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基于機(jī)器視覺和脈沖渦流結(jié)合的礦用鋼絲繩無損
發(fā)布時(shí)間：2022-01-30 20:00 文章來源：未知 文章作者：admin 點(diǎn)擊數(shù)：
鋼絲繩作為煤礦提升運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵部分，有著強(qiáng)度高、重量輕、彎曲性能好、不易斷繩、工作平穩(wěn)等優(yōu)良特性，雖在出廠前都進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力處理，但在礦井系統(tǒng)長(zhǎng)期高負(fù)荷的工作過程中，
鋼絲繩作為煤礦提升運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵部分，有著強(qiáng)度高、重量輕、彎曲性能好、不易斷繩、工作平穩(wěn)等優(yōu)良特性，雖在出廠前都進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力處理，但在礦井系統(tǒng)長(zhǎng)期高負(fù)荷的工作過程中，在役鋼絲繩會(huì)受到載荷突變、復(fù)雜環(huán)境變化等影響，從而出現(xiàn)磨損、腐蝕、斷絲等不同類型的損傷或缺陷，將會(huì)降低其承載強(qiáng)度和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生突然斷裂，直接威脅礦井的正常安全生產(chǎn)。近年，礦井提升快速發(fā)展，需要更高標(biāo)準(zhǔn)和要求的提升鋼絲繩，在不影響在役鋼絲繩正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，對(duì)鋼絲繩的缺陷和損傷進(jìn)行檢測(cè)尤為重要。就此情況，筆者提出將機(jī)器視覺與脈沖渦流無損檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)在役鋼絲繩的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，以利于礦用鋼絲繩安全運(yùn)輸和礦井安全生產(chǎn)。
1鋼絲繩檢測(cè)方法分析
人工檢測(cè)方法是鋼絲繩檢測(cè)中最傳統(tǒng)的方法，通常是人工視覺加上輔助工具（如放大鏡等）去檢查鋼絲繩是否存在缺陷和損傷，但其操作時(shí)間間隔固定，耗時(shí)較長(zhǎng)，且受外部環(huán)境、鋼絲繩表面油污附著、主觀分析等因素影響，內(nèi)部缺陷很難被檢測(cè)出來，不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取鋼絲繩損傷情況，檢測(cè)記錄可追溯性差，導(dǎo)致安全隱患仍然存在。同時(shí)，為了保證煤礦正常生產(chǎn)，安全負(fù)責(zé)人員會(huì)在特定時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)鋼絲繩進(jìn)行全部更換，這就導(dǎo)致還能正常使用的鋼絲繩被替換掉，浪費(fèi)資源。
目前，國(guó)內(nèi)外鋼絲繩無損檢測(cè)方法主要有超聲波檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)、電流檢測(cè)和電磁檢測(cè)六種。其中，電磁探傷法應(yīng)用最為廣泛，使用磁化裝置將鋼絲繩磁化，通過電磁感應(yīng)技術(shù)，根據(jù)鋼絲繩損傷部位產(chǎn)生的磁信號(hào)來判斷其損傷情況，還可以對(duì)缺陷損傷部位橫截面積進(jìn)行定量的判斷，該方法操作較為簡(jiǎn)單且成本低。但人工檢測(cè)法和電磁檢測(cè)法都會(huì)受到周圍環(huán)境、設(shè)備工作狀態(tài)、干擾因素的影響，受限較大，檢測(cè)結(jié)果精度和準(zhǔn)確性低，給礦井管理帶來諸多不便。
2機(jī)器視覺和脈沖渦流無損檢測(cè)分析
隨著智能科技的迅猛發(fā)展，機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)近年來被應(yīng)用于很多領(lǐng)域并取得了明顯的效果。與人工視覺相比，機(jī)器視覺技術(shù)靈敏度高、檢測(cè)速度快、精度高、成本低，有著顯著優(yōu)勢(shì)，是多種學(xué)科的交叉和融合。脈沖渦流無損檢測(cè)法是電磁檢測(cè)法中的重要方法之一，其原理為電渦流效應(yīng)，具有非接觸、靈敏度高、效率高、速度快、虛檢率低等優(yōu)點(diǎn)。無損檢測(cè)不會(huì)對(duì)構(gòu)件造成宏觀損傷，也不會(huì)影響響應(yīng)結(jié)構(gòu)的完整性。在保證元器件完整性的前提下，通過聲、光、電、磁等物理手段對(duì)顯示結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵元器件進(jìn)行在線反復(fù)操作。通過定期檢查，可以有效地確認(rèn)服務(wù)結(jié)構(gòu)的安全性。礦井提升用鋼絲繩大多采用高碳鋼，具有良好的導(dǎo)磁性能并且目前人機(jī)交互技術(shù)較為成熟，通過嵌入式技術(shù)分別建立機(jī)器視覺檢測(cè)平臺(tái)和脈沖渦流檢測(cè)平臺(tái)，結(jié)合二者檢測(cè)靈敏度高、誤檢率低的優(yōu)點(diǎn)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，來檢測(cè)鋼絲繩使用過程中出現(xiàn)的損傷和缺陷，以減少鋼絲繩事故發(fā)生，從而保證鋼絲繩安全使用并減少過早報(bào)廢。
2.1機(jī)器視覺和脈沖渦流檢測(cè)平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)組成機(jī)器視覺檢測(cè)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1，由數(shù)字?jǐn)z像機(jī)（OV2640）、數(shù)據(jù)傳輸模塊（STM32）、串口模塊、上位機(jī)（處理器、顯示器）模塊等組成。脈沖渦流檢測(cè)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)由圖2，由驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊、信號(hào)收集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和上位機(jī)模塊組成。
3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)應(yīng)用分析
2.2機(jī)器視覺和脈沖渦流檢測(cè)方法機(jī)器視覺檢測(cè)流程如圖3，在對(duì)鋼絲繩進(jìn)行監(jiān)測(cè)過程中，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)對(duì)鋼絲繩圖像進(jìn)行采集，通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并存儲(chǔ)信息，單片機(jī)讀取圖像信息進(jìn)行損傷、缺陷識(shí)別，采用高斯濾波去除噪聲，然后對(duì)圖像分割得到圖像的強(qiáng)度梯度，采用非最大值抑制技術(shù)消除邊緣誤檢，采用雙閥值法確定可能的邊界，采用滯后技術(shù)跟蹤邊界，運(yùn)用Canny邊緣檢測(cè)算法，通過后臺(tái)計(jì)算分析，當(dāng)超過預(yù)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)并在顯示器上顯示，保存入數(shù)據(jù)庫(kù)。
|系統(tǒng)初始化|
|開始圖像采+|保存數(shù)據(jù)+
高新濾波
獲得邊緣蹈→是否存在“|發(fā)出裂紫信息|
缺稱？
圖3機(jī)器視覺檢測(cè)流程圖
脈沖渦流檢測(cè)流程如圖4，接入電源后，驅(qū)動(dòng)部分產(chǎn)生的脈沖激勵(lì)信號(hào)被設(shè)備上的探頭掃描，鋼絲繩周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)由傳感器將獲得的磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)傳送到信號(hào)收集模塊，在該模塊中對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波去噪，并提取信號(hào)峰值。進(jìn)一步傳送到上位機(jī)模塊，處理器會(huì)將提取的峰值與編碼器中提前設(shè)好的閥值比較，若峰值小于閥值，則表示沒有缺陷，結(jié)果將在顯示屏上示出，然后繼續(xù)進(jìn)行下一次檢測(cè)；若峰值大于閾值，表示存在缺陷并報(bào)警提醒，便于安全管理人員及時(shí)進(jìn)行更換或維修，實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩檢測(cè)的定性分析。
系統(tǒng)初始化心|
|被受電壓做號(hào)|沒有缺|
能該去愛|
w品會(huì)是。|你值）謝值？。好|有錢確，井及|
|臨強(qiáng)答做息|
圖4脈沖渦流檢測(cè)流程圖
3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)應(yīng)用分析
3.1數(shù)據(jù)處理
Canny邊緣檢測(cè)算法里面定義了邊緣曲度算子CURV，處理過程如下：
4總結(jié)
（1）計(jì)算高斯濾被函數(shù)，如式（1），取a=2得到原始圖像邊緣圖，記為Kmws G（xy）=wexp（--）（1）
（2）取=1得到原始圈像邊緣圖，記為Kmn。
（3）對(duì)Kn求取cURV，并利用Kaar對(duì)cuRV進(jìn)行修正。
（4）根據(jù)公式K=M-CURV得到更新后的邊緣圖K。
（5）根據(jù)人工預(yù)定的雙網(wǎng)值對(duì)K進(jìn)行邊緣判斷，獲得邊緣檢測(cè)結(jié)果。
使用不同方法對(duì)鋼絲繩缺陷進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表1，正確率、誤差率、誤差率和平均誤差率是用來衡量檢測(cè)精度的四個(gè)指標(biāo)。準(zhǔn)確率為像素正確的。漏檢率為實(shí)際修改像素，誤檢率為實(shí)際不變像素，平均誤碼率為最后兩個(gè)像素的平均值。
表1不同方法下鋼絲繩缺陷檢測(cè)結(jié)果等是提疾范檢測(cè)方法正確米（%）精檢來（）度檢率（0）均臨率（%）脈凈需流檢溫 7341932313.3機(jī)器設(shè)化檢算84.22313.5.7.0蒜中滑流和機(jī)器
林*源在有機(jī)器視父94.52：273由表1結(jié)果可得，單獨(dú)使用脈沖滿流檢測(cè)鋼絲繩缺陷，其虛檢率較低，漏檢率高，原因主要是由于受到脈沖頻率變化、脈沖電壓變化以及較大的環(huán)境干擾（提離效應(yīng)、邊緣效應(yīng)和集膚效應(yīng)等）影響，小的峽陷難以被發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致漏檢率較高；單獨(dú)使用機(jī)器視覺檢測(cè)法檢測(cè)結(jié)果是虛檢率高，而漏檢率較低，原因主要在于相機(jī)選擇、環(huán)境因素（溫度、光照、電源電壓不穩(wěn)定、電磁干擾等）和圖緣處理不當(dāng)?shù)纫蛩?，致使最終數(shù)據(jù)處理結(jié)果出現(xiàn)誤差和誤判；與單一檢測(cè)方法相比，前兩者結(jié)合檢測(cè)可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，綜合脈沖渦流檢測(cè)的虛檢率低的優(yōu)點(diǎn)和機(jī)器視覺檢測(cè)的漏檢率低的優(yōu)點(diǎn)，從結(jié)果來看，檢測(cè)精度和檢測(cè)效率都大大提高了，并且能夠降低報(bào)警率，給管理者減輕負(fù)擔(dān)。
3.2技術(shù)應(yīng)用分析
由前文可知，將機(jī)器視覺和脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)結(jié)合起來對(duì)鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)的方法有著顯著的優(yōu)勢(shì)，不僅操作簡(jiǎn)便，效率高、速度快，還可以節(jié)約成本，節(jié)省勞動(dòng)力，并且設(shè)有分級(jí)報(bào)警功能，實(shí)用價(jià)值強(qiáng)。同理，該方法也可以適用于其他金屬構(gòu)件（如金屬套管、不銹鋼等）、磁性材料（如鐵氧體磁環(huán)等）的缺陷和損傷檢測(cè)，但是，兩種檢測(cè)方法結(jié)合檢測(cè)時(shí)受到的外界干擾因素不可控，在接下來的研究中需要進(jìn)一步尋求更好的方法去克服光源、信號(hào)干擾、能波去嗽、圖像處理等限制。
4總結(jié)
利用機(jī)器視覺和脈沖渦流復(fù)合無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋼絲繩的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，綜合了兩種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)，可以檢測(cè)鋼絲繩在使用過程中的損傷和峽陷，極大地提高了鋼絲繩檢測(cè)的效率和精準(zhǔn)度。還可以根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)結(jié)合國(guó)家礦用鋼絲繩的檢查標(biāo)準(zhǔn)、報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)等對(duì)鋼絲繩壽命（剩余承載能力和安全系數(shù)等）進(jìn)行合理預(yù)測(cè)評(píng)估，便于及時(shí)更換不符合要求的鋼絲繩，使之更好的保證礦井安全生產(chǎn)。
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