一种基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统及检测方法

1.本发明属于无损检测技术领域，更具体地说，涉及一种基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统及检测方法。


背景技术：

2.当今社会，工业界中各行业都在追求高质量发展，因此，机电设备的零部件的磨损问题得到了越来越多重视，当某些零部件磨损量超出预定标准时，这将严重影响设备的工作性能，甚至可能产生极大危害，针对于矿山提升机设备，钢丝绳这一零部件经常受到磨损，对钢丝绳进行周期性或者实时性的检测显得尤为重要，然而，一般企业在通常情况下，采用传统人工视检的方法进行磨损检测，有着检测效率低下、检测不充分、检测结果不可靠的问题，所以，需要提出高效、便捷、可靠、自动化的无损检测方法。
3.目前，无损检测技术正多样化、飞速发展，其中代表性的检测方法有：电磁检测法、涡流检测法、声学检测法、射线检测法、光学检测法、力学检测法以及磁致伸缩检测法等。而在钢丝绳磨损方面使用较多的方法是电磁检测法、光学检测法。
4.经检索，中国专利公开号：cn 111855748 a；申请公布日：2020年10月30日；公开了一种基于电磁互感的钢丝绳损伤检测装置及方法，装置采用直流电源激励线圈、交流电源激励线圈和检测信号线圈叠加缠绕在无磁塑料管上，待检测钢丝绳在无磁塑料管内移动进行损伤检测；激励源采用直流电源加交流激励电源的双电源激励模式，可提高钢丝绳损伤的检测灵敏度；直流电源激励线圈、交流电源激励线圈和检测信号线圈相互独立；该申请案可实现对钢丝绳磨损的检测，但电磁检测法存在难以解决实时性、稳定性、良好的环境适应性等问题。
5.光学检测法在近几年进步很大，主要是因为基于机器视觉的图像处理技术应用到了无损检测，从而使得无损检测的实时性得到了极大的促进，并且在稳定的环境条件下，基于机器视觉检测有着很高的可靠性和准确度。
6.如，中国专利公开号：cn 109859170 a；申请公布日：2019年6月7日；公开了一种基于lbp特征的钢丝绳表面损伤智能监测方法及系统，首先建立健康、断丝、磨损的钢丝绳表面的图像数据集，确定滤波器、lbp算子参数、pca降维维度、机器学习算法及其参数，得到集成算法模型，系统包括：离线训练和测试模块，用于获得训练好的集成算法模型；现场图像采集模块，实时采集现场图像并获取图像的位置信息；以及在线监测模块，用于搭载集成算法模型对采集的现场图像进行实时处理，从而对钢丝绳表面状态作实时诊断。该申请案虽然基于机器视觉的钢丝绳无损检测方法也取得了较好的效果，但是在缺乏光线成像不佳，表面磨损目标小，钢丝绳磨损情况的定量分析上，检测效果不能满足要求，甚至无法完成任务。
7.基于光敏效应的光学检测方法在表面缺陷领域中已经有不少的研究，但是在钢丝绳磨损检测上的研究很少，况且这些检测方法定量分析方式不清晰，容易受到环境光干扰，可靠性不高。因此，亟需一种能够有效地解决这些问题，并且实现对钢丝绳实时、可靠的自
动化检测的方式


技术实现要素：

8.为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统，包括：
9.激光光源模块，其用于投射光线；
10.待检钢丝绳，其竖直布置于激光光源模块的光线投射方向上，所述待检钢丝绳能在外力作用下做竖直升降运动；
11.光敏模块，其布置于激光光源模块的光线投射方向上，所述激光光源模块与光敏模块对称式布置于待检钢丝绳两侧，所述光敏模块朝向激光光源模块的一端上设有透光窗口，所述激光光源模块光源与透光窗口中心的连线与待检钢丝绳轴线相交；所述光敏模块将接收到的光信号转化为电信号；
12.信号预处理模块，其与光敏模块信号连接，用于接收光敏模块发出的电信号数据，并对电信号数据进行处理，将处理后的数据进行传输；
13.在线分析监测模块，其与信号预处理模块信号连接，接收并存储信号预处理模块传输的数据，并根据数据实时解算出在t时刻的待检钢丝绳的径向尺寸d
t
以及径向磨损量δd
t
，并按照时间序列生成工作日志，记录磨损时间δt及相应磨损长度x，实现对钢丝绳健康状态的评估。
14.根据本发明实施例的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统，可选地，所述激光光源模块能投射横向光线及纵向光线。
15.根据本发明实施例的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统，可选地，所述光敏模块的透光窗口外侧覆盖有透光玻璃盖板，所述透光玻璃盖板仅允许波长为激光光源模块投射光线波长的光线通过。
16.根据本发明实施例的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统，可选地，所述光敏模块还包括：
17.光敏电阻，其正对透光窗口设置；
18.独立电源，其与光敏电阻通过工作电路连通；
19.输出电路，其一端与光敏电阻连通，另一端与信号预处理模块连通；
20.光敏防爆外壳，其将光敏电阻、独立电源、工作电路封装其中，所述透光窗口开设于光敏防爆外壳靠近激光光源模块一端。
21.根据本发明实施例的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统，可选地，所述光敏电阻为长条状，其长边长度l1为待检钢丝绳正常截面直径d0的2到3倍；
22.所述工作电路为恒压偏置电路，工作电压为恒压。
23.根据本发明实施例的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统，可选地，所述信号预处理模块包括：
24.电信号数据采集单元，其与光敏模块的输出电路连接，按时间序列获取光敏模块传输的电信号数据，并传输；
25.信号放大单元，其与电信号数据采集单元连接，用于放大电信号数据采集单元采集的电信号，并传输；
26.滤波处理单元，其与信号放大单元连接，用于滤除将信号放大单元传输的电信号中的低频噪声部分，保留高频有效部分，并将滤波处理后的电信号传输；
27.模数转换单元，其与滤波处理单元连接，接收滤波处理后的电信号，并将其转换为数字信号，并传输；
28.无线数据通信发送单元，其与模数转换单元连接，接收数字信号并无线传输至在线分析检测模块；
29.预处理防爆外壳，其将信号预处理模块的各单元封装其中。
30.根据本发明的另一方面，提供了一种基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测方法，包括如下步骤：
31.一、构建钢丝绳径向磨损量δd计算模型：
[0032][0033][0034]
其中，k
l
为光敏电阻光通量与光敏电流的比例系数，e为光敏电阻的照度，b为投射光线的宽度，δi
p
为光照引起的光敏电阻电流变化量，i为激光光源模块的激光光源发光强度，θ为激光光源在该方向上的发光平面角，l0为激光光源模块投射的横向光线的长度；
[0035]
二、测量钢丝绳在无磨损情况下光敏模块的电流i
p0
；
[0036]
三、构建t时刻待检钢丝绳直径d
t
计算模型：
[0037][0038]
构建t时刻的径向磨损量δd
t
计算模型：
[0039][0040]
其中，d0为无磨损情况下钢丝绳直径，δi
pt
为t时刻光敏电阻电流的变化量；
[0041]
四、构建待检钢丝绳磨损长度x计算模型：
[0042]
x＝v
·
δt；
[0043]
δt＝t
i 1-ti；
[0044]
其中，v为待测钢丝绳的运动速度，δt为磨损时间，ti为检测过程中直径d
t
≤0.98d0的时间；
[0045]
五、启动检测系统，使待检钢丝绳以v的速度做提升/下降运动，记录t时刻的待检钢丝绳的径向尺寸d
t
以及径向磨损量δd
t
，并按照时间序列生成工作日志，记录磨损时间δt及相应磨损长度x。
[0046]
根据本发明实施例的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测方法，可选地，还包括：
[0047]
六、多次获取待检钢丝绳同一位置的磨损情况，并计算均值。
[0048]
根据本发明实施例的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测方法，可选地，所述步骤六具体包括：
[0049]
获取t时刻由上至下第1至n道光线检测的钢丝绳径向磨损量，分别记为
[0050]
平均磨损量为：
[0051][0052][0053]
其中，t0为相邻光线检测同一位置的时间间隔，s为相邻光线间距。
[0054]
根据本发明实施例的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测方法，可选地，还包括：
[0055]
七、按照时间序列生成关于的工作日志，记录磨损时间δt及相应磨损长度x，实现对待检钢丝绳健康状态的评估。
[0056]
有益效果
[0057]
相比于现有技术，本发明至少具备如下有益效果：
[0058]
(1)相比于传统的光敏原理检测方式，本发明的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统及检测方法，一次性投射多道线光源同时检测钢丝绳的多个截面上的径向磨损量，线光源照射宽度较窄，检测磨损的分辨力更高，相较于面光源照度不均匀，采用线光源照度更可控、更均匀，从而实现对运动钢丝绳逐截面多次检测，提高了对同一位置检测的精度；
[0059]
(2)相比于传统的机器视觉原理检测方式，本发明的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统及检测方法，无需前期投入时间训练，不易受到其环境光的干扰，并且不受钢丝绳提升机运行速度的限制，检测速度快；
[0060]
(3)相比于传统的光学类检测方式，本发明的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统及检测方法，是一种端到端的无损检测方法，在线分析监测模块能实时获取钢丝绳的径向磨损长度，捕捉钢丝绳危险截面，对钢丝绳健康状态作出评估，同时通过设备直观显示检测情况，更加便捷；
[0061]
(4)相比于传统的电磁检测方式，本发明的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统及检测方法，采用光电学原理检测，结构检测，系统布置便捷，不受电磁场干扰，能在钢丝绳复杂的工况条件下实时稳定检测磨损。
附图说明
[0062]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
[0063]
图1示出了本发明的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统示意图；
[0064]
图2示出了本发明的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统内部结构示意图；
[0065]
图3示出了本发明的信号预处理模块内部结构示意图；
[0066]
图4示出了本发明的检测方法流程图；
[0067]
附图标记：
[0068]
1、激光光源模块；2、待检钢丝绳；3、光敏模块；4、光敏电阻；5、光敏防爆外壳；6、光敏模块工作电路板；7、电信号数据采集单元；8、信号放大单元；9、无线数据通信发送单元；10、模数转换单元；11、滤波处理单元；12、信号预处理模块工作电路板；13、预处理防爆外壳；14、检测磨损投射光线段；15、独立电源；16、上位机；17、无线数据通信接收单元。
具体实施方式
[0069]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0070]
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
[0071]
实施例1
[0072]
本实施例的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统，如图1和图2所示，包括激光光源模块1、待检钢丝绳2、光敏模块3、信号预处理模块和在线分析监测模块。
[0073]
其中，激光光源模块1的作用是投射光线，本实施例的激光光源模块1具体包括激光光源发生器、供电电源、工作电路、防爆外壳及支撑架，激光光源发生器在供电电源供能下接入工作电路，激光光源发生器、供电电源以及工作电路共同封装在防爆外壳内部，进一步地，激光光源发生器包含发光半导体和光线衍射镜头。光线可经由光线衍射镜头投射出n道间距为s的横向光线，以及投射出纵向光线，其中s应小于待检钢丝绳2的螺距；防爆外壳呈长方体状，在其上底面开设一通孔，激光光源发生器的光线衍射镜头内嵌到通孔中，支撑架包含云台与底部支撑件，云台可以多自由度旋转，云台与防爆外壳相连接，底部支撑件可上下伸缩，为激光光源发生器提供一定的工作高度。
[0074]
待检钢丝绳2即为需要进行磨损检测的钢丝绳，在本实施例中，竖直布置于激光光源模块1的光线投射方向上，且待检钢丝绳2能在外力作用下以一定速度做竖直升降运动。
[0075]
本实施例的光敏模块3布置于激光光源模块1的光线投射方向上，激光光源模块1与光敏模块对称式布置于待检钢丝绳2两侧，光敏模块朝向激光光源模块1的一端上设有透光窗口，激光光源模块1光源与透光窗口中心的连线与待检钢丝绳2轴线相交；光敏模块3将接收到的光信号转化为电信号；更具体的，本实施例的光敏模块3包括光敏电阻4、独立电源15、输出电路和光敏防爆外壳5，如图2所示，其中，光敏电阻4，其正对透光窗口设置，独立电源15与光敏电阻4通过工作电路连通，输出电路一端与光敏电阻4连通，另一端与信号预处理模块连通，光敏防爆外壳5呈长方体状将光敏电阻4、独立电源15、工作电路封装其中，透光窗口开设于光敏防爆外壳5靠近激光光源模块1一端，光敏电阻4设置于对应透光窗口的位置，且光敏电阻4的光接触面对应透光窗口；光敏电阻4、独立电源15及工作电路均安装在一光敏模块工作电路板6上。
[0076]
进一步地，本实施例在光敏模块3的透光窗口上外侧覆盖有透光玻璃盖板，本实施例为红色防爆透光玻璃面板，透光玻璃盖板仅允许波长为激光光源模块投射光线波长的光线通过，在本实施例中激光光源模块1发射波长为λ0，红色防爆透光玻璃面板也仅允许波长为λ0的光线通过，由此减弱环境中其他颜色光线的射入，从而减弱非λ0波长光线对光敏电阻的影响。
[0077]
进一步地，本实施例的光敏电阻4为长条状，其长边长度l1为待检钢丝绳正常截面直径d0的2到3倍，由于检测过程中待检钢丝绳2在运动，可能会发生晃动，因此，光敏电阻4的水平长度要确保能覆盖待检钢丝绳2的投影面积，故本实施例做此设置。
[0078]
进一步地，本实施例的光敏电阻4有n个，对应激光光源模块1投射出的n道横向光线，相邻光敏电阻4的间距也为s，每个光敏电阻4对应一道横向光线，且每个电阻对应一个
工作电路及独立电源15；本实施例的工作电路为恒压偏置电路，工作电压为恒压u0，因此，入射光通量的变化仅会引起电路中电流i
p
的变化，根据电流变化情况通过构件计算模型，即可检测出钢丝绳的磨损。
[0079]
本实施例的信号预处理模块如图2和图3所示，包括电信号数据采集单元7、信号放大单元8、滤波处理单元11、模数转换单元10、无线数据通信发送单元9及预处理防爆外壳13，电信号数据采集单元7与光敏模块3的输出电路连接，按时间序列获取光敏模块3传输的电信号数据，并传输；信号放大单元8与电信号数据采集单元7连接，用于放大电信号数据采集单元7采集的电信号，并传输；滤波处理单元11与信号放大单元8连接，用于滤除将信号放大单元8传输的电信号中的低频噪声部分，保留高频有效部分，并将滤波处理后的电信号传输；模数转换单元10与滤波处理单元11连接，接收滤波处理后的电信号，并将其转换为数字信号，并传输；无线数据通信发送单元9与模数转换单元10连接，接收数字信号并无线传输至在线分析检测模块；其中，电信号数据采集单元7、信号放大单元8、滤波处理单元11、模数转换单元10及无线数据通信发送单元9均集成于信号预处理模块工作电路板12上，预处理防爆外壳13将信号预处理模块的各单元封装其中。
[0080]
进一步地，本实施例的检测系统，在光敏模块3的光信号获取阶段，即通过透光玻璃面板进行了一次降噪处理，滤去了非λ0波长的光线，在信号预处理模块中，通过滤波单元进行再次降噪，滤除信号中低频无效成分，进一步减弱非λ0波长光线产生的无效信号，保留投射λ0波长光线产生的高频有效信号，使得最终的检测结果更加客观可靠。
[0081]
本实施例的在线分析监测模块，与信号预处理模块信号连接，接收并存储信号预处理模块传输的数据，包括上位机16和无线数据通信接收单元17，无线数据通信接收单元17接收信号预处理模块发送的信号数据，上位机16则进行分析信号、解调信号，根据数据实时解算出在t时刻的待检钢丝绳2的径向尺寸d
t
以及径向磨损量δd
t
，并按照时间序列生成工作日志，记录磨损时间δt及相应磨损长度x，实现对钢丝绳健康状态的评估，并将最终结果通过显示器等交互界面上呈现给用户。
[0082]
本实施例的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测系统，激光光源模块1与光敏模块3分别对称置于待检钢丝绳2同一水平面的两侧，激光光源模块1投射的横向光线同时与待检钢丝绳2、光敏模块3的透光玻璃面板垂直，激光光源模块1投射的纵向光线与待检钢丝绳2轴线重合，在保证检测系统不干涉钢丝绳运动的情况下，激光光源模块1与光敏模块3的水平距离为定值r，在本实施例中，激光光源模块1置于待检钢丝绳2的左侧，光敏模块3置于待检钢丝绳2的右侧，且激光光源模块1距光敏模块3的距离为50cm，如图1所示的布置方式；激光光源模块1投射的多道横向光线同时与待检钢丝绳2、光敏模块3面板垂直，相邻光线的间距为s，s小于待检钢丝绳2螺距，其取值保证检测系统的灵敏度，投射多道横向光线用于同时检测钢丝绳的相距为s多个截面上的径向磨损量。
[0083]
实施例2
[0084]
本实施例的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测方法，基于实施例1的检测系统，如图4所示，具体包括如下步骤：
[0085]
一、构建钢丝绳径向磨损量δd计算模型：
[0086]
[0087][0088]
其中，k
l
为光敏电阻4光通量与光敏电流的比例系数，e为光敏电阻4的照度，b为投射光线的宽度，δi
p
为光照引起的光敏电阻电流变化量，i为激光光源模块1的激光光源发光强度，θ为激光光源在该方向上的发光平面角，l0为激光光源模块1投射的横向光线的长度；
[0089]
二、测量钢丝绳在无磨损情况下光敏模块3的电流i
p0
；
[0090]
三、构建t时刻待检钢丝绳2直径d
t
计算模型：
[0091][0092]
构建t时刻的径向磨损量δd
t
计算模型：
[0093][0094]
其中，d0为无磨损情况下钢丝绳直径，δi
pt
为t时刻光敏电阻电流的变化量；
[0095]
四、构建待检钢丝绳2磨损长度x计算模型：
[0096]
x＝v
·
δt；
[0097]
δt＝t
i 1-ti；
[0098]
其中，v为待测钢丝绳2的运动速度，δt为磨损时间，ti为检测过程中直径d
t
≤0.98d0的时间；
[0099]
五、启动检测系统，使待检钢丝绳2以v的速度做提升/下降运动，记录t时刻的待检钢丝绳2的径向尺寸d
t
以及径向磨损量δd
t
，并按照时间序列生成工作日志，记录磨损时间δt及相应磨损长度x；
[0100]
六、多次获取待检钢丝绳2同一位置的磨损情况，并计算均值；
[0101]
获取t时刻由上至下第1至n道光线检测的钢丝绳径向磨损量，分别记为
[0102]
平均磨损量为：
[0103][0104][0105]
其中，t0为相邻光线检测同一位置的时间间隔，s为相邻光线间距。
[0106]
七、按照时间序列生成关于的工作日志，记录磨损时间δt及相应磨损长度x，实现对待检钢丝绳2健康状态的评估。
[0107]
进一步地，步骤一中，钢丝绳径向磨损量δd计算模型的具体构建方式如下：
[0108]
s10、构建光通量优化计算模型：
[0109][0110]
其中，i为激光光源模块中激光光源发生器的发光强度；θ为激光光源在该方向上的发光平面角，为线光源发光立体角ω的简化；θ为计算相应光线长度的光通量的乘积因子；
[0111]
当钢丝绳无磨损时，
[0112]
光敏电阻上的光通量
[0113]
当钢丝绳径向磨损δd时，
[0114]
光敏电阻上的光通量
[0115]
光通量变化量
[0116]
式中，δd为钢丝绳径向磨损量，d0为钢丝绳的径向直径尺寸，l1为光敏电阻4感受的光线长度，l0为激光光源模块1投射的横向光线的长度；
[0117]
s11、构建光敏电阻4照度关系：
[0118]
照度公式
[0119]
由于激光光源模块发光强度稳定，光敏电阻受光面为平面，故
[0120]
因此，照度
[0121]
式中，b为投射光线宽度；
[0122]
可知i、θ、l0、b均为激光光源模块1的不变化的硬件参数，因此光敏电阻4的照度为定值；
[0123]
根据光敏电阻4的光照特性，并结合其伏安特性，分析光敏电阻的光通量，由于光敏电阻4的照度e为定值，则光敏电阻感受到的光通量为
[0124]
光通量仅与光敏电阻4感受的光线长度成正比关系；
[0125]
s12、构建δd计算模型：
[0126]
当光敏电阻在电压为u0、入射光线为λ0情况下，在一定的光强范围内，光通量与光敏电流i
p
成正比，即
[0127]
式中，k
l
是比例系数；
[0128]
根据光敏电阻感受到的光通量分析钢丝绳径向磨损量δd，
[0129][0130][0131]
则
[0132]
步骤四中，ti取检测过程中直径d
t
≤0.98d0的时间，
±
0.02d0为误差允许范围，ti为系统自动实时识别并记录。
[0133]
本实施例的基于光敏效应的钢丝绳磨损无损检测方法，一次投射多道线光源同时检测钢丝绳的多个截面上的径向磨损量，且线光源照射宽度较窄，检测磨损的分辨力更高，相较于传统面光源照度不均匀，采用线光源照度更可控、更均匀，从而实现对运动钢丝绳逐截面多次检测，提高了对同一位置检测的精度；进一步地，本实施例的方法无需前期投入时间训练，不易受到其环境光的干扰，并且不受钢丝绳提升机运行速度的限制，检测速度快。
[0134]
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和
范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。