定量檢測細長導磁構件缺陷的裝置和方法
2023-04-29 14:58:26 2
專利名稱：定量檢測細長導磁構件缺陷的裝置和方法
技術領域：
本發明屬於定量檢測細長導磁構件缺陷的裝置和方法。可用於對鋼絲繩、鋼管、鋼棒等導磁構件進行無損定量檢測。
現有技術中對鋼絲繩、棒、管以及類似導磁細長構件中缺陷的確定和檢測，通常是採用人工目視檢查方法和電磁無損檢測方法，但檢測結果的確定，絕大部分依靠訓練有素的操作人員的經驗，因此人為因素的影響大，且檢測的準確性和可靠性差。這樣，一方面因潛在的缺陷而造成設備損傷和人員傷亡的事故時有發生;另一方面，為確保安全，將仍可使用的構件提早報廢而形成巨大的浪費。例如，拿鋼絲繩使用來講，據加拿大對8000多個鋼絲繩實驗室及現場測試記錄的統計分析結果表明[Wire.J.V.18，No.9，1985]大約70%被換下來的鋼絲繩僅有很小甚至沒有強度損耗。
在鋼絲繩中，有兩種類型的缺陷，一種是局部缺陷，比如內、外部斷絲、鏽蝕、局部畸變等;另一種是分布型缺陷，例如由於摩損、鏽蝕引起的金屬截面積的減小。這兩種缺陷均產生鋼絲繩金屬截面積的損耗，從而影響繩的強度。
在現有技術中，檢測分布型缺陷的主要方法是主磁通法，通過檢測包括被檢測構件段在內的主磁路中磁通量的變化，獲得被檢物體中金屬截面積變化的信息。美國專利No.4096437給出了這一方法的一個實例。由於主磁通法檢測的是被檢測物體段中金屬截面積的平均量，且當其具有一定的變化量時才能獲得明顯的檢測信號，因此，小的缺陷，如鋼絲繩單根斷絲或集中斷絲以及其它局部缺陷將不能檢測。
局部缺陷主要採用漏磁檢測法。用直流磁源沿軸向磁化物體被檢查段，採用磁檢測元件測量如鋼絲繩中由於斷絲、畸變等引起的擴散漏磁場，從而獲得反映局部缺陷狀況的信號。在這裡，漏磁場的測量通常採用感應線圈和霍爾磁敏感元件。漏磁檢測法的優點在於，小的內部、外部缺陷均能獲得較高信噪比的檢測信號，檢測信號對缺陷的定量分辨力高，其實現的關鍵在於漏磁場的準確測量。採用感應線圈檢測鋼絲繩表面漏磁場的方法和例子，在美國專利No.4538107;No.4659991和No.4495465中都已有過報導。由於感應線圈輸出的感應電勢隨線圈相對於被檢測物體運動速度變化，為了獲得一致的檢測信號，必須將速度計與信號預處理電路增益相聯繫，控制信號增益調節，這樣，增加了設備的複雜性和重量。但是，在檢測過程中必須保證較恆定的相對運動速度，且一般不應小於0.3米/秒，從而加大了現場使用的難度。就鋼絲繩的檢測來說，由於鋼絲繩的複雜結構，感應線圈輸出信號中噪聲很大，使局部缺陷檢測信號與幹擾的區別不甚明顯，噪聲幹擾不能採用濾波的方法消除，因此，線圈檢測漏磁場時要求局部磁場具有足夠的強度，亦即局部缺陷尺寸要較大。
採有磁敏感元件(如霍爾元件)檢測漏磁具有不受速度影響的特點。類似的現有技術在美國專利No.4096437和中國專利No.85100207、No.88203068中給出。但由於單片霍爾元件沿被測構件周向所能覆蓋的檢測範圍有限，仍以鋼絲繩為例，為了檢測鋼絲繩周向不同位置出現的斷絲等缺陷，採用了在鋼絲繩同一截面上沿繩周向布置多片檢測元件的方法，且將每一元件輸出採用獨立通道輸出。根據鋼絲繩的結構，繩中局部缺陷漏磁場將迭加在繩股間漏磁場之上，隨著鋼絲繩結構及尺寸的變化，繩股間漏磁場的峰-峰值和分布特性也將隨之變化，同時斷絲等局部缺陷引起的擴散漏磁場峰-峰值及分布也作相應變化，很明顯，在單個元件的輸出信號中將同樣反映出上述現象，且股間漏磁場將給檢測信號帶來很強的背景噪聲，從而使得缺陷漏磁檢測信號的信噪比較小，當缺陷在鋼絲繩內部時，由於外洩的漏磁微弱，在單元件檢測信號中將無明顯反映，這樣，使得檢測信號的定量解釋障礙重重。另一方面，當鋼絲繩的直徑較細時，例如Φ20(6×19)毫米鋼絲繩，單絲直徑僅有0.5毫米，斷絲產生的漏磁場強度甚弱，相反，由於繩股間空氣隙形狀更加尖銳，漏磁反而增加，於是缺陷檢測信號在單元件檢測信號輸出中的信噪比更小，從而在信號解釋過程中不能識別;當鋼絲繩直徑較大時，例如Φ90(6×19)毫米鋼絲繩，將需要可觀數目的檢測元件，這樣，後續的信號記錄處理裝置將龐大而複雜，其裝置成本也會急劇增大。為了減小因鋼絲繩結構造成檢測信號信噪比小的影響，可採用將周向布置的多片元件檢測信號相互疊加成一路輸出的方法[日本礦業會誌，1978年Vo.94P.157～161]，要求元件數目為質數並儘可能地大，這樣可以相互抵消股間漏磁信號。然而，由於各元件的性能參數不一致，以及檢測過程中鋼絲繩在檢測環中沿徑向的晃動、擺動、振動，使得檢測信號中附帶上隨機的噪聲，信噪比也未能達到最佳。
此外，現有技術的檢測裝置或儀器，在檢測信號記錄上，採用的筆式記錄儀或磁帶記錄器，將較長的鋼絲繩檢測信號壓縮記錄於有限的紙/磁帶上，這樣，在記錄信號中，對沿鋼絲繩軸向相鄰較近的斷絲缺口不能夠分辨，一般對於相距大於2英吋的缺口才能分辨，且只能由操作人員根據記錄信號幅度變化程度來初步估計斷絲等缺陷的程度，因此，只能實現缺陷的定性檢測。由於鋼絲繩尺寸的變化，儀器的調整、定標繁鎖複雜。
綜上所述，現有技術的檢測設備的主要問題是，體積龐大笨重，檢測信號對缺陷的分辨力低，檢測信號中混雜著大量的由於構件結構及現場幹擾造成的噪聲，且檢測儀器記錄的信號需要檢查人員的高超技巧去解釋，從而限制了這些儀器的使用。
本發明的目的是針對現有技術中的不足，採用漏磁無損檢測方法提出一種檢測細長導磁構件中缺陷的裝置，該裝置可改進現有技術中漏磁檢測方法裝置中需要在被檢測物體周向布置多片磁敏感元件的缺點，僅採用單片或少數幾片霍爾元件就可以獲得高信噪比、高分辨力、高穩定性的檢測信號，作為定量分析的依據。同時，本發明還對採用本發明所說的改進技術中應滿足的檢測、分析要求的檢測信號採樣、記錄方法進行了限定。
本發明所說的定量檢測細長導磁構件缺陷的裝置，其整個系統由磁化器2、漏磁檢測器3、位移測量與編碼器4、信號預處理器5、模/數轉換器6、計算機輔助分析系統7、顯示器8和印表機9構成。本發明的要點在於，所說的漏磁檢測器3是由一對或一對以上的聚磁環10、10'和一個或一個以上安置在磁化器2兩極靴12、12'的正中的磁敏感元件11構成;聚磁環10、10'由高導磁材料製成，一個或一個以上的聚磁環10、10'形成環形，沿被檢測構件1周向包圍在其外圍，每一聚磁環10、10'的延伸弧長為θ，一對或一對以上的聚磁環10、10'共同合成一組圓形檢測環;每個聚磁環10、10'的一側有一凸臺13，使用時，聚磁環10、10'兩兩沿被檢測構件1軸向順序排列，兩聚磁環10、10'有凸臺13的側面相對，且凸臺13正對，檢測用的磁敏感元件11安置在每兩個凸臺13的中間，磁敏感元件11的感應面平行於並緊貼於凸於13側面，與被檢測構件1軸線垂直。在本發明所說的漏磁檢測器3中一個或一個以上的磁敏感元件11上檢測到的信號經過信號預處理器5，相加、放大、濾波處理後，輸入到模/數轉換器6。
滿足本發明所說的改進技術中檢測、分析要求的檢測信號採樣、記錄方法為，位移測量與編碼器4固定聯結於漏磁檢測器3和磁化器2上，用以測量被檢測構件1在漏磁檢測器3和磁化器2中的相對移動的位置，並對位移測量信號進行編碼，每隔一定的空間間隔發出一個觸發脈衝，計算機輔助分析系統7接受這些脈衝，通過計算得到各缺陷相對於檢測起點的位置，模/數轉換器6接受這一脈衝後進行一次信號採樣，然後將信號輸出到計算機輔助分析系統中，這樣無論被檢測構件1相對運動速度如何變化，計算機輔助分析系統7根據記錄的檢測信號均能在顯示器和印表機上準確地反映出缺陷漏磁的實際情況，利用本方法，通過調節位移測量與編碼器4的編碼，對於不同規格盡寸和結構的被檢測構件採用不同的等空間採樣間隔，從而確保記錄的數位訊號沿被檢測構件軸向對不同位置缺陷的分辨能力。為了獲得準確的定量檢測結果，本發明要求等空間間隔採樣的間隔不大於被檢測構件(例如鋼絲繩)中單根鋼絲最小直徑的一半。
本發明的優點在於，首先，採用聚磁環後，可將被檢測構件周向不同位置缺陷產生的擴散漏磁場通過聚磁環收集後集中列凸臺中，使磁通穿過磁敏感元件而被檢測到，從而增強了缺陷漏磁檢測信號的強度。第二，由於被檢測構件的磨損、鏽蝕和鋼絲繩內部斷絲等缺陷產生的漏磁場很微弱，當採用現有技術(如中國專利No.88203068，No.85100207)時，相鄰繩股間的空氣隙中產生的漏磁場將疊加在缺陷產生的漏磁場上，而可能使得因缺陷產生的微弱漏磁場信號不能明顯地被分辨，採用聚磁環後，可消除鋼絲繩繩股間漏磁場所造成的背景噪聲，使上述沿周向的缺陷微弱漏磁場集中，提高磁敏感元件檢測信號的信噪比，使檢測信號中的上述缺陷明顯地表現出來。第三，採用聚磁環後，可極大地減少磁敏感元件的數目，減化後續信號分析處理裝置結構，對於大直徑的被檢測構件，也可只用很少的磁敏感元件實現周向上無漏檢的檢測，從而降低了裝置的成本和重量。此外，採用等空間間隔採樣方法採集並記錄漏磁檢測信號，確保記錄信號的一致性和穩定性，通過選擇不同的空間間隔，提高了各種規格結構被檢測構件缺陷檢測信號的軸向分辨力，通過計算機輔助信號分析系統，實現被檢測構件局部缺陷，包括內、外部斷絲、斷裂、磨損、鏽蝕等的準確定量識別和評估。本發明所說的技術使得本發明檢測裝置能夠方便地應用到工業現場各種細長導磁構件缺陷的定量而不是定性檢測中去。
附
圖1.本發明所述的裝置總體構成原理示意圖;
附圖2.聚磁環相對被檢測構件安置位置示意圖;
(a).聚磁環的安置示意圖;
(b).附圖2.(a)的俯視圖;
(c).附圖2.(a)的左視圖;
(d).四對聚磁環的安置示意圖;
附圖3.被檢測構件(鋼絲繩)缺陷及其漏磁場;
附圖4.鋼絲繩磨損和鏽蝕檢測信號波形;
附圖5.鋼絲繩外部斷絲檢測信號波形;
附圖6.鋼絲繩內部斷絲檢測信號波形;
附圖7.鋼絲繩斷絲定量識別輸出結果。
以下以鋼絲繩為被檢測構件為例，結合本發明所述的技術和附圖進一步說明本發明的構成、工作原理與效果。
在附圖2(a)中給出的是採用兩對聚磁環10、10'的結構，(圖中只畫出一對聚磁環)。每兩個聚磁環10、10'沿被檢測構件1軸向順次排列，形成兩對檢測環，每兩個聚磁環10、10'的凸臺13相對，磁敏感元件11(霍爾元件)安置在兩凸13的中間，鋼絲繩1'中缺陷如磨損14、鏽蝕15、內部斷絲16、外部斷絲17產生的外洩漏磁場18、19、20、21通過聚磁環10收集後聚磁到凸臺13中，這一磁通穿過霍爾元件到達聚磁環10'中，從而在鋼絲繩1'表面形成一個磁阻很小的磁場通路，霍爾元件檢測到了在鋼絲繩某一截面附近，在其周向一定區域中漏磁場的綜合值。
聚磁環10、10'沿鋼絲繩1'軸向有一長度1，該長度1可覆蓋鋼絲繩1'的一段，從而可彌補和消除鋼絲繩1'本身結構繩股22間空氣隙中所產生的漏磁場23信號給檢測帶來的幹擾。
附圖4中給出了鋼絲繩1'模擬磨損14和鏽蝕15缺陷檢測信號波形曲線。磨損量為單根鋼絲直徑的三分之一的檢測信號24和用硫酸腐蝕後的鋼絲繩段檢測信號25均具有顯著的信號特徵。
附圖5中給出了鋼絲繩1'外部斷絲缺陷檢測信號波形曲線。在檢測信號曲線中，外部一根弧立斷絲信號26、27、31、32、33和同一截面上不同周向位置上分布的多根斷絲信號28、29、30檢測信號的信噪比明顯加強，而繩股間22漏磁場23的影響減弱。
附圖6中給出了鋼絲繩1'內部斷絲16缺陷檢測信號波形曲線。鋼絲繩1'內部一根斷絲38、二根斷絲34、三根斷絲35、四根斷絲36、五根斷絲37對應的信號具有明顯的信號特徵。
附圖7提供了本發明方法和裝置檢測鋼絲繩內、外部斷絲的定量結果，其中L為缺陷相對起點的位置，N為該位置的斷絲根數，SUM是斷絲累計和。檢測結果與實際情況相比，準確定量判別精度＞80%，當允許±1根誤差時，＞95%，位置誤差±30毫米。
權利要求
1.一種定量檢測細長導磁構件缺陷的裝置，由磁化器、漏磁檢測器、位移測量與編碼器、信號預處理器、模/數轉換器、計算機輔助分析系統、顯示器和印表機構成，其特徵在於，所說的漏磁檢測器由一對或一對以上的聚磁環組成，在聚磁環之間安置有一個或一個以上的磁敏感元件，聚磁環安置在磁化器兩極的正中。
2.按照權利要求1所說的裝置，其特徵在於，在每個聚磁環的一側有一個凸臺，聚磁環兩兩沿被檢測構件軸向順序排列，兩聚磁環有凸臺的側面相對，磁敏感元件安置在每兩個凸臺之間。
3.按照權利要求2所說的裝置，其特徵在於，磁敏感元件的感應面平行於凸臺並貼緊凸臺，與被檢測構件垂直安置。
4.按照權利要求3所說的裝置，其特徵在於，所說的聚磁環採用高導磁材料製成。
5.按照權利要求4所說的裝置，其特徵在於，所說的位移測量與編碼器固定聯結於漏磁檢測器和磁化器上。
6.一種定量檢測細長導磁構件缺陷的方法，要用到磁化器、漏磁檢測器、位移測量與編碼器、信號預理器、模/數轉換器、計算機輔助分析系統，顯示器和印表機等裝置，其特徵在於，位移測量與編碼器固定聯結於漏磁檢測器和磁化器上，位移測量與編碼器對位置移動信號進行編碼，每隔一定的空間間隔發出一個觸發脈衝輸入到計算機輔助分析系統和模/數轉換器;計算機輔助系統接受這些脈衝信號，通過計算得到各缺陷相對檢測起點位置，模/數轉換器接受這些脈衝信號後進行信號等空間間隔採樣，然後將信號輸入到計算機輔助分析系統中;計算機輔助分析系統根據記錄的檢測信號，在顯示器和印表機上定量反映出缺陷的實際情況。
7.根據權利要求6所說的方法，其特徵在於，所說的模/數轉換器由位移測量與編碼器輸出的脈衝控制、進行信號等空間間隔採樣的間隔應小於被檢測鋼絲繩構件中單根鋼絲最小直徑的一半。
全文摘要
本發明是一種定量檢測細長導磁構件缺陷的裝置和方法。由磁化器、漏磁檢測器、位移測量與編碼器、信號預處理器、模/數轉換器、計算機輔助分析系統等組成。漏磁檢測器由一對或一對以上的聚磁環和一個或一個以上的磁敏感元件組成。安置在磁化器極靴的中間，聚磁環上有凸臺。位移測量與編碼器與磁化器和漏磁檢測器固聯在一起，每隔一定空間間隔向模/數轉換器和計算機輔助分析系統發出一個觸發脈衝，由計算機記錄檢測信號輸出缺陷的實際情況。
文檔編號G01N27/82GK1089033SQ9211527
公開日1994年7月6日 申請日期1992年12月30日 優先權日1992年12月30日
發明者康宜華, 楊克衝, 黃銳, 盧文祥, 楊叔子 申請人:華中理工大學