趙 敏，張東來，周智慧

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，518055廣東深圳)

鋼絲繩被廣泛應(yīng)用于港口、電梯、礦井提升機(jī)中，是設(shè)備的關(guān)鍵部件，被形象地喻為“命根子”，為保證其安全可靠地工作，需要對(duì)鋼絲繩的運(yùn)行狀況作定期檢測(cè)［1］，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也已初步形成［2］.漏磁檢測(cè)法是鋼絲繩無損檢測(cè)中最通用的方法，檢測(cè)傳感器主要有線圈傳感器［3］、霍爾傳感器［4］、磁通門傳感器［5］及巨磁阻傳感器［6］等，磁偶極子模型［7］、數(shù)值分析［8］、有限元方法［9］及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［10］等方法在漏磁場(chǎng)正問題及逆問題中也得到了廣泛的應(yīng)用.由于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法大多采用單霍爾或線圈傳感器，檢測(cè)鋼絲繩的主漏磁通，其輸出為一維信號(hào)，只能解析到缺陷在鋼絲繩上的軸向分布，而不能得到周向分布.引入霍爾陣列傳感器后，增加了周向分辨率及解析度［4］.在檢測(cè)過程中，霍爾的輸出結(jié)果容易受到霍爾傳感器與鋼絲繩之間距離［11］(即為提離距離)的波動(dòng)、不同周向位置的勵(lì)磁不均勻性等因素影響，即使是針對(duì)同一缺陷進(jìn)行檢測(cè)，霍爾傳感器輸出的幅值與相位也不同，此種現(xiàn)象稱之為通道失衡.通道失衡將嚴(yán)重影響檢測(cè)系統(tǒng)的性能及缺陷的定量檢測(cè)［12-14］.在使用“管道豬”對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于其各個(gè)通道提離距離及勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)不一致，通道失衡現(xiàn)象嚴(yán)重.文獻(xiàn)［12-14］中采用自適應(yīng)濾波算法對(duì)“管道豬”的通道失衡進(jìn)行抑制，取得了較好的效果.由于霍爾陣列傳感器的結(jié)構(gòu)與“管道豬”的極為類似，也存在通道失衡問題，但鋼絲繩的表面結(jié)構(gòu)與管道表面結(jié)構(gòu)不同.本文結(jié)合鋼絲繩的螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先對(duì)漏磁信號(hào)進(jìn)行基線估計(jì)，減小漏磁信號(hào)中因提離距離波動(dòng)及勵(lì)磁不均造成輸出的直流低頻分量不均衡，再通過峰谷值檢測(cè)，以某一通道峰谷值為參考，對(duì)各通道的峰谷值歸一化，實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩漏磁信號(hào)的通道均衡化.結(jié)果表明，均衡化后的漏磁圖像具有很好的缺陷檢測(cè)率.

1 鋼絲繩漏磁檢測(cè)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈傳感器的輸出為一維信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)缺陷的軸向定位及斷絲的初步預(yù)估，基于霍爾陣列傳感器的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)缺陷軸向、周向定位，且其輸出結(jié)果不受繩速影響，較感應(yīng)線圈傳感器有更好的性能.鋼絲繩漏磁檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 鋼絲繩漏磁檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采用永磁體及由工業(yè)純鐵制成的磁軛形成閉合勵(lì)磁磁路，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的飽和勵(lì)磁.當(dāng)鋼絲繩每相對(duì)運(yùn)動(dòng)0.65 mm時(shí)，編碼器發(fā)出一個(gè)同步脈沖給采集單元，數(shù)據(jù)采集單元采集30個(gè)霍爾通道的數(shù)據(jù)，隨著鋼絲繩穿過勵(lì)磁機(jī)構(gòu)，完成對(duì)整根鋼絲繩漏磁數(shù)據(jù)的采集.基于霍爾陣列傳感器的鋼絲繩漏磁檢測(cè)系統(tǒng)主要有以下3個(gè)部分組成:1)永磁勵(lì)磁裝置，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩軸向飽和勵(lì)磁.鋼絲繩的飽和勵(lì)磁是漏磁場(chǎng)產(chǎn)生的前提，理想勵(lì)磁方式為完全徑向勵(lì)磁，此方式勵(lì)磁的磁源利用率高，且周向均勻度好.在實(shí)際應(yīng)用中，多采用多回路勵(lì)磁方式以提高勵(lì)磁均勻度，圖2所示為八回路勵(lì)磁結(jié)構(gòu).2)霍爾陣列傳感器，用于鋼絲繩附近漏磁檢測(cè)，安裝在勵(lì)磁裝置的中間對(duì)稱位置，其實(shí)物圖如圖3所示.3)漏磁數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩缺陷漏磁信號(hào)的等間隔采樣及數(shù)據(jù)的在線分析，采集的霍爾陣列傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過如圖4所示的平面展開，形成缺陷漏磁圖像.數(shù)據(jù)采集過程中，當(dāng)鋼絲繩與勵(lì)磁裝置之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電編碼器將產(chǎn)生一系列的等間距脈沖，觸發(fā)控制單元對(duì)霍爾陣列傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過在線分析處理，實(shí)現(xiàn)缺陷的定位及定量.

圖2 勵(lì)磁裝置實(shí)物圖

圖3 霍爾陣列傳感器的實(shí)物圖

圖4 檢測(cè)數(shù)據(jù)展開示意圖

2 漏磁信號(hào)的通道均衡化算法

在檢測(cè)過程中，一方面由于勵(lì)磁裝置的銅套直徑略大于鋼絲繩直徑，霍爾陣列傳感器中的各個(gè)霍爾元件將有不同的提離值，另外一方面，勵(lì)磁裝置為多回路永磁體拼接組成，鋼絲繩的周向勵(lì)磁強(qiáng)度失衡，導(dǎo)致霍爾陣列傳感器的各不同通道輸出有不同的直流偏置及不同的交流幅值.

如圖5所示，本文的通道均衡方法主要步驟如下:1)基線消除.因提離距離及勵(lì)磁不均等因素造成的輸出直流低頻波動(dòng)為漏磁信號(hào)的基線，采用分段平均法，消除漏磁信號(hào)中的基線，分段數(shù)據(jù)的數(shù)目為一個(gè)股波周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)數(shù)目;2)峰谷值提取.查找因鋼絲繩的繩股及缺陷形成的漏磁場(chǎng)的交流信號(hào)幅值波動(dòng)范圍;3)峰谷值歸一化.以某一通道的峰谷波動(dòng)平均值為參考，用其他通道與參考通道的比值對(duì)各個(gè)不同的通道的峰谷值波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，將峰谷值的波動(dòng)范圍歸一化.圖6為霍爾陣列傳感器的原始輸出數(shù)據(jù)，由圖可見，30個(gè)霍爾通道數(shù)據(jù)存在較大的相異性，通道失衡嚴(yán)重.圖7為其中某兩路霍爾通道的輸出，可以看出其信號(hào)的直流偏置及峰峰值波動(dòng)都存在一定的差距.

圖5 通道均衡化流程圖

圖6 霍爾陣列傳感器的原始輸出

圖7 兩個(gè)不同通道霍爾的輸出

2.1 漏磁信號(hào)的基線消除

霍爾陣列傳感器中采用的霍爾元件型號(hào)為A1321，在零磁場(chǎng)時(shí)，其直流偏置輸出為Vs/2，Vs為霍爾元件供電電壓.假設(shè)單個(gè)霍爾元件的輸出為y(t)，則有

式中:μ為霍爾系數(shù)，Hd(t)為在當(dāng)前提離值下的勵(lì)磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，Ha(t)為缺陷及鋼絲繩繩股的漏磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng).提離距離的波動(dòng)將造成勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)的波動(dòng)，漏磁信號(hào)的基線就是此波動(dòng)影響的結(jié)果.

基線估計(jì)的方法是采用分段平均法，由于鋼絲繩為螺旋對(duì)稱結(jié)構(gòu)，繩股所產(chǎn)生的漏磁信號(hào)類似正弦信號(hào)，在一個(gè)周期內(nèi)的平均值趨近0，因此，分段平均的數(shù)據(jù)數(shù)目n的值由式(2)確定.

式中Ds為鋼絲繩股距，d為等空間采樣間隔.

圖8 漏磁信號(hào)的基線估計(jì)

圖8為基線估計(jì)的結(jié)果，預(yù)估出的基線所表示的是由于背景勵(lì)磁磁場(chǎng)及提離距離波動(dòng)等造成的漏磁信號(hào)波動(dòng).通過式(3)消除漏磁信號(hào)的基線:

式中:S(i)為基線消除后的漏磁信號(hào)，xi為當(dāng)前數(shù)據(jù)，N為采集數(shù)據(jù)總數(shù).

2.2 通道均衡化

經(jīng)過基線消除后，由于提離距離及勵(lì)磁不均等因素影響造成的低頻噪聲得到了很好的抑制，而上述因素對(duì)式(1)中的Ha(t)部分的影響還需要做進(jìn)一步的歸一化.其歸一化的過程是提取漏磁信號(hào)的峰谷值后，以某一通道數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)對(duì)其他通道的峰谷值進(jìn)行歸一化.漏磁信號(hào)的峰谷值提取算法流程如下:

1)設(shè)置查找峰值標(biāo)志位F1，當(dāng)其為1時(shí)，在檢測(cè)數(shù)據(jù)中查找峰值，為0時(shí)，在檢測(cè)數(shù)據(jù)中查找谷值;

2)設(shè)峰值Mx的初始值為-inf，谷值Mn的初始值為inf，峰谷值的閾值為δ;

3)檢測(cè)數(shù)據(jù)的當(dāng)前值為Di，判斷當(dāng)前值Di是否大于峰值Mx，若為真，則令Mx=Di，否則，Mx保持不變;

4)判斷當(dāng)前值Di是否小于谷值Mn，若為真，則令Mn=Di，否則，Mn保持不變;

5)若F1為1，則判斷Di是否小于Mx-δ，若為真，則令Mn=Di，否則，Mn不變，修改F1為0;

6)若F1為0，則判斷Di是否大于Mn+δ，若為真，則令Mx=Di，否則Mx不變，修改F1為1;

7)判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)是否為最后一個(gè)數(shù)據(jù)，若否，則獲取下一個(gè)數(shù)據(jù)，重復(fù)3)～6)，直到完成所有數(shù)據(jù)的檢測(cè)判斷.

圖9為峰谷值檢測(cè)結(jié)果，設(shè)峰谷值的平均值為Vi，以通道1為基準(zhǔn)，可通過式(4)對(duì)(3)式中的S(i)進(jìn)行修正，修正后的數(shù)據(jù)為S'(i)，且

圖9 漏磁信號(hào)的峰谷值檢測(cè)

圖10 通道均衡化后的霍爾通道數(shù)據(jù)

在同一鋼絲繩的軸向及周向不同位置制作7個(gè)缺陷，采集其漏磁數(shù)據(jù)，圖11為采集的原始漏磁圖像數(shù)據(jù)，圖12為通道均衡后的漏磁灰度圖像，圖11中可明顯看到兩條較亮的線條，是因漏磁不均造成的信號(hào)通道失衡痕跡，經(jīng)過通道均衡后，圖像的對(duì)比度及缺陷區(qū)域的清晰度都得到了明顯的提升.標(biāo)準(zhǔn)方差是衡量整體數(shù)據(jù)中個(gè)體間的離散程度，對(duì)于通道均衡前后的漏磁圖像，采用標(biāo)準(zhǔn)方差來衡量均衡化前后漏磁圖像的均衡度.均衡化前的漏磁圖像的標(biāo)準(zhǔn)方差為0.064 7，均衡化后為0.020 8，均衡化后的漏磁圖像的對(duì)比度及缺陷區(qū)域的可見度得到了較大提高.

圖11 通道均衡化前的漏磁灰度圖像

圖12 通道均衡化后的漏磁灰度圖像

分析兩幅漏磁圖像的股波紋理的方向特征，將均衡化前后的兩幅圖像使用Roberts交叉梯度算子f進(jìn)行掩模濾波，

得到的濾波圖像如圖13～14所示.

圖13 通道失衡漏磁圖像的濾波圖像

圖14 通道均衡漏磁圖像的濾波圖像

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析及閾值分割，結(jié)果顯示:經(jīng)過通道均衡化的漏磁圖像，檢出缺陷為7處，與實(shí)際所做缺陷數(shù)相符，而通道失衡的漏磁圖像，僅檢出2處缺陷.經(jīng)過多組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，均衡化的漏磁圖像的缺陷的檢測(cè)準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于通道失衡的漏磁圖像.

3 結(jié)論

1)相對(duì)于傳統(tǒng)的一維漏磁信號(hào)，使用霍爾陣列傳感器捕獲鋼絲繩表面沿周向、軸向漏磁場(chǎng)的三維分布，可以為缺陷的定量檢測(cè)提供更加全面的信息.

2)在漏磁檢測(cè)中，傳感器提離距離波動(dòng)與勵(lì)磁強(qiáng)度不均勻性是導(dǎo)致各個(gè)不同霍爾通道數(shù)據(jù)產(chǎn)生相異性的根本原因，采用有效的方法補(bǔ)償提離距離波動(dòng)及勵(lì)磁不均勻性對(duì)漏磁場(chǎng)的影響，可以有效地提高漏磁信號(hào)的信噪比.

3)本文采用漏磁信號(hào)基線預(yù)估的方式減小由提離距離波動(dòng)及勵(lì)磁不均所造成的低頻及直流噪聲，結(jié)合鋼絲繩漏磁信號(hào)的固有特征，對(duì)不同通道數(shù)據(jù)的峰谷值進(jìn)行歸一化處理，使各霍爾通道實(shí)現(xiàn)了均衡化，提高了缺陷漏磁圖像的對(duì)比度及信噪比.

4)通道失衡的漏磁圖像中，缺陷區(qū)域都淹沒在股波背景噪聲中，而均衡化后的漏磁圖像缺陷區(qū)域清晰，提高了缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確率.

［1］楊叔子，康宜華.鋼絲繩斷絲定量檢測(cè)原理與技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1995:5-10.

［2］武新軍，康宜華，楊叔子.無損檢測(cè)在役鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)的研究［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，1999(2):33-36.

［3］WEISCHEDEL H R.The inspection of wire ropes in service:a critical review［J］.Materials Evaluation，1988，46(5):430-437.

［4］CAO Yinni，ZHANG Donglai，WANG Chao，et al.More accurate localized wire rope testing based on hall sensor array［J］.Materials Evaluation，2006，64(9):907-910.

［5］GU Wei，CHU Jianxin.A transducer made up of fluxgate sensors for testing wire rope defects［J］.IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement，2002，51(1):120-124.

［6］SINGH W S，RAO B P C，VAIDYANATHAN S，et al.Detection of leakage magnetic flux from near-side and far-side defects in carbon steel plates using a giant magneto-resistive sensor［J］.Mea-surement Science and Technology，2008，19(1):1-8.

［7］DUTTA S M，GHORBEL F H，STANLEY R K.Simulation and analysis of 3-D magnetic flux leakage［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2009，45(4):1966-1972.

［8］SNARSKII A A，ZHENIROVSKYY M，MEINERT D，et al.An integral equation for the magnetic flux leakage method［J］.NDT＆E International，2010，43:343-347.

［9］戴光，徒蕓，楊志軍.基于三維有限元?jiǎng)討B(tài)模擬圓柱形表面腐蝕缺陷漏磁場(chǎng)［J］.無損檢測(cè)，2007，29(1):2-5，8.

［10］田志勇，張耀，譚繼文.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋼絲繩斷絲定量檢測(cè)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2006，31(2):245-249.

［11］崔偉，黃松嶺，趙偉.傳感器提離值對(duì)管道漏磁檢測(cè)的影響［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，27(1):21-24.

［12］ZHANG Yong，YE Zhongfu，XU Xu.An adaptive method for channel equalization in MFL inspection［J］.NDT＆E Interna-tional，2007，40(2):127-139.

［13］MUKHERJEE D，SAHA S，MUKHOPADHYAY S.An adaptive channel equalization algorithm for MFL signal［J］.NDT＆E International，2011，45:111-119.

［14］AFZAL M，UDPA S.Advanced signal processing of magnetic flux leakage data obtained from seamless gas pipeline［J］.NDT＆E International，2002，35:449-457.