基于股波信号的钢丝绳张力定量检测系统设计改.docx

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基于股波信号的钢丝绳张力定量检测系统设计改

基于股波信号的钢丝绳张力定量检测系统设计

摘要

现代科技发展势头迅猛，尤其是以计算机为代表的信息技术。

随之而来的趋势是传统设备技术结合计算机进行数字化升级，这种设备在原来的优点上又增添了许多新特色，发展潜力巨大。

本文以钢丝绳作为主要研究对象，并结合其具体工作环境中受损状况的分析，得出绳体上所受的张力才是研究的发力点。

同时摒弃传统检测方法的缺点，结合上述趋势，开发出本文的绳体无损定量测量张力办法。

首先，本文论述了绳体张力实时检测的意义，简介了行业内研究这一问题的发展历程。

对比过各种方法的优势劣势。

详细介绍了本设计的应用前景与实际意义。

其次，引入了钢丝绳的股波这一概念，并且基于此特点引出股波定理这一基本原理。

详细介绍了绳体无损检测所需的硬件，软件，编程环境，数据采集设备，传感器（霍尔元件）设备。

最后，用LabVIEW软件进一步开发出绳体无损张力检测系统的软件程序，实现了抽象数据的具体化转变，从而为进一步分析处理数据和存储显示实时信息提供了保障，为绳体张力检测拿出了通过计算机多功能屏幕与操作者实现信息交流的新方案。

关键词:

钢丝绳，张力，无损检测，传感器，软件

Abstract

Therapiddevelopmentofmodernscienceandtechnology,especiallytheinformationtechnologyrepresentedbycomputers.Theensuingtrendisthedigitalupgradeoftraditionalequipmenttechnologycombinedwithcomputers.Thisequipmenthasaddedmanynewfeaturestotheoriginaladvantagesandhashugedevelopmentpotential.Thisarticletakessteelwireropeasthemainresearchobject,andcombinedwiththeanalysisofthedamagesituationinitsspecificworkingenvironment,itisconcludedthatthetensionontheropebodyisthestartingpointoftheresearch.Atthesametime,theshortcomingsoftraditionaldetectionmethodsarediscarded,andtheabove-mentionedtrendsarecombinedtodevelopanon-destructivequantitativemethodformeasuringthetensionoftheropebodyinthispaper.

  Firstofall,thisarticlediscussesthesignificanceofreal-timedetectionofropetension,andintroducesthedevelopmentprocessofthisproblemintheindustry.Comparetheadvantagesanddisadvantagesofvariousmethods.Theapplicationprospectandpracticalsignificanceofthisdesignareintroducedindetail.

Secondly,theconceptofstrandwaveofwireropeisintroduced,andthebasicprincipleofstrandwavetheoremisderivedbasedonthischaracteristic.Thehardware,software,programmingenvironment,dataacquisitionequipment,andsensor（Hallelement）equipmentrequiredfornon-destructivetestingoftheropebodyareintroducedindetail.

Finally,LabVIEWsoftwarewasusedtofurtherdevelopthesoftwareprogramoftheropebodynon-destructivetensiondetectionsystem,whichrealizedtheconcretetransformationofabstractdata,whichprovidedguaranteeforfurtheranalysisandprocessingofdataandstorageanddisplayofreal-timeinformation.Anewsolutionforinformationexchangewiththeoperatorthroughthemulti-functioncomputerscreen.

Keywords:

wirerope,tension,non-destructivetesting,sensors,software

第1章绪论

1.1课题背景

1.1.1钢丝绳张力检测系统设计背景

钢丝绳是将力学特点和几何规格满足一定条件的钢丝按照特定的捻绞制方法做成的空间结构为螺旋体的钢丝集束，其中钢丝、绳芯及润滑剂三部分合成了钢丝绳，这是一种先由数层钢丝捻成股，再用绳芯做为串联钢丝绳整体的核心绳股，最后把一定数量的钢丝股绞绕成螺旋体绳，是社会生产中应用非常多的绕性构件。

在国家经济生产的各主要行业和部门钢丝绳有着不少的的应用，例如：

索道、升降梯、提升机等都非常多的使用了这种构件，它主要提供：

升降、牵引、紧固和承载之用

自从1834年欧洲人造出了世界上首根钢丝绳以来，鉴于钢丝绳的特殊性能：

强度高、自身重量轻、工作时平缓稳定、不容易突然整根断开，传递负载的距离很远，在高速工作状况下，经得住磨损、抵抗的了震动、运行时非常稳定。

到现在为止全球范围内未找到比它更合适的替代品，所以，钢丝绳在金属冶炼、矿业、采油、机械、化学工业、飞行器制造等行业成为不可或缺的零件或材料。

同时，既然钢丝绳是一种工程中承受负载的构件，那么在使用时就无法避免的出现疲劳、锈蚀、磨损，甚至突然断裂的问题，它的损伤状态和接受负载的能力对产品质量和劳动者人身安全问题有直接关系。

为了防微杜渐，相关部门就钢丝绳的质量问题和应用方法的规范出台了对应的行业安全规则和国家检验测试标准。

但是最近几年钢丝绳应用在各种场合时由于崩断引发的事故还是不时发生，就像2018年河北某建筑装饰公司在使用吊装作业平台进行建筑外保温层工作时，吊装作业平台一侧钢丝绳突然崩断，平台倾斜并随之掉落，直接使得在下方作业的1名工人被砸身亡，吊装作业平台内作业的2名工人受伤。

这主要是因为目前还缺少高性能的钢丝绳运行状况检测办法和现有检测设备不够精准、靠不住，的原因。

这也导致了即使采用了检验设备的钢丝绳，钢丝绳崩断这种事也会不时发生。

由钢丝绳的工作特性可知，绳体所受的张力（拉力）是影响钢丝绳实用安全的重要因素。

目前，我国一般采用在钢丝绳一端串接拉力传感器霍采用静载荷计算的方法获取钢丝绳的张力。

上述串接传感器法只能检测到钢丝绳的绳端拉力，而静载荷计算法无法实时获取钢丝绳在运动过程中的实际张力。

因此，迫切需要研究合理可靠的钢丝绳张力的实时检测方法及设备

1.1.2钢丝绳张力检测技术的研究现状

检测钢丝绳张力行在业内的办法大概有两种：

不存在测试仪器的时候,行业内主流办法是使用振波法亦或是标记法。

这2种办法,可以良好地维护钢丝绳提升系统的运作。

但标记法无法确定量度,并且张力太大时会导致钢丝绳在垫子上滑移，这时标记法会显示错误的结果。

振波法测试张力很容易,但是振波反馈时间无法得出确定的计算结果,精度不高,以至于不符合实际应用要求。

瑞典人研究出一种以电阻丝应变片为感测元件的检测仪。

这种仪器能够进行信号的无线发射与接收、模/数转换、微机定量处理、数字显示以及打印任务。

同时期我国的测量钢丝绳张力的多种弹簧测力仪器研究开发工作也开始起步。

就张力检测这一问题全球行业内有一些办法，但是仔细考察过后，能很明显的注意到，这些设备均应用了应变测力原理，并且传感器元件和钢丝绳串联。

因此检测的灵敏度都不太高。

虚拟仪器，即VI，也称作计算机仪器，它的本体是计算机，结合相应的接口技术和能够实现相应检测的硬件，使用以LabView为代表的软件研发平台，用计算机屏幕模拟成检测设备的显示面板，同时也具备实体仪器的功能。

VI的出现使得测量仪器设备具备了智能化、多样化、模块化和网络化的技术特点，突显出了VI相较于传统仪器功能强大、低成本耗费、使用灵活、便于上手的优势。

是时下仪器创新的一个关键突破口。

因此，本文用虚拟仪器作为实现硬件设备并结合钢丝绳独具的股波信号原理来系统的阐述钢丝绳张力定量检测原理与方法。

1.1.3本文研究的主要内容

这篇学位论文参考了这一研究领域的前辈们的研究成果并以它作为基石，主要从这下面的四条来对钢丝绳张力的检测做分析和研究:

1、钢丝绳的基本结构。

2、基于钢丝绳的结构特征，研究钢丝绳股波信号的变化与钢丝绳张力的关系。

3、实现张力检测系统所需硬件的制作办法。

4、实现张力检测系统所需软件的制作方法。

章节安排如下：

第一章简介这篇文章的研究的背景及行业内研究现时状况，引出了下文的讨论内容。

第二章讨论钢丝绳的组成及类别，进一步交代出钢丝绳张力检测原理，由股波信号相位差原理联系钢丝绳承受的张力，从而得出本文的基本原理。

第三章研究基于霍尔元件的钢丝绳股波信号检测方法、检测信号进行预处理技术，探讨了检测信号特征提取及其算法，数据信号的采样与处理由数据采集卡完成。

第四章提出了钢丝绳张力检测系统的软件设计方案，利用LabVIEW对数据采集卡采集的数据进行分析处理，并利用显示器使人们容易观察与控制。

第2章钢丝绳张力检测原理

2.1钢丝绳结构

2.1.1钢丝绳构造

钢丝绳是工程机械设备及制造行业中使用范围特别广的挠性构件。

它的结构是将能符合力学特性和几何尺寸需要的钢丝遵循特定的规律进而捻绞制结合为一体的螺旋体状钢丝集束。

钢丝绳具备着强度大、自身质量轻、运作时稳定、不容易突然崩断全部钢丝，传递负载的距离很远，在高速工作时，有着扛得住磨损、抵得住震动、绳身柔软方便打包为绳卷、承担负载大等优点，所以在使用时可靠性良好。

直径大概为6mm的强度不错的优质碳素钢（含碳量在区间%[0.5,0.8]内，含硫量小于0.3%）横截面是圆形的钢丝是钢丝绳使用最多的原材料，这样子的钢丝在冷拔很多回之后，经过热处理工艺变成了直径在区间[0.1,5]（单位mm）内强度很好的钢丝，这种钢丝绳绳身的易弯性比用一样拉伸强度的钢棒制作出来的部件高出约400～1200倍，因而方便打包为绳卷，能很好转运；从弹性系数讲，大概只有钢的1/3，可以从容应对实际工作环境中产生的波动，具有缓解外部冲击的优点。

在制造企业钢丝绳的制造要经历拉丝、捻股及合绳三个阶段。

钢丝绳的制作是用圆钢或纤维作为绳中心部分，高碳钢的钢丝被缠绕在这根中心绳线上拧成一股绳，这股绳是钢丝绳的基础组成部分;以钢丝绳股为基础组成部分加以中心绳拧成绳，中心绳充实了圆心断面加强了钢丝绳的挠性，使钢丝绳外形更加牢靠紧凑，强化支撑起了钢丝绳的结构，从而拥有不易分解的横截面结构，是钢丝绳的必要构成要素，对于不一样的使用要求，中心绳种类有:

有机中心绳、石棉中心绳、金属中心绳三个种类。

标准件钢丝的直径区间[0.1,5]（单位：

mm）内，钢丝绳的直径在区间[0.6,120]（单位mm）内。

此外，其规格也不是一成不变的，而是随应用场合而定。

2.1.2钢丝绳的类型

钢丝绳可按做成绳子的绳钢丝的材料，表面性能、缠绕方法和钢丝绳使用目的等来分类。

按照材质分类

1．碳素钢钢丝绳：

以优质碳素结构钢钢丝为绳股单元。

2．不锈钢钢丝绳：

以不锈钢钢丝为绳股单元

按照表面质量分类

1.磷化涂层钢丝绳：

钢丝磷化膜有效增强绳索的表面性能和整体金属性能表现

2.镀锌钢丝绳：

镀锌层的作用使防锈蚀

3.涂塑钢丝绳：

绳身被有着一定厚度的塑料膜包裹着

4.光面钢丝绳：

经历了热处理工艺和表层金属性能增强后的钢材冷拔后得到了钢丝。

按照钢丝绳捻制方法分类

1.单股绳：

由钢丝缠绕中心绳或中心麻绳制而成，缠绕上至少一层钢丝。

2.双捻绳：

由两股绳围绕中心绳（材料为钢或纤维）缠绕制成，缠绕上至少一层钢丝，这种钢丝绳应用非常的多。

3.三捻绳：

以双捻绳作为基础缠绕单元，围绕中心绳缠绕而成，多于直径大于60mm的加粗绳，如大型桥梁作业绳等。

除了这些，也还有根据接触特点而分成的三种绳子：

点、线、面，接触绳。

2.2钢丝绳张力检测原理

2.2.1理论依据

钢丝绳的三维图形是螺旋体。

其主要为钢铁制品，由于钢铁是磁的良性导体，所以钢丝绳是导磁体，导磁能力很好。

利用当绳体磁化后也还保留着一些剩下的磁感应强度和矫顽力这种特点，进而研究出以不损伤绳体为前提条件利用电磁信号检测钢丝绳张力的方法。

绳体磁化后，其表面的磁通分布状况反映出了随绳体外形的股波而改变的磁场。

利用一组由磁感线发生器和磁通感应元件（就像霍尔元件）等组成的仪器设备，在绳体外形上的的凹凸有致的钢丝股波之间，并且让它们和绳体表面有一定的间隙。

就像图2.1中所表示的检测元件A和检测元件B，二个检测元件的距离是磁通信号波长的n倍，当绳体相对原来的位置产生位移时，

由于其感应的磁通信号波峰、波谷与磁通源的距离发生了变化，进而导致绳体和检测器之间的磁通密度异于往常水平，从而让磁通信号检测元件输出连续的且与绳体股波相对应的一些浮动的电压波。

例如（a）中磁通信号感应元件A和磁通信号感应元件B均对应绳体股波的峰顶，在绳体没有受到外力的情况下它们输出信号是保持一致的，但是当感受到绳体外部的拉力时，就会出现弹性变形的状况，进而得到磁通信号感应元件A和B输出波形图（b），这其间相差了一个相位差值，本文则根据这个差值计算出所需的相关量。

图21基本原理图

2.2.2钢丝绳张力与相位差的关系

若以绳体轴心线的方向测定得距离为l（l=nλ，n取整，λ为两个连续波峰长度）的两个位置分别安装性能完全相同的磁通信号检测元件A和B，那么绳体在不受除测试用力之外的任何外力的状态下，两磁通信号检测元件将反馈出两个相位、幅值、频率都一样的信号。

设绳体因受力产生了应变为ε，则绳体股波的波峰、波谷与两磁通信号检测设备中检测元件的对应的位置关系改变了，使两磁通信号检测设备将反馈出两个包含相位差但是幅值、频率均一样的波形信号UA、UB，如图22所示。

这个相位差能够直观的反映出绳体产生的应变。

图22检测信号波形及其转换

设钢丝绳在自由状态（或初始张力）下相邻股峰的间距为λ；两个磁通信号检测设备安放位置相距的长度是l=nλ；绳体受到拉外力后得到的应变是ε；绳体的移动速度是v，

是两个由磁通信号反馈出的电压波之间的相位差，A为绳体的最小断面积，E为绳体的弹性模量，T为波形周期，假设两个电压波之间的时间差为t，，则由示意的理论图可以得到下面的关系式;

=

（2-1）

（2-2）

（2-3）

（2-4）

（2-5）

由式2-4和2-5得：

（2-6）

上式就是张力和相位差的关系式子。

因此，只要能测得绳体上两个股波信号相位上的差距，就可以通过公式（2－6）计算出绳体所受的张力。

第3章钢丝绳张力检测系统的硬件设计

3.1钢丝绳张力检测器的结构设计方案

根据对数据采集系统性能的需要和实际操作的技术条件来开发出硬件电路，下面是总体思路框架：

1、基于绳体股波产生的信号采样收集：

利用基于绳体股波磁通信号检测元件达到这一目的。

2、分离出有用的钢丝绳股波信号：

采用信号调理电路将绳体股波信号中掺杂的噪声分离出去，并且把需要的信号放大

3、用数据采集卡实现采集的有用信号的模数转换。

4、对采集的数据进行分析处理，同时作出相关结论，需要计算机及相关处理软件。

图31系统硬件的电路组成框图

3.2检测器设计

3.2.1霍尔效应原理

图32霍尔效应示意图

在磁场中，其输出的霍尔电压为

（3-1）

式中，

—霍尔常数，与霍尔元件自身材质有关；

—输入的控制电流；

B—磁场的磁感应强度；

—磁感应强度B的方向与霍尔元件平面法向n之间的夹角。

由上式可得出：

为了用霍尔电压Vh唯一地反映钢丝绳的股波变化，并获得较大的输出信号，就需要对霍尔元件施行恒流驱动（即Ic不变），同时使得霍尔元件表面的法向n与漏磁场的磁感应强度B的方向一致（即

=0）

3.2.2霍尔集成电路

以霍尔元件和放大电路为要素通过现代芯片制造工艺揉合成一个半导体芯片单元，这就是霍尔集成电路。

它突破了传统感应元件和测量电路之间的阻隔，将材料、元件、电路高度集成。

从外观角度来说它异于传统霍尔元件引出线形式，这主要是由电路功能的不同需要导致的。

除了这些，它还有质量很小、体积也不大、节能，性能发挥受温度影响小，灵敏程度独立于磁场移动速度影响之外的优点，这些使得对它的需求日益增加。

霍尔线性集成传感器，通常含有霍尔元件（核心）、差分放大器、输出器和电压调整器这四个单元，它能根据周围磁场强度的细微变化迅速的做出反应。

在实际的研究设计工作中，同时会综合电压稳定、电流放大输出级、失调调整和线性度调整这一套的电路来优化使用时的效果图33所示

图33线性型霍尔传感器的构成

线性霍尔元件，灵敏度高，线性度好，使用的地方非常多，失调、漂移程度都很低，外围电路配置条件不高，使用性能优于分立元件传感器。

这个毕业设计的钢丝绳张力检测器以线性霍尔电路CS3503作为检测元件的核心，其外形封装图如图34。

图34线性霍尔电路CS3503封装外形图

CS3503的电磁方面的测试表现如表3.1所示，由它的电磁方面的表现，励磁材料采用铁氧体磁铁。

表31CS3503电磁特性

CS3503以静态输出电压（

）为最低输出，实际产生输出时再加上一个随着磁信号改变而呈波浪状走动的电压信号，如图35所示

图35

3.2.3钢丝绳张力检测传感器的结构

图36所示为张力检测器的的组成三视图，这里对一些核心的参数得做出详细的解释：

（1）绳体的股波与线性霍尔电路的间隙要小于1mm，此处选取0.8mm，从而使检测信号更为精准。

（2）两个线性霍尔电路相距的长度要以整数倍的股波数为单位来选取，（n取整数），为了降低误差。

（3）铁氧体磁铁与线性霍尔电路的间隙大小保持在2~4mm这一数据区间，否则或远或近都不能充分利用霍尔元件的性能。

图36张力检测器结构图

3.3信号调理电路

NIPXI-6281本身自有一个频率40kHz并且能够写入程序语句的低通滤波器，这个系统的调理电路还含有一系列辅助电路：

调零电路，差动放大电路和滤波电路。

差分输入运算电路能够代替调零电路和差动放大电路结成一体后的功能。

电路简图如图37所示。

其中U2端口连接一个变位器接入5V电压。

图37差分输入运算电路

3.3.1调零电路

调零电路即向u1和u2分别输入一个恰当的数值，从而使u0输出为0，进而实现了系统调零的需求。

如图3.7所示：

当只有u1工作的时候，是反相比例运算，其输出的

为：

=

（3—1）

当只有u2工作的时候，是同相比例运算，其输出的

为：

=（1+

）u+=（1+

）

（3—2）

因此u0=

+

=（1+

）

+

要使u0输出为零，则u1与u2满足关系式：

U1=（1+

）

u2（3—3）

由（3—3）式可得，要使输出为零，则u1和u2必须满足上式所列出的关系，从而使系统实现调零功能。

3.3.2差动放大电路

当R1=R2和RF=R3时。

u0的输出为：

u0=

（3—4）

从而可得出差动电压放大倍数

为：

=

（3—5）

由上式知道，输出端电压与两个输入端电压的差值保持正比例关系，系统具有差动放大的功能。

3.3.3滤波电路

因为有一个40kHz可编程低通滤波器随NIPXI-6281本身附带，所以在运行该软件时，系统自动进行，这里不再赘述。

3.4数据采集系统

数据采集指的是把来自信号感应检测元件和其它需要检测的设备的模拟和数字待测模块中自动整理的电或非电信号,传递到上位机里面进行计算机分析。

其中采集卡是数据采集系统硬件部分的关键部件，一个完整的数据采集卡一般要具备：

模拟输入、模拟输出、数字I/O，计数器/定时器操作这些必要模块。

其中，数据采集卡用的最多和最根本的模块是模拟输入。

要想实现这个功能就必须综合利用以下几方面：

模拟多路开关，仪器放大器、采样保持（S/H）电路以及模数转换器。

经过这些电路模块的运作之后，就能够完成数模转变了。

模数转换器是一个关键部件，它的质量好坏将直接影响模数转换的准确性和效率，数据采集卡要以自己的现实研究情况来采用。

数据采集系统由信号感应检测元件、信号调理、接线、数据采集卡硬、软件、PC或特殊控制设备构成。

以下是以测量钢丝绳张力的实际需求营造的数据采集系统。

如图38所示

图38典型数据采集系统的构成

3.4.1数据采集卡及其附件的选择

根据以下方面进行选用：

1、分辨率：

指采集卡可以清晰识别出的感应信号变化的最小单位。

分辨率愈高，则愈能够识别出精细微弱变化的检测信号。

2、通道数：

允许一起采样的通道数量。

3、采样率：

符合数据采集卡基础准确性为必要条件时，系统对待采集的模拟信号在固定时间可以采集的次数。

4、数据总线接口类型：

总线接口类型不一样对应板卡的接口硬件也不一样，数据传输的规律和效率由此会改变。

目前主流型号有VISA、PCI、VXI和PXI。

5、输入模式：

差分模式、参考或非参考单端模式。

了解过上述数据和产品类型并结合本题的实际要求条件后，这份设计准备用NI公司的PXI-6281数据采集卡作为采样系统的核心。

实物详情参考图39。

NI公司的高速M系列DAQ（数据采集），测量精度增加5倍，相比于传统设备性能大幅提升。

采用了不少新技术和也具备了一些新特性，对于大量的测试、控制和传感器测量工作都可以使用。

图39NIPXI-6281实物图

PXI-6281数据采集卡的主要参数如下：

●测量类型数字、频率、正交编码器、电压

●16路模拟输入、分辨率18bits

●采样率为625ks/s

●精度范围980

●可编程的40kHz低通滤波器

●2个计数器/定时器

●具备模拟和数字触发功能

●数据总线接口类型PXI平