传送带超声无损检测系统设计及其研究

王超

（山西大同煤矿集团地方煤炭有限责任公司，山西大同037100）

引言

我国是煤炭大国，保障煤矿安全生产是重中之重。带式传送机作为矿井煤炭主要运输设备，集运输能力大、灵活度较高、效率高以及适应性强等优点于一身，对提高煤矿生产效率起到至关重要的作用。

传送带是带式传送机最关键的部分，由于大型煤炭传送机功率高、速度快，而传送带强度较低，长时间受高负荷运作、反复弯曲、使用环境恶劣等因素影响，传送带撕裂损坏的情况时有发生。传送带的价格昂贵，动辄几十万乃至几百万的价格，若撕裂故障不能被及时被发现并停止带式传送机运行，往往会导致传输带进一步撕裂，造成设备的严重损坏[1]。

为了及时发现传送带在运行过程中的故障问题，本文采用超声无损检测系统对传送带进行实时监测。在以往的超声波探伤技术和计算机控制技术的基础上，研究了小波变换对回波的去噪分析，完成了煤炭传送带超声无损检测系统设计和调试。深入分析了超声波在传送带中的传输特性，提高了探伤检测的实时性和准确性[2]。

1 实验系统及实验方法

1.1 实验系统

1.1.1 硬件系统

传送带无损检测系统为一套集信号发射、信号接收以及信号采集、分析、处理和显示的完整检测系统。该系统以FPGA为控制核心，通过超声波发射电路激励超声波探头发生超声波信号[3]。通过接收电路接收探头回波信号，回波信号经过放大、滤波处理后，进入A/D采样电路进行数字量化，采样后的数字信号经过USB传入上位机，上位机经过数字信号处理后在人机界面显示[4]。该系统总体设计框架图如图1所示。

图1 硬件设计框架图

1.1.2 软件系统

软件部分包括嵌入式软件与上位机软件，其中嵌入式软件部分为FPGA程序，上位机软件部分由Labview与MATLAB混合实现。

1.2 实验方法

实验通过利用超声无损检测软件进行检测，由超声波发射电路发射声波，超声波接收电路接收信号，进而在无损检测软件系统上形成波形图，通过对比去噪前后不同波形图判断检测传送带是否出现损伤，进而达到传送带的优化设计，见图2。

2 小波变换在超声回波去噪应用中的研究与分析

传送带主要由橡胶和钢芯组成，橡胶的粗晶体材料结构加上钢芯的内部结构，使得声波在传播过程中衰减很明显，当传送带发生撕裂损伤时，声波衰减增强。由于接收探头接收到的声波信号幅值只是毫伏级甚至更小，因此当声波信号非常小时，很难从回波信号中辨别开来。那么此时，回波信号的表达式为：

图2 无损检测软件系统

式中：y（i）代表未处理前的回波信号，f（i）代表探头发射的超声波信号，e（i）代表噪声信号，i代表采样点数。为了排除噪声的干扰，须将超声波信号过滤出来，借助数字信号处理进一步提取超声信号[5]。

本文应用小波分析具有独特的优势，小波分析能够进行多分辨分析，有效提取超声信号，最终实现回波信号去噪的目的[6]。

2.1 去噪流程

小波去噪流程示意图如图3所示。

图3 流程示意图

2.2 小波基的选取

处理信号时，应根据信号特点结合小波基的性质进行选取，以达到最终的去噪效果。本文选定Daubechies小波，是因为在信号处理过程中，它具有良好的短支撑性，呈正交且近似对称，光滑性较好的特点，因此采用Daubechies小波对信号进行分解和重构[7]。

3 实验结果及分析

实验测试结果分为无损情况、孔洞损伤和撕裂损伤三种。

1）无损情况时，传送带无损伤，此时测试的回波信号与小波阈值去噪后的波形如图4所示。对比去噪前后波形信号可以发现：去噪后回波信号更加清晰，信噪比更高。由波形图可知，在无损伤的情况下，发射探头发射的声波在无损的传送带中传送，声波衰减程度较小，接收探头接收到的回波较为清晰。因此将此波形作为传送带无损时的标准对比图。

2）孔洞损伤时，在传送带运行过程中，测试1.3 cm直径穿透损伤，那么回波信号去噪前后对比图如图5所示。从图5可以发现，空洞损伤时的回波信号相比无损伤时，信号衰减程度较高，这是因为发生空洞损伤时，孔洞阻挡了部分信号的接收。对比去噪前后波形图可以发现，小波去噪前的波形图受到噪声的干扰，辨认回波信号时比较困难，在去噪后，排除了噪声的干扰，回波信号变得清晰可见。

图4 无损去噪前后回波信号对比

图5 空洞损伤去噪前后回波信号对比

3）撕裂损伤时，此时假定空洞损伤后传送带依然运行，那么此时损伤进一步扩大，造成了撕裂损伤。测试4.5 cm撕裂损伤时的波形图如图6所示。从图6中可以发现，撕裂损伤接收到的信号相比孔洞损伤时更弱，这是因为撕裂损伤时撕裂部分阻挡了大部分信号，使得信号无法被接收，如果撕裂更大，那么就无法接收到回波信号。

图6 撕裂损伤去噪前后波形对比

4 结论

借助FPGA的灵活逻辑控制能力、MATLAB对数据处理的能力以及Labview在人机交互界面的优势，将三者有机的结合在一起，经过各个模块的设计与调试，基本实现了传送带的无损检测的各项功能。最终得到以下结论：

1）通过运用超声无损检测可以实现对传送带损伤情况的实时监测，及时发现传送带损伤情况，并避免传送带损伤带来的人身安全问题。

2）实验研究分析了小波去噪理论在超声波去噪中的应用，利用MATLAB编程软件实现小波去噪的数据运算，通过Labview与MATLAB混合编程实现波形显示。

3）通过对回波信号图的观察，并对比小波去噪前后图像，依据波形图可以分辨传送带的损伤情况，及时进行维护修理。

[1]乔铁柱.矿用输送带无损检测技术[M].北京：国防工业出版，2015：34-42.

[2]李效露.基于小波奇异性和神经网络的钢绳芯输送带故障诊断方法的研究[D].太原：太原理工大学，2013.

[3]赵明阶，吴德伦.工程岩体的超声波分类及强度预测[J].岩石力学与工程学报，2000，19（2）：89-92.

[4]韩波，梁菁，史亦韦.国内外超声波探头测试与评价标准的比较与分析[J].无损检测，2014，35（2）：71-74.

[5]王敏志.博客藏经阁丛书:深入理解Altera FPGA应用设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014：17-19.

[6]党存禄，张旭.基于Daubechies小波族的电能质量信号去噪方法研究[J].电网与清洁能源，2014，30（12）：5-9.

[7]许召亚，叶千枝.钢轨内侧磨损对轮式探头检测影响的模拟[J].无损检测，2013，35（2）：59-62.