王超

（山西大同煤礦集團(tuán)地方煤炭有限責(zé)任公司，山西大同037100）

引言

我國是煤炭大國，保障煤礦安全生產(chǎn)是重中之重。帶式傳送機(jī)作為礦井煤炭主要運(yùn)輸設(shè)備，集運(yùn)輸能力大、靈活度較高、效率高以及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)于一身，對提高煤礦生產(chǎn)效率起到至關(guān)重要的作用。

傳送帶是帶式傳送機(jī)最關(guān)鍵的部分，由于大型煤炭傳送機(jī)功率高、速度快，而傳送帶強(qiáng)度較低，長時(shí)間受高負(fù)荷運(yùn)作、反復(fù)彎曲、使用環(huán)境惡劣等因素影響，傳送帶撕裂損壞的情況時(shí)有發(fā)生。傳送帶的價(jià)格昂貴，動(dòng)輒幾十萬乃至幾百萬的價(jià)格，若撕裂故障不能被及時(shí)被發(fā)現(xiàn)并停止帶式傳送機(jī)運(yùn)行，往往會(huì)導(dǎo)致傳輸帶進(jìn)一步撕裂，造成設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞[1]。

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳送帶在運(yùn)行過程中的故障問題，本文采用超聲無損檢測系統(tǒng)對傳送帶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。在以往的超聲波探傷技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了小波變換對回波的去噪分析，完成了煤炭傳送帶超聲無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試。深入分析了超聲波在傳送帶中的傳輸特性，提高了探傷檢測的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性[2]。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1.1 硬件系統(tǒng)

傳送帶無損檢測系統(tǒng)為一套集信號發(fā)射、信號接收以及信號采集、分析、處理和顯示的完整檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以FPGA為控制核心，通過超聲波發(fā)射電路激勵(lì)超聲波探頭發(fā)生超聲波信號[3]。通過接收電路接收探頭回波信號，回波信號經(jīng)過放大、濾波處理后，進(jìn)入A/D采樣電路進(jìn)行數(shù)字量化，采樣后的數(shù)字信號經(jīng)過USB傳入上位機(jī)，上位機(jī)經(jīng)過數(shù)字信號處理后在人機(jī)界面顯示[4]。該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)框架圖

1.1.2 軟件系統(tǒng)

軟件部分包括嵌入式軟件與上位機(jī)軟件，其中嵌入式軟件部分為FPGA程序，上位機(jī)軟件部分由Labview與MATLAB混合實(shí)現(xiàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)通過利用超聲無損檢測軟件進(jìn)行檢測，由超聲波發(fā)射電路發(fā)射聲波，超聲波接收電路接收信號，進(jìn)而在無損檢測軟件系統(tǒng)上形成波形圖，通過對比去噪前后不同波形圖判斷檢測傳送帶是否出現(xiàn)損傷，進(jìn)而達(dá)到傳送帶的優(yōu)化設(shè)計(jì)，見圖2。

2 小波變換在超聲回波去噪應(yīng)用中的研究與分析

傳送帶主要由橡膠和鋼芯組成，橡膠的粗晶體材料結(jié)構(gòu)加上鋼芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得聲波在傳播過程中衰減很明顯，當(dāng)傳送帶發(fā)生撕裂損傷時(shí)，聲波衰減增強(qiáng)。由于接收探頭接收到的聲波信號幅值只是毫伏級甚至更小，因此當(dāng)聲波信號非常小時(shí)，很難從回波信號中辨別開來。那么此時(shí)，回波信號的表達(dá)式為：

圖2 無損檢測軟件系統(tǒng)

式中：y（i）代表未處理前的回波信號，f（i）代表探頭發(fā)射的超聲波信號，e（i）代表噪聲信號，i代表采樣點(diǎn)數(shù)。為了排除噪聲的干擾，須將超聲波信號過濾出來，借助數(shù)字信號處理進(jìn)一步提取超聲信號[5]。

本文應(yīng)用小波分析具有獨(dú)特的優(yōu)勢，小波分析能夠進(jìn)行多分辨分析，有效提取超聲信號，最終實(shí)現(xiàn)回波信號去噪的目的[6]。

2.1 去噪流程

小波去噪流程示意圖如圖3所示。

圖3 流程示意圖

2.2 小波基的選取

處理信號時(shí)，應(yīng)根據(jù)信號特點(diǎn)結(jié)合小波基的性質(zhì)進(jìn)行選取，以達(dá)到最終的去噪效果。本文選定Daubechies小波，是因?yàn)樵谛盘柼幚磉^程中，它具有良好的短支撐性，呈正交且近似對稱，光滑性較好的特點(diǎn)，因此采用Daubechies小波對信號進(jìn)行分解和重構(gòu)[7]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果分為無損情況、孔洞損傷和撕裂損傷三種。

1）無損情況時(shí)，傳送帶無損傷，此時(shí)測試的回波信號與小波閾值去噪后的波形如圖4所示。對比去噪前后波形信號可以發(fā)現(xiàn)：去噪后回波信號更加清晰，信噪比更高。由波形圖可知，在無損傷的情況下，發(fā)射探頭發(fā)射的聲波在無損的傳送帶中傳送，聲波衰減程度較小，接收探頭接收到的回波較為清晰。因此將此波形作為傳送帶無損時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)對比圖。

2）孔洞損傷時(shí)，在傳送帶運(yùn)行過程中，測試1.3 cm直徑穿透損傷，那么回波信號去噪前后對比圖如圖5所示。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，空洞損傷時(shí)的回波信號相比無損傷時(shí)，信號衰減程度較高，這是因?yàn)榘l(fā)生空洞損傷時(shí)，孔洞阻擋了部分信號的接收。對比去噪前后波形圖可以發(fā)現(xiàn)，小波去噪前的波形圖受到噪聲的干擾，辨認(rèn)回波信號時(shí)比較困難，在去噪后，排除了噪聲的干擾，回波信號變得清晰可見。

圖4 無損去噪前后回波信號對比

圖5 空洞損傷去噪前后回波信號對比

3）撕裂損傷時(shí)，此時(shí)假定空洞損傷后傳送帶依然運(yùn)行，那么此時(shí)損傷進(jìn)一步擴(kuò)大，造成了撕裂損傷。測試4.5 cm撕裂損傷時(shí)的波形圖如圖6所示。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，撕裂損傷接收到的信號相比孔洞損傷時(shí)更弱，這是因?yàn)樗毫褤p傷時(shí)撕裂部分阻擋了大部分信號，使得信號無法被接收，如果撕裂更大，那么就無法接收到回波信號。

圖6 撕裂損傷去噪前后波形對比

4 結(jié)論

借助FPGA的靈活邏輯控制能力、MATLAB對數(shù)據(jù)處理的能力以及Labview在人機(jī)交互界面的優(yōu)勢，將三者有機(jī)的結(jié)合在一起，經(jīng)過各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)與調(diào)試，基本實(shí)現(xiàn)了傳送帶的無損檢測的各項(xiàng)功能。最終得到以下結(jié)論：

1）通過運(yùn)用超聲無損檢測可以實(shí)現(xiàn)對傳送帶損傷情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳送帶損傷情況，并避免傳送帶損傷帶來的人身安全問題。

2）實(shí)驗(yàn)研究分析了小波去噪理論在超聲波去噪中的應(yīng)用，利用MATLAB編程軟件實(shí)現(xiàn)小波去噪的數(shù)據(jù)運(yùn)算，通過Labview與MATLAB混合編程實(shí)現(xiàn)波形顯示。

3）通過對回波信號圖的觀察，并對比小波去噪前后圖像，依據(jù)波形圖可以分辨?zhèn)魉蛶У膿p傷情況，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)修理。

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