简易升降机用钢丝绳缺陷在线监测系统

赵章焰 程 茁

武汉理工大学物流工程学院 武汉 430063

0 引言

漏磁检测法作为非接触式无损检测的重要方法，已经被广泛地应用到了各行各业中[1]，钢丝绳的漏磁无损检测技术在钢丝绳的检测领域中相较于图像检测[2]、激光雷达[3]、超声波检测[4]等方法有着更高的可靠性和更广泛的认可程度。关于磁激励方式，早期漏磁检测用的直流或交变激励的磁化方法[5]，但由于体积和质量等原因已经被淘汰，当今永磁铁磁化方法被较多使用[6]。关于信号获取方法，感应线圈的输出受检测速度的影响[7]，不利于后续信号的处理；磁通门传感器灵敏度高但需要采用交流激励，使用不方便[8]且使用场景有限；霍尔元件作为当前使用最为广泛的磁敏原件，其输出的信号理论上不受钢丝绳运动速度的影响[9]，且可保证探头的整体体积小、无温度漂移、无零点漂移、无需开机校准。

国内对钢丝绳无损检测的研究大约始于1960年。20世纪80年代杨叔子团队基于漏磁通法成功研制了一台针对钢丝绳断丝故障的定性检测设备，而后又研制出MTC-94钢丝绳局部断丝的定量检测系统；20世纪90年代，采用磁通门传感法和超声波发射法等研究都取得一定的成果，被应用在各自特殊的场景里[10，11]。

由于需要在简易升降机正常工作时对其钢丝绳进行实时监测，如发现钢丝绳有损伤需即时判别且将结果传输至CPU1215进行汇总处理，进而发出蜂鸣声或强闪光等警告，必要时可控制简易升降机的运行，避免其带故障作业。传统的停机检查不可行，不实时且影响简易升降机正常工作；将原始信号长距离传输至上位机处理的方法则因为线路较长导致模拟信号衰减且混入噪声信号，不利于后续信号的处理。因此，设计一套可以本地处理，只传输判别结果的简易升降机用钢丝绳缺陷在线监测系统非常有必要。

1 系统方案

基于上述背景及需求，设计了一套基于ARM开发的钢丝绳缺陷在线监测系统，主要包括钢丝绳漏磁检测探头、AD623放大电路、基于ARM的信号采集处理下位机3部分。

该系统工作的流程为：钢丝绳漏磁检测探头获取钢丝绳状态的模拟量信号，传输给AD623放大电路进行约600倍的滤波放大，放大后的模拟信号传输给ARM下位机进行模数转换、数字信号大小判别和开关量输出3个过程，其中数字信号大小判别的逻辑需提前通过USB to RS485接口写入ARM下位机，最终将开关量信号送至CPU1215模块进行汇总处理，作为简易升降机状态监测的重要信号组成。总体工作流程如图1所示。

图1 总体工作流程

在线监测系统方案实物接线如图2所示。其中，在布置现场实际线路时，AD623放大电路板和ARM下位机的供电可共用一个12 V输出的电源，以减少随行线缆的布置难度。

图2 方案实物接线

2 钢丝绳漏磁检测探头设计

漏磁检测的原理如图3所示，永磁磁化器周围的闭合磁场将钢丝绳磁化，若钢丝绳存在磨损或者断丝等缺陷将产生漏磁场，位于探头中间的磁敏器件将捕获这一漏磁场信息，将其转换为电压信号，最后对电压信号处理和判别，结果即可作为钢丝绳是否有缺陷存在的检测评判依据。经典的钢丝绳永磁磁化漏磁探头是采用的磁轭式结构[12]，由几组磁轭组件固结而成，且组件相对独立，并通过衔铁和磁敏元件组成一个整体，但这种结构需要采用大体积大质量的永磁体，不适合安装在简易升降机15 mm钢丝绳的吊钩上。因此，本监测系统采用小体积小质量的穿过式永磁磁化器探头，衔铁材料选用导磁性极强的坡莫合金，磁敏元件选用无需外加激励的霍尔元件。最终设计制造得到的钢丝绳漏磁检测探头如图4所示，探头安装在钢丝绳吊钩上的方式如图5所示。

图3 永磁激励漏磁检测原理图

图4 钢丝绳探头实物图

图5 探头安装方式

3 放大电路的设计

由于漏磁检测探头输出的电压信号为毫伏级别，而后续的ARM下位机的模拟量采集范围为0～10 V，采集的分辨率为0.01 V，故需要设计一个放大倍数为数百倍的放大电路板。利用Multisim电路仿真软件，确定一级放大倍数为20，二级放大倍数为30，总计放大20×30=600倍，此时放大后的信号信噪比高。放大板的原理如图6所示。

图6 放大板原理

该模块基于经典的三运放进行改进设计，具有低功耗、低噪声干扰和低输入偏置电流等特性，且可实现轨至轨的运放，其中增益电阻R1和R2的值设定为24.7 kΩ的绝对值，采用可变电阻即可实现对微弱电压的精确增益，当G=100时，精度接近0.15%。增益公式为

4 数据处理下位机设计

与传统的将数字信号送至上位机进行判别的方式不同，在此下位机中不仅要进行AD转换，还要进行数据大小的判别，故对核心微处理器的选型非常关键，其需具有响应速度快，处理精度高等特点。传统的51 Core单片机系列虽然兼容良好应用广泛，但是一般不具备自编程能力，且地址空间只有64 kb，片上存储器ROM只有2 ～64 kb，RAM仅为128 byte～1 kb。相比较而言，ARM Core的STM32等系列地址空间有4 Gb，片上存储器ROM有20 kb～1 Mb，RAM有8 ～256 kb。此外，51 Core单片机绝大部分的架构为冯诺依曼结构，而STM为哈佛结构，数据处理的速度更快，精度更高。

综合实际需求和成本等多方面考虑，最终选定以ARM为核心进行下位机设计，并选用KSN-1210电源，可将家用220 V电转换为12 V、1 A的稳定电源，保证下机的精确运行。此外，预留一个RS485通讯接口，可根据预设的信号基准值重新写入判别逻辑，使下位机具有一定通用性。

通过RS485网络接口写入ARM下位机的判别逻辑如图7所示，汉字界面令编写更简单。以图7中的判别逻辑为例，将放大后的信号基准值定为500，由于模块的模拟量采集分辨率为0.01 V，所以代表 5 V，当信号偏移至800以上或200以下时，即偏移值大于30%会闭合第一路输出继电器；当在（200，800）区间时，第一路保持原来状态不变。除此之外，预留了备用的第二路输出继电器，可用作信号存储输出口等。

图7 判别逻辑程序

5 试验及结果

为了验证该监测系统整体性能，搭建了如图8所示的实验台，由于钢丝绳柔性不佳，在实验室难以使用电葫芦带动其运动，故采用钢丝绳绷直并保持静止，手推探头沿着钢丝绳前进，来模拟这二者的运动关系，并不用考虑二者的相对运动速度，因磁敏霍尔元件的输出不受运速度的影响。以简易升降机用的φ15 mm 6股交互捻钢丝绳为实验对象，在此钢丝绳上人为制造3处缺陷，包括缺陷1表面1根断丝、缺陷2表面3根断丝和缺陷3表面4 mm磨损缺口，并将探头往复推动10次每种类型各检测20次，最后通过上位机CPU1215读取第一路继电器的输出，检测结果如图9示。

图8 钢丝绳实验台

图9 不同缺陷类型的检测准确度

由图9可知，钢丝绳表面1根断丝的检测准确度为85%、表面3根断丝检测的准确度为100%、表面4 mm磨损缺口检测的准确度为95%，综合检测准确度高达93.33%。其中断丝1根的缺陷类型下的检测准确度相对较低，分析可能是磁敏原件距缺陷位置在圆周上超过了180°，导致霍尔磁敏元件的输出电压值没有到达提前所设置的阈值，没有引起第一路继电器的通断变化。

6 结论

1)通过分析简易升降机钢丝绳在线监测的需求，确定了钢丝绳缺陷监测探头需安装在货箱吊钩上随货箱一起运行，基于这一特点，采用弱磁永磁体作为励磁元件，以减少随行线缆的数量和探头的质量；此外，在实际工作时，钢丝绳相对于探头的运动速度并非匀速，有加减速的过程，故采用霍尔磁敏元件作为信号转换输出元件，最后完成了钢丝绳探头的样品制作。

2)基于经典的三运放大电路进行改进设计，设计了一款可调倍数的放大电路板，他有着低功耗、低噪声等特性；并确定了2级放大的相应倍数，为后续输出处理做准备。

3)基于ARM进行开发，设计了一款集AD转换、数值判别和开关量输出为一体的下位机。其中，模拟量的采集精度高达0.01 V，有助于提高检测精确度；数值判别的基准值和上下阈值都可通过USB to RS485接口写入，使得模块具有通用性和适用性；开关量输出是通过第一路继电器实现，结果比波形图输出更加直接。

4)在实验室搭建了模拟实验的平台，以钢丝绳不动，探头沿着钢丝绳来回移动模拟实际与运动情况，在φ15 mm 6股交互捻钢丝绳上人为造成3种最为常见的缺陷故障，测得总体检测准确度为93.3%，满足投入应用的标准。