文章编号：１００１－９９４４（２０１２）０７—００４６—０４
钢丝绳在线智能检测系统的设计与实现
钟小勇．张小红
（江西理工大学理学院，赣州３４１０００）
摘要：钢丝绳的完好程度直接关系到人身和设备安全。针对目前钢丝绳检测中自动化程度 低及安全性评估较为薄弱的状况．采用霍尔元件阵列检测钢丝绳表面漏磁场，以数字信号 处理器ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２为控制核心．设计并实现了钢丝绳在线智能检测系统。试验及应用表 明：该系统性能稳定可靠，适应较为恶劣的现场检测环境，能够在线自动识别钢丝绳缺陷， 并对钢丝绳状况做出定量评估。 关键词：钢丝绳；检测；缺陷；漏磁场；数字信号处理器 中图分类号：ＴＰ２７４ 文献标志码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｎｌｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｗｉｒｅ
Ｒｏｐｅ
ｚＨ０ＮＧ Ｘｉａｏ．ｙｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｈｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｊｉａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇａｎｚｈｏｕ ３４１０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ ｒｏｐｅ ｈａｓ ｄｉｒｅｃｔ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｐｅｏｐｌｅ’Ｓ ｌｉｖｅｓ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｅｗ ０ｆ ｔｈｅ ｌＯＷ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｗｅａｋ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｅｘｉｓｔｅｄ ｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ ｒｏｐｅｓ，ａ ｏｎｌｉｎｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ ｒｏｐｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔａｋｅｓ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ｗｉｔｈ Ｈａｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｒｒａｙ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｌｅａｋａｇｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｒｏｕｎｄ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ ｒｏｐｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｓｔａｂｌｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈａｒｓｈ ｆｉｅｌｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｉｔ ｃａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ｗｉｒｅ ｒｏｐｅ ｏｎｌｉｎｅ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｅ ｗｉｒｅ ｒｏｐｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ ｒｏｐｅ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｆａｕｌｔ；ｌｅａｋａｇｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ；ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ
钢丝绳作为承载的重要部件，广泛应用于提
升、起重和牵引系统之中。设备运行时，钢丝绳会不 断受到磨擦、反复缠绕等机械运动，以及锈蚀等环 境因素影响，产生各种缺陷ｌ１１，从而导致其承载能力
降低。一旦发生断裂，后果将是严重的。因此，对钢 丝绳进行监测十分必要ｌ】－２］。目前，多数企业依然采
用人工手摸目测的检测方法，钢丝绳检测及安全性 评估较为薄弱。虽然钢丝绳缺陷检测与分析技术取
得了一定的进展，现有的检测手段仍然存在效率低、 自动化水平不高等问题［２－３１。 本文在深入研究钢丝绳无损检测技术及实验的 基础上．结合嵌入式系统及智能化信息处理等技术，
设计了以数字信号处理器ＴＭＳ３２０Ｆ２８ｌ２为核心的
钢丝绳在线智能检测系统。经港口、矿山等一些部门
收稿日期：２０１２一Ｏ１—３１：修订日期：２０１２－０２—０７ 基金项目：国家自然科学基金项目（１１０６２００２）；江西省自然科学基金项目（２０１０ＧＺＳ００８３） 作者简介：钟小勇（１９６４一），男，教授级高级工程师，研究方向为传感技术、无损检测、嵌入式系统；张小红（１９６６一），女，教 授，研究方向为细胞神经网络、非线性动力学系统理论。
口 Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ２０１２（７）
的使用，取得了较为满意的效果。
１ 检测原理 钢丝绳由多股钢丝螺旋形捻制而成，每股又包
含众多的单根钢丝，是一种铁磁性构件。利用钢丝 绳导磁性能良好的特性．本系统检测原理采用电磁
检测法。如图１所示。当钢丝绳通过传感器时，传感 器中的永磁体将被检钢丝绳段局部磁化至饱和状
态。如果钢丝绳存在缺陷，如裂纹、断丝和磨损等， 由于非铁磁性物质的磁导率远比钢丝绳本身小，缺
陷处磁阻增大，从而使通过该区域的磁场发生畸 变。缺陷附近将产生扩散漏磁场 。缺陷的状况将
在漏磁场的特征参数中有所反映，磁敏感检测元件 搜集钢丝绳周围的漏磁场信息。经过磁电转换后成 为包含缺陷信息的电信号。对此信号进行处理、分
析和反演，即可得到钢丝绳的缺陷情况。
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三芎ｉ薯＝＝＝＝ 暑＝＝ ＇ｃ皇＝＝＝ ＝＝＝：
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图１ 传感器检测原理示惹图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ’Ｓ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
１．１ 检测元件
目前，对漏磁场的检测可采用霍尔元件、感应
线圈、磁通门等元件。与其它检测元件相比，霍尔元 件输出电压与速度无关，体积小，分辨力高。考虑现
场检测时。钢丝绳运行速度难以控制均匀，会产生 晃动，本系统检测元件采用霍尔元件。另外，现场钢
丝绳表面的油垢往往较多，霍尔元件输出信号不受 其影响。单片霍尔元件搜索的范围有限，系统采用 多片霍尔元件均匀布置于钢丝绳的周向组成阵列。
所需检测元件的最少个数Ⅳｍ 仰 Ｖｍｉｎ一－
式中：Ｄ为被检钢丝绳直径；ＡＢ为单个检测元件的
检测范围。 由于检测现场往往存在大量的干扰嘲，选取检
测元件的个数大于Ⅳｍｉ ，以提高信噪比。 对不同的钢丝绳缺陷，霍尔元件输出信号波形
自动化与仪表２０１２（７） 可用下式来描述：
ｇ（ｐ，Ｗ，Ｓ）＝ （ ，Ｚ，ｄ， ｄ， ， ） （２） 式中：Ｐ为检测到缺陷信号的峰值，ｍＶ；Ｗ为缺陷信 号的宽度，ｍｍ；ｓ为缺陷信号的面积； 为缺陷区域 产生的漏磁场分布函数，与缺陷减少量△４、缺陷发
生的长度ｌ、缺陷产生的部位ｄ、缺陷区域内的磁导 率 、钢丝绳的磁导率 和磁化强度 有关。． 为 传感器的性能参数，它与传感器结构有关。 １．２缺陷信号特征量 霍尔元件检测到的钢丝绳缺陷漏磁信号，如图 ２所示。缺陷漏磁信号的峰和两个谷组成一个波动。
该信号经过后续电路处理，用漏磁信号的特征量对 缺陷进行定性和定量判别，得出钢丝绳的完好状况。
０Ｖ ／
八 Ｄ
√
＼ 『＼
图２检测元件输出信号渡形图 Ｆｉｇ．２ Ｏｕｔｐｕｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｇｎａｌ
钢丝绳损伤分析识别特征量的选取主要考虑以 下几方面因素。 ①信号的峰值：由于断丝附近存在信号局部峰 值，这部分信号的绝对峰值常常高于正常钢丝绳的
股波漏磁信号。因此．可根据一个捻距内峰值的大 小粗略判断该捻距内有无断丝及断丝的位置。
－－ｍａｘ｛ｙ（ｋ）｝，ｋ＝ｌ，２，…，ｎ （３） ②信号的峰峰值：局部异常信号的波峰与波谷
间幅值之差的绝对值即为信号的峰峰值。该因素消 除信号轴线所产生的影响，可粗略判断钢丝绳断丝 的根数。
：Ｉｍａｘ｛ｙ（ｋ）｝－ｒａｉｎ｛ｙ（ｋ））ｌ （４） ③波宽：为了更好地描述缺陷信号的状态以及
钢丝绳损伤的程度，除考虑幅度方面的因素外。还应 考虑空间分布情况。波宽是衡量损伤宽度的主要指
标，同一位置不同的断丝根数会引起波宽的不一致。
定义阈值电压 处的波宽为
＝ ㈩Ｊ＇ｃ ｋ ｛ （５）
④波形下面积：定义为一个波动内信号的面积。
它与波动信号的均值有关，且综合了信号幅度和宽 度两方面的因素。在定量识别中用来表征缺陷的幅
度和深度。
５ ∑Ｊｒ（ｋ）一ｍｉｎ｛ｙ（ｋ）１］ （６） ｋ＝ｌ 为了提高效率，使用信号的峰值、峰峰值等特 征量对信号做出初步的定性判断，然后再进行较复
杂的定量分析。
２系统硬件电路设计
系统硬件框图如图３所示。
图３系统硬件框图 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ
传感器中检测元件输出的信号经信号调理后进
行ＭＤ转换。考滤到钢丝绳有直径粗细各种型号，其
缺陷信号动态范围非常宽，ＭＤ转换器采用高精度 的外接芯片。 Ｄ转换后的数字信号送至 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２，按一定的算法进行在线智能分析、处
理。当检测到缺陷时，系统实时显示并呜叫报警。系 统通过多路选择电路对传感器检测阵列中的多路检
测元件进行依次循环检测。薄膜键盘用于输入参数 和命令；而存储器用于存储输入的参数，缺陷判断依
据算法及各种数据。以ＤＳＰ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２为核心的 在线智能处理系统既可独立工作。又可通过接口，向
上位机传送数据，实现存档、历史数据查询等功能。 ２．１信号调理电路
信号调理电路包括阻容耦合、信号放大和用于 抑制高频干扰的二阶巴特沃斯低通滤波器，如图４ 所示。电路采用ＴＩ公司生产的低电压、低功耗、轨至
轨输出四运算放大器ＴＬＶ２２５４，适合电池供电的场 合及现场探伤。霍尔检测元件ＵＧＮ３５１５工作电压
口 范围４．５ Ｖ一６ Ｖ，对应外界磁场为０时的静态输出电 压为２．５ Ｖ左右。为了消除各霍尔元件静态输出电
压不一致带来的测量误差．将其输出经阻容ＲＣ耦 合到放大器输入端。
图４信号调理电路 Ｆｉｇ．４ Ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ２．２ Ａ／Ｄ转换电路设计 如前所述，缺陷信号动态范围很宽，且需在线处 理数据，系统采用ＡＤ公司生产的ＡＤ７６６３。ＡＤ７６６３
是一个采用ＣＭＯＳ工艺、１６位、２５０ＫＳＰＳ逐次逼近型
的模数转换器，＋５ Ｖ直流电压供电，功耗为３５ ｍＷ。 它提供串行输出和并行输出两种接口方式，本设计
选用１６位并行输出方式。Ａ，Ｄ转换电路如图５所示。
＋ＪＬ 工 ＡＶＤＤ ０ＶＤＤ Ｙ 。兀０ＬＬＦＴｌ ０ＩｌＦ ＣＮＶｓＴ ’ ＶＤＤ ＸＦ ｌＯＱｎ 寺 ＡＧＮＤ ＢＵＳＹ ＸＩＮ１ —— Ｌ 工 ＤＶＤＤ 陬 ＺＣＸＡ１
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０Ｂ，２Ｃ ＩＮＧＮＤ ＰＤ ＩＮＢ ＲＥＳＥＴ ＩＮＤ ＢＹＴＥＳＷＡＰ
图５ Ａ，Ｄ转换电路 Ｆｉｇ．５ ＮＤ ｃｏｎｖｅｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ
系统选用高精度基准电源ＡＤ７８０为ＡＤ７６６３ 提供２．５ Ｖ模拟电压基准。ＡＤ７６６３的输入阻抗为
３．４１ ｋＱ，输出的信号直接输入ＡＤ７６６３进行Ａ／Ｄ转 换，会产生较大的增益误差。因此，必须用阻抗较低
的信号源来驱动ＡＤ７６６３的模拟量输入端。这里选 用了信号驱动放大器ＡＤ８０２１，用于对输入的信号
进行缓冲、隔离。为兼容不同器件的电平标准， ＡＤ７６６３还提供３－３ Ｖ的数字电源。
ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２使用ＸＺＣＳ２，ＸＡ１５、ＸＡ１４、ＸＡ１３、 ＸＡ１２译码作为ＡＤ７６６３片选信号，于是ＡＤ７６６３的
Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ２０１２（７）