一种高稳定积分器在钢丝绳无损检测中的应用

    钢丝绳在矿山、旅游、交通、冶金、建筑等行业得到了广泛的应用.钢丝绳的承载能力时刻关系到设备和人身安全,因此在役钢丝绳的安全性受到了各国钢丝绳使用部门的高度重视.钢丝绳大面积磨损和锈蚀的检测即截面损失(LMA)的检测是钢丝绳无损检测的重要内容.本文针对钢丝绳检测信号的特点,设计了一种具有非线性负反馈的高稳定积分电路.

    1　钢丝绳定量无损检测的基本原理^[1]

    用强永久磁铁作励磁源,将处于两磁极之间的钢丝绳沿轴向磁化至饱和.由于铁磁材料在磁饱和条件下,其内部磁通量与金属横截面积的大小成正比,测量钢丝绳的轴向主磁通相对于正常值的改变可以定量检测钢丝绳的截面损失.

    采用感应线圈作为磁通的检测元件,原理如图1所示.检测线圈位于两极之间,匝数为N.当线圈相对于钢丝绳运动时,产生感应电势

其中Φ₀为参考位置(t=0)时线圈所包围的磁通量,ΔΦ则为钢丝绳轴向磁通的损失量.所以只要对感应线圈的感应电动势进行积分,就可以实现钢丝绳截面损失的定量检测.

    上述原理,对于很小的局部损伤基本无效,类损伤信号可能湮没在噪声中.但是对于大面积的磨损、锈蚀而导致的金属有效截面积的改变,按照上述原理进行定量检测是非常有效的.积分电路是实现钢丝绳磨损、锈蚀定量检测的关键,因而有必要针对检测信号的特点设计相应的积分电路.

    2　钢丝绳检测信号的特点及对积分电路的要求

    钢丝绳的无损检测是在强背景噪声环境下进行的。产生噪声的主要因素是因在励磁磁路上钢丝绳与励磁装置之间存在气隙;在检测过程中,由于探头的振动、钢丝绳的晃动,极靴内圆不可能始终与钢丝绳保持同心,致使磁路参数发生变化影响检测信号.另外,外界电磁干扰及随着励磁强度的增加,由钢丝绳结构引起的磁场变化也增加,而使得检测信号存在大量的干扰.

    一般钢丝绳检测的数据量较大,检测时间也较长.对强干扰信号进行长时间的积分,要求积分电路具有高稳定性,且能有效地抑制干扰;尤其是直流干扰,否则长时间积分,积分器的输出会偏离零点,严重时会发生积分饱和的现象.针对上述要求本文设计了具有非线性负反馈的高稳定积分电路.

    3　具有非线性反馈的高稳定积分电路

    理想的积分电路如图2所示,它的输出为V_o=-.但在实际应用的情况下,运算放大器并非理想.由其构成的积分等效电路如图3所示.其中V_io为运算放大器的输入失调电压,I_b为输入偏置电流.可以得出实际积分电路的输出为^[2]