基于GMI磁传感器的矿用输送带异物监测装置及方法与流程

基于gmi磁传感器的矿用输送带异物监测装置及方法
技术领域
1.本发明涉及探测技术领域，特别是涉及一种基于gmi磁传感器的矿用输送带异物监测装置及方法。


背景技术：

2.在运输煤的过程中，输送带上的锚杆、铁丝、工字钢等铁磁性金属异物会随煤块一起通过输送带进行传输，很有可能会对输送带造成不同程度的划裂或划伤，严重时会影响生产，造成重大损失。
3.现有相关的检测技术装备主要还是集中在无线电法、电磁法、x射线和视频图像ai检测方法。这些方法由于检测灵敏度低、检测速度慢、使用场景受限，受煤泥、水雾影响较大和对人体造成伤害等诸多方面的原因，安全性、精准度存在一定的局限。
4.因此针对矿井本身的复杂环境，急需要一种不受水雾、煤泥、煤尘影响的高可靠的金属异物监测装置。


技术实现要素：

5.基于此，本发明的目的是提供一种基于gmi磁传感器的矿用输送带异物监测装置及方法。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种基于gmi磁传感器的矿用输送带异物监测装置，包括：
8.多个金属探测模组，等间距的排布在运输煤流的上层传输皮带的下方，用于采集不同位置的磁场信号；
9.编码器，与所述金属探测模组连接，用于在设定时间间隔内控制所述金属探测模组采集不同位置的磁场信号；
10.智能分析终端，通过以太网与所述金属探测模组连接，用于根据所述磁场信号对异物进行检测和定位；
11.语音报警器，与所述智能分析终端连接，用于当检测到异物时进行报警。
12.可选地，所述金属探测模组由多个gmi磁传感器阵列组成。
13.可选地，所述矿用输送带异物监测装置还包括：
14.直流稳压电源，分别与所述金属探测模组、所述智能分析终端以及所述语音报警器连接，用于为所述金属探测模组、所述智能分析终端以及所述语音报警器供电。
15.本发明还提供了一种基于gmi磁传感器的矿用输送带异物监测方法，包括：
16.通过多个金属探测模组采集不同位置的磁场信号；多个所述金属探测模组等间距的排布在运输煤流的上层传输皮带的下方；所述金属探测模组由多个gmi磁传感器阵列组成；
17.对于每个所述金属探测模组，计算所述磁场信号的最大峰值和第一信噪比；
18.基于所述最大峰值和所述第一信噪比，判断是否存在目标信号；所述目标信号包
括缺陷干扰信号、皮带连接部分干扰信号以及异物信号；
19.当判断结果表示存在目标信号时，排除所述缺陷干扰信号和所述皮带连接部分干扰信号，确定异物的存在和位置。
20.可选地，在通过多个金属探测模组采集不同位置的磁场信号之后，还包括：对所述磁场信号进行预处理。
21.可选地，基于所述最大峰值和所述第一信噪比，判断是否存在目标信号，具体包括：
22.将所述最大峰值与所述峰值阈值进行比较；
23.将所述第一信噪比与第一信噪比阈值进行比较；
24.当所述最大峰值大于所述峰值阈值以及所述第一信噪比大于所述第一信噪比阈值时，确定存在目标信号。
25.可选地，排除所述缺陷干扰信号和所述皮带连接部分干扰信号，确定异物的存在和位置，具体包括：
26.统计所述磁场信号的峰值大于所述峰值阈值的个数；
27.当所述个数与所述gmi磁传感器的个数相同或者数量差值小于个数阈值时，确定所述目标信号为皮带连接部分干扰信号；否则确定目标信号为异物信号或缺陷干扰信号；
28.当所述磁场信号的幅值的波动幅度小于波动预设范围时，确定所述目标信号为缺陷干扰信号；
29.对幅值波动幅度大于预设范围的磁场信号进行小波变换后计算第二信噪比；
30.当所述第二信噪比小于第二信噪比阈值时确定所述目标信号为缺陷干扰信号；
31.当所述第二信噪比大于或等于所述第二信噪比阈值时，统计所述磁场信号首尾跳变点的点数；
32.当所述点数小于点数阈值时，确定所述目标信号为缺陷干扰信号，否则确定目标信号为异物信号；
33.当确定存在异物后，根据磁场信号首尾跳变点的位置确定异物的位置。
34.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
35.本发明通过在皮带下方安装金属异物探测模组实时检测感应磁场的大小和变化，当皮带运输煤流中出现金属异物时，磁场会发生异常波形变化，通过算法的转换和变化，排除传送带自身缺陷干扰和连接部分干扰，最终实现金属异物的检测和定位。本发明不受水雾、煤泥、煤尘影响，一旦金属异物随输送带运动时，能够精准检测并及时预警，提醒工作人员及时清除安全隐患，从而保证安全生产，将安全隐患消除在前期预防工作中。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明提供的基于gmi磁传感器的矿用输送带异物监测装置的部署图；
38.图2为本发明提供的基于gmi磁传感器的矿用输送带异物监测方法的流程图；
39.图3为一帧磁场信号的波形图；
40.图4为没有异物时的磁场信号波形图；
41.图5为有异物时的磁场信号波形图；
42.图6为某基底噪声波形图；
43.图7为基底噪声差分后波形图；
44.图8为缺陷干扰信号波形图；
45.图9为缺陷干扰信号差分后波形图；
46.图10为目标信号波形图；
47.图11为目标信号差分后波形图；
48.图12为无异物时的连接干扰信号整体波形图；
49.图13为无异物时的连接干扰信号局部放大波形图；
50.图14为异物信号局部波形图；
51.图15为异物信号小波变换后的波形图；
52.图16为缺陷信号局部波形图；
53.图17为缺陷信号小波变换后的波形图；
54.图18为异物信号跳变点波形图；
55.图19为缺陷信号跳变点波形图。
具体实施方式
56.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
58.如图1所示，本发明提供的基于gmi磁传感器的矿用输送带异物监测装置，包括：多个金属探测模组、编码器、智能分析终端、语音报警器。
59.多个金属探测模组等间距的排布在运输煤流的上层传输皮带的下方，用于采集不同位置的磁场信号。在实际应用中，一个探测模组是由4个gmi磁传感器阵列组成，等距排布有3个磁异物探测模组可以实现运输状态下的1.6米输送带异物的监测。基于gmi磁传感器的金属异物探测模组安装在上层皮带的下方，检测面距离皮带3cm左右。
60.编码器与所述金属探测模组连接，用于在设定时间间隔内控制所述金属探测模组采集不同位置的磁场信号。在实际应用中，选择合适的位置直接与底皮带接触，目的是随输送带同步运动，作用是相当于里程计准确告诉停机后金属异物停留的位置。
61.智能分析终端通过以太网与所述金属探测模组连接，用于根据所述磁场信号对异物进行检测和定位。
62.语音报警器与所述智能分析终端连接，用于当检测到异物时进行报警。
63.本发明提供的装置还包括：直流稳压电源，分别与所述金属探测模组、所述智能分析终端以及所述语音报警器连接，用于为所述金属探测模组、所述智能分析终端以及所述
语音报警器供电。
64.本发明提供的基于gmi磁传感器的矿用输送带异物监测装置中的各模块均为矿用本安型。
65.输送带(即传输皮带)运行时，探测模组将在编码器(与传输皮带同步运动)控制下，按一定的距离间隔读取磁场信号，再将其进行模拟数字转换后，通过以太网上传智能分析终端，智能分析终端负责测量数据的采集、存储、预处理(包括：滤波、二值化、相关、插值、组帧等)、金属异物分析和诊断，最后控制语音报警器、除铁器，plc和启停设备，同时将相关测量数据和分析诊断结果发送计算机和服务器，进一步完成监测信息的存储、汇总、统计、存储、报告、并以短信形式通告有关管理部门和以web方式供远端用户访问、控制、查询。
66.针对上述装置，本发明还提供了一种基于gmi磁传感器的矿用输送带异物监测方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：
67.步骤1：通过多个金属探测模组采集不同位置的磁场信号；多个所述金属探测模组等间距的排布在运输煤流的上层传输皮带的下方；所述金属探测模组由多个gmi磁传感器阵列组成。
68.通过多个金属探测模组采集不同位置的磁场信号之后，还需要对所述磁场信号进行预处理，滤波、二值化、相关、插值、组帧等。
69.步骤2：对于每个所述金属探测模组，计算所述磁场信号的最大峰值和第一信噪比。
70.步骤3：基于所述最大峰值和所述第一信噪比，判断是否存在目标信号；所述目标信号包括缺陷干扰信号、皮带连接部分干扰信号以及异物信号。具体包括：将所述最大峰值与所述峰值阈值进行比较；将所述第一信噪比与第一信噪比阈值进行比较；当所述最大峰值大于所述峰值阈值以及所述第一信噪比大于所述第一信噪比阈值时，确定存在目标信号。
71.步骤4：当判断结果表示存在目标信号时，排除所述缺陷干扰信号和所述皮带连接部分干扰信号，确定异物的存在和位置。具体包括：统计所述磁场信号的峰值大于所述峰值阈值的个数；当所述个数与所述gmi磁传感器的个数相同或者数量差值小于个数阈值时，确定所述目标信号为皮带连接部分干扰信号；否则确定目标信号为异物信号或缺陷干扰信号；当所述磁场信号的幅值的波动幅度小于波动预设范围时，确定所述目标信号为缺陷干扰信号；对幅值波动幅度大于预设范围的磁场信号进行小波变换后计算第二信噪比；当所述第二信噪比小于第二信噪比阈值时确定所述目标信号为缺陷干扰信号；当所述第二信噪比大于或等于所述第二信噪比阈值时，统计所述磁场信号首尾跳变点的点数；当所述点数小于点数阈值时，确定所述目标信号为缺陷干扰信号，否则确定目标信号为异物信号；当确定存在异物后，根据磁场信号首尾跳变点的位置确定异物的位置。
72.金属异物探测装置放置于传送带下方，且离传送带比较近，故传送带运转时，除异物信号外，其它干扰也会进入，如传送带自身缺陷干扰和连接部分干扰。这些干扰信号严重影响目标信号的检测，必须滤除掉。
73.上述方法拟分为两部分，第一步是进行粗测判断，给出无目标和有目标两种结果。可以误判，如把缺陷信号当为异物信号，但不能漏判。第二步进行精测判断，进一步区分目标信号为异物信号、缺陷干扰信号或皮带连接部分干扰信号。
74.具体实施例如下：
75.1、粗判算法
76.粗测算法的目标是判断一帧信号是否有可能存在目标信号，把可能存在目标信号的数据导入到精判算法，从而可以过滤掉很多无效数据。
77.(1)数据导入
78.选择1-m路探测模组(一般是11路可以覆盖1.6米宽皮带)采集的不同位置的磁场幅度(幅度单位为纳特nt)数据，对每一帧数据进行分析。探测模组一帧的检测距离为512mm，一帧的波形图如图3所示，横坐标表示点数(位置)，为512个点，距离为512mm。
79.(2)计算最大峰值和信噪比
80.1)对m路的单帧数据分别计算峰值并取最大值，并与峰值阈值进行对比，筛选出峰值最大值大于峰值阈值的数据，认为此帧数据可能存在目标信号，低于峰值阈值认为该帧数据无目标信号。
81.2)目标信号波形一般比较陡峭，故对原始磁场信号进行差分后计算信噪比。对第1)步筛选出的单帧峰峰值最大的一路原始磁场信号进行差分计算，差分计算公式如下：
[0082][0083]
得到一组新的单帧数据。
[0084]
信噪比计算公式：其中ps和pn分别代表信号和噪声的有效功率。ps采用差分后的信号的最大值，pn采用远离最大值的基底值，按照上述公式计算信噪比，若此值大于第一信噪比阈值，认为此帧有目标信号存在可能，否则认为无目标，进行下一帧判断。
[0085]
图4是没有异物时的传送带原始运行图，可以看出，一些缺陷信号也被检测到，图5是有异物时的波形图，目标幅值还是比较强。图6是某基底噪声波形，图7为基底噪声差分后波形图，可以看出，差分以后最大值和基底比值就比较小，可认为无目标信号。图8选择有缺陷的一帧信号，图9为缺陷干扰信号差分后波形图，可以看出，差分以后波形最大值和基底比值是很大的，判为疑似目标信号。图10是有目标信号的一帧波形，图11为目标信号差分后波形图，同样，差分后波形最大值和基底比值很大，也会判为疑似目标信号。
[0086]
2、精判算法
[0087]
经过粗判算法后，精判算法进一步区分异物信号、缺陷干扰信号和皮带连接部分干扰信号。
[0088]
(1)连接部分干扰判别与滤除
[0089]
对于连接部分干扰，因为它会引起每个传感器比较一致的波形，且幅值也较高，故可统计传感器峰值大于某一阈值的个数。经过粗判算法筛选后，对m路传感器的单帧数据，进行峰值与峰值阈值比较，若此个数近似和传感器总个数相等，就认为是连接部分干扰，排除掉。无异物时的连接干扰信号整体波形图和局部放大图如图12-13所示。
[0090]
(2)缺陷干扰判别与滤除
[0091]
经过第(1)步连接部分干扰信号的滤除，然后进行
①
—》
②
—》
③
步骤进行判别：
[0092]
①
小的缺陷干扰判别，通过幅值判断滤除掉。
[0093]
②
大的缺陷干扰判别：通过观察异物干扰波形和缺陷干扰波形，发现缺陷信号频率相对较高，而异物信号频率较低，采用连续小波变换的方法。
[0094]
小波变换可将一个时间信号变换到时间频率域，可以更好的观察信号的局部特性，可以同时观察信号的时间和频率信息。小波变换公式如下：
[0095][0096]
小波变换有两个变量：尺度α(scale)和平移量τ(translation)。尺度α控制小波函数的伸缩，平移量τ控制小波函数的平移。尺度就对应于频率(反比)，平移量对应于时间。
[0097]
选择合适的某个固定尺度，利用连续小波变换，然后计算信噪比snr，通过信噪比与第二信噪比阈值对比，小于第二信噪比阈值的为缺陷干扰。
[0098]
图14-图17比较了异物信号和干扰信号小波变换后的波形，从图上可以看出，小波变换后，异物信号更为突出，得到了增强，而缺陷信号和周围信号相比，得到一定程度抑制。
[0099]
③
跳变点判断进一步滤除缺陷干扰
[0100]
对于信噪比仍然较大的缺陷干扰，采用跳变点判断方法作进一步判断。对信噪比较大的帧连续取两帧信号，对原始磁场信号进行首尾跳变点判断，只有点数大于点数阈值的，才认为是异物信号。图18为异物信号的跳变点，首尾跳变点分别是第126个点(3310)、第428个点(-3270)，图19为缺陷信号的跳变点，首尾跳变点分别是第109个点(-255)、第365个点(-3660)。经过跳变点判断对比，异物信号持续时间是比缺陷信号持续时间要长几十个点。
[0101]
(3)异物信号检测
[0102]
经过几轮判断以后，可以有效地滤除缺陷干扰和连接部分干扰，最终可以比较准确地检测出异物信号，由于已经得到首尾跳变点位置，取其平均值即能得到异物的位置。
[0103]
本发明采用被动式测量，不施加任何磁场，真实反映金属异物感应磁场；不怕任何非导磁性材料弥漫在空间或附着在设备上，不需要清洁。金属探测模组按标准化设计、采用模块化结构，可任意组合拼接，以适应不同宽度的皮带。并且本发明不受水雾、粉尘影响、免维护，实时在线、无损、被动式、非接触、无辐射探测。
[0104]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0105]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。