徐江野，趙四海，趙澤性，劉玉瀟，孫海龍

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083

我國(guó)露天煤礦大多采用半連續(xù)生產(chǎn)工藝開采，破碎站作為半連續(xù)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]，易受到來(lái)自煤巖體的嚴(yán)重沖擊、磨損。露天礦煤層構(gòu)成復(fù)雜[2]，煤層中夾雜鐵結(jié)核的煤矸石質(zhì)地堅(jiān)硬[3]，破壞電鏟、裝載機(jī)等采掘設(shè)備，導(dǎo)致采掘設(shè)備配件脫落并隨煤塊一并被送入破碎機(jī)。若這類鐵磁性入侵物體尺寸小于或等于齒間隙，則剪切力作用引發(fā)齒輥式破碎機(jī)的齒環(huán)失效、破碎齒變形甚至折斷等問(wèn)題[4]；若這類鐵磁性物體的尺寸遠(yuǎn)大于齒間隙，則引起礦物卡堵，造成礦物堆積，電機(jī)負(fù)載激增，最終引起電機(jī)過(guò)載，損壞電機(jī)[5]。因此，對(duì)露天礦破碎機(jī)運(yùn)動(dòng)鐵磁物體的監(jiān)測(cè)，可提高破碎機(jī)的使用壽命和露天礦的生產(chǎn)效率，減少人力、物力、財(cái)力的消耗，降低事故的發(fā)生概率，對(duì)露天礦安全生產(chǎn)具有重要意義，同時(shí)，也推動(dòng)露天礦生產(chǎn)向自動(dòng)化、智能化邁進(jìn)。

目前，傳統(tǒng)的礦用金屬檢測(cè)裝置主要應(yīng)用于對(duì)運(yùn)行的帶式輸送機(jī)上的礦物進(jìn)行鐵磁性物質(zhì)的檢測(cè)[6]。但對(duì)露天礦半連續(xù)作業(yè)方式，這種傳統(tǒng)強(qiáng)磁式的礦用金屬檢測(cè)裝置無(wú)法對(duì)混入破碎機(jī)的鐵磁物體進(jìn)行監(jiān)測(cè)與篩查，只能采用加裝電機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置、改變滾齒排料方向的手段來(lái)解決破碎機(jī)金屬檢測(cè)的問(wèn)題，因而無(wú)法避免金屬物與滾齒之間的長(zhǎng)時(shí)間接觸。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，依據(jù)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的低頻渦流檢測(cè)技術(shù)[7]，筆者提出一種由激勵(lì)線圈和接收線圈組成的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)破碎機(jī)中的鐵磁物體的技術(shù)方案。該方案通過(guò)對(duì)低頻檢測(cè)理論的分析和應(yīng)用疊加原理對(duì)激勵(lì)場(chǎng)與渦流場(chǎng)信號(hào)建立檢測(cè)探頭解析模型，根據(jù)解析模型對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和規(guī)劃被檢測(cè)金屬物體的運(yùn)動(dòng)路徑，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)取得的自相關(guān)無(wú)偏估計(jì)值的幅值判斷是否有鐵磁物體進(jìn)入破碎腔內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的技術(shù)方案具有可行性，檢測(cè)參數(shù)和被檢測(cè)鐵磁物體檢測(cè)路徑的理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致，為露天礦破碎機(jī)運(yùn)動(dòng)鐵磁物體檢測(cè)提供借鑒。

1 低頻渦流檢測(cè)原理

1.1 檢測(cè)探頭的基本原理

露天礦破碎機(jī)運(yùn)動(dòng)鐵磁物體渦流檢測(cè)探頭由一個(gè)激勵(lì)線圈和一個(gè)接收線圈(檢測(cè)線圈)構(gòu)成，如圖1(a)所示。當(dāng)對(duì)激勵(lì)線圈施以交變信號(hào)時(shí)，在線圈周圍及導(dǎo)電介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在沒有鐵磁性物體通過(guò)的情況下，接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓反映了激勵(lì)場(chǎng)的特性。當(dāng)被測(cè)物體為鐵磁物體且位于激勵(lì)場(chǎng)內(nèi)時(shí)[圖1(b)]，被測(cè)物體表面會(huì)產(chǎn)生渦旋電流，渦旋電流產(chǎn)生的渦流場(chǎng)會(huì)引起空間磁場(chǎng)的變化。此時(shí)，接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是由激勵(lì)場(chǎng)與渦流場(chǎng)的疊加場(chǎng)激發(fā)的[8-9]。

圖1 渦流探頭的基本原理Fig.1 Basic principle of the eddy current probe

在破碎機(jī)鐵磁物檢測(cè)中，目標(biāo)檢測(cè)物的磁導(dǎo)率為107H/m，煤炭的電導(dǎo)率為10-4～104S/m[10]。因此，研究中不考慮煤炭對(duì)于磁場(chǎng)的影響。假設(shè)被檢測(cè)的鐵磁物體是線性均勻、各項(xiàng)同性的物質(zhì)，且以同一速度經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域的各點(diǎn)，則電渦流檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于鐵磁物體在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的每一位置均視為線性系統(tǒng)[11]。因此，可通過(guò)分別求解激勵(lì)場(chǎng)(源場(chǎng))和渦流場(chǎng)，然后對(duì)二者應(yīng)用疊加原理求解檢測(cè)線圈所處的空間磁場(chǎng)。鐵磁物體的參數(shù)變化直接對(duì)渦流場(chǎng)產(chǎn)生影響，在激勵(lì)場(chǎng)不變的情況下，鐵磁物體的參數(shù)與激勵(lì)場(chǎng)和渦流場(chǎng)的疊加結(jié)果可建立直接聯(lián)系，則接收線圈感應(yīng)電壓的表達(dá)式為

E=e1+e2

(1)

式中，E為接收線圈的感應(yīng)電壓，V；e1為激勵(lì)場(chǎng)對(duì)接收線圈產(chǎn)生激勵(lì)的感應(yīng)電壓，V；e2為渦流場(chǎng)對(duì)接收線圈產(chǎn)生激勵(lì)的感應(yīng)電壓，V。

1.2 檢測(cè)探頭的解析模型

根據(jù)檢測(cè)探頭的基本原理，建立檢測(cè)探頭模型如圖2所示。該模型將激勵(lì)場(chǎng)的激勵(lì)源視為半徑Rs的圓形電流，激勵(lì)電流為is，接收線圈為半徑Rp的單匝線圈；將渦流場(chǎng)的激勵(lì)源金屬球視為半徑a的圓形電流，球坐標(biāo)系中兩線圈之間的任意點(diǎn)P(r，θ，φ2)為金屬球圓心所在位置，R為金屬球與激勵(lì)線圈所在平面之間的距離，c為兩平行線圈之間的距離，Q點(diǎn)為激勵(lì)線圈上任意一點(diǎn)，φ1為OX與OQ的夾角。

圖2 檢測(cè)探頭模型Fig.2 Analytical model of the eddy current probe

金屬球不存在時(shí)，上述模型為單匝共軸線圈模型。根據(jù)紐曼積分[12-13]公式，此時(shí)線圈之間的互感系數(shù)為

(2)

(3)

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m；k1為模數(shù)；F(k1)、E(k1)分別為第一類、第二類橢圓積分。

接收線圈受到激勵(lì)場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為

假設(shè)金屬球是均勻且各向同性介質(zhì)，球體不具有極性。金屬球的尺寸遠(yuǎn)小于激勵(lì)磁場(chǎng)的波長(zhǎng)(低頻激勵(lì)線圈采用的激勵(lì)信號(hào)頻率f≤300 kHz，波長(zhǎng)λ≥1 000 m)，根據(jù)麥克斯韋電磁感應(yīng)定律，在渦流的計(jì)算中，可以忽略位移電流。金屬球落入檢測(cè)區(qū)域內(nèi)任意位置P(r，θ，φ2)時(shí)，在檢測(cè)區(qū)域時(shí)諧電磁場(chǎng)內(nèi)，金屬球渦電流[14]為

(5)

(6)

v=a(jωμ0μrσ)1/2

(7)

金屬球的渦電流與金屬球所在位置的z向磁感應(yīng)強(qiáng)度相關(guān)，圓環(huán)電流在空間中任一點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與P點(diǎn)在球坐標(biāo)系中φ2的取值無(wú)關(guān)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將P點(diǎn)的φ2值取0。環(huán)形電流在P點(diǎn)z向的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

(8)

(9)

式中，k為模數(shù)。

金屬球的位置與接收線圈平行且非共軸(僅當(dāng)金屬球在軸線上時(shí)，金屬球與接收線圈共軸且平行)，金屬球與接收線圈之間的距離為c′=c-rcosθ。根據(jù)任意兩非共軸平行線圈的互感系數(shù)Grover[15-17]公式，有

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中，k2為模數(shù)；Qγ(x)為第二類勒讓德函數(shù)；γ為勒讓德函數(shù)的度數(shù)，γ=1/2。

接收線圈受到渦流場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為

(15)

在檢測(cè)范圍內(nèi)存在金屬時(shí)，由式(1)、式(4)、式(15)得到接收線圈的感應(yīng)電壓為

(16)

2 探頭線圈參數(shù)設(shè)計(jì)

露天礦破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)鐵磁物體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)探頭的檢測(cè)范圍以破碎口尺寸為準(zhǔn)，檢測(cè)精度以破碎齒間隙為準(zhǔn)。本研究對(duì)象的破碎口長(zhǎng)為4 405 mm，齒間隙為210 mm，因此模型中的a/c=0.048。為實(shí)現(xiàn)上述檢測(cè)精度和檢測(cè)距離的金屬物檢測(cè)，對(duì)探頭進(jìn)行參數(shù)分析和設(shè)計(jì)。

2.1 探頭線圈半徑分析

對(duì)檢測(cè)探頭線圈的半徑與檢測(cè)信號(hào)之間的關(guān)系進(jìn)行定量分析，根據(jù)定量分析的結(jié)果選擇檢測(cè)參數(shù)，確定適應(yīng)于檢測(cè)區(qū)域的最優(yōu)化參數(shù)。使金屬球沿軸向方向運(yùn)動(dòng)(θ=0)，此時(shí)r為金屬球與激勵(lì)線圈之間的距離，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)與線圈半徑關(guān)系定量分析可知，激勵(lì)信號(hào)角頻率ω=9.42×104rad，金屬球的相對(duì)磁導(dǎo)率μr=170，電導(dǎo)率σr=7.98× 106S/m。對(duì)建模分析所得數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖3所示。

圖3 檢測(cè)信號(hào)與線圈半徑關(guān)系Fig.3 The relationship between signal and radius of coil

由圖3(a)可知，當(dāng)Rs/c=0.7，r/c=0.5時(shí)，|e2|出現(xiàn)最大值，即金屬球產(chǎn)生的渦流場(chǎng)信號(hào)取得最大值；r/c在(0，1]區(qū)間，|e2|均呈現(xiàn)同一變化趨勢(shì)，因此最佳半徑的取值與金屬球所處的位置無(wú)關(guān)。由圖3(b)(c)可知，疊加場(chǎng)信號(hào)|E|變化趨勢(shì)與激勵(lì)場(chǎng)信號(hào)|e1|變化趨勢(shì)一致，渦流信號(hào)相對(duì)于激勵(lì)信號(hào)是微弱信號(hào)，對(duì)接收信號(hào)的影響微弱。由圖3(d)可知，渦流場(chǎng)信號(hào)與背景噪聲(激勵(lì)場(chǎng)信號(hào))的信噪比為-97.394 4 ～ -186.028 5，信噪比在Rs/c=0.044 5時(shí)，取得最大值(渦流信號(hào)對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生的影響最大)，但渦流場(chǎng)信號(hào)的功率仍遠(yuǎn)小于激勵(lì)場(chǎng)信號(hào)功率。

2.2 激勵(lì)源分析

根據(jù)以上對(duì)檢測(cè)線圈半徑的分析，選擇信噪比最大的檢測(cè)參數(shù)為Rs/c=0.044 5，r/c=0.5。使用上述參數(shù)進(jìn)行激勵(lì)信號(hào)的頻率的定量分析，該實(shí)驗(yàn)的其他參數(shù)為θ=0，金屬球的相對(duì)磁導(dǎo)率為μr=170，電導(dǎo)率為σr=7.98×106S/m。對(duì)建模分析所得數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同激勵(lì)頻率的渦流信號(hào)和信噪比Fig.4 Eddy current signal and signal to noise ratio with different frequencies

由圖4(a)可知，頻率f=6.13 kHz時(shí)，渦流場(chǎng)信號(hào)|e2|取得最小值；頻率在1～6.13 kHz時(shí)，渦流信號(hào)呈現(xiàn)快速衰減趨勢(shì)；頻率在6.13～5 kHz時(shí)，信號(hào)緩慢遞增。由圖4(b)可知，渦流信號(hào)與背景噪聲(激勵(lì)信號(hào))的信噪比在1～35 kHz頻段呈現(xiàn)出整體衰減的趨勢(shì)，低頻段衰減較快，高頻段逐步趨于平緩。低頻段信噪比雖然衰減快，但在數(shù)值上仍然高于高頻段。

2.3 檢測(cè)物位置分析

根據(jù)破碎站的工藝流程，檢測(cè)物體通過(guò)檢測(cè)區(qū)域的路徑可能有多條，因此對(duì)被檢測(cè)鐵磁物體的路徑進(jìn)行規(guī)劃可歸結(jié)為對(duì)于檢測(cè)物體位置與檢測(cè)信號(hào)關(guān)系的分析。破碎站工藝流程如圖5所示。

圖5 破碎站工藝流程Fig.5 Crushing station process flow chart

檢測(cè)物體在檢測(cè)區(qū)域中的位置對(duì)經(jīng)過(guò)線圈中心軸的每一個(gè)截面是一致的，可選擇一個(gè)平面進(jìn)行分析。檢測(cè)物位置示意如圖6所示。

圖6 檢測(cè)物位置示意圖Fig.6 Location of the detected object

根據(jù)以上分析，檢測(cè)物位置分析的參數(shù)為Rs/c=0.044 5，θ=0，激勵(lì)信號(hào)角頻率ω=9.42× 104rad，金屬球的相對(duì)磁導(dǎo)率μr=170，電導(dǎo)率σr=7.98×106S/m。對(duì)建模分析所得數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖7所示。

圖7 檢測(cè)信號(hào)與檢測(cè)位置關(guān)系Fig.7 Relationship between detection signal and position

由圖7(a)可知，金屬球在軸線中心位置，即c′/c=0.5，d=0時(shí)，渦流場(chǎng)信號(hào)|e2|取得最大值。檢測(cè)物以垂直于線圈軸線方向(v2方向)進(jìn)入會(huì)比平行于軸線方向(±v1方向，由激勵(lì)線圈端進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域?yàn)関1方向，由接收線圈端進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域?yàn)?v1方向)進(jìn)入更快到達(dá)極值點(diǎn)。垂直方向(v2方向)進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，在d/Rs=0.5、c′/c=0.5時(shí)，取得渦流場(chǎng)信號(hào)初始值；平行于軸線方向由激勵(lì)線圈端進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域(v1方向)，在d/Rs=0、c′/c=1時(shí)，取得渦流場(chǎng)信號(hào)初始值；平行于軸線方向由接收線圈端進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)(-v1方向)，在d/Rs=0、c′/c=0時(shí)，取得渦流場(chǎng)信號(hào)初始值。比較3種路徑進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域的初始值，若采用平行于軸線的路徑進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，無(wú)論從激勵(lì)線圈端進(jìn)入還是從接收線圈端進(jìn)入，其初始值均小于垂直軸線方向進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域路徑。因此，垂直于軸線方向進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域的路徑可獲得較好的渦流場(chǎng)信號(hào)。

由圖7(b)可知，激勵(lì)場(chǎng)信號(hào)|e1|在金屬球處于任何位置時(shí)均為同一值。由檢測(cè)原理可得，在整個(gè)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)激勵(lì)場(chǎng)信號(hào)不受金屬球位置影響。

由圖7(c)可知，整個(gè)區(qū)域疊加場(chǎng)的感應(yīng)電壓變化趨勢(shì)與渦流場(chǎng)趨勢(shì)一致。由于激勵(lì)場(chǎng)信號(hào)與金屬球位置無(wú)關(guān)，疊加場(chǎng)信號(hào)的變化取決于渦流場(chǎng)變化，這一結(jié)果與檢測(cè)原理闡述一致。由圖7(d)可知，渦流場(chǎng)信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)的信噪比變化趨勢(shì)與渦流場(chǎng)信號(hào)的變化趨勢(shì)一致，因此渦流場(chǎng)信號(hào)最大的檢測(cè)路徑同樣可以獲得最大的信噪比。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)上述分析搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)距離為4 405 mm，檢測(cè)物半徑為21 mm的實(shí)心金屬球，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為露天礦破碎站，破碎機(jī)型號(hào)是SANDVIK的CR610/14-35雙齒輥式篩分式破碎機(jī)，檢測(cè)探頭的安裝位置如圖8所示。實(shí)驗(yàn)分為模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性，其目的是驗(yàn)證理論分析的可靠性。實(shí)驗(yàn)中破碎機(jī)始終處于停機(jī)狀態(tài)，且鐵磁物體不與煤炭混合，使其沿垂直于軸線方向(v2方向)進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域并觀測(cè)接收信號(hào)，鐵磁物體運(yùn)動(dòng)參數(shù)見表1。

表1 鐵磁物體運(yùn)動(dòng)參數(shù)Tab.1 Motion parameters of the detected object

在模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，其目的是驗(yàn)證檢測(cè)設(shè)備在實(shí)際工況下能否實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁物體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中破碎機(jī)始終處于工作狀態(tài)，由單斗卡車向破碎機(jī)中傾倒混有鐵磁物體的煤炭，在二者混合物通過(guò)板式給料機(jī)進(jìn)入破碎口的過(guò)程中，系統(tǒng)完成對(duì)鐵磁物體的檢測(cè)。鐵磁物體通過(guò)檢測(cè)區(qū)域會(huì)引起接收線圈信號(hào)的變化，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理后，由信號(hào)采集卡接入工控機(jī)，通過(guò)對(duì)比不存在鐵磁物體時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的接收信號(hào)與存在鐵磁物體時(shí)的接收信號(hào)的變化，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)驗(yàn)證

(1) 對(duì)檢測(cè)線圈半徑與檢測(cè)信號(hào)的理論分析結(jié)果進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)制備3組線圈，線圈骨架半徑分別為150 mm、200 mm、250 mm，采用截面半徑為0.3 mm銅線繞制350匝；激勵(lì)信號(hào)為正弦信號(hào)，峰值電流為0.933 7 A，頻率為15 kHz。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，金屬球以垂直于線圈軸線的方向落入檢測(cè)區(qū)域，從金屬球進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域開始對(duì)tn與tn+1時(shí)刻信號(hào)的自相關(guān)無(wú)偏估計(jì)量的幅值變化量Δ進(jìn)行記錄，取多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表2)。將表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖3分析結(jié)果進(jìn)行比較，二者得到結(jié)論一致，即Rs/c值接近0.044 5時(shí)，檢測(cè)效果較好。

表2 不同尺寸線圈實(shí)驗(yàn)記錄Tab.2 Experimental records of different coil size

(2) 對(duì)頻率信號(hào)影響因素的理論分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)采用線圈骨架半徑為200 mm的線圈，激勵(lì)信號(hào)的峰值電流為0.933 7 A，選取頻率為5～30 kHz中的6個(gè)相同間隔的數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，取多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析呈現(xiàn)一致趨勢(shì)；但是在頻率為15 kHz時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與理論值的差值最大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同頻率的幅值變化量Fig.9 Threshold with different frequencies

(3) 對(duì)被檢測(cè)物通過(guò)檢測(cè)區(qū)域路徑的理論分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)采用的激勵(lì)信號(hào)頻率為15 kHz，其余實(shí)驗(yàn)參數(shù)均與上述實(shí)驗(yàn)一致。實(shí)驗(yàn)采用沿軸線運(yùn)動(dòng)(±v1方向)和垂直于軸線(v2方向)且垂足為中點(diǎn)的2種運(yùn)動(dòng)路徑，且鐵磁物體均以0.2 m/s的速度勻速運(yùn)動(dòng)。采集進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域的邊界信號(hào)的自相關(guān)無(wú)偏估計(jì)量幅值的變化量Δ以及Δ到達(dá)峰值的用時(shí)，取多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表3)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，垂直于軸線的路徑更快到達(dá)峰值且進(jìn)入邊界時(shí)具有較大的幅值變量，均優(yōu)于沿軸線運(yùn)動(dòng)的路徑，與理論分析結(jié)果一致。

表3 不同路徑的實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Experimental parameters of different paths

4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)對(duì)模型的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)際工況實(shí)驗(yàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)接收信號(hào)的波形峰值變化很難判定鐵磁物體是否侵入，但可以通過(guò)自相關(guān)函數(shù)無(wú)偏估計(jì)量的幅值變化判斷鐵磁物體是否掉落。由圖10可知，半徑為210 mm的金屬球掉落時(shí)自相關(guān)無(wú)偏估計(jì)量的幅值變化了144。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)分析說(shuō)明，若幅值的變化量Δ≥144，則判定有鐵磁性物體經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域，此時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)斷破碎機(jī)并故障報(bào)警。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)自相關(guān)函數(shù)Fig.10 Autocorrelation function diagram of actual experiment

5 結(jié) 論

(1) 煤巖體與鐵磁物體具有較大的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率差距，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用低頻電渦流檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于鐵磁物體的篩查。但信號(hào)的信噪比較低，無(wú)法通過(guò)信號(hào)幅值的變化判定鐵磁物體的掉落情況，需要結(jié)合自相關(guān)等信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁物體的準(zhǔn)確判定。

(2) 渦流信號(hào)在具有強(qiáng)背景噪聲的系統(tǒng)中信噪比較低，屬于微弱信號(hào)。對(duì)檢測(cè)探頭參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和對(duì)檢測(cè)物路徑的規(guī)劃可有效提高信噪比。在金屬物半徑(檢測(cè)目標(biāo))與檢測(cè)距離比為0.048，檢測(cè)探頭的半徑與檢測(cè)距離比值為0.044 5時(shí)具有最大的信噪比。在1～35 kHz內(nèi)，低頻段的信噪比要高于高頻段。垂直于檢測(cè)軸線進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域的路徑相比平行于檢測(cè)軸線進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域的路徑的初始值和響應(yīng)時(shí)間更具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(3) 通過(guò)建立檢測(cè)系統(tǒng)的解析模型對(duì)探頭的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)露天礦破碎機(jī)鐵磁物體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)精度的準(zhǔn)確以及響應(yīng)時(shí)間的提高，進(jìn)而推動(dòng)露天礦采掘的智能化發(fā)展。