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1、1 绪论毕业设计（论文）基于ARM的钢丝绳检测系统毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电
2、子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 1 绪 论1.1课题研究的背景和意义钢丝绳作为人员物料搬运过程中提升、牵引、拉紧、承载的载体，具有较高的强度和韧性，因而钢丝绳被广泛的使用在工农业生产和居民生活的各各方面，从建筑工地的吊车到高层住宅中的电梯，从工厂的牵引机到港口码头的龙门吊，从油井的录井钢丝绳到建筑工地的升降机，到处都可见到钢丝绳的身影。但是在使用过程中，钢丝绳不可避免的出现磨损和疲劳损伤，导致钢丝绳强度和韧性下降甚
3、至断裂，直至引发事故，这其中重大人员伤亡及财产损失的事故举不胜举。钢丝绳一旦有损伤，其强度和韧性会迅速降低，因此为保证生产安全和人身安全，必须对工作状态的钢丝绳进行定期缺损检测。随着检测技术和电子技术的不断发展，现在的检测方法都立足于对被测物体不造成任何损伤，即无损检测技术。目前应用于钢丝绳检测的无损检测方法较多，主要有目视检测、磁粉检测、涡流、超声波、射线、工业CT等，但在高速度、可靠性、高效率等方面，这些方法均存在着不同的不足。从磁粉检测演化而来的漏磁无损检测是建立在如钢丝绳、钢棒等磁性材料的高磁导率这一特性基础之上的。磁性材料如钢丝绳被磁化后，磁场会在磁回路中建立，对于无损伤钢丝绳，磁回
4、路中的磁场强度为固定值，且其表面基本无磁场溢出。当钢丝绳有破损时，其磁通会发生相应变化，引起磁回路中磁场强度的变化，在其表面亦会有部分磁场溢出。通过检测磁回路中的磁场变化以及溢出磁场的强度，即可判断出钢丝绳的破损状态和位置。本文主要研究通过检测溢出磁场即漏磁场强度判定钢丝绳表面损伤的状态。漏磁场检测方法具有在线检测能力强、自动化程度高、检测精度高等优点，从而能满足生产及实际应用中的连续性、快速性和在线检测的要求，使得漏磁检测成为目前应用最为广泛的一种检测方法，大量应用于钢丝绳、管道等铁磁性材料的无损检测中。1.2 国内外相关研究现状1.2.1 国外研究概况钢丝绳无损检测是指在不损坏钢丝绳使用的
5、情况下，应用一定的检测技术和分析方法，对钢丝绳的状态特性予以测量，从而判断出钢丝绳的受损程度。国外开始研究漏磁检测技术的起步较早，1933年Zuschlug首先提出应用磁敏传感器测量漏磁场的思想，但直到1947年Hastings才设计出了第一套漏磁检测系统，1西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）统由于其检测精度和检测速度广受好评，漏磁检测才开始受到普遍关注。随着研究的不断深入，各种各样的漏磁检测设备不断被研发出来，应用范围也不断扩大，从管道内测量到管道内外的各类型缺陷的测量，从刚开始的定性测量到后期的定量测量，漏磁技术不断完善。目前，漏磁检测设备主要在其检测精度、在线检测、无干预检测这
6、几个方面不断升级。漏磁场分析的研究主要集中在利用计算机模拟分析各种不同缺陷对应的检测信号，通过模拟计算判断被测磁性物体损伤的类型、大小和位置。目前的漏磁检测装置，不仅能够完成被测物体的缺陷报警，同时能够通过对检测信号的分析来定量的判断其损伤的类型、大小和位置，其检测精度不断提高，检测内容不断完善。1.2.2 国内研究现状我国漏磁检测技术研究工作起步较晚，其总体技术水平落后于欧美发达国家。但随着国内科研人员的不懈努力，漏磁检测技术蓬勃发展，在各行业各领域均可见到国内漏磁检测技术的研究成果。诸如输油管道内外缺陷无损测量、钢丝绳无损测量等技术设备。国内研究漏磁检测技术的高校主要有清华大学、华中科技大
7、学、上海交通大学、沈阳工业大学等。其中华中科技大学的杨叔子、康宜华、武新军等，在储罐底板漏磁检测研究和管道漏磁无损检测传感器的研制、钢丝绳的漏磁检测等方面进行了大量的实验研究工作，其研究成果广泛应用于相关行业，填补了国内漏磁检测的相关空白。但是总体而言，国内的漏磁检测技术及设备落后于国外同类产品，尤其是在设备的小型化、智能化和在线检测能力上相差较大。因此本文提出一种基于ARM的漏磁检测系统，该系统采用LM3S615为硬件核心，有利于设备小型化，使之能够实现在线检测的要求。降低系统对于操作人员的素质要求，提高系统的自适应性和智能化。1.3 系统设计思路及论文主要研究工作1.3.1 系统设计思路通
8、过对国内外漏磁检测数据的研究，总结出如图1.1所示的设计思路。漏磁场信号的特点及检测系统的性能要求是整个检测系统设计的基础，根据漏磁信号的特点来确定信号采集和分析处理的方法，根据检测系统性能要求进行系统硬件选择，并综合考虑信号采集和处理方法的硬件要求；在硬件基础之上进行相应的软件实现；最后对系统进行综合调试，对实验数据进行分析处理，从而确定设计系统是否满足设计要求。图1.1 系统设计思路在整个系统设计过程中，先对各部分进行相应的调试，确保各部分都能达到设计要求，从而降低综合调试的难度。1.3.2 主要完成的研究工作本文主要是钢丝绳在线无损检测系统的设计研发。通过研究目前常用的漏磁场检测方法和仪
9、器，设计了以磁阻传感器为核心部件的漏磁探头，采用相关分析方法对采集的漏磁信号进行处理，可有效的提高测量精度，尤其对于单根钢丝绳细微的表面破损有较好的检测效果。本系统基于ARM，极大的降低系统功耗，便于实现在线检测的目的，同时提高系统的可靠性，简化设计，提高运算速度，具有设计灵活，现场可编程，调试简单和体积小等特点，可实现工作现场直接检测的要求。同时，由于ARM的模块化设计，只需修改核心的控制模块，并重新烧写，就可实现算法的改进和升级，为提高系统的适应性打下良好的基础。论文完成了以下工作：a文中分析了常用的钢丝绳无损检测技术，总结其优缺点，选用以测磁原理为基础的漏磁场信号检测方法；通过对国内外漏
10、磁检测技术应用的研究，确定了以ARM为硬件基础，相关分析为信号处理方法的设计思路，实现钢丝绳在线无损检测的功能。b完善系统设计思路的细节，确定检测系统总体方案及软硬件方案。并讨论了相关分析的理论及算法，在理论上对相关分析消除噪声、提高信号信噪比进行数学推导，并运用仿真及实验的方法论证了相关分析提取信号的方法及在漏磁信号检测中的有效性。c通过研究漏磁检测原理，分别完成磁敏元件的选择，聚磁回路和双回路磁化的设计，在此基础上完成检测探头的设计。d完成了漏磁检测系统的硬件电路设计，包括LM3S615芯片电路、A/D转换电路、串行存储器设计电路、复位电路、液晶接口电路、报警电路等的设计工作。e通过对各种
11、软件设计方法的研究，提出模块化智能化设计思想，在此基础上完成系统软件设计，使用C语言实现互相关算法编程及人机交互界面。f通过对漏磁检测系统调试分析，确定检测系统的性能指标，检测数据显示其性能基本达到设计要求。g总结系统存在的缺陷和不足，提出改进思路。42 系统总体设计方案2 系统总体设计方案2.1 钢丝绳无损检测系统概要钢丝绳无损检测系统的目的是对受损钢丝绳进行检测，判断出被测钢丝绳的受损程度，并由此确定被测钢丝绳性能安全与否。基于这一思想，提出检测系统的性能要求，即连续性、快速性和在线检测。根据性能要求，综合绪论中的设计思路，提出如下设计方案。2.1.1钢丝绳无损检测系统总体设计方案a. 总
12、体方案数据采集、数据处理和数据输出是一个数据处理系统的三大基本功能，本文中的钢丝绳无损检测系统也同样具有这三大功能，图2.1显示了这三大功能之间的相互关系。由采集系统采集所需数据并进行相应预处理，为数据处理系统提供有效清晰的数据信号；数据处理系统对传输过来的数据进行分析处理，并根据用户提供的参考值，与处理结果进行比对，从而得出结论；由数据输出系统完成数据的显示、传输或其他功能。图2.1 系统功能框图设计中的丝绳无损检测系统，其数据采集部分的核心是传感器，主要功能是通过励磁装置对被测钢丝绳进行磁化，聚磁回路加强漏磁场强度，磁敏传感器探测漏磁信号；数据处理模块主要由预处理及相应算法组成，其作用是提
13、高信号信噪比，抑制噪声，增大微弱信号幅度，从而能有效提取出有用信号，并根据信号中包含的有效信息，判断出钢丝绳的损坏程度；数据输出模块包括数据显示、存储及传输。5西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）b. 钢丝绳无损检测系统工作流程对于无任何损伤的钢丝绳，使用励磁装置磁化时，其表面几乎没有磁感应线穿出，检测其磁场强度基本为零。钢丝绳由于损坏变形其本身的磁导率会发生变化，在损坏变形处磁导率变小，磁阻增加。因此钢丝绳内的磁感应线会改变传播方向，有一小部分磁感应线会溢出钢丝绳表面，通过空气再重新进入到钢丝绳内，在钢丝绳表面形成漏磁场14。因此可使用灵敏度较高的磁敏元件对已磁化钢丝绳进行测量，采集
14、漏磁场信号，经过信号放大滤波处理后，进行模数转换，再送入ARM，进行FIR数字滤波、处理、分析，并将结果输出，然后用户可根据分析结果判断被测钢丝绳受损是否超标，从而确定该钢丝绳是继续使用还是需要更换。整个过程可自动实现。其工作流程如图2.2所示。图2.2 系统工作流程图钢丝绳的损伤类型很多，主要可分为表面缺损和绳径变化。表面缺损最为常见如裂纹、坑点、孔洞、断裂等。针对不同的钢丝绳受损状态，使用不同的检测方法进行检测，才能获得较好的检测数据。本系统基于ARM7设计，采用漏磁检测方法，运用互相关运算，以期望能够满足多种不同状态受损钢丝绳的检测要求及精度要求。由于互相关运算针对两组不同信号的处理，因
15、此系统中检测探头布置2套，每套内装4个磁敏元件，可分别采集四个方向上的漏磁信号，每个磁敏元件对应一路放大滤波和模数转换电路，即共有8路放大滤波和模数转换电路。系统结构简图如图2.3所示。图2.3 钢丝绳检测系统结构简图2.1.2 钢丝绳无损检测系统组成a. 数据采集数据采集工作是依靠检测探头完成，考虑到漏磁信号十分微弱且淹没在强干扰噪声中，因此设计中选用磁阻传感器作为磁敏元件，较霍尔器件灵敏度更高。检测探头是整个系统检测的初始端，也是系统信号的来源，其主要功能是完成对被测钢丝绳漏磁信号的检测，将磁信号转变为电信号。检测探头中传感器性能的高低直接关系到能否有效检测出所需的漏磁信号。检测探头主要包括传感器、聚磁和磁化三个部分17。为便于ARM分析处理，需要将空间域的漏磁场信号转换为时间域信号，采用磁电信号的时空域采样方法，可满足这一要求。采集的漏磁信号为模拟信号，需将其转换为数字信号才可传送给ARM，这一工作由A/D转换电路完成。b. 信号处理信号处理的目的是将由传感器输出的检测信号不失真的进行放大、滤波处理，从而提高检测信号的信噪比和抗干扰能力，为进一步的信号识别、分析、诊断、显示、存储、记录等打下良好的基础，能够显示出明显的信号特征或检测结
