陈日豪，张文昭，刘志壮，翟树，蒋华，何颖豪，李马成

（湖南科技学院 智能制造学院，湖南永州，425199）

0 引言

钢丝绳被广泛应用在电梯、矿井、缆车等行业，由于检测不及时，安全因素不时有之，近几年由于钢丝绳断裂造成人员伤亡的事故时有发生，比如矿井提升系统[1～3]出现跑车、过卷和断绳事故，其中由于钢丝绳断绳所引发的事故就占29.6%[4]。及时准确的判断出钢丝绳是否断丝或存在损伤，就成了急需解决的问题。传统的钢丝绳断丝检测方法主要是用手去摸和用眼睛去看等方法，这些方法耗时耗力，无法进行实时检测，极易导致钢丝绳过早报废和资源的浪费[5]。

传统的钢丝绳损伤检测方法主要有用眼睛去看，用手去摸等方法，这种方法耗时耗力，且检验结果不理想，极易导致钢丝绳过早报废和资源的浪费[6]。随着检测技术的发展，钢丝绳的损伤检测逐渐向智能化、信息化发展，采用超声导波检[7]、X 射线[8]、涡流[9]等多种检测手段。以下是经过上网查阅了解到的相关文献描述。

刘雪芳等人制作的超声导波检测系统具检测距离长，使用方便和灵敏度高等优势，能够对钢丝绳进行快速的损伤检测[7]。季晓华研究的钢丝绳芯无损探伤系统主要是利用X射线检测钢丝绳的内部缺陷问题，在线智能识别和分析钢丝绳芯缺陷的图像等功能[8]。于小杰等人设计了一种涡流检测探头，采用退化向量位有限元法对钢丝绳涡流检测进行了数值模拟[9]，并通过实验与仿真证明了检测非常有效。

本文针对钢丝绳是否断丝的问题展开研究和分析，采用无损检测方法——漏磁检测法[10,11]，即使用磁敏元件通过测量缺陷处钢丝绳周围的漏磁场来判断损伤情况[12～14]，具体研究内容如下。

1 系统的总体设计

本设计应用霍尔效应漏磁检测原理、模拟电子技术、数字信号处理技术构成的实时监测系统。系统包括探头，信号处理电路、单片机，显示、报警模块，根据远程监测需要可以增加GPRS 模块。

图1 系统总体设计方框图

2 硬件模块电路原理及软件设计

2.1 探头设计

探头包括霍尔元件组和励磁回路两部分，如图2 所示，霍尔元件组包括八个AH3503 线性霍尔传感器，四个构成一组，A、B、C、D 为1 组，E、F、G、H 为2 组，钢丝绳穿过霍尔元件组；励磁回路由磁源和磁路组成，磁源采用的是U 形永久性磁铁或电磁铁，磁路是被测钢丝绳与U 形磁铁形成的闭合回路。每组的四个霍尔传感器成90°角周向均匀分布，两组霍尔传感器相互错位45°角相对而置，构成漏磁检测装置。励磁回路采用U 形永磁铁励磁或电磁铁，使钢丝绳内磁场达到饱和状态，将霍尔元件组置于U 形磁铁的中间，当钢丝绳的断丝通过霍尔元件组时，由于断丝部分会产生漏磁，霍尔元件组探测到周围的磁场发生变化，而霍尔传感器就会将检测到的漏磁输出为电压信号。

图2 探头结构

■2.2 信号处理电路

由于AH3503 霍尔传感器存在2.25～2.75V 的静态输出电压，且输出变化比较缓慢，经过实验得知，由于静态电压存在，若将霍尔传感器的电压直接输出，有用电压值变化不明显，易被淹没，针对静态电压值的情况，设计一个差动放大滤波电路，将两个相临的霍尔传感器接成差动输入，8 个霍尔传感器接成4 路差动放大电路。其中一路差动放大电路如图3 所示，由R1、R2、R4、R3、C1、C2、LM324 芯片中的一路运算放大器组成，R3、C1 构成RC 积分滤波输出电路，A ～H 中8 个霍尔传感器相对面的A、C 两个霍尔传感器连接到一个运算放大器的反向和同向输放端，其他三路运放的连接图与图3 相似。经调整参数当霍尔元件组周围无漏磁时，输出电压为0，检测漏磁时，差动放大电路输出的0～5V 的电压。

图3 差动放大电路

8 个霍尔传感器A ～H 与运算放大芯片LM324 接成4路差动放大电路，霍尔传感器A ～H 连接到运放时，相对的两个连接到一个运算放大器的反向输入端和同向输入端，如图4 所示，即霍尔传感器A、C 输入到运放A1 的反向输入端和同向输入端，B、D 输入到运放A2 的反向输入端和同向输入端，E、G 输入到运放A3 的反向输入端和同向输入端，F、H 输入到运放A4 的反向输入端和同向输入端，四路运放A1、A2、A3、A4 的输出端OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 分别连接到单片机的P10、P11、P12、P13。

图4 四路差动放大电路与单片机连接图

2.3 单片机与显示电路

如图5 所示，单片机采用STC12C5204AD，该内部具有8 路10 位ADC，将引脚P10～P13 用作ADC 功能，连接运放的OUT1 ～OUT4。显示器采用LCD1602，连接成4 位数据格式，高4 位数据引脚D4 ～D7 连接到单片机的P14 ～P17，LCD1602 的EN、RS 端连接到单片机的P32和P33；单片机的P34 和P35 用作独立式按键，用于功能选择和操作控制。单片机的P30 和P31 为通信口，J1 用于程序下载，如果需要扩展GPRS 模块进行远程监控，GPRS模拟连接也可以连接到J1 口。

图5 单片机与显示电路图

2.4 蜂鸣器模块

蜂鸣器模块一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，当传感器检测到漏磁产生的时，单片机给蜂鸣器模块一个低电平，蜂鸣器就会报警。

图6 蜂鸣器模块原理图

2.5 软件设计

本检测系统采用单片机STC12C5204AD 作为核心处理器，其引脚分配如表1 所示。单片机软件设计如图7所示，单片机进入主程序后首先进行初始化，包括显示和AD初始化；然后循环程序：按键、四路数据采集、数据处理与显示、判断是否报警，然后再返回到按键。四路数据采集主要是将四路数据送来的模拟电压进行AD 转换，然后再进行数据处理获得电压值，再判断是否超限，若有超限进行报警再返回，若无超限立即返回。按键可以用于设置超限域值。

图7 主程序流程图

表1 单片机引脚分配表

3 检测试验

将直径为9mm 的钢丝绳锯下一小段，然后用钢锯在这一段中锯开一个缺口，随后把这段钢丝绳置于设计好的检测装置中，用电压表测量当探头检测断丝处和正常处位置时的输出电压值，实验数据如表2 所示。

表2 实验数据

由实验数据可见，出现断丝时候的输出电压比无断丝时候的电压值高得多，当输出电压大于0.5V 时，可以认为存在断丝或损伤。

4 结论

本文针对目前广泛使用的钢丝绳在实际应用中可能出现的部分断丝问题，而设计了一种基于STC12C5204AD 单片机的钢丝绳断丝检测装置。该设计包括装配在钢丝绳上的漏磁检测单元、处理传感器输出漏磁信号的差动放大滤波电路、显示电路和报警，处理电路将两个霍尔传感器输出的电压进行差动放大滤波、由单片机内部ADC 处理后获得漏磁信息，再由单片机处理器进行数据处理，并将信息显示在液晶屏上。当检测到漏磁达到一定时，发出报警。数据显示当钢丝绳无断丝时，每路差动放大器的输出电压在0.30V 左右，推断当差动放大电路输出电压高于0.5V 时，判定为钢丝有可能存在断丝或损伤，提示进一步人工检测。