监测电梯曳引钢带状态的电磁传感器及监测方法与流程

本发明涉及电梯曳引钢带状态监测领域，特别涉及一种监测电梯曳引钢带状态的电磁传感器及监测方法。

背景技术：

曳引钢带是电梯曳引系统中的重要部件，因为曳引钢带需要承载轿厢、人员和对重的全部重量，并通过与曳引轮之间的摩擦力驱动轿厢升降；然而在电梯的升降过程中，曳引钢带除了正常磨损外还时常发生强度损失的问题，比如外部冲击、疲劳损伤、断股等，严重影响电梯正常运行。因此为了确保电梯曳引钢带始终处于安全可靠状态，需要采用合适的无损检测方法对曳引钢带进行状态监测与安全性能评价，从而保障电梯的运行安全。

现有的曳引钢带与传统钢丝绳相比，结构发生了很大变化，由圆柱形无包覆层的钢丝绳演变成扁平型的由聚氨酯层包覆的多股钢芯的曳引钢带，因为结构的不同，导致之前的无损检测仪器很难直接应用。因此需要针对现有的曳引钢带开发新的无损检测仪器，实现对曳引钢带的状态监测。

目前对于现有的曳引钢带状态监测方法有电阻检测法，高频电压检测法和电磁检测法。电阻检验法，利用直流电压激励获取曳引钢带钢芯首末相连的电阻值变化情况，由此判断电梯曳引钢带断股情况，但是该方法不仅受环境温度影响大，而且不能判别老化、疲劳损伤等未断股的缺陷。高频电压检测法，通过发射电路模块分别向各股钢丝绳发送预设频率的高频电压，接受电路模块接受各股钢丝绳的输出电压，将接受到的功率值与初始值进行比较，判断复合曳引钢带的磨损程度，但是该方法不能准确定位曳引钢带的缺陷位置，而且检测精度低，容易发生漏检的情况。电磁检测法，利用曳引钢带缺陷处引起的标准磁源的磁场扰动，然后通过传感器获取磁场强度，并对波形信号进行差分，放大，滤波处理，从而实现电梯曳引钢带的损伤检测，但是该方法基准磁场源采用空气耦合，磁化效果不理想，电磁耦合效率低，而且仍然无法实现不同类型的电梯曳引钢带缺陷的同时检测和缺陷处精确定位的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种监测电梯曳引钢带状态的电磁传感器及监测方法，从而实现对电梯曳引钢带的不同类型缺陷的同时检测并精确定位，同时提高电磁耦合效率和检测灵敏度。

一种监测电梯曳引钢带状态的电磁传感器及监测方法，包括磁路模块和检测模块；磁路模块由激励磁源、中间磁轭臂、磁轭梁和磁轭侧臂组成，磁轭侧臂分布在中间磁轭臂的两侧，磁轭梁固定连接中间磁轭臂和磁轭侧臂，激励磁源设置于中间磁轭臂上；检测模块由磁通量检测线圈、磁敏传感器、位移传感器和信号处理器组成，磁通量检测线圈获取磁通量信号，磁敏传感器检测漏磁信号，位移传感器采集位置信号，信号处理器接收信号并分析处理，从而实现对曳引钢带缺陷的监测和定位。

进一步，磁路模块为e型拓扑结构，磁路模块的磁轭梁为长方体，磁轭梁横向水平放置并且平行与曳引钢带，磁路模块的磁轭侧臂为长方体，磁轭侧臂的一端竖向水平固定于磁轭梁上，磁轭侧臂的另一端与曳引钢带平行且保持间隙，磁路模块的中间磁轭臂为长方体且固定于磁轭梁上，中间磁轭臂与左右两边的磁轭侧臂平行且保持等距离的间隙，磁路模块的中间磁轭臂、磁轭梁和磁轭侧臂均采用具有高磁导率和高磁感应强度特性的材料。

磁路模块采用的e型拓扑结构，磁路模块的磁轭梁，中间磁轭臂和磁轭侧臂采用高磁导率材料耦合作为磁路系统的磁轭，磁化效果理想，电磁耦合效率高，磁路模块的中间磁轭臂集成有激励磁源，从而使整个磁路系统实现体积小、质量轻和安装方便的优点。

激励磁源产生的磁场通过e型拓扑结构的磁路模块进行聚磁和引导，扰动的灵敏度效果明显，提高了检测灵敏度。

进一步，激励磁源通过永磁体嵌在磁路模块的中间磁轭臂上，或通过线圈缠绕在中间磁轭臂上，激励磁源为中间磁轭臂提供磁动势，中间磁轭臂靠近磁轭梁的一端为n极，中间磁轭臂靠近曳引钢带的一端为s极，或中间磁轭臂靠近磁轭梁的一端为s极，中间磁轭臂靠近曳引钢带的一端为n极。

激励磁源位于中间磁轭臂上，为磁路模块的中间磁轭臂，两个磁轭侧臂和曳引钢带的钢芯提供磁动势，所形成的磁场强度均匀，电磁耦合效率高。

进一步，激励磁源提供的磁动势能够进行大小范围的调节，提供的磁动势使曳引钢带内的钢芯处于磁饱和状态。

激励磁源为整个磁路模块提供磁动势，磁动势通过调节永磁体几何尺寸或通过调节电磁铁的输入电流大小，进而调节磁动势的大小，通过调节磁动势的大小实现针对不同钢芯尺寸及材料磁特性的曳引钢带都能处于磁饱和状态，从而使钢芯存在缺陷处引起的漏磁现象更明显。

进一步，磁通量检测线圈缠绕在磁路模块的两个磁轭侧臂上，形成左侧臂磁通量检测线圈和右侧臂磁通量检测线圈，磁通量检测线圈获取每条磁回路上的磁通量变化情况。

曳引钢带内部包含有n条钢芯，每条钢芯被激励磁源磁化后与磁路模块形成磁回路，从而使磁通量检测线圈获取每条磁回路上的磁通量变化情况。

进一步，磁敏传感器有两组，每组包含多个磁敏传感器，一组磁敏传感器设置于左边磁轭侧臂与中间磁轭臂的中间位置处，并与磁轭侧臂与中间磁轭臂保持同一水平面，另一组磁敏传感器设置于右边磁路模块的磁轭侧臂与磁路模块中间磁轭臂的中间位置处，并与磁轭侧臂与中间磁轭臂保持同一水平面，磁敏传感器用于获取曳引钢带不同位置上的缺陷漏磁信号。

进一步，电磁传感器与曳引钢带形成两个闭合磁回路，一条闭合磁回路的路径顺序依次为中间磁轭臂、磁轭梁、左磁轭侧臂、气隙、曳引钢带、中间磁轭臂，另一条闭合磁回路的路径顺序依次为中间磁轭臂、磁轭梁、右磁轭侧臂、气隙、曳引钢带、中间磁轭臂，两条闭合磁路的磁动势由激励磁源提供，曳引钢带内的钢芯处于磁饱和状态。

进一步，位移传感器由编码器和滚轮组成，位移传感器设置于电磁传感器的外侧，并固定于电磁传感器磁轭梁的侧面上，且与磁敏传感器位于曳引钢带的同一侧面，位移传感器的滚轮上设置有弹性调节结构，滚轮紧贴于曳引钢带表面，位移传感器的编码器采集滚轮的位移信号，从而获取位移变化量。

位移传感器的滚轮设置有弹性调节结构，通过弹性调节结构使滚轮紧贴于曳引钢带表面，并使位移传感器的滚轮与曳引钢带同步转动，编码器上设置有滚轮，能够将旋转位移转换成数字脉冲信号，位移传感器用于获取电磁传感器与被检对象自起始位置的位移变化量，用于精准确定曳引钢带的缺陷所在位置。

进一步，信号处理器由数据采集卡和上位机组成，数据采集卡同时获取磁敏传感器的漏磁场信号、磁通量检测线圈的磁通量信号和位移传感器的位移信号，并将同时获取的三组信号通过数据采集卡传输给上位机进行分析。

曳引钢带内部钢丝绳缺陷分为两类：一类是横截面积变小；另一类是断丝、断股等缺陷；电磁传感器同时提取磁通量信号和漏磁场信号，并对提取的信号进行差分，放大和滤波处理，由上位机进行综合分析，因此能够实现同时监测两类典型缺陷。

在曳引钢带钢丝绳磁化饱和的情况下，曳引钢带横截面积的变小会引起磁通量的明显变化，断丝和断股缺陷会引起漏磁场信号的明显变化，因此传感器中集成两个检测信号，可同时对两类典型缺陷进行监测。若存在缺陷，则在对应位置上获取的漏磁场信号和磁通量信号存在的跳变过程；若没有缺陷，则差分信号处于零轴线附近波动，该波动由噪声干扰引起。

进一步，电磁传感器进行缺陷监测的方法包括以下步骤：

步骤1，将电磁传感器和外置的位移传感器固定于电梯机械部件上，并与曳引钢带保持一定间隙，位移传感器的滚轮和曳引钢带表面接触；

步骤2，电磁传感器工作时，若电梯曳引钢带上无损伤缺陷，则两条闭合磁路上的磁特性一致，左磁轭侧臂磁通量检测线圈和右磁轭侧臂磁通量检测线圈的差分信号为零，两组磁敏传感器的差分信号也为零；

步骤3，电磁传感器工作时，若电梯曳引钢带中存在断丝、断股或横截面积变小等损伤缺陷，则在损伤缺陷部位处的磁导率、磁阻等电磁特性将发生变化，引起两条闭合磁回路中磁通量和磁场强度发生变化，从而导致左磁轭侧臂磁通量检测线圈和右磁轭侧臂磁通量检测线圈的差分信号发生跳变以及两组磁敏传感器的差分信号也发生跳变；

步骤4，通过上位机分析多通道数据采集卡获取的检测信号，即可得到曳引钢带不同位置上磁通量和漏磁信号的变化情况，若曳引钢带任意处存在缺陷，则磁通量和漏磁信号在缺陷位置处会表现出瞬时跳变的现象。

本发明的优点在于：

1、磁路模块采用的e型拓扑结构，磁场源采用高磁导率材料耦合，磁化效果理想，电磁耦合效率高，而且具有体积小、质量轻和安装方便的优点。

2、电磁传感器同时提取磁通量信号和漏磁场信号，从而实现对不同类型的电梯曳引钢带缺陷的同时检测，具有信号抗干扰能力强，检测灵敏度高的优点。

3、电磁传感器外置有位移传感器，位移传感器的滚轮与曳引钢带同步转动，可实现曳引钢带损伤部位的准确定位。

附图说明

图1是电磁传感器的结构示意图。

图2是电梯曳引钢带的结构示意图。

图3是电磁传感器检测电梯曳引钢带的示意图。

图4是磁路模块的闭合磁回路说明示意图。

图中标识：激励磁源1，中间磁轭臂2，磁轭梁3，磁轭侧臂4，磁通量检测线圈5，磁敏传感器6，位移传感器7，信号处理器8，数据采集卡9，上位机10，曳引钢带11，钢芯12，聚氨酯层13，电磁传感器14，轿厢15，对重16，磁感线17，间隙18。

具体实施方式

作为一种实施方式，如图1所示，一种监测电梯曳引钢带状态的电磁传感器及监测方法，包括磁路模块和检测模块；磁路模块由激励磁源1、中间磁轭臂2、磁轭梁3和磁轭侧臂4组成，磁轭侧臂4分布在中间磁轭臂2的两侧，磁轭梁3固定连接中间磁轭臂2和磁轭侧臂4，激励磁源1设置于中间磁轭臂2上；检测模块由磁通量检测线圈5、磁敏传感器6、位移传感器7和信号处理器8组成，磁通量检测线圈5获取磁通量信号，磁敏传感器6检测漏磁信号，位移传感器7采集位置信号，信号处理器8接收信号并分析处理，从而实现对曳引钢带11缺陷的监测和定位。

作为一种实施方式，磁路模块为e型拓扑结构，磁路模块的磁轭梁3为长方体，磁轭梁3横向水平放置并且平行与曳引钢带11，磁路模块的磁轭侧臂4为长方体，磁轭侧臂4的一端竖向水平固定于磁轭梁3上，磁轭侧臂4的另一端与曳引钢带11平行且保持间隙18，磁路模块的中间磁轭臂2为长方体且固定于磁轭梁3上，中间磁轭臂2与左右两边的磁轭侧臂4平行且保持等距离的间隙18，磁路模块的中间磁轭臂2、磁轭梁3和磁轭侧臂4均采用具有高磁导率和高磁感应强度特性的材料。

优选的，磁路模块采用的e型拓扑结构，磁路模块的磁轭梁3，中间磁轭臂2和磁轭侧臂4采用高磁导率材料耦合作为磁路系统的磁轭，磁化效果理想，电磁耦合效率高，磁路模块的中间磁轭臂2集成有激励磁源1，从而使整个磁路系统实现体积小、质量轻和安装方便的优点。

优选的，激励磁源1产生的磁场通过e型拓扑结构的磁路模块进行聚磁和引导，扰动的灵敏度效果明显，提高了检测灵敏度。

作为一种实施方式，激励磁源1通过永磁体嵌在磁路模块的中间磁轭臂2上，或通过线圈缠绕在中间磁轭臂2上，激励磁源1为中间磁轭臂2提供磁动势，中间磁轭臂2靠近磁轭梁3的一端为n极，中间磁轭臂2靠近曳引钢带11的一端为s极，或中间磁轭臂2靠近磁轭梁3的一端为s极，中间磁轭臂2靠近曳引钢带11的一端为n极。

优选的，激励磁源1位于中间磁轭臂2上，为磁路模块的中间磁轭臂2，两个磁轭侧臂4和曳引钢带11的钢芯12提供磁动势，所形成的磁场强度均匀，电磁耦合效率高。

优选的，激励磁源1提供的磁动势能够进行大小范围的调节，提供的磁动势使曳引钢带11内的钢芯12处于磁饱和状态。

优选的，激励磁源1为整个磁路模块提供磁动势，磁动势通过调节永磁体几何尺寸或通过调节电磁铁的输入电流大小，进而调节磁动势的大小，通过调节磁动势的大小实现针对不同钢芯12尺寸及材料磁特性的曳引钢带11都能处于磁饱和状态，从而使钢芯12存在缺陷处引起的漏磁现象更明显。

作为一种实施方式，磁通量检测线圈5缠绕在磁路模块的两个磁轭侧臂4上，形成左侧臂磁通量检测线圈5和右侧臂磁通量检测线圈5，磁通量检测线圈5获取每条磁回路上的磁通量变化情况。

优选的，如图2所示，曳引钢带11内部包含有n条钢芯12，n条钢芯12通过聚氨酯层13包裹，每条钢芯12被激励磁源1磁化后与磁路模块形成磁回路，从而使磁通量检测线圈5获取每条磁回路上的磁通量变化情况。

优选的，磁敏传感器6有两组，每组包含多个磁敏传感器6，一组磁敏传感器6设置于左边磁轭侧臂4与中间磁轭臂2的中间位置处，并与磁轭侧臂4与中间磁轭臂2保持同一水平面，另一组磁敏传感器6设置于右边磁路模块的磁轭侧臂4与磁路模块中间磁轭臂2的中间位置处，并与磁轭侧臂4与中间磁轭臂2保持同一水平面，磁敏传感器6用于获取曳引钢带11不同位置上的缺陷漏磁信号。

作为一种实施方式，如图4所示，电磁传感器14与曳引钢带11形成两个闭合磁回路，一条闭合磁回路的磁感线17路径顺序依次为中间磁轭臂2、磁轭梁3、左磁轭侧臂4、气隙、曳引钢带11、中间磁轭臂2，另一条闭合磁回路的磁感线17路径顺序依次为中间磁轭臂2、磁轭梁3、右磁轭侧臂4、气隙、曳引钢带11、中间磁轭臂2，两条闭合磁路的磁动势由激励磁源1提供，曳引钢带11内的钢芯12处于磁饱和状态。

作为一种实施方式，如图3所示，位移传感器7由编码器和滚轮组成，位移传感器7设置于电磁传感器14的外侧，并固定于电磁传感器14磁轭梁3的侧面上，且与磁敏传感器6位于曳引钢带11的同一侧面，位移传感器7的滚轮上设置有弹性调节结构，滚轮紧贴于曳引钢带11表面，位移传感器7的编码器采集滚轮的位移信号，从而获取位移变化量，曳引钢带需要承载轿厢15和对重16的全部重量。

优选的，位移传感器7的滚轮设置有弹性调节结构，通过弹性调节结构使滚轮紧贴于曳引钢带11表面，并使位移传感器7的滚轮与曳引钢带11同步转动，编码器上设置有滚轮，能够将旋转位移转换成数字脉冲信号，位移传感器7用于获取电磁传感器14与被检对象自起始位置的位移变化量，用于精准确定曳引钢带11的缺陷所在位置。

作为一种实施方式，信号处理器8由数据采集卡9和上位机10组成，数据采集卡9同时获取磁敏传感器6的漏磁场信号、磁通量检测线圈5的磁通量信号和位移传感器7的位移信号，并将同时获取的三组信号通过数据采集卡9传输给上位机10进行分析。

优选的，如图2所示，曳引钢带11内部钢丝绳缺陷分为两类：一类是横截面积变小；另一类是断丝、断股等缺陷；电磁传感器14同时提取磁通量信号和漏磁场信号，并对提取的信号进行差分，放大和滤波处理，由上位机10进行综合分析，因此能够实现同时监测两类典型缺陷。

优选的，在曳引钢带11钢丝绳磁化饱和的情况下，曳引钢带11横截面积的变小会引起磁通量的明显变化，断丝和断股缺陷会引起漏磁场信号的明显变化，因此传感器中集成两个检测信号，可同时对两类典型缺陷进行监测。若存在缺陷，则在对应位置上获取的漏磁场信号和磁通量信号存在的跳变过程；若没有缺陷，则差分信号处于零轴线附近波动，该波动由噪声干扰引起。

作为一种实施方式，如图3所示，电磁传感器14进行缺陷监测的方法包括以下步骤：

步骤1，将电磁传感器14和外置的位移传感器7固定于电梯机械部件上，并与曳引钢带11保持一定间隙18，位移传感器7的滚轮和曳引钢带11表面接触；

步骤2，电磁传感器14工作时，若电梯曳引钢带11上无损伤缺陷，则两条闭合磁路上的磁特性一致，左磁轭侧臂4磁通量检测线圈5和右磁轭侧臂4磁通量检测线圈5的差分信号为零，两组磁敏传感器6的差分信号也为零；

步骤3，电磁传感器14工作时，若电梯曳引钢带11中存在断丝、断股或横截面积变小等损伤缺陷，则在损伤缺陷部位处的磁导率、磁阻等电磁特性将发生变化，引起两条闭合磁回路中磁通量和磁场强度发生变化，从而导致左磁轭侧臂4磁通量检测线圈5和右磁轭侧臂4磁通量检测线圈5的差分信号发生跳变以及两组磁敏传感器6的差分信号也发生跳变；

步骤4，通过上位机10分析多通道数据采集卡9获取的检测信号，即可得到曳引钢带11不同位置上磁通量和漏磁信号的变化情况，若曳引钢带11任意处存在缺陷，则磁通量和漏磁信号在缺陷位置处会表现出瞬时跳变的现象。

本发明的有益效果：磁路模块采用的e型拓扑结构，磁场源采用高磁导率材料耦合，磁化效果理想，电磁耦合效率高，而且具有体积小、质量轻和安装方便的优点。电磁传感器同时提取磁通量信号和漏磁场信号，从而实现对不同类型的电梯曳引钢带缺陷的同时检测，具有信号抗干扰能力强，检测灵敏度高的优点。电磁传感器外置有位移传感器，位移传感器的滚轮与曳引钢带同步转动，可实现曳引钢带损伤部位的准确定位。

在缺少本文中所具体公开的任何元件、限制的情况下，可以实现本文所示和所述的发明。所采用的术语和表达法被用作说明的术语而非限制，并且不希望在这些术语和表达法的使用中排除所示和所述的特征或其部分的任何等同物，而且应该认识到各种改型在本发明的范围内都是可行的。因此应该理解，尽管通过各种实施例和可选的特征具体公开了本发明，但是本文所述的概念的修改和变型可以被本领域普通技术人员所采用，并且认为这些修改和变型落入所附权利要求书限定的本发明的范围之内。

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