激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统及方法与流程

本发明涉及一种激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统及方法。

背景技术：

煤矿开采中人员、设备进出矿井都需要借助绞车升降系统。工作时钢丝绳需要承担沉重的负担，如果绞车升降系统钢丝绳一旦出现断裂事故，必将发生重大伤亡。如果能在钢丝绳出现事故前，提前发现钢丝绳出现破损严重的情况，就可在钢丝绳出现断绳事故前及时更换钢丝绳，就能有效避免严重事故的发生。

钢丝绳强磁感应检测技术是一项发展了百余年的技术，其作用是通过技术手段，无损检测出钢丝绳中存在的缺陷，国内外的各类标准和规范中都要求使用该类仪器来检查钢丝绳的损伤状况。但是，钢丝绳探伤仪的使用仍不理想。

钢丝绳强磁感应检测技术是通过强磁铁在经过的钢丝绳上感应出磁场来，当钢丝绳外部出现钢丝断裂、扭曲、磨损、锈蚀等情况时，感应磁场会发出变化，通过磁敏感元件可以检测出磁场的上述变化，进而在钢丝绳运转过程中找出钢丝绳破损处。当钢丝绳钢丝出现严重磨损时，钢丝绳的金属截面也会发生变化，这种金属截面的变化决定了钢丝绳饱合磁通量的变化，磁敏元件可以感应这种钢丝绳饱合磁通量变化，但是并不灵敏，不能准确及时发现这种变化。

2017年06月13日、授权的、授权公告号为cn104613884b的中国发明专利公开了一种激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统及方法，该激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统在原有的强磁感应检测系统上增加钢丝绳在线激光测径装置，通过激光发射/接收机构精确计算出钢丝绳的瞬时直径，并求出每个股螺距的钢丝绳外径平均值，通过比较该钢丝绳外径平均值与钢丝绳的正常外径之间差值，找钢丝绳直径变化最大的异常点及异常点距钢丝绳起始点的距离，可以提早发现钢丝出现的局部缩颈现象，提前发现钢丝绳出现的事故隐患。该发明需要在钢丝绳附近设置密集、平行设置n个激光发射点和n个光电感应元件，受现有激光发射器和光电感应元件体积影响，激光束密度有限，导致测量精度有限，且该装置只适合测量圆钢丝绳，无法测量扁钢丝绳。

为此，需要提供一种精度不依赖激光束密度，且能测量扁钢丝绳的激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统及方法，

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何提供一种精度不依赖激光束密度、便于人工局部复检的、高精度激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统及方法。

为解决上述技术问题，本激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统包括磁探伤传感器、控制器、存贮装置和显示器，其特征在于：其还包括扁钢丝绳激光测宽装置，该扁钢丝绳激光测宽装置包括两个箱形壳体，激光发射器、高速电机、旋转棱镜，转平行光凸透镜、平行光汇聚透镜、光电感应元件和电源线与信号线，两个箱形壳体分居两侧，其相对面上分别开有圆形窗口，所述转平行光凸透镜、平行光汇聚透镜分别安装在两个圆形窗口上，且二者轴心线均水平且重合，所述激光发射器、高速电机、旋转棱镜安装在所述转平行光凸透镜所在的箱形壳体内，其中旋转棱镜具有m个反射面，上述反射面均匀围成正m棱柱形，上述旋转棱镜竖直设置，其轴心线与转平行光凸透镜的轴心线垂直相交，该旋转棱镜由高速电机驱动，所述激光发射器固定在旋转棱镜和转平行光凸透镜之间，且激光发射器指向所述旋转棱镜，当旋转棱镜旋转到邻近转平行光凸透镜的反射面垂直于转平行光凸透镜的轴心线时，该反射面的中心恰好位于所述转平行光凸透镜焦点上，激光发射器发出的激光束恰好指向该焦点，光电感应元件与所述控制器的信号输入端相连，其中m为正整数，且5≤m≤8。如此设计，通过旋转棱镜每转过一面，扫描一次扁钢丝绳，光电感应元件感应到两个相邻脉冲信号，相对计算两个相邻脉冲信号的间隔时间，可以得出扁钢丝绳的宽度，通过宽度变化，可以发现异常，及时人工检修异常点，必要时及时更换钢丝绳。

作为优化，所述磁探伤传感器包括壳体，壳体呈圆筒形，其上开有一个u形槽，u形槽的两侧侧壁四角分别嵌有一块强磁铁，上述强磁铁在u形槽的侧壁上排成两排、两列，两列强磁铁之间的侧壁上还嵌有3个自上而下均匀排布的磁敏感元件，上述磁敏感元件的信号线引出壳体外，并通过a/d转换电路与控制器的磁感应信号输入端相接，壳体顶部固定有两个辊筒，两个辊筒分居u形槽两侧，其轴心线均平行于所述u形槽的侧壁，其中至少一个辊筒为测速辊筒，该测速辊筒的信号输出端与控制器的扁钢丝绳速度信号输入端相接。如此设计，结构竖凑，适合对扁钢丝绳进行强磁无损探伤。

作为优化，所述壳体固定在一横向滑块上，该横向滑块设置在横向滑轨上，该横向滑轨固定在一纵向滑块上，该纵向滑块设置于两个纵向滑轨上，两个纵向滑轨固定在一个方形框架上，该方形框架、横向滑块和纵向滑块分别设有缺口，且扁钢丝绳均可进入上述缺口，横向滑块与纵向滑块之间设有横向电动推杆，纵向滑块与方形框架之间设有纵向电动推杆。上述横向电动推杆和纵向电动推杆的控制电信号输入端分别与控制器的控制信号输入端相连。如此设计，便于安装调控。

作为优化，所述光电感应元件为光敏电阻。如此设计，效果好。

作为优化，所述高速电机的转速≥15000转/分钟。当然转速越高，检测时，扁钢丝绳的移动速度就可以越快。以六棱旋转棱镜为例，据估算，若采用15000转/分钟的电机，扁钢丝绳移动速度不宜超过0.1米/秒。目前现有技术已经出现了转速高达15万转/分钟的高速电机。如此设计，扁钢丝绳的移动不必过慢。

前述的激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统进行扁钢丝绳在线探伤的方法，包括下述步骤：

①.将前述方形框架固定在扁钢丝绳周边，使扁钢丝绳位于方形框架中心，并使扁钢丝绳平行于u形槽的侧壁平面，先调节横向电动推杆，使扁钢丝绳的竖直平分面与所述u型槽的平分面重合，然后再调节纵向电动推杆，使u形槽恰好套在扁钢丝绳上，最后调节横向电动推杆，使测速辊筒贴靠在扁钢丝绳的一侧侧面上，并可以随着扁钢丝绳的移动而转动，并标记或记录扁钢丝绳的起始点；

②.开启扁钢丝绳配用的提升机，同时启动本激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统，控制器自动启动高速电机和激光发射器，高速电机带动旋转棱镜以恒定的高速旋转，旋转棱镜每转过一面，其反射的激光扫描一次扁钢丝绳，

每扫描一次，所述光电感应元件收到两个相邻脉冲电信号，所述控制器计算这两个相邻脉冲电信号中前一个脉冲电信号的终止时刻tn和后一个脉冲电信号的起始时刻tn^/之间时间差，即tn-tn^/＝△tn，用△tn表征测量到钢丝绳的宽度，根据测速辊筒传来的速度信号和累计过往时间计算出从扁钢丝绳配用的提升机开启时至(tn+△tn/2)时扁钢丝绳的累计位移量ln，其中n为正整数，用来标记测量脉冲的次序，

③.待检测完全部待检测扁钢丝绳后，停止扁钢丝绳配用的提升机，控制器自动计算所测得的全部△tn的算术平均数△t0，并找出最小的△t值，即△tmin，以△t0与△tmin之间差值的二分之一为标准异常差值，找出所有与算术平均数△t0之间差值大于标准异常差值的△tn作为宽度异常点，找出所有异常点对应的扁钢丝绳的累计位移量ln作为宽度异常点的横坐标集合ⅰ，

以磁探伤传感器检测出的磁感应信号为纵坐标，以扁钢丝绳的累计位移量ln为横坐标，形成扁钢丝绳磁感应信号二维全曲线，控制器扫描扁钢丝绳磁感应信号二维全曲线，找出异常的波形图段和异常的波形图对应的扁钢丝绳的累计位移量ln作为磁感异常点的横坐标集合ⅱ，

合并宽度异常点的横坐标集合ⅰ和磁感异常点的横坐标集合ⅱ，得到宽度或磁感异常点的横坐标集合，以上述宽度或磁感异常点的横坐标集合对应的所有ln值为横坐标，上述宽度或磁感异常点对应的△tn为纵坐标，形成宽度或磁感异常点扁钢丝绳宽度二维曲线图，同时在该宽度或磁感异常点扁钢丝绳宽度二维曲线图上显示各个宽度或磁感异常点对应的异常的波形图段，

④.将上述宽度或磁感异常点扁钢丝绳宽度二维曲线图显示在显示器上，同时在该宽度或磁感异常点扁钢丝绳宽度二维曲线图上，显示纵坐标为△t0的所有点构成的水平线，借以表示全部△tn的算术平均数△t0，由工作人员启动扁钢丝绳配用的提升机，对照显示器人工查看各个宽度或磁感异常点对应的扁钢丝绳上的不同区段，综合判断是否需要更换或维修扁钢丝绳。如此设计，测量精度不依赖激光束密度，安装、组装方便。

作为优化，第③步找出最小的△t值，即△tmin后，先计算△tmin是否小于或等于90％△t0，若△tmin＞90％△t0，继续第③步记载运行步骤，若△tmin≤90％△t0，则马上发出警报，并立即将扁钢丝绳配用的提升机的罐笼就近停靠在井下或井口，迅速撤离其内的工作人员，立即检修，避免人员伤亡。如此设计，扁钢丝绳宽度减少10％，意味着扁钢丝绳出现了断股或严重颈缩，极度危险，应当立即停止使用。

本发明激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统及方法具有精度不依赖激光束密度、便于人工局部复检、精度高、组装、生产方便的优点，适用于各种采矿企业。

附图说明

下面结合附图对本发明激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统及方法作进一步说明：

图1是本激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统电路线框图；

图2是本激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统的扁钢丝绳激光测宽装置的未扫描到扁钢丝绳时的示意图；

图3是图2中激光束经平行光汇聚透镜和平行光汇聚透镜折射至光电感应元件的示意图；

图4是图3中激光束进一步移动，经平行光汇聚透镜折射后被扁钢丝绳一侧边缘阻挡的示意图；

图5是图4中激光束进一步移动，经平行光汇聚透镜折射后被扁钢丝绳另一侧边缘阻挡的示意图；

图6是图4中激光束进一步移动，脱离扁钢丝绳另一侧边缘，经平行光汇聚透镜和平行光汇聚透镜折射至光电感应元件的示意图；

图7是本激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统的扁钢丝绳激光测宽装置的激光发射器发出的激光束扫描时，形成光电脉冲信号示意图；

图8是本激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统工作时，在显示器上显示的宽度或磁感异常点扁钢丝绳宽度二维曲线示意图；

图9是本激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统的壳体、u形槽、强磁铁、磁敏感元件及辊筒的立体结构示意图；

图10是本激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统的壳体、u形槽、辊筒、横向滑块、横向滑轨、纵向滑块、纵向滑轨及方形框架的俯视结构示意图。

图中：1为磁探伤传感器、2为控制器、3为存贮装置、4为显示器、5为箱形壳体、6为激光发射器、7为高速电机、8为旋转棱镜、9转平行光凸透镜、10为平行光汇聚透镜、11为光电感应元件、101为壳体、102为u形槽、12为强磁铁、103为磁敏感元件、104为辊筒、105为横向滑块、106为横向滑轨、107为纵向滑块、108为纵向滑轨、109为方形框架、13为扁钢丝绳、14为横向电动推杆、15为纵向电动推杆、tn为前一个脉冲电信号的终止时刻、tn^/为后一个脉冲电信号的启始时刻、△tn为前、后相邻脉冲电信号之间的间隔时间、△tmin为最短的前、后相邻脉冲电信号之间的间隔时间、ln为扁钢丝绳的累计位移量、16为线缆、17为激光束。

具体实施方式

实施方式一：如图1-10，本激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统包括磁探伤传感器1、控制器2、存贮装置3和显示器4，如图1所示。

其特征在于：其还包括扁钢丝绳激光测宽装置，该扁钢丝绳激光测宽装置包括两个箱形壳体5，激光发射器6、高速电机7、旋转棱镜8，转平行光凸透镜9、平行光汇聚透镜10和光电感应元件11及必要线缆，两个箱形壳体5分居两侧，其相对面上分别开有圆形窗口，所述转平行光凸透镜9、平行光汇聚透镜10分别安装在两个圆形窗口上，且二者轴心线均水平且重合，所述激光发射器6、高速电机7、旋转棱镜8安装在所述转平行光凸透镜9所在的箱形壳体内，其中旋转棱镜8具有m个反射面，上述反射面均匀围成正m棱柱形，上述旋转棱镜8竖直设置，其轴心线与转平行光凸透镜9的轴心线垂直相交，该旋转棱镜8由高速电机7驱动，所述激光发射器6固定在旋转棱镜8和转平行光凸透镜9之间，且激光发射器6指向所述旋转棱镜8，当旋转棱镜8旋转到邻近转平行光凸透镜9的反射面垂直于转平行光凸透镜9的轴心线时，该反射面的中心恰好位于所述转平行光凸透镜9的焦点上，激光发射器6发出的激光束恰好指向该焦点，光电感应元件11与所述控制器的信号输入端相连，其中m为正整数，且5≤m≤8。如图2-6，

所述磁探伤传感器1包括壳体101，壳体101呈圆筒形，其上开有一个u形槽102，u形槽102的两侧侧壁四角分别嵌有一块强磁铁12，上述强磁铁12在u形槽102的侧壁上排成两排、两列，两列强磁铁12之间的侧壁上还嵌有3个自上而下均匀排布的磁敏感元件103，上述磁敏感元件103的信号线(图中未示出)引出壳体101外，并通过a/d转换电路(图中未示出)与控制器2的磁感应信号输入端相接，壳体101顶部固定有两个辊筒104，两个辊筒104分居u形槽两侧，其轴心线均平行于所述u形槽102的侧壁，其中至少一个辊筒为测速辊筒，该测速辊筒的信号输出端与控制器2的扁钢丝绳速度信号输入端相接。如图9所示。

所述壳体101固定在一横向滑块105上，该横向滑块105设置在横向滑轨106上，该横向滑轨106固定在一纵向滑块107上，该纵向滑块107设置于两个纵向滑轨108上，两个纵向滑轨108固定在一个方形框架109上，该方形框架109、横向滑块105和纵向滑块107分别设有缺口，且扁钢丝绳13均可进入上述缺口，横向滑块105与纵向滑块107之间设有横向电动推杆14，纵向滑块107与方形框架109之间设有纵向电动推杆15。上述横向电动推杆14和纵向电动推杆15的控制电信号输入端分别与控制器2的控制信号输入端相连。如图10所示。

所述光电感应元件11为光敏电阻。所述高速电机7的转速≥15000转/分钟。

利用实施方式一所述的激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统进行扁钢丝绳在线探伤的方法，包括下述步骤：

①.将前述方形框架109固定在扁钢丝绳13周边，使扁钢丝绳13位于方形框架中心，并使扁钢丝绳13平行于u形槽102的侧壁平面，先调节横向电动推杆14，使扁钢丝绳13的竖直平分面与所述u型槽102的平分面重合，然后再调节纵向电动推杆15，使u形槽102恰好套在扁钢丝绳13上，最后调节横向电动推杆14，使测速辊筒贴靠在扁钢丝绳13的一侧侧面上，并可以随着扁钢丝绳13的移动而转动，并标记或记录扁钢丝绳13的起始点；

②.开启扁钢丝绳13配用的提升机(图中未示出)，同时启动本激光强磁扁钢丝绳无损探伤系统，控制器2自动启动高速电机7和激光发射器6，高速电机7带动旋转棱镜8以恒定的高速旋转，旋转棱镜8每转过一面，其反射的激光扫描一次扁钢丝绳13，

每扫描一次，所述光电感应元件11收到两个相邻脉冲电信号，所述控制器2计算这两个相邻脉冲电信号中前一个脉冲电信号的终止时刻tn和后一个脉冲电信号的起始时刻tn/之间时间差，即tn-tn/＝△tn，用△tn表征测量到钢丝绳的宽度，根据测速辊筒传来的速度信号和累计过往时间计算出从扁钢丝绳13配用的提升机开启时至(tn+△tn/2)时扁钢丝绳的累计位移量ln，其中n为正整数，用来标记测量脉冲的次序，如图7所示。

③.待检测完全部待检测扁钢丝绳13后，停止扁钢丝绳13配用的提升机，控制器2自动计算所测得的全部△tn的算术平均数△t0，并找出最小的△t值，即△tmin，以△t0与△tmin之间差值的二分之一为标准异常差值，找出所有与算术平均数△t0之间差值大于标准异常差值的△tn作为宽度异常点，找出所有异常点对应的扁钢丝绳13的累计位移量ln作为宽度异常点的横坐标集合ⅰ。

以磁探伤传感器检测出的磁感应信号为纵坐标，以扁钢丝绳13的累计位移量ln为横坐标，形成扁钢丝绳磁感应信号二维全曲线，控制器2扫描扁钢丝绳磁感应信号二维全曲线，找出异常的波形图段和异常的波形图对应的扁钢丝绳的累计位移量ln作为磁感异常点的横坐标集合ⅱ。

合并宽度异常点的横坐标集合ⅰ和磁感异常点的横坐标集合ⅱ，得到宽度或磁感异常点的横坐标集合，以上述宽度或磁感异常点的横坐标集合对应的所有ln值为横坐标，上述宽度或磁感异常点对应的△tn为纵坐标，形成宽度或磁感异常点扁钢丝绳宽度二维曲线图，同时在该宽度或磁感异常点扁钢丝绳宽度二维曲线图上显示各个宽度或磁感异常点对应的异常的波形图段。

④.将上述宽度或磁感异常点扁钢丝绳宽度二维曲线图显示在显示器上，同时在该宽度或磁感异常点扁钢丝绳宽度二维曲线图上，显示纵坐标为△t0的所有点构成的水平线，借以表示全部△tn的算术平均数△t0，由工作人员启动扁钢丝绳配用的提升机，对照显示器人工查看各个宽度或磁感异常点对应的扁钢丝绳13上的不同区段，综合判断是否需要更换或维修扁钢丝绳13。如图8所示。

作为优化，第③步找出最小的△t值，即△tmin后，先计算△tmin是否小于或等于90％△t0，若△tmin＞90％△t0，继续第③步记载运行步骤，若△tmin≤90％△t0，则马上发出警报，并立即将扁钢丝绳13(图中未示出)配用的提升机的罐笼就近停靠在井下或井口，迅速撤离其内的工作人员，立即检修，避免人员伤亡，图略。