钢丝帘布检测装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种新型三轴磁传感器检测探头、以及应用该检测探头的检测装置，属于无损检测自动化设计领域。


背景技术：

2.钢丝帘布是现有许多输送设备的核心部件，如输送带、子午线轮胎等。充作骨架材料和受力承载体的钢丝帘布，其内含钢丝的制造加工质量直接地影响到使用性能与安全。
3.如何对帘布中的钢丝进行无损、高效与精确地缺陷检测至关重要。针对帘布中钢丝的缺陷检测，主要包括钢丝缺根、松根、并线、弯曲、稀开、散线、错位、断根和分布不规则等。
4.现有公知的检测技术如采取x射线检测法，该方法投入成本较大、且射线对现场作业人员的伤害较大。因运行维护成本较高、在线检测效率低和图像分析复杂难度高等缺陷而逐渐地被替代。
5.目前采用的无损磁检测方法，因相关磁检测设备价格昂贵和维护成本高，而少有制造企业采用，而且现场应用中也存在着检测可靠性差、抗磁干扰性差、检测设备无系统性等问题。
6.又如申请号为cn200810064498.2的在先国内专利申请，名称为“子午胎钢丝帘线缺陷的永磁激磁磁场畸变检测探头及方法”，其通过两路极靴下的两行阵列磁传感器(模拟量)采集磁畸变形式来判断帘布缺陷。但上述在先申请的检测装置，外部磁干扰对其磁采集精度影响较大，且无法判别外部磁干扰信号；模拟量的信号采集对小型缺陷的检测精度不够，外界的信号干扰影响其检测精度；模拟信号的采集及处理增加外围电路器件，增大了探头及装置尺寸，不易于小型化。
7.有鉴于此，特提出本专利申请。


技术实现要素：

8.本实用新型所述的钢丝帘布检测装置，其目的在于解决上述现有技术存在的问题而采用三轴磁传感器及整套帘布输送系统进行钢丝无损磁检测，以期实现检测过程的高精度、多路采集同步、抗干扰能力强和数据分析快速便捷的设计目的。
9.为实现上述目的，所述的钢丝帘布检测装置，包括用于输送并检测钢丝帘布的输送带、以及位于输送带下方起到支承作用的不锈钢板，在不锈钢板下方设置数个磁传感器检测探头；在输送带3侧部设置有编码器、控制单元盒和打标设备；
10.所述的磁传感器检测探头包括垂向连接的永磁铁和极靴；极靴具有顶部的中空结构，在极靴中空结构的四周内壁分别形成个导磁极靴台，在极靴中空结构的中心处设置磁传感器阵列采集板；在磁传感器阵列采集板上部设置数个三轴磁传感器，在磁传感器阵列采集板底部连接单片机系统。
11.进一步地，数个磁传感器检测探头呈至少两组平行的队列设置，每组磁传感器检
测探头相互交错地排列。
12.进一步地，磁传感器检测探头的排列基线与钢丝的轴线呈90
°
夹角。
13.进一步地，在输送带两侧设置有至少一组限位板，在限位板上开设有长槽型螺钉孔，限位板通过限位板固定螺钉与输送框架进行调整与固定连接。
14.进一步地，在输送带两侧设置有至少两组浮动压辊部件，沿钢丝帘布运动方向，在两组浮动压辊部件之间设置所述的至少两组磁传感器检测探头。
15.进一步地，每组浮动压辊部件包括横跨输送带两侧的压辊，在压辊两端连接用于支撑的轴承，轴承安装于浮动座，浮动座通过压簧和压簧调整螺钉垂向安装于基座，基座固定连接于输送框架。
16.综上内容，所述钢丝帘布检测装置具有的优点是：
17.1、本技术采取三轴磁传感器构建抗磁干扰能力强的中空型极靴导磁磁路结构，该结构形式的磁传感器检测探头可以直接读取芯片中的数据，能够避免模拟量采集的信号再放大、a/d转换带来的信号干扰和失真现象，在磁检测时无需对其进行单独标定。
18.2、磁传感器检测探头可大量扩展的同时，实现数据的高速同步采集和收发。利用检测输送装置机构对被测件输送进行定位、定向、防震动、平稳的检测输送，避免被测件输送检测时有较大偏移和有较大震动。提高了检测缺陷位置准确性和提高检测缺陷精度。
19.3、本技术采取的磁传感器检测装置可进行三轴方向的磁信息采集，通过三轴方向磁信号的扰动变化判断电磁干扰，有效地提高了检测可靠性能。
20.4、磁传感器检测装置能够进行区域全覆盖组网检测，每个磁传感器检测探头与控制单元单片机进行独立通讯，且其间互不影响。
21.5、本技术所述的检测方法，能够基于检测装置针对编码器检测出的输送带运行速度而通过报警或打标的方式对缺陷进行处理，从而实现整体自动化无损检测工艺。
附图说明
22.现结合以下附图来进一步地说明本实用新型。
23.图1a至图1d分别是磁传感器检测探头结构与剖面示意图；
24.图2a和图2b分别是磁传感器阵列采集板的不同方向示意图；
25.图3是控制系统结构框图；
26.图4是z轴标定检测波形的示意图；
27.图5a是钢丝帘布的缺陷处示意图；
28.图5b是针对缺陷处形成的检测波形变化示意图；
29.图6a和图6b分别是z轴标定检测波形的两种类弦波缺陷分析示意图；
30.图7a是磁传感器检测探头组网示意图；
31.图7b是图7a中的i部放大示意图；
32.图8a是检测装置整体结构示意图；
33.图8b是图8a中
①
部放大剖面示意图；
34.图9是打标设备执行打标动作分解的坐标示意图。
35.在上述附图中，磁传感器检测探头1，不锈钢板2，输送带3，钢丝帘布4，限位板5，限位板固定螺钉6，浮动压辊部件7，编码器8，控制单元盒9，打标设备10，钢丝11；
36.永磁铁1
‑
1，极靴1
‑
2，导磁极靴台1
‑2‑
1，磁传感器阵列采集板1
‑
3，三轴磁传感器1
‑3‑
1，单片机系统1
‑3‑
2；
37.压辊7
‑
1，轴承7
‑
2，浮动座7
‑
3，压簧7
‑
4，压簧调整螺钉7
‑
5，基座7
‑
6。
具体实施方式
38.实施例1，如图1a至图2b所示，应用于本技术所述钢丝帘布检测装置及其方法的磁传感器检测探头1，包括垂向连接的永磁铁1
‑
1(也可采用电磁铁)和极靴1
‑
2。
39.其中，极靴1
‑
2具有顶部的中空结构，中空结构的极靴1
‑
2在形成导磁结构的同时，较有较高的抗外磁干扰能力；在极靴1
‑
2中空结构的四周内壁分别形成4个导磁极靴台1
‑2‑
1，在极靴1
‑
2中空结构的中心处设置磁传感器阵列采集板1
‑
3；
40.在磁传感器阵列采集板1
‑
3上部设置数个数字量信号的三轴磁传感器1
‑3‑
1，三轴磁传感器1
‑3‑
1具有独立的片选端口，能够感知三维(x、y、z轴，其中x轴为输送带3的横向方向，y轴为钢丝帘布4运动方向，z轴为三轴磁传感器1
‑3‑
1的垂向方向，以下设定相同)磁场强度，可用于直接测量三个相互垂直轴向上的磁场强度值，基于spi数据通讯协议直接输出数字量数据。三轴磁传感器1
‑3‑
1具有较高的检测精度和灵敏度，同时也具有较高的抗干扰能力。
41.如图1c所示，当钢丝帘布4在磁传感器检测探头1上方移动时，钢丝11的轴线垂直于两侧导磁极靴台1
‑2‑
1的对称中心面，帘布中的钢丝11与磁传感器检测探头1的磁路形成感应回路。当具有缺陷的钢丝11经过时，磁回路出现扰动，由于两侧导磁极靴台1
‑2‑
1的间距较小，通过此处磁场回路的磁场强度较大、较为均匀，出现缺陷时的挠动变化较大。即三轴磁传感器1
‑3‑
1的磁场强度在z轴方向上的磁场分量最大，x、y轴方向上的磁场分量非常微小。在钢丝11的缺陷处，z轴方向上的磁场扰动最为明显，依照z轴磁场扰动作为基础缺陷判断标准。当有外部磁干扰时，如图1c中磁干扰源在极靴1
‑
2上方时，由于其具有上部中空结构，在x、y轴方向上的磁场随即出现较大的扰动，依据x、y轴方向上的磁场扰动可判断外部电磁干扰的存在，以相应地提高检测准确性。而当外部磁干扰源处于极靴1
‑
2的侧部或底部时，极靴1
‑
2则可更好地屏蔽外部磁干扰。
42.如图3所示的基于上述磁传感器检测探头1的控制系统，磁传感器阵列采集板1
‑
3检测出在三轴方向(x、y、z轴)上的磁场扰动值。通过后续描述的控制单元接收磁传感器阵列采集板1
‑
3发送来的数据，将检测时间等其他信息加入数据打包上传usb接口至上位机。上位机通过检测数据信息与标定的模板数据进行计算分析，从而精确地检测出该处钢丝11具有一定的缺陷。
43.具体地，在磁传感器阵列采集板1
‑
3底部连接单片机系统1
‑3‑
2，单片机系统1
‑3‑
2用于控制多路阵列的三轴磁传感器1
‑3‑
1进行数据采集；每个三轴磁传感器1
‑3‑
1与单片机系统1
‑3‑
2进行独立通讯，三轴磁传感器1
‑3‑
1之间互不影响，可以实现数据的同步采集和收发；单片机系统1
‑3‑
2采集多路磁传感器测量数据，按照一定的数据格式对数据排序，并通过串行通信把数据给控制单元。
44.控制单元采用arm核32位嵌入式系统，接收磁传感器探头1发送来的数据，将检测时间等其他信息加入数据打包，并通过高速usb接口传输至上位机。
45.上位机通过检测数据信息与标定数据信息进行分析判断缺陷。
46.如图7至图9所示，本技术所述的钢丝帘布检测装置包括用于输送并检测钢丝帘布4的输送带3、以及位于输送带3下方起到支承作用的不锈钢板2，在不锈钢板2下方设置数个磁传感器检测探头1。
47.其中，根据被检测钢丝帘布4的横向尺寸，数个磁传感器检测探头1呈至少两组平行的队列设置。每组磁传感器检测探头1相互交错地排列，从而形成检测区域的全覆盖、无间隙组网。
48.进一步地，如图7a所示，磁传感器检测探头1的排列基线(即x轴方向)与钢丝11的轴线呈90
°
夹角。
49.所述的钢丝帘布检测装置，还包括有位于输送带3两侧的一组限位板5，限位板5用于从两侧夹持被检测的钢丝帘布4以避免检测时发生较大的横向偏移。
50.在限位板5上开设有长槽型螺钉孔，可根据钢丝帘布4的宽度尺寸，限位板5通过限位板固定螺钉6与输送框架进行调整与固定连接，以不同规格尺寸的钢丝帘布检测需求。
51.在输送带3两侧设置有两组浮动压辊部件7，浮动压辊部件7用于从垂向上方对被检测钢丝帘布4施加一定的压合力以避免检测时发生较大的震动。
52.如图8a所示，沿钢丝帘布4运动方向，在两组浮动压辊部件7之间设置所述的至少两组磁传感器检测探头1，从而保证钢丝帘布4与磁传感器检测探头1之间保持相对稳定的提离值，避免因较大震荡而导致检测数据失真。
53.其中，每组浮动压辊部件7包括横跨输送带3两侧的压辊7
‑
1，在压辊7
‑
1两端连接用于支撑的轴承7
‑
2，轴承7
‑
2安装于浮动座7
‑
3，浮动座7
‑
3通过压簧7
‑
4和压簧调整螺钉7
‑
5垂向安装于基座7
‑
6，基座7
‑
6固定连接于输送框架。
54.压簧调整螺钉7
‑
5用于调整压簧7
‑
4的压缩量，以此调整压辊7
‑
1施加钢丝帘布4的预压紧系数，从而保证钢丝帘布4正常输送时不出现较大的震荡。
55.上述限位板5和浮动压辊部件7的应用，针对钢丝帘布4输送运动时进行横向定位与垂直定向以避免较明显的震动，以平稳的检测输送状态提高检测钢丝11缺陷位置的准确性、提高检测缺陷的精度。
56.在输送带3侧部设置有编码器8、控制单元盒9和打标设备10。
57.其中，编码器8用于检测输送带3的运动速度以配合打标设备10，在检测到钢丝11存在缺陷部位时进行报警或打标处理。编码器8与输送带3驱动轴连接并同步地旋转，编码器8实时采集输送带3驱动轴的转速n，编码器8的实时速度计算结果通过控制单元上传给上位机。当钢丝11被检测出存在缺陷时，上位机记录下处理时间、输送带3驱动轴转速等信息，然后给打标设备指令进行打标处理。
58.如图9所示的打标设备10所处在坐标系，当检测出的缺陷位置时，该位置距离打标头初始位置在x轴方向上为
△
x,在y轴方向距离为
△
y，钢丝11缺陷位置匀速运动
△
y的距离需经过时间为t。
59.打标设备10在t时间内，首先在x轴负方向上移动
△
x，然后在此位置等待缺陷位置运动到此。
60.设定输送带3驱动轴的半径为r，转速为n，则输送带3运动
△
y的距离的时间
61.到达运动时间t，则上位机发给打标设备10指令，打标设备10沿垂向向下进行打标，则标记位于钢丝帘布4的钢丝11存在缺陷的位置处。
62.如图4至图6b所示，本技术所述的钢丝帘布检测方法具有以下实施步骤：
63.1)标定数据
64.基于特定型号钢丝帘布4的钢丝11的线径、线角度、密度等参数，将无缺陷的钢丝帘布4在所述磁传感器检测探头1垂向上方平稳、匀速地移动一段距离；
65.设定阵列中三轴磁传感器1
‑3‑
1的序号分别为1、2
……
n
……
k，依时间间隔
△
t采集检测数据，采集到的1～k路三轴磁传感器1
‑3‑
1上传数据至上位机。
66.如图4所示，相关检测数据依时间为横坐标，依磁场强度为纵坐标的标定检测波形。
67.设定x轴为输送带3的横向，y轴为钢丝帘布4运动方向，z轴为三轴磁传感器1
‑3‑
1的垂向。由于x、y、z轴的标定方法一样，现依z轴标定方法进行详述。
68.1.1)数据采集
69.三轴磁传感器1
‑3‑
1依时间间隔
△
t采集数据，在t0到t0﹢k
△
t时间段内有若干时间间隔为
△
t的采集点(t0、t0﹢
△
t、t0﹢2
△
t、
……
、t0﹢i
△
t、
……
、t0﹢j
△
t、
……
、t0﹢k
△
t)，则对应的磁场强度数据值为(h0、h
0
△
t
、h
0 2
△
t
、
……
、h
0 i
△
t
、
……
、h
0 j
△
t
、
……
、h
0 k
△
t
)，以上磁场强度数据值打包为集合a；
70.1.2)上、下阈值确定
71.当h
0 j
△
t
大于集合a中除其外的所有元素，则判断定义h
0 j
△
t
为上阈值；当h
0 i
△
t
小于集合a中除其外的所有元素，则判断定义h
0 i
△
t
为下阈值；
72.测量中线值阈值则上阈值h
0 j
△
t
＝h
△
h，下阈值h
0 i
△
t
＝h
‑△
h；
73.1.3)标定数据入库
74.由上述步骤1.1)和1.2)可确定z轴的测量中线值、上阈值、下阈值；
75.依据相同的方法可分别确定x、y轴上的测量中线值、上阈值、下阈值；
76.将x、y、z轴的测量中线值h
x
、h
y
、h
z
，上阈值h
x

△
h
x
、h
y

△
h
y
、h
z

△
h
z
，下阈值h
x
‑△
h
x
、h
y
‑△
h
y
、h
z
‑△
h
z
分别存入标定模板库中，以做为后续检测对比调用。
77.2)检测与判断
78.如图5a所示，在帘布中的钢丝11存在缺陷时，在z轴方向上磁场扰动明显地超出上、下阈值(如图5b所示)，x、y轴方向上的磁场扰动未超过上、下阈值，则依据z轴方向检测扰动值判断钢丝11存在缺陷与否。
79.具体地，检测得至z轴方向测量值大于上阈值(h
z

△
h
z
)、或测量值小于下阈值(h
z
‑△
h
z
)，则判断钢丝11存在缺陷。
80.2.1)三轴磁传感器1
‑3‑
1依时间间隔
△
t采集数据
81.在t0到t
a
‑△
t时间段内有若干时间间隔为
△
t的采集点(t0、t1、t2、t3、
……
、t
a
‑△
t)，对应的磁场强度数据值为(h0、h1、h2、h3、
……
、h
a
‑△
t
)。其中，所有磁场强度数据值均小于上阈值(h
z

△
h
z
)、大于下阈值(h
z
‑△
h
z
)，则判定此时间段内检测的钢丝11无缺陷存在；
82.从采集点(t
a
‑△
t)经过一个时间间隔
△
t到t
a
，采集点t
a
对应磁场强度数据值为
h
a
，h
a
大于上阈值(h
z

△
h
z
)；其中，从t
a
到t
b
时间段内有若干时间间隔为
△
t的采集点(t
a
、t
a

△
t、t
a
2
△
t、
……
、t
b
)，对应的磁场强度数据值为(h
a
、h
a
△
t
、h
a 2
△
t
、
……
、h
b
)，此时间段内所有磁场强度数据值均大于上阈值(h
z

△
h
z
)；
83.从采集点t
b
经过一个时间间隔
△
t到t
b

△
t，采集点t
b

△
t对应磁场强度数据值为h
b
△
t
，h
b
△
t
小于上阈值(h
z

△
h
z
)。其中，从t
b

△
t到t
c
‑△
t时间段内有若干时间间隔为
△
t的采集点(t
b

△
t、t
b
2
△
t、t
b
3
△
t、
……
、t
c
‑△
t)，对应的磁场强度数据值为(h
b
△
t
、h
b 2
△
t
、h
b 3
△
t
、
……
、h
c
‑
△
t
)，此时间段内所有磁场强度数据值均小于上阈值(h
z

△
h
z
)、大于下阈值(h
z
‑△
h
z
)。
84.从采集点t
c
‑△
t经过一个时间间隔
△
t到t
c
，采集点t
c
对应磁场强度数据值为hc，hc小于下阈值(h
z
‑△
h
z
)。其中，从t
c
到t
d
时间段内有若干时间间隔为
△
t的采集点(t
c
、t
c

△
t、t
c
2
△
t、
……
、t
d
)，对应的磁场强度数据值为(h
c
、h
c
△
t
、h
c 2
△
t
、
……
、h
d
)，此时间段内所有磁场强度数据值小于下阈值(h
z
‑△
h
z
)。
85.从采集点td经过一个时间间隔
△
t到td
△
t，采集点td
△
t对应磁场强度数据值为h
d
△
t
，h
d
△
t
大于下阈值(h
z
‑△
h
z
)。
86.2.2)缺陷判断
87.经过上述步骤的数据检测与整理分析，若测量得到的磁场强度全部满足以下公式(1)～(5)，则可判定采集点t
a
到采集点t
d
时间段内钢丝11存在缺陷：
88.(1)、(h
z
‑△
h
z
)＜h
a
‑△
t
＜(h
z

△
h
z
)
89.(2)、(h
a
、h
a
△
t
、h
a 2
△
t
、
……
、h
b
)＞(h
z

△
h
z
)
90.(3)、(h
z
‑△
h
z
)＜(h
b
△
t
、h
b 2
△
t
、h
b 3
△
t
、
……
、h
c
‑△
t
)＜(h
z

△
h
z
)
91.(4)、(h
c
、h
c
△
t
、h
c 2
△
t
、
……
、h
d
)＜(h
z
‑△
h
z
)
92.(5)、(h
z
‑△
h
z
)＜h
d
△
t
＜(h
z

△
h
z
)
93.如图6a所示，钢丝11存在缺陷测量得到的波形如类正弦波，则以上判定条件(1)～(5)可写成如下公式：
[0094][0095]
如图6b所示，钢丝11存在缺陷测量得到的波形如类余弦波，则以上判定条件(1)～(5)可写成如下公式：
[0096]
[0097]
在z轴方向上，数据检测缺陷分析条件满足上述两组公式中的任一组公式均可判断钢丝11存在有缺陷。
[0098]
3)干扰分析
[0099]
通常情况下没有电磁干扰，当钢丝11存在有缺陷时，z轴方向上测量得到的波形扰动超出上、下阈值，在x、y方向上的检测波形扰动并未超出阈值范围；但当有电磁干扰存在时，x、y轴方向上将存在超出阈值的波形扰动。
[0100]
3.1)电磁干扰源在三轴磁传感器1
‑3‑
1的上方时(如图1c所示)，则无论钢丝11是否存在缺陷都能检测到磁场扰动。
[0101]
在电磁干扰时间段内采集到的x、y轴方向上的磁场强度值的集合分别为h
x’、h
y’，其中h
xi’、h
yi’分别是集合h
x’、h
y’中的元素，若x、y轴方向上的磁场强度值h
xi’、h
yi’中任意一值或二值同时超出阈值范围，即可判断有外界电磁干扰。即{〔h
xi’＞(h
x

△
h
x
)〕∨〔h
xi’＜(h
x
‑△
h
x
)〕}∨{〔h
yi’＞(h
y

△
h
y
)〕∨〔h
yi’＜(h
y
‑△
h
y
)〕}成立，可判断有外界磁干扰。
[0102]
3.2)当上述判断条件不成立，即无外界磁干扰时，若z轴方向上测量得到的波形扰动超出上、下阈值范围，则可判断钢丝11存在有缺陷。
[0103]
4)打标处理
[0104]
三轴磁传感器1
‑3‑
1检测结果为存在缺陷时，上位机记录此段时间内的所有数据信息，从中找出波形扰动值最大的三轴磁传感器1
‑3‑
1为缺陷中心所处位置。
[0105]
如图9所示，在检测到钢丝11存在缺陷部位时，打标设备10进行打标处理。编码器8与输送带3驱动轴连接并同步地旋转，编码器8实时采集输送带3驱动轴的转速n，编码器8的实时速度计算结果通过控制单元上传给上位机。当钢丝11被检测出存在缺陷时，上位机记录下处理时间、输送带3驱动轴转速等信息，然后给打标设备指令进行打标处理。
[0106]
在打标设备10所处在的坐标系中，假设缺陷位置距离打标头初始位置在x轴方向上为
△
x,在y轴方向距离为
△
y，钢丝11缺陷位置匀速运动
△
y的距离需经过时间为t。
[0107]
在t时间内，打标设备10首先在x轴负方向上移动
△
x，然后在此位置等待缺陷位置运动到此。
[0108]
设定输送带3驱动轴的半径为r，转速为n，则输送带3运动
△
y的距离的时间
[0109]
到达运动时间t，则上位机发给打标设备10指令，打标设备10沿垂向向下进行打标，则标记位于钢丝帘布4的钢丝11存在缺陷的位置处。
[0110]
综上内容，结合附图中给出的实施例仅是实现本实用新型目的的优选方案。对于所属领域技术人员来说可以据此得到启示，而直接推导出符合本实用新型设计构思的其他替代结构。由此得到的其他结构特征，也应属于本实用新型所述的方案范围。