華晉偉，王　兵，邵　帥，林　森

(1．遼河油田公司資產(chǎn)裝備部，遼寧盤錦　124010；2．遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，遼寧沈陽　110032；3．沈陽工業(yè)大學(xué)信息中心，遼寧沈陽　110870)

0　引言

鋼絲繩作為提升、運(yùn)輸和承受設(shè)備的重量的關(guān)鍵部件，被廣泛應(yīng)用于多種技術(shù)領(lǐng)域。針對牽引和起重行業(yè)經(jīng)常使用鋼絲繩無損檢測技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種斷絲檢測裝置。研究了利用電磁激勵在線監(jiān)測鋼絲繩實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和缺陷信號的特性，通過實(shí)驗(yàn)室的鋼纜疲勞實(shí)驗(yàn)平臺，對論文的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，對鋼纜的斷絲檢測系統(tǒng)進(jìn)行了反復(fù)的校正，調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。

文中根據(jù)foster模型分析了基于漏磁通量的鋼纜斷絲檢測系統(tǒng)，利用定向霍爾傳感器測量了鋼纜表面的磁場。采用小波分析理論研究了斷絲信號的預(yù)處理方法，詳細(xì)的分析了斷絲處的信號特性，推導(dǎo)了斷絲處信號特性的算法。根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了斷絲處信號的圖像識別方法。通過這個方法，可以先利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后利用網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行鋼纜檢測，并測量，識別，自動診斷鋼纜的缺陷，達(dá)到智能化的要求。

1　無損檢測原理

1．1foster模型

foster 模型如圖1所示，是漏磁檢測的理論模型，氣隙中的磁場強(qiáng)度Hg均勻分布如圖1所示，磁場強(qiáng)度與到氣隙的距離成反比。氣隙中的漏磁通可以表示為：

圖1　Foster 簡化原理圖

(1)

(2)

式中：Hg為氣隙中的磁場強(qiáng)度；Lg為氣隙的寬度。

如果x=0，漏磁通的值為：

(3)

由式(3)可知，漏磁通的值與y成反比，與Hg和Lg的乘積成正比。因此，如果保持Hg恒定，漏磁通的值會隨著氣隙的增大而增大。

由式(3)可知，以下的等式可表示為：

(4)

在這種情況下，漏磁通傳感器的靈敏度與y2成反比。

1．2磁檢測原理

磁檢測的原理是基于鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率是空氣的100倍以上。用永磁體來磁化鋼纜時(shí)，由于鋼纜缺陷處的磁阻會增大，所以一部分磁通會從缺陷處漏出。漏磁通會被霍爾傳感器檢測到，如圖2所示，其中S代表傳感器，Φ表示漏磁通。

如果磁力線遇到外部或者內(nèi)部的缺陷，磁力線就會扭曲。因此，漏磁通就會很容易被霍爾傳感器檢測到。外部和內(nèi)部的缺陷信號波形如圖3所示，其中左邊的曲線是外部缺陷的，右邊的是內(nèi)部缺陷的。

圖2　磁力探傷的基本原理

圖3　外部與內(nèi)部的缺陷信號波形

2　鋼絲繩缺陷的小波分析

近年來，小波分析作為一種信號處理方法，它關(guān)注各種信號的細(xì)節(jié)，被視為數(shù)學(xué)顯微鏡，是在時(shí)域和頻域內(nèi)，分析畸變信號的理論基礎(chǔ)。

2．1小波函數(shù)和小波變換

如果Ψ∈L2(R)(L2(R)是平方可積函數(shù))，Ψ(x)的傅立葉變換為：

(5)

Ψ(x)是小波函數(shù)。作為一個平方可積函數(shù)的正交基，小波函數(shù)f(x)可表示為：

(6)

小波分析也滿足Parselval方程：

(7)

式中：<*，*>表示數(shù)積。

根據(jù)式(7)，小波變換可表示為：

(8)

2．2信號重建

一個信號的離散樣本系列為：f(n)，n=1，2，…，N，如果c0(n)=f(n)，二進(jìn)制的小波變換為：

(9)

如果Hn，k=hk-2n且Gn，k=gk-2n，矩陣H和G滿足關(guān)系式H=(Hn，k)和G=(Gn，k)，式(10)表示為：

(10)

可得以下結(jié)論：

cj(k)=H*cj+1+G*dj+1

(11)

式中：H*和G*分別是H和G的關(guān)聯(lián)矩陣；式(11)的算法稱為小波重建；H和G稱為小波濾波。

2．3斷絲信號分析

圖4　斷絲的理想漏磁信號波形

圖5　信號的小波分析與重構(gòu)波形

3　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于斷絲的定量檢測

目前，大部分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為模型，圖6示。BP網(wǎng)絡(luò)可以將網(wǎng)絡(luò)輸出與實(shí)際輸出比較，然后判斷兩者之間是否有偏差。如果存在一個誤差，這個誤差將通過網(wǎng)絡(luò)反向傳輸。同時(shí)，模型將調(diào)整所有圖層的權(quán)重，直到誤差消失。

BP網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：

f(x)=1/(1+e-βx)

(12)

式中β為斜坡系數(shù)。

誤差表達(dá)式為：

圖6　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

(13)

式中tj和Qj分別為預(yù)期輸出和實(shí)際輸出。

權(quán)重的修改為：

ΔW(t)ji=-η?E/?Wji

(14)

式中η為學(xué)習(xí)速度率。

由式(14)，權(quán)重增加表示為：

(15)

4　斷絲檢測實(shí)驗(yàn)

這個實(shí)驗(yàn)是基于疲勞試驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)中的鋼纜有效長度為650 mm．BP網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱藏層和輸出層組成。隱藏層由4個神經(jīng)細(xì)胞組成。最初的權(quán)重值為一個-1到1的隨機(jī)數(shù)字。學(xué)習(xí)速度系數(shù)為0．05，預(yù)期的誤差是10-6。符號*表示斷絲的實(shí)際數(shù)量是1，因?yàn)樾盘栠^弱，不能被霍爾傳感器檢測。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由表1中給出。顯然從表1可知，對斷絲的位置和數(shù)量判斷的準(zhǔn)確性是非常高的。從這個實(shí)驗(yàn)可以知道，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以自動識別斷絲的位置和數(shù)量。它還可以消除人為因素對試驗(yàn)的影響。

表1　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5　結(jié)論

論文闡述了定量檢測鋼纜斷絲的原理，系統(tǒng)的分析了斷絲信號的特性，給出了提取斷絲信號特征量的算法，研究了信號處理，小波變換，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識別等方法。在此基礎(chǔ)上，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了研究的可行性。