摘 要

对钢丝绳在使用过程中可能出现的各类缺陷进行及时准确的检测具有重要意义。本文主要针对钢丝绳无损检测的信号采集和处理进行了相关研究，主要内容有：

首先，分析钢丝绳结构特征，明确研究主要对象是断丝损伤，分析断丝的分类和成因。并且对漏磁检测的理论基础进行了分析，研究漏磁检测的过程以及信号的传输，确定漏磁检测信号预处理的总体方案。

其次，研究运算放大器的工作原理和特性，分析两种放大电路以及带通滤波电路的原理和增益计算。并根据技术手册选用合适芯片，分析芯片的工作性能，设计信号预处理电路，并利用Multisim软件仿真验证，对正弦模拟信号预处理分析，验证电路原理。

然后，研究模数转换电路的基本原理和主要参数，分析数据采集模块需要选用的微处理器芯片和ADC，明确信号采集方法和原理，确定数据采集的原理电路。并利用Keil-MDK搭建固件库，设计数据采集系统的程序。

最后，设计数字信号处理模块，利用傅里叶变换和软件滤波对数字信号进行进一步处理，利用MATLAB软件设计信号处理程序，并进行仿真验证。

关键词：漏磁检测；放大滤波；AD转换；数字信号处理

Abstract

It is of great significance to timely and accurately detect all kinds of defects that may occur during the use of the steel wire rope. This article mainly conducts related research on the signal collection and processing of non-destructive testing of steel wire rope, the main contents are:

First, analyze the structural characteristics of the steel wire rope, make sure that the main object of the research is broken wire damage, and analyze the classification and causes of broken wire. And analyze the theoretical basis of magnetic flux leakage detection, study the process of magnetic flux leakage detection and signal transmission, and determine the overall scheme of signal pretreatment for magnetic flux leakage detection.

Second, study the working principle and characteristics of the operational amplifier, analyze the principle and gain calculation of the two amplifying circuits and band-pass filter circuits. And select the appropriate chip according to the technical manual, analyze the working performance of the chip, design the signal preprocessing circuit, and use Multisim software to simulate and verify the preprocessing analysis of the sinusoidal analog signal to verify the circuit principle.

Then, study the basic principles and main parameters of the analog-to-digital conversion circuit, analyze the microprocessor chip and ADC required for the data acquisition module, clarify the signal acquisition method and principle, and determine the principle circuit of the data acquisition. And use Keil-MDK to build the firmware library, design the data acquisition system program.

Finally, design the digital signal processing module, use the Fourier transform and software filtering to further process the digital signal, use the MATLAB software to design the signal processing program, and carry out simulation verification.

Key Words：Magnetic Flux Leakage Detection；Amplification filtering；AD conversion；Digital signal processing

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 5

1.1 选题背景 5

1.2 国内外研究状态及问题 5

1.2.1 钢丝绳漏磁无损检测的国内外研究现状 6

1.2.2 漏磁无损检测目前存在的问题 6

1.3 研究内容与研究方法 7

第2章 钢丝绳无损检测理论基础 8

2.1 钢丝绳损伤种类及特征 8

2.2 钢丝绳漏磁检测原理 9

2.3 检测信号输入特征 11

2.4 信号采集与处理系统方案设计 13

2.5 本章小结 13

第3章 信号预处理模块设计 14

3.1 仪用三运放放大电路设计 14

3.1.1 三运放放大电路原理及特性 14

3.1.2 三运放放大电路芯片选型 16

3.1.3 三运放放大电路参数选定 17

3.2 反相放大滤波电路设计 20

3.2.1 反相滤波放大电路原理及特性 20

3.2.2 反相放大滤波电路芯片选型 21

3.2.3 反相放大滤波电路设计及参数设定 21

3.3 信号预处理电路效果验证 23

3.4 本章小结 24

第4章 信号采集模块设计 25

4.1 模数转换原理 25

4.2 信号采集硬件设计 25

4.2.1 微处理器芯片选型 26

4.2.2 模数转换电路设计 27

4.2.3 辅助电路设计 28

4.3 信号采集系统软件设计 28

4.3.1 硬件设备固件库的添加 28

4.3.2 相关寄存器配置 29

4.3.3 数据采集代码实现 30

4.4 本章小结 32

第5章 数字信号处理模块设计 33

5.1 快速傅里叶变换原理 33

5.2 数字信号处理程序设计 34

5.3 本章小结 37

第6章 结论 38

6.1 成果总结 38

6.2 展望 38

参考文献 39

致 谢 41

第1章 绪论

1.1 选题背景

钢丝绳是一种由碳素钢或合金钢材质的钢丝和绳芯构成的螺旋状挠性绳索。钢丝绳特殊的材质和编织方式，决定了其具有许多优点：自身重量轻，方便运输和使用；较好的柔韧性，能够适应牵引、拖拽、固定等多种生产场合；较高的抗冲击性和抗拉强度，能够承受多种载荷和变载荷的作用；能够传递长距离负载，承载安全系数大；较高的抗疲劳强度，能够安全工作较长时间；耐高温高湿以及耐腐蚀性好，能够在各种恶劣环境中正常工作等优点。因此在国民工业生产中，钢丝绳常被作为运输或承载构件广泛应用于化工、采矿、交通运输、土木建设等各个领域。

钢丝绳的安全情况决定着工业生产运行状态，但其工作环境往往比较恶劣，载荷也不确定，经常发生由于锈蚀磨损等各类损伤导致的强度降低，甚至于断绳现象，造成安全隐患。例如，在2012年9月25日，甘肃省某煤矿发生钢丝绳断绳跑车事故，在对装载有工人的矿车提升过程中发生钢丝绳断绳，导致人车共同下滑并发生侧翻，共造成20人死亡，14人受伤^[1]。因此，对钢丝绳进行及时准确的检测对保障安全生产、保证人民生命财产具有重要意义。