[發明專利]一種金屬絲繩的在線監測方法及裝置

在審

• 申請號: 201510707529.1
• 申請日: 2015-10-26
• 公開（公告）號: CN105527338A
• 公開（公告）日: 2016-04-27
• 發明（設計）人: 韋崗;馬碧云;劉嬌蛟;楊萃;曹燕;王一歌;李杰;趙明劍
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01N27/82
• 分類號: G01N27/82
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

1.一種金屬絲繩的在線監測方法,其特征在于以磁信號作為信息的載體，主動發射寬 頻交變磁場激勵信號，將被測金屬絲繩置于該磁場中，采用陣列磁敏元件獲取金屬絲繩的 在該磁場信號的激勵下的二維、三維感應磁場及空間分布情況與特征，從而反演出金屬絲 繩的物理特征參數的空間分布情況，在非接觸的條件下實現金屬絲繩的無損檢測與傷損定 位。

2.一種用于實現權利要求1所述在線監測方法的監測裝置，其特征在于包括由通信模 塊、監測信號發生模塊、電磁推挽偶極子式信號發射探頭、磁敏式信號接收探頭、接收信號 預處理模塊、運動掃描模塊、控制器、存儲器及電源組成的現場監測端，以及由通信模塊、傷 損分析模塊、成像顯示模塊、人機交互模塊、處理器、存儲器及電源組成的遠程監控端；

所述現場監測端用于收發寬頻交變磁信號，一個或多個所述現場監測端放置在金屬絲 繩的工作路徑上，且與相鄰的金屬絲繩有固定的間隙；所述通信模塊，負責遠程監控端與現 場監測端之間控制信息、收發信號的有線或者無線傳輸；監測信號發生模塊，按照遠程監控 端產生的控制參數信息，產生寬頻交變電信號；電磁推挽偶極子式信號發射探頭，用于對金 屬絲繩監測寬頻交變磁信號的發射，由兩個以金屬絲繩的橫截面為中心的軸對稱放置，且 產生磁場極性相反的通電金屬線圈組成，多個所述電磁推挽偶極子式信號發射探頭配置成 一組或多組組陣列；磁敏式信號接收探頭，由磁敏元件組成，放置于被測鋼絲繩附近，組成 陣列，用于磁信號接收，并將磁信號轉化為電信號，且傳輸到接收信號預處理模塊；接收信 號預處理模塊，用于記錄裝置的校準信息，并對接收信號進行去噪、將可疑傷損部位的接收 探頭接收信息存儲下來，并添加時間信息、位置信息；運動掃描模塊，負責控制和感知監測 的運動；控制器負責控制現場監測端中各構成模塊的工作；存儲器，用于緩存現場監測端中 各構成模塊的數據；電源，負責向現場監測端中各構成模塊供電；

所述遠程監控端主要功能是控制參數的設置、產生，并對遠程監測端獲得的可疑傷損 部位的磁信號進行處理、分析及結果顯示輸出，其中，遠程監測端的通信模塊，負責遠程監 控端與現場監測端之間控制信息、收發信號的有線或者無線傳輸；傷損分析模塊，負責根據 反演傷損可疑部位的電導率、磁導率物理特征參數的空間分布情況，并分析判斷傷損類型 和級別；成像顯示模塊，負責將傷損分析結果成像顯示；人機交互模塊，負責提供人機交互 的界面劑外設；處理器，負責處理遠程監控端各構成模塊的數據；存儲器，用于緩存遠程監 控端各構成模塊的數據；電源，負責向遠程監控端各構成模塊供電。

3.根據權利要求書2所述的監測裝置，其特征在于電磁推挽偶極子式信號發射探頭的 兩個金屬線圈根據繞制方式，調整線圈兩端輸入電壓的極性以保證兩線圈在靠近金屬絲繩 的端點產生的磁場極性相反，且在單個探測周期里面極性不發生變換，以利于磁場的矢量 檢測；所述的線圈兩端輸入的電壓極性控制方式如下：電壓由直流和交流兩部分組成，且直 流的幅度值比交流的最大峰值要大，從而保證總電壓的極性在單個探測周期里面不變化， 交流部分由寬頻交變信號組成，負責產生交變磁場以在金屬絲繩內部激發渦和帶有被測金 屬絲繩物理特征的感應磁場。

4.根據權利要求書2所述的監測裝置，其特征在于現場監測端的監測信號發生模塊將 從通信模塊獲得的控制參數信息，生成功率、中心頻率、相位、帶寬參數可控的寬頻電信號 以激勵電磁推挽式偶極子信號發射探頭；監測信號發生模塊包含數模轉換單元、相位控制 單元、功率放大單元、濾波單元和饋電網絡單元。

5.根據權利要求書2所述的監測裝置，其特征在于現場監測端包括濾波單元、低噪聲放 大單元和數模轉換單元；運動掃描模塊包括運動電機單元、GPS定位單元，并向接收信號預 處理模塊提供位置信息。

6.根據權利要求書2所述的監測裝置，其特征在于遠程監控端的傷損分析模塊根據已 經過接收信號預處理模塊處理的磁敏式信號接收探頭的接收信息，反演出被測金屬絲繩的 電導率、磁導率物理特征參數的空間二維、三維部分情況，并將結果輸出到成像顯示模塊， 且根據存儲器的傷損特征分析庫，初步判斷傷損類型和級別，并將結果輸出到人機交互模 塊。

7.利用權利要求2所述檢測裝置的金屬絲繩在線監測方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：裝置控制參數設置；檢測人員通過裝置遠程監控端的人機交互外設，設置裝置 的控制參數；設置的控制參數包括：發射信號參、通信模塊參數、運動掃描模塊參數、接收信 號參數、傷損分析模塊參數、成像顯示模塊參數；

步驟2：裝置設備狀態自動檢測；該步驟所檢測的狀態包括：現場監測端與遠程監控端 的通信模塊連接狀態、現場監測端內部各個模塊的連接狀態、遠程監控端內部各構成模塊 的連接狀態；

步驟3：監測前的增益校準；其中增益校準方式包括兩種：手動增益與自動增益；手動增 益校準方式由檢測人員根據被測金屬絲繩的結構及性質設置增益參數；自動增益校準方式 則是在獲得被測金屬絲繩的樣本后，遠程監控端自動估算被測金屬絲繩結構及性質的增益 參數；其中增益參數包括磁波信號在各種介質材料中的各種特征參數，特征參數包括：電導 率、磁導率，各個時間點的增益大小，帶通濾波頻率帶寬，對比度大小；

步驟4：裝置監測初始校準；根據步驟1所設置的發射信號參數，遠程監控端生成控制參 數信息，并經由通信模塊傳輸到現場監測端的監測信號發生模塊生成寬頻電信號，電磁推 挽偶極子式信號發射探頭的線圈受電信號的激勵，向無傷損金屬絲繩標準件發射磁波信 號；大量放置于被測金屬絲繩附近的磁敏式信號接收探頭的負責接收磁波信號，同時將接 收的磁波信號傳輸到接收信號預處理模塊；接收信號預處理模塊將各個磁敏式信號接收探 頭接收到的磁波信號及其參數特征存儲下來，并記錄為裝置的初始校準數據；本步驟的作 用在于記錄由電磁推挽偶極子式信號發射探頭激發，金屬絲繩無傷損時三維磁場分布情況 及其參數特征信息；

步驟5：監測信號發射；在經歷了步驟4之后，將電磁推挽偶極子式信號發射探頭的兩個 線圈置于被監測金屬絲繩的軸向對稱處，同時根據步驟1所設置的發射信號參數、通信模塊 參數、運動掃描模塊參數，遠程監控端生成控制參數信息，并經由通信模塊傳輸到現場監測 端的監測信號發生模塊生成寬頻交變電信號，電磁推挽偶極子式信號發射探頭的兩個線圈 受電信號的激勵，向被監測金屬絲繩發射磁波信號；

步驟6：監測信號接收；根據步驟1所設置的接收參數信息，分布在被測金屬絲繩附近的 多個磁敏式信號接收探頭的接收磁場信號，并傳輸到接收信號預處理模塊，并與步驟4所記 錄的裝置初始校準數據一起處理，獲得被測金屬絲繩的三維磁場分布；如發現被測金屬絲 繩的三維磁場分布與步驟4所記錄的無傷損金屬絲繩段標準件的三維磁場分布不一致，則 將該段被測測金屬絲繩列為傷損可疑段，并記錄其三維磁場分布情況及其參數特征信息、 時間信息、位置信息，同時通過通信模塊，傳輸到遠程監控端的傷損分析模塊；

步驟7：現場監測端運動掃描成像；遠程監控端通過通信模塊控制現場監控端的運動模 塊的運動，實現現場監控端的運動或者感知現場監控端的運動情況，進而實現對被測金屬 絲繩整體的監控，且重復步驟5至步驟6,獲被測金屬絲繩的可疑傷損段信三維磁場分布情 況及其參數特征信息，并在接收信號預處理模塊，將可疑傷損段的三維磁場分布情況及其 參數特征信息添加時間信息和運動控制模塊提供的位置信息，通過通信模塊，傳輸到遠程 監控端的傷損分析模塊；

步驟8：傷損分析；根據步驟1配置的發射檢測信號的信息,步驟6所記錄的傷損可疑段 金屬絲繩的三維磁場分布情況及其參數信息，傷損分析模塊反演出被測金屬絲繩的電導 率、磁導率等物理特征參數的空間二維、三維分布情況，并與無傷損金屬絲繩段標準件的電 導率、磁導率物理特征參數的空間二維、三維分布情況作比較，從而發現電導率、磁導率變 化明顯的區域，實現傷損定位及定性判斷；

步驟9：顯示及成像；從以上步驟獲得的可疑段被測金屬絲繩的空間二維、三維磁場分 布信息、電導率、磁導率物理特征參數的空間二維、三維分布信息作圖顯示，且根據步驟7所 記錄的時間信息和位置信息，作傷損分布情況圖，作圖結果再根據人機交互模塊的控制信 息，通過成像顯示模塊顯示出來。