S-S-S磁极布置方式，即钢丝绳两侧的磁极都相同，仿真结果如图4所示。

图4 S-S-S-S磁通密度云图Fig.4 S-S-S-S magnetic flux density cloud

(3)N-S-N-S磁极布置方式，即钢丝绳同侧磁极相异，仿真结果如图5所示。

图5 N-S-N-S磁通密度云图Fig.5 N-S-N-S magnetic flux density cloud

(4)N-S-S-N的磁极布置方式，即钢丝绳同侧磁极相同，钢丝绳两侧磁极相异，仿真结果如图6所示。

由以上4种磁通密度云图可以看出，N-N-S-S的磁极布置钢丝绳磁感应强度为最大，接近2 T，磁化效果最好，图4～图6中钢丝绳的磁感应强度达不到1 T，检测要求当钢丝绳进入饱和磁化区时，磁感应强度B≥1 T，即要将钢丝绳磁化到饱和状态，需要励磁装置在钢丝绳中产生大于1 T的磁感应强度[9]。因此选择N-N-S-S的磁极布置方式磁化钢丝绳。

图6 N-S-S-N磁通密度云图Fig.6 N-S-S-N magnetic flux density cloud

2.2 检测器的设计

磁敏感元件有感应线圈、磁通门、霍尔元件等，由于霍尔元件输出信号不受钢丝绳速度的影响，且体积小、反应灵敏，适合电梯钢丝绳的检测，故检测元件采用线性霍尔元件。霍尔元件周向阵列布置在钢丝绳周围，均匀布置的元件数量应使多元件覆盖范围总和大于被测区域[10]，为了能保证实现无漏检检测，霍尔元件的数量N应满足

(3)

式(3)中：N为霍尔传感器的数目；D为检测环的直径，mm；L为霍尔元件的轴向覆盖范围，mm。

钢丝绳的直径为8 mm，选取传感器的提离值为2 mm，霍尔元件的覆盖弧度为8 mm，计算得N≥4.71，满足此条件的前提下，钢丝绳在经过霍尔传感器时，钢丝绳轴向会在钢丝绳股与股空隙处产生漏磁通，此信号一般称为“股波”信号。在检测中，这类信号是无用信号[11]。霍尔元件的数量是钢丝绳股数的整数倍，可以有效消除股波信号的影响，选用6个霍尔元件阵列在钢丝绳周围。霍尔元件输出的漏磁信号较小，采用放大器对每路信号进行放大。设计单根钢丝绳6个传感器同时输出信号，提高了信号的空间分辨率，有利于故障信号的定位。

检测器安装的提离值和方向也是影响检测结果的重要因素，下面采用建立磁偶极子模型的方法来确定传感器的安装方向及提离值。

磁偶极子是在电偶极子的基础上建立的物理模型，其等值异号组成封闭的回路，可以很好地描述小尺寸的磁场回路。在钢丝绳无损检测中，常用磁偶极子模型来模拟钢丝绳的漏磁信息[12-13]，如图7所示。磁偶极子在力矩的作用下会发生转动，当力矩为零时，处于平衡状态，利用此原理进行漏磁场的测量。在图7中，正负Q是一对磁偶极子，Q是其电荷量，L1、L2是电荷到A点的距离，即断丝的间隙大小。B为两电荷在A处的磁场的方向和大小，2δ+2R为两电荷的距离。

图7 磁偶极子模型Fig.7 Magnetic dipole model

坐标y是钢丝绳的提离值(钢丝绳的表面到霍尔元件的距离)。在图7中用A点的纵坐标y表示提离值的大小，采用图7建立的磁偶极子模型，分析提离值的大小对B1、B2漏磁场的影响。当断口宽度2δ一定，这里设定2δ=5 mm，其他条件不变，漏磁场轴向分量B1、径向分量B2在不同提离值下与x的关系如图8和图9所示。

图8 漏磁场水平分量Fig.8 Horizontal component of the leakage magnetic field

图9 漏磁场竖直分量Fig.9 Vertical component of the leakage magnetic field

由图8可知，当断口宽度一定，提离值越大，漏磁场在水平方向上的分量逐渐减小，当提离值达到一定值，水平分量的值逐渐趋近于零。当提离值较小时，水平分量出现两个最大的峰值。

由图9可知，当断口宽度一定，提离值越大，漏磁场在竖直方向上的分量越小，当提离值到达一定值，竖直分量趋近于零。且在正负方向都只有一个波峰。

图10 电梯钢丝绳数据采集波形Fig.10 Elevator wire rope data acquisition waveform

根据两个仿真图形的分析，轴向的漏磁场B1的图形较为复杂，出现正负两个峰值，且随宽度的变化B1会出现回落现象，相比较B2随宽度或提离值变化的趋势较稳定、清晰。所以在检测钢丝绳漏磁信号时，应选择径向分量B2作为检测对象进行检测。霍尔传感器的安装应与钢丝绳的径向方向一致，且提离值为2～3 mm检测效果最好。

3 电梯钢丝绳的信号采集

3.1 信号采集装置

电梯钢丝绳的信号采集装置采用研华的NI USB6351信号采集板卡，USB的数据接口，能实现信号的高速读写。为了提高空间分辨率，准确确定钢丝绳的缺陷，对每个霍尔元件的输出采用相互独立的通道来处理。

3.2 多通道钢丝绳信号的采集和储存

系统多根钢丝绳同时检测，每根钢丝绳用6个通道，采用波形图表来显示采集到的波形数据。

LabVIEW数据采集有3种方式，第1种是配置数据管理软件MAX，在测试面板进行数据的采集；第2种是在MAX窗口中创建采集任务，根据提示配置一系列采集参数，配置完成后可以在程序框图中生成DAQ Assistant VI；第3种是采用DAQmx API进行编程[14]。前两种方法操作简单，但准确性、灵活性较差，局限性较大，第3种利用测量I/O选板下VI可以完成数据采集的任务，根据需求可做任意改进，准确快捷地控制程序。本系统采用DAQmx API编程的方法对采集板卡进行相关参数的设置，包括物理通道、采样率、采集电压范围等，来实时显示采集的波形并保存数据。

在钢丝绳上人为制造断丝损伤，钢丝绳1采集到的信号如图10所示，每一通道对应相应的传感器输出，波形图波动的部位对应钢丝绳的损伤。实验表明，在断口较大的地方，每个传感器都能检测到漏磁信号，离断丝最近的传感器输出电压值最大。

在对电梯钢丝绳缺陷进行检测时，不仅希望能实现实时监测、控制功能，还需要对数据进行高速有效的存储，以完成后续定性定量评估，对系统的实时运行再现。LabVIEW的环境支持的文件格式有文本文件、二进制文件和数据记录文件3种[15-16]。二进制文件以其高速、高效的特点在高速流盘、安全存储方面有广泛应用，LabVIEW提供的二进制文件中TDMS文件读写速度快，占用空间小，适合于多通道、长时间、连续的海量数据存储[17-18]，故采用TDMS文件进行数据存储。图11所示为多通道数据采集系统部分数据采集和存储的部分程序框图。存储过程中LabVIEW可以将每根钢丝绳不同通道的数据存储分开保存并进行命名。钢丝绳多通道数据采集系统，每一个通道都减去初始值，消除了传感器自身的干扰。初始值是钢丝绳无故障时每一个传感器的输出电压值。采用顺序结构，对数组初始化，使波形图表显示的信号长度可以进行设置，波形图表面板上可以显示系统时间，TDMS采集数据的同时将系统的时间信息也采集存储下来。

图11 数据采集和存储部分程序框图Fig.11 Data acquisition and storage block diagram

3.3 系统测试

如图12所示，在钢丝绳上人为制造3处断丝，分别为断6根丝、2根丝、4根丝，用信号采集系统对断丝数据进行采集，经过消噪处理后的波形图如图13所示，断丝位置在图13中已标出，从左到右分别是断6根丝、断2根丝、断4根丝的波形。从图中可以看出通道1缺陷处峰值较大，波形的宽度和断丝缺口的宽度相关，断丝位置离检测器1较近，检测器1对应的是通道1的输出信号。从波形图上来看，通道1波形峰值变化比较明显，通道2和通道3对应的信号有少许变化，由于断丝数量较少，通道4～6信号几乎没有出现明显变化。