基于機器視覺和脈沖渦流結(jié)合的礦用鋼絲繩無損檢測分析

王 燕

（山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590）

鋼絲繩作為煤礦提升運輸?shù)年P(guān)鍵部分，有著強度高、重量輕、彎曲性能好、不易斷繩、工作平穩(wěn)等優(yōu)良特性，雖在出廠前都進行了預應(yīng)力處理，但在礦井系統(tǒng)長期高負荷的工作過程中，在役鋼絲繩會受到載荷突變、復雜環(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，將會降低其承載強度和使用壽命，嚴重時會發(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，需要更高標準和要求的提升鋼絲繩，在不影響在役鋼絲繩正常工作運轉(zhuǎn)的情況下，對鋼絲繩的缺陷和損傷進行檢測尤為重要。就此情況，筆者提出將機器視覺與脈沖渦流無損檢測技術(shù)相結(jié)合的方法，對在役鋼絲繩的動態(tài)參數(shù)進行在線監(jiān)測，以利于礦用鋼絲繩安全運輸和礦井安全生產(chǎn)。

1 鋼絲繩檢測方法分析

人工檢測方法是鋼絲繩檢測中最傳統(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，但其操作時間間隔固定，耗時較長，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)部缺陷很難被檢測出來，不能實時準確地獲取鋼絲繩損傷情況，檢測記錄可追溯性差，導致安全隱患仍然存在。同時，為了保證煤礦正常生產(chǎn)，安全負責人員會在特定時間間隔內(nèi)對鋼絲繩進行全部更換，這就導致還能正常使用的鋼絲繩被替換掉，浪費資源。

目前，國內(nèi)外鋼絲繩無損檢測方法主要有超聲波檢測、光學檢測、聲發(fā)射檢測、振動檢測、電流檢測和電磁檢測六種。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)生的磁信號來判斷其損傷情況，還可以對缺陷損傷部位橫截面積進行定量的判斷，該方法操作較為簡單且成本低。但人工檢測法和電磁檢測法都會受到周圍環(huán)境、設(shè)備工作狀態(tài)、干擾因素的影響，受限較大，檢測結(jié)果精度和準確性低，給礦井管理帶來諸多不便。

2 機器視覺和脈沖渦流無損檢測分析

隨著智能科技的迅猛發(fā)展，機器視覺檢測技術(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，機器視覺技術(shù)靈敏度高、檢測速度快、精度高、成本低，有著顯著優(yōu)勢，是多種學科的交叉和融合。脈沖渦流無損檢測法是電磁檢測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。無損檢測不會對構(gòu)件造成宏觀損傷，也不會影響響應(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、磁等物理手段對顯示結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵元器件進行在線反復操作。通過定期檢查，可以有效地確認服務(wù)結(jié)構(gòu)的安全性。礦井提升用鋼絲繩大多采用高碳鋼，具有良好的導磁性能并且目前人機交互技術(shù)較為成熟，通過嵌入式技術(shù)分別建立機器視覺檢測平臺和脈沖渦流檢測平臺，結(jié)合二者檢測靈敏度高、誤檢率低的優(yōu)點，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，來檢測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廢。

2.1 機器視覺和脈沖渦流檢測平臺主要結(jié)構(gòu)組成

機器視覺檢測平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖1，由數(shù)字攝像機(OV2640)、數(shù)據(jù)傳輸模塊(STM32)、串口模塊、上位機（處理器、顯示器）模塊等組成。脈沖渦流檢測平臺的硬件結(jié)構(gòu)由圖2，由驅(qū)動模塊、信號檢測模塊、信號收集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和上位機模塊組成。

圖1 機器視覺檢測平臺組成

圖2 脈沖渦流檢測平臺組成

2.2 機器視覺和脈沖渦流檢測方法

機器視覺檢測流程如圖3，在對鋼絲繩進行監(jiān)測過程中，數(shù)字攝像機對鋼絲繩圖像進行采集，通過單片機進行數(shù)據(jù)傳輸并存儲信息，單片機讀取圖像信息進行損傷、缺陷識別， 采用高斯濾波去除噪聲，然后對圖像分割得到圖像的強度梯度，采用非最大值抑制技術(shù)消除邊緣誤檢，采用雙閾值法確定可能的邊界，采用滯后技術(shù)跟蹤邊界，運用Canny邊緣檢測算法，通過后臺計算分析，當超過預定值時，發(fā)出報警信號并在顯示器上顯示，保存入數(shù)據(jù)庫。

圖3 機器視覺檢測流程圖

脈沖渦流檢測流程如圖4， 接入電源后，驅(qū)動部分產(chǎn)生的脈沖激勵信號被設(shè)備上的探頭掃描，鋼絲繩周圍產(chǎn)生磁場，此時由傳感器將獲得的磁場變化轉(zhuǎn)換為電壓信號傳送到信號收集模塊，在該模塊中對電壓信號進行濾波去噪，并提取信號峰值。進一步傳送到上位機模塊，處理器會將提取的峰值與編碼器中提前設(shè)好的閾值比較，若峰值小于閾值，則表示沒有缺陷，結(jié)果將在顯示屏上示出，然后繼續(xù)進行下一次檢測；若峰值大于閾值，表示存在缺陷并報警提醒，便于安全管理人員及時進行更換或維修，實現(xiàn)了鋼絲繩檢測的定性分析。

圖4 脈沖渦流檢測流程圖

3 實驗數(shù)據(jù)和技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

（5）根據(jù)人工預定的雙閾值對K進行邊緣判斷，獲得邊緣檢測結(jié)果。

使用不同方法對鋼絲繩缺陷進行檢測，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精度的四個指標。準確率為像素正確的。漏檢率為實際修改像素，誤檢率為實際不變像素，平均誤碼率為最后兩個像素的平均值。

表1 不同方法下鋼絲繩缺陷檢測結(jié)果

由表1結(jié)果可得，單獨使用脈沖渦流檢測鋼絲繩缺陷，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，小的缺陷難以被發(fā)現(xiàn)，導致漏檢率較高；單獨使用機器視覺檢測法檢測結(jié)果是虛檢率高，而漏檢率較低，原因主要在于相機選擇、環(huán)境因素（溫度、光照、電源電壓不穩(wěn)定、電磁干擾等）和圖像處理不當?shù)纫蛩?，致使最終數(shù)據(jù)處理結(jié)果出現(xiàn)誤差和誤判；與單一檢測方法相比，前兩者結(jié)合檢測可以優(yōu)勢互補，綜合脈沖渦流檢測的虛檢率低的優(yōu)點和機器視覺檢測的漏檢率低的優(yōu)點，從結(jié)果來看，檢測精度和檢測效率都大大提高了，并且能夠降低報警率，給管理者減輕負擔。

3.2 技術(shù)應(yīng)用分析

由前文可知，將機器視覺和脈沖渦流檢測技術(shù)結(jié)合起來對鋼絲繩進行檢測的方法有著顯著的優(yōu)勢，不僅操作簡便，效率高、速度快，還可以節(jié)約成本，節(jié)省勞動力，并且設(shè)有分級報警功能，實用價值強。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。但是，兩種檢測方法結(jié)合檢測時受到的外界干擾因素不可控，在接下來的研究中需要進一步尋求更好的方法去克服光源、信號干擾、濾波去噪、圖像處理等限制。

4 總結(jié)

利用機器視覺和脈沖渦流復合無損檢測技術(shù)對鋼絲繩的狀態(tài)參數(shù)進行檢測，綜合了兩種檢測方法的優(yōu)點， 可以檢測鋼絲繩在使用過程中的損傷和缺陷，極大地提高了鋼絲繩檢測的效率和精準度。還可以根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)結(jié)合國家礦用鋼絲繩的檢查標準、報廢標準等對鋼絲繩壽命(剩余承載能力和安全系數(shù)等)進行合理預測評估，便于及時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)。