张曦曦

（山西科林矿山检测技术有限责任公司，山西阳泉 045000）

0 引言

矿井提升机类似于电梯，主要用于实现矿井中人和物的运输[1-2]。然而，发挥带动传送作用的钢丝绳内部结构容易发生损伤，导致提升能力超出张力范围，一旦发生灾难性事故，后果不堪设想[3]。在重物运输过程中，由于磨损、机械划伤、环境腐蚀和疲劳等作用，钢丝绳的损伤行为多种多样。而目前工程上主要采用人工目视检测的方法，耗时费力，效率不高，且许多内部损伤的钢丝绳无法被准备地检测到[4-5]。为了提高矿井生产的安全性，保证矿工的生命健康安全及设备的平稳运行，有必要提出一整套主动性强、检测效率和正确率高的矿井提升机钢丝绳损伤检测方法[6]，为矿井提升机钢丝绳的安全状况准确评估提供有效的技术支撑。

当材料内部存在损伤时，磁场作用下的材料结构不完善处的磁导率会发生突变。借助这一物理特性，可以根据工件的磁感应强度对材料的结构完善状态进行有效的评估。该方法不仅能够检测铁磁性材料的完整性，还能对非铁磁材料进行有效的检测。弱磁技术具有检测效率高、检测精度高和检测成本低等优势，已成功应用于航天、铁路、建筑等多个工业领域。本文将基于漏磁检测理论构建一套钢丝绳在线无损检测系统，该系统主要包括软件模块和硬件模块两部分，最后通过现场应用说明了该检测系统的合理性。

1 钢丝绳在线无损检测系统的功能要求分析

1.1 主要功能

（1）安装在矿井提升机钢丝绳上的损伤检测装置，通过霍尔传感环形空间阵列装置完成钢丝绳检测，无需接触钢丝绳，精密监测钢丝绳的结构健康状态。

（2）为了较好地实现在线实时检测的效果，系统必须具有良好的信号采集和A/D转换的功能。

（3）检测系统必须能够对接受到的原始信号进行及时主动的分析、识别和处理，一旦检测发现到钢丝绳存在异常情况时，启动声光报警器进行报警。

（4）对钢丝绳的检测速率要符合现场生产要求。

1.2 技术指标

霍尔传感环形空间阵列由多个霍尔传感器组成，霍尔传感器用于将磁信号转化为电信号输出。霍尔传感器分辨率和测量误差为0，1 V和0.001 V，使用温度为-40～80℃，防爆等级为PTBEExiaIlCT6，信号传递采用二线制4～20 mA，使用湿度≤90%RH。

1.3 使用要求

考虑到矿井的空气环境介质具有腐蚀性、同时可能含有危险可燃气体，会对测量传输装置造成影响，因此要求设备具备耐腐蚀、防火防爆的特性。安装过程中一定要保证设备的完好性，做好防腐、防水和防潮工作，保持探测器探测部位干净、清洁和通畅，定期对系统和探测器进行校验。

1.4 经济要求

考虑到企业预算方面的要求，整个传感测量系统应当尽可能低价、低成本，高昂的费用会影响用户的可接受度和市场的推广度。但传感装置必须在低成本的同时，还能够满足现场使用的基本技术需求。

1.5 操作性要求

矿井中作业设备类型繁多，空间密集，为了方便安装维护，通常用户要求传感装置尽可能紧凑，但仍要能提供高度精确的读数。

2 总体设计方案

2.1 系统组成框图

本监控系统包括数据采集装置、信息传输转换装置和终端控制装置，数据采集装置对漏磁传感器收集的电信号进行检测，信号传输转换装置对数据进行信号转换后，传递给与其连接的软件显示端。该监控系统能够实现对含结构缺陷的钢丝绳安全状态进行检测和评估，设计框图如图1所示。

图1 矿井提升机钢丝绳在线无损检测系统

2.2 系统硬件功能描述

矿井提升机钢丝绳在线无损检测系统中的数据采集装置，包括检测磁场信号信息的霍尔传感环形空间阵变送器，将富含钢丝绳内部缺陷信息的信号传输于信息传输转换装置。霍尔传感环形空间阵变送器输出的信号，经信号预处理、电流/电压变换、A/D转换后送入单片机模块，单片机模块对信息分析处理后，将信号传送至监控平台的屏幕上，在计算机屏幕上以数值的方式显示检测值的变化，同时根据预置报替参数给出视觉报替和声音报警。

2.3 系统软件功能描述

（1）采集数据显示及告警显示：主要是在主界面上显示接收的监视信号数据。当监视现场的信号超过告警界限时，在主界面告警面板上显示告警地点及告警内容。

（2）采集写入漏磁场信号和浓度数据库：根据由系统接受的信息，提取出时间、地点及采集信号，并分析上述数据的合法性，如果合法则存入数据库。

（3）一旦判确认钢丝绳内存在异常工况，系统会提供声音报警和视觉报警，可随时查看系统参数、当前钢丝绳信号信息，并提供打印功能。

（4）具有强大的参数设置功能，如每个漏磁场信号报警的上、下限，数据采样间隔，保存信息间隔等通用性强，适用于各种信号监测环境。

3 详细设计

3.1 系统硬件设计

系统硬件部分主要是完成漏磁场信号的采集、A/D转换、信号处理、数据的实时传递。为了获得漏磁场信号，在每个泥浆池液面上方水平面共安装了5个超声波传感器。A/D转换器可以选用模拟设备公司的AD7705，该芯片为16位型双极性A/D转换器，采用串口通信，具有精度高、转换快、功耗低等特点，主要完成A/D转换和向单片机传输数据。单片机选用Intel公司的8051，主要完成在一个采样周期内一次并储存A/D转换结果。

3.2 系统软件设计

系统的软件部分需实时存储在最近采样周期内的最终信号，方便以后查询和绘制变化曲线。要记录的信息包括以下几个参数:绳索的位置、漏磁场信号、当前位置的信号是否超限、当前记录的时间等。

4 现场应用

为了验证该系统的可行性和可靠性，将本文设计的矿井提升机钢丝绳在线无损检测系统应用于某矿井的提升机中。现场实验结果表明：该系统能够高速率地诊断出钢丝绳的健康状态，免去人工检测的繁琐，提高传统检测手段的检测准确率[7]。

5 总结

为了提高矿井生产的安全性，保证矿井提升机的安全平稳运行，有必要提出一整套主动性强、检测效率和正确率高的矿井提升机钢丝绳损伤检测方法。为此，本文基于弱磁技术研发了一套矿井提升机钢丝绳在线无损检测系统，该系统包括硬件模块和软件模块两部分，能够实现精密监测钢丝绳的结构健康状态，一旦检测到钢丝绳结存在缺陷，系统发出声光报警提醒工作人员。工业应用案例证明了该系统的可靠性。本文设计的矿井提升机钢丝绳损伤检测方法可以为矿井提升机钢丝绳的安全状况准确评估提供有效的技术支撑。当然，本文监控系统需要经过现场测试[8]，检测系统性能是否稳定，测量是否准确，实时性如何，功能是否完善，安装维护是否方便。根据现场反馈结果对系统进一步升级和优化，使系统更好地服务于矿井的安全监测任务中。