鋼絲繩缺陷漏磁信號的通道均衡化方法

趙 敏，張東來，周智慧

(哈爾濱工業大學深圳研究生院，518055廣東深圳)

鋼絲繩被廣泛應用于港口、電梯、礦井提升機中，是設備的關鍵部件，被形象地喻為“命根子”，為保證其安全可靠地工作，需要對鋼絲繩的運行狀況作定期檢測［1］，相關的標準也已初步形成［2］.漏磁檢測法是鋼絲繩無損檢測中最通用的方法，檢測傳感器主要有線圈傳感器［3］、霍爾傳感器［4］、磁通門傳感器［5］及巨磁阻傳感器［6］等，磁偶極子模型［7］、數值分析［8］、有限元方法［9］及神經網絡［10］等方法在漏磁場正問題及逆問題中也得到了廣泛的應用.由于傳統的檢測方法大多采用單霍爾或線圈傳感器，檢測鋼絲繩的主漏磁通，其輸出為一維信號，只能解析到缺陷在鋼絲繩上的軸向分布，而不能得到周向分布.引入霍爾陣列傳感器后，增加了周向分辨率及解析度［4］.在檢測過程中，霍爾的輸出結果容易受到霍爾傳感器與鋼絲繩之間距離［11］(即為提離距離)的波動、不同周向位置的勵磁不均勻性等因素影響，即使是針對同一缺陷進行檢測，霍爾傳感器輸出的幅值與相位也不同，此種現象稱之為通道失衡.通道失衡將嚴重影響檢測系統的性能及缺陷的定量檢測［12-14］.在使用“管道豬”對管道進行檢測時，由于其各個通道提離距離及勵磁場強不一致，通道失衡現象嚴重.文獻［12-14］中采用自適應濾波算法對“管道豬”的通道失衡進行抑制，取得了較好的效果.由于霍爾陣列傳感器的結構與“管道豬”的極為類似，也存在通道失衡問題，但鋼絲繩的表面結構與管道表面結構不同.本文結合鋼絲繩的螺旋結構特點，首先對漏磁信號進行基線估計，減小漏磁信號中因提離距離波動及勵磁不均造成輸出的直流低頻分量不均衡，再通過峰谷值檢測，以某一通道峰谷值為參考，對各通道的峰谷值歸一化，實現了鋼絲繩漏磁信號的通道均衡化.結果表明，均衡化后的漏磁圖像具有很好的缺陷檢測率.

1 鋼絲繩漏磁檢測系統

傳統的感應線圈傳感器的輸出為一維信號，可實現缺陷的軸向定位及斷絲的初步預估，基于霍爾陣列傳感器的漏磁檢測系統不僅能實現缺陷軸向、周向定位，且其輸出結果不受繩速影響，較感應線圈傳感器有更好的性能.鋼絲繩漏磁檢測系統結構圖如圖1所示.

圖1 鋼絲繩漏磁檢測系統結構圖

采用永磁體及由工業純鐵制成的磁軛形成閉合勵磁磁路，實現鋼絲繩的飽和勵磁.當鋼絲繩每相對運動0.65 mm時，編碼器發出一個同步脈沖給采集單元，數據采集單元采集30個霍爾通道的數據，隨著鋼絲繩穿過勵磁機構，完成對整根鋼絲繩漏磁數據的采集.基于霍爾陣列傳感器的鋼絲繩漏磁檢測系統主要有以下3個部分組成:1)永磁勵磁裝置，實現鋼絲繩軸向飽和勵磁.鋼絲繩的飽和勵磁是漏磁場產生的前提，理想勵磁方式為完全徑向勵磁，此方式勵磁的磁源利用率高，且周向均勻度好.在實際應用中，多采用多回路勵磁方式以提高勵磁均勻度，圖2所示為八回路勵磁結構.2)霍爾陣列傳感器，用于鋼絲繩附近漏磁檢測，安裝在勵磁裝置的中間對稱位置，其實物圖如圖3所示.3)漏磁數據采集分析系統，實現鋼絲繩缺陷漏磁信號的等間隔采樣及數據的在線分析，采集的霍爾陣列傳感器的數據經過如圖4所示的平面展開，形成缺陷漏磁圖像.數據采集過程中，當鋼絲繩與勵磁裝置之間發生相對運動時，光電編碼器將產生一系列的等間距脈沖，觸發控制單元對霍爾陣列傳感器的數據進行采集，經過在線分析處理，實現缺陷的定位及定量.

圖2 勵磁裝置實物圖

圖3 霍爾陣列傳感器的實物圖

圖4 檢測數據展開示意圖

2 漏磁信號的通道均衡化算法

在檢測過程中，一方面由于勵磁裝置的銅套直徑略大于鋼絲繩直徑，霍爾陣列傳感器中的各個霍爾元件將有不同的提離值，另外一方面，勵磁裝置為多回路永磁體拼接組成，鋼絲繩的周向勵磁強度失衡，導致霍爾陣列傳感器的各不同通道輸出有不同的直流偏置及不同的交流幅值.

如圖5所示，本文的通道均衡方法主要步驟如下:1)基線消除.因提離距離及勵磁不均等因素造成的輸出直流低頻波動為漏磁信號的基線，采用分段平均法，消除漏磁信號中的基線，分段數據的數目為一個股波周期內的采樣數據數目;2)峰谷值提取.查找因鋼絲繩的繩股及缺陷形成的漏磁場的交流信號幅值波動范圍;3)峰谷值歸一化.以某一通道的峰谷波動平均值為參考，用其他通道與參考通道的比值對各個不同的通道的峰谷值波動進行補償，將峰谷值的波動范圍歸一化.圖6為霍爾陣列傳感器的原始輸出數據，由圖可見，30個霍爾通道數據存在較大的相異性，通道失衡嚴重.圖7為其中某兩路霍爾通道的輸出，可以看出其信號的直流偏置及峰峰值波動都存在一定的差距.

圖5 通道均衡化流程圖

圖6 霍爾陣列傳感器的原始輸出

圖7 兩個不同通道霍爾的輸出

2.1 漏磁信號的基線消除

霍爾陣列傳感器中采用的霍爾元件型號為A1321，在零磁場時，其直流偏置輸出為Vs/2，Vs為霍爾元件供電電壓.假設單個霍爾元件的輸出為y(t)，則有

式中:μ為霍爾系數，Hd(t)為在當前提離值下的勵磁場場強，Ha(t)為缺陷及鋼絲繩繩股的漏磁場場強.提離距離的波動將造成勵磁場強的波動，漏磁信號的基線就是此波動影響的結果.

基線估計的方法是采用分段平均法，由于鋼絲繩為螺旋對稱結構，繩股所產生的漏磁信號類似正弦信號，在一個周期內的平均值趨近0，因此，分段平均的數據數目n的值由式(2)確定.

式中Ds為鋼絲繩股距，d為等空間采樣間隔.

圖8 漏磁信號的基線估計

圖8為基線估計的結果，預估出的基線所表示的是由于背景勵磁磁場及提離距離波動等造成的漏磁信號波動.通過式(3)消除漏磁信號的基線:

式中:S(i)為基線消除后的漏磁信號，xi為當前數據，N為采集數據總數.

2.2 通道均衡化

經過基線消除后，由于提離距離及勵磁不均等因素影響造成的低頻噪聲得到了很好的抑制，而上述因素對式(1)中的Ha(t)部分的影響還需要做進一步的歸一化.其歸一化的過程是提取漏磁信號的峰谷值后，以某一通道數據為基準對其他通道的峰谷值進行歸一化.漏磁信號的峰谷值提取算法流程如下:

1)設置查找峰值標志位F1，當其為1時，在檢測數據中查找峰值，為0時，在檢測數據中查找谷值;

2)設峰值Mx的初始值為-inf，谷值Mn的初始值為inf，峰谷值的閾值為δ;

3)檢測數據的當前值為Di，判斷當前值Di是否大于峰值Mx，若為真，則令Mx=Di，否則，Mx保持不變;

4)判斷當前值Di是否小于谷值Mn，若為真，則令Mn=Di，否則，Mn保持不變;

5)若F1為1，則判斷Di是否小于Mx-δ，若為真，則令Mn=Di，否則，Mn不變，修改F1為0;

6)若F1為0，則判斷Di是否大于Mn+δ，若為真，則令Mx=Di，否則Mx不變，修改F1為1;

7)判斷當前數據是否為最后一個數據，若否，則獲取下一個數據，重復3)～6)，直到完成所有數據的檢測判斷.

圖9為峰谷值檢測結果，設峰谷值的平均值為Vi，以通道1為基準，可通過式(4)對(3)式中的S(i)進行修正，修正后的數據為S'(i)，且

圖9 漏磁信號的峰谷值檢測

圖10 通道均衡化后的霍爾通道數據

在同一鋼絲繩的軸向及周向不同位置制作7個缺陷，采集其漏磁數據，圖11為采集的原始漏磁圖像數據，圖12為通道均衡后的漏磁灰度圖像，圖11中可明顯看到兩條較亮的線條，是因漏磁不均造成的信號通道失衡痕跡，經過通道均衡后，圖像的對比度及缺陷區域的清晰度都得到了明顯的提升.標準方差是衡量整體數據中個體間的離散程度，對于通道均衡前后的漏磁圖像，采用標準方差來衡量均衡化前后漏磁圖像的均衡度.均衡化前的漏磁圖像的標準方差為0.064 7，均衡化后為0.020 8，均衡化后的漏磁圖像的對比度及缺陷區域的可見度得到了較大提高.

圖11 通道均衡化前的漏磁灰度圖像

圖12 通道均衡化后的漏磁灰度圖像

分析兩幅漏磁圖像的股波紋理的方向特征，將均衡化前后的兩幅圖像使用Roberts交叉梯度算子f進行掩模濾波，

得到的濾波圖像如圖13～14所示.

圖13 通道失衡漏磁圖像的濾波圖像

圖14 通道均衡漏磁圖像的濾波圖像

經過統計分析及閾值分割，結果顯示:經過通道均衡化的漏磁圖像，檢出缺陷為7處，與實際所做缺陷數相符，而通道失衡的漏磁圖像，僅檢出2處缺陷.經過多組實測數據的驗證，均衡化的漏磁圖像的缺陷的檢測準確率遠高于通道失衡的漏磁圖像.

3 結論

1)相對于傳統的一維漏磁信號，使用霍爾陣列傳感器捕獲鋼絲繩表面沿周向、軸向漏磁場的三維分布，可以為缺陷的定量檢測提供更加全面的信息.

2)在漏磁檢測中，傳感器提離距離波動與勵磁強度不均勻性是導致各個不同霍爾通道數據產生相異性的根本原因，采用有效的方法補償提離距離波動及勵磁不均勻性對漏磁場的影響，可以有效地提高漏磁信號的信噪比.

3)本文采用漏磁信號基線預估的方式減小由提離距離波動及勵磁不均所造成的低頻及直流噪聲，結合鋼絲繩漏磁信號的固有特征，對不同通道數據的峰谷值進行歸一化處理，使各霍爾通道實現了均衡化，提高了缺陷漏磁圖像的對比度及信噪比.

4)通道失衡的漏磁圖像中，缺陷區域都淹沒在股波背景噪聲中，而均衡化后的漏磁圖像缺陷區域清晰，提高了缺陷檢測準確率.

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