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钢丝绳断丝损伤漏磁检测技术研究及虚拟仪器开发

作　者: 张兴波
导　师: 谭继文
学　校: 青岛理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 钢丝绳断丝霍尔元件单片机小波变换神经网络虚拟仪器
分类号: TD532
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

钢丝绳广泛应用于矿山、冶金、交通运输、港口、旅游等国民经济各主要行业,发挥着极为关键的作用。钢丝绳复杂的绳股结构和恶劣的工作环境使其在使用中易于出现磨损、锈蚀、疲劳、断丝等损伤,导致其强度下降,造成安全隐患。运行中的钢丝绳一旦断裂,会造成非常严重的人员伤亡和经济损失。因此,钢丝绳损伤检测已被世界各国高度重视,成为世界性的,既有理论意义又有实用价值的重要研究课题。断丝是钢丝绳损伤的主要形式之一。本文在全面分析和论述国内外钢丝绳检测技术研究现状的基础上,基于漏磁检测原理,对钢丝绳断丝损伤信号的产生和分布特征、损伤检测器设计、损伤信号处理等进行了深入的研究,并在此基础上开发了钢丝绳断丝损伤检测虚拟仪器系统。钢丝绳的磁化是损伤信号产生的基础和前提。本文首先对永磁式周向均匀励磁的励磁器设计方法进行研究,制作了实用的励磁器。利用霍尔元件来检测钢丝绳的表面磁场,分析了钢丝绳断丝损伤信号的特征及霍尔元件的特性,研制了钢丝绳断丝损伤检测系统与信号预处理系统。对钢丝绳断丝损伤信号的数据采集系统进行了详细的研究,开发了以AT89C52单片机为核心的数据采集系统,实现对钢丝绳进行在线检测。其次,充分利用小波理论在信号处理方面的优势,利用钢丝绳断丝信号具有奇异性的特点进行小波奇异性检测研究,并利用小波的多分辨分析特点对钢丝绳断丝信号进行特征提取。本文提出了基于RBF神经网络的钢丝绳断丝损伤信号的模式识别方法。运用MATLAB工具箱建立了钢丝绳断丝损伤定量识别的RBF网络模型,通过模拟和实际检测,验证了网络的可靠性和实用性。最后,利用可视化软件LabVIEW开发了钢丝绳断丝损伤检测虚拟仪器系统,为钢丝绳的断丝损伤检测提供了一个友好的人机交互界面。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-19
  1.1 课题来源  12
  1.2 课题概述  12-14
    1.2.1 课题的提出  12-13
    1.2.2 研究的目的和意义  13-14
  1.3 文献综述  14-18
    1.3.1 钢丝绳检测技术的分类  14-15
    1.3.2 钢丝绳损伤无损检测技术发展概况与趋势  15-18
  1.4 本文研究的主要内容  18-19
第2章钢丝绳漏磁检测的基础知识和原理  19-27
  2.1 钢丝绳的结构及分类  19-20
    2.1.1 钢丝绳的结构  19
    2.1.2 钢丝绳的分类  19-20
  2.2 钢丝绳损伤形式  20-22
  2.3 磁场基本知识  22-25
    2.3.1 铁磁材料的磁化特性  22-23
    2.3.2 磁路、磁路定律  23-24
    2.3.3 漏磁场的形成机理  24-25
  2.4 钢丝绳损伤漏磁检测原理  25
  2.5 钢丝绳断丝漏磁场的特性分析  25-26
  2.6 本章小结  26-27
第3章钢丝绳断丝损伤漏磁检测系统设计  27-49
  3.1 励磁器设计  27-33
    3.1.1 钢丝绳磁化强度的选择  27
    3.1.2 钢丝绳磁化方式选择  27-28
    3.1.3 励磁器材料的选择  28-29
    3.1.4 励磁器结构设计  29
    3.1.5 励磁器器尺寸设计  29-33
  3.2 信号检测器的设计  33-44
    3.2.1 磁敏感元件的选择  34-37
    3.2.2 霍尔元件的布置方式  37-42
    3.2.3 信号预处理电路  42-44
  3.3 距离检测器设计  44
  3.4 永磁励磁器磁化能力试验  44-46
    3.4.1 确定尺寸 L_2  44-46
    3.4.2 确定磁化钢丝绳绳径范围  46
  3.5 检测器轴向分辨力试验  46-47
  3.6 漏磁场在空气中的衰减规律试验  47-48
  3.7 本章小结  48-49
第4章数据采集与通信系统研究  49-70
  4.1 钢丝绳断丝损伤信号特征量  49
  4.2 数据采集与通信系统硬件设计  49-58
    4.2.1 AT89C52单片机简介  50
    4.2.2 存储器扩展模块  50-51
    4.2.3 A/D转换模块  51-53
    4.2.4 距离检测模块  53-54
    4.2.5 特征值检测模块  54-57
    4.2.6 通讯模块  57-58
  4.3 数据采集与通信系统软件设计  58-67
    4.3.1 主程序模块  58-59
    4.3.2 初始化程序模块  59-60
    4.3.3 通道测试模块  60
    4.3.4 数据采集模块  60-63
    4.3.5 串行通信服务程序模块  63-67
  4.4 数据采集与通信系统的抗干扰设计  67-69
    4.4.1 硬件抗干扰设计  67-68
    4.4.2 软件抗干扰设计  68-69
  4.5 本章小结  69-70
第5章钢丝绳断丝损伤信号的小波分析与定量识别  70-87
  5.1 钢丝绳断丝损伤信号的小波分析  70-78
    5.1.1 小波理论  70-71
    5.1.2 小波消噪处理  71-74
    5.1.3 损伤信号特征提取  74
    5.1.4 损伤信号奇异性检测  74-75
    5.1.5 基于多分辨率分析的钢丝绳断丝信号的分解与重构  75-78
  5.2 钢丝绳断丝损伤信号的定量识别  78-86
    5.2.1 人工神经网络概论  78-80
    5.2.2 径向基神经网络  80-82
    5.2.3 建立断丝检测径向基网络模型  82-83
    5.2.4 断丝损伤定量识别  83-86
  5.3 本章小结  86-87
第6章钢丝绳断丝损伤检测虚拟仪器系统设计  87-96
  6.1 虚拟仪器与LabVIEW  87-88
  6.2 钢丝绳断丝损伤检测虚拟仪器系统开发的总体方案  88-90
  6.3 主控模块设计  90-91
  6.4 数据采集模块  91-94
    6.4.1 串口初始化  92-93
    6.4.2 数据采集  93-94
  6.5 数据分析处理模块  94-95
  6.6 本章小结  95-96
第7章结论与展望  96-98
  7.1 全文工作总结  96
  7.2 对今后研究工作的展望与设想  96-98
参考文献  98-102
攻读硕士期间发表的学术论文  102-103
致谢  103-104
附录  104-107

钢丝绳断丝损伤漏磁检测技术研究及虚拟仪器开发

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