生物安全柜前窗移门悬挂钢丝缺陷的检测装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种悬挂钢丝缺陷的检测装置和方法，装置由励磁检测传感器单元、步进电机和驱动器单元、惠斯顿电桥单元、信号处理和控制单元、滚珠丝杠副、悬挂钢丝、卡具台架组成。悬挂/标准钢丝构成的惠斯顿电桥检测悬挂钢丝阻值R偏离度，推断钢丝LMA，简单有效。钢丝LF剩磁检测：借助开合式剖分结构的剩磁传感器，间歇式静态检测模拟动态检测，克服机械与检测对传感器与钢丝间隙精度的冲突；综合磁屏蔽、聚磁和差分技术提高了LF剩磁检测的精度。

【技术实现步骤摘要】
生物安全柜前窗移门悬挂钢丝缺陷的检测装置和方法
本专利技术属钢丝缺陷的检测
特别是指LMA通过惠斯顿电桥检测；LF采用间歇式静态剩磁检测，综合磁屏蔽、聚磁和差分技术提高检测精度的装置。
技术介绍
生物安全柜是利用空气净化技术，实现物理隔离的微生物实验室安全设备；操作原代培养物、菌毒株以及诊断性标本等具有感染性的实验材料时，旨在保护操作者、实验室环境以及测试样品，使其避免暴露于实验操作时可能产生的感染性气溶胶和溅出物。SARS、H1N1、H7N9、COVID-19期间，生物安全柜是出镜率极高的明星产品；生物安全柜标准有美国NSF/ANSI49-2012、欧洲EN12469:2000和中国医药行业的YY0569-2005等。以应用普及率最高的II级生物安全柜为例，安全柜前窗的负压开口区向内吸入气流，保护操作者的安全；经高效过滤器过滤后的垂直气流，保护测试样品不受污染；排出气流则经过高效过滤器过滤后排出，保护实验室环境安全。显然，生物安全柜的核心关键技术是气流模型和气流控制，以及高效空气过滤器；现有技术条件下，HEPA过滤器高效可靠，基于数值模拟法CFD建立的气流模型拥有扎实的理论。目前，生物安全柜研究的主要方向定位在过滤器的改进、风道结构设计和气流控制的优化。生物安全柜凭借优异的安全性，不仅在应用的广度上取得长足进步：微生物实验室和医院化验室的配置数量逐年递增。而且在应用的深度上亦取得可喜成果：风道结构的迭代优化，气流控制的持续改进，产品安全性更上一层楼，日臻完善。从系统工程的视角审视生物安全柜，商品化产品的短板是生物安全柜的辅助系统，辅助系统短板对“安全性”的负面影响亟待解决。例如，[1]顾中秋.一种生物安全柜电动前窗失电保护装置[P].ZL201710433725.3。[2]曾博文.一种用于控制生物安全柜开合玻璃门力度的平衡悬挂系统[P].ZL200610111921.0。文献[1、2]关注安全柜的辅助系统--前窗移门悬挂系统，存在非微生物致病的、机械损伤的安全隐患，并且给出失电保护、控制平衡悬挂系统力度的解决方案；遗撼的是，相关研究均未涉及前窗移门悬挂系统的、钢丝缺陷的安全隐患。基于杭州XX三甲医院2019年运维大数据，前窗移门悬挂钢丝存在机械损伤导致的安全隐患。XX医院共配置各型生物安全柜104台，统计2019年配置中心的8台安全柜，钢丝断裂亊故合计7次。必须指出，上述钢丝断裂数据是执行定期更换钢丝制度之后的数据；鉴于钢丝断裂多发，XX医院制定了定期更换制度：断裂亊故减少，但增加了维护工作量和费用。解决方案是检测悬挂钢丝的缺陷，根据钢丝状态进行更换；如此，既减少钢丝断裂亊故，又降低运维量和费用。钢丝无损检测(NondestructiveTesting，NDT)根据原理可分为磁/非磁检测两类，其中代表性检测方法有：电磁、电流、声学、涡流、射线、光学，以及机械振动法等，工程中应用最广泛的是电磁检测法。钢丝损伤缺陷亦分为两类：局部损伤(LocalizedFault，LF)，如钢丝裂纹、气孔、划痕、局部锈蚀等等；以及金属截面积损失型损伤(LossofMetallicCross-sectionalArea，LMA)。配置中心生物安全柜悬挂钢丝的工况如下：生物安全柜安装在空调密闭空间，温度波动范围[20，25]℃；7×7悬挂钢丝绳的直径Φ＝3mm，长度L＝168mm，钢丝绳简称钢丝；使用时间≈8h/d，16h/d是少数，24h/d是应对突发亊件的个案，按医院安全规章：需定期(例如once/d)清洁生物安全柜。立足生物安全柜前窗移门悬挂系统的特定工况，权衡各种钢丝无损检测技术的优缺点，提出本申请NDT解决方案：LMA通过惠斯顿电桥检测；LF则综合磁屏蔽、聚磁和差分技术，进行间歇式静态剩磁检测。NDT解决方案的依据分析如下：1、LMA是一个渐变过程。NDT解决方案：配置与悬挂钢丝相同规格型号、相同长度电阻的标准钢丝一根；征询钢丝生产商并借鉴理论研究成果，确定悬挂钢丝电阻偏离度阈值R_threshold；定期维护时(例如week)，惠斯顿电桥(2个精密铂电阻+悬挂/标准钢丝)检测悬挂钢丝阻值R偏离度，令标准钢丝电阻值为R0，悬挂钢丝LMA合格判据：ABS(R-R0)/R0≤R_threshold。2、LF电磁检测本质上属动态检测。考虑到检测mm级钢丝直径上的dmm级LF，传感器与钢丝的间隙应为cmm、甚至μm级；因为传感器采集的是钢丝LF+间隙的信息，LF信号不被间隙掩盖是检测有效性的必要条件。另一方面，传感器与钢丝的间隙又是动态检测的另一必要条件。因此，机械与检测对间隙精度的要求冲突：检测要求cmm或μm，机械方面无法实现。NDT解决方案是，间歇式静态检测模拟动态检测--开合式剖分结构传感器：开状态时执行间歇运动，闭状态时执行静态电磁检测，即采集无间隙干扰信号的钢丝LF信号。3、钢丝静止+传感器的间歇运动。由于传感器静止+驱动轮带动缠绕其上的钢丝间歇运动方案存在两个难题：钢丝首尾端相连的接头会干扰传感器的检测，导致误检，而剔除误检非易事；制作接头不可避免会对悬挂钢丝造成某种损伤，这对悬挂钢丝的继续使用是安全隐患；故提出钢丝静止+传感器间歇运动的检测方案。4、鉴于检测对象是钢丝dmm、甚至cmm级的LF微弱磁信号，综合磁屏蔽、聚磁和差分技术提高剩磁检测的精度。励磁和检测元件采用主流的永磁励磁和霍尔元件；永磁励磁和霍尔元件分离安装、实施剩磁检测，削弱永磁励磁磁场对微弱LF磁信号的干扰；霍尔检测模块内置在磁屏蔽罩内，进一步削弱永磁励磁磁场和环境磁场对微弱的LF磁信号的干扰；霍尔检测模块借助聚磁技术汇集LF磁信号，增强霍尔元件采集的LF磁信号；采集的LF磁信号经差分处理，基于LF差分磁信号检测钢丝的LF缺陷，更进一步削弱永磁励磁磁场和环境磁场对微弱LF磁信号的干扰；摒弃并行差分转向串行差分，即霍尔元件采集的LF磁信号与前一次采集的LF磁信号差分，降低了霍尔检测单元的复杂度和成本。钢丝NDT方面较有代表性的知识产权成果综述如下：·专利技术专利“一种钢丝绳表面损伤识别及直径测量异步检测系统”(ZL2016104748383)，提出系统包括钢丝绳机器视觉识别损伤装置和钢丝绳机器视觉测量直径装置，分先后次序完成了两次检测工序。·专利技术专利“一种钢丝绳损伤检测装置”(ZL2015102460860)，提出装置包括上检测部以及下检测部，上检测部与所述下检测部通过铰链连接，两部分中间留有供钢丝绳通过的空洞；外部屏蔽壳是用于保护内部的电路不受外界磁场的干扰。·专利技术专利“钢丝绳脉冲电涡流无损探伤检测装置及检测方法”(ZL2016102398012)，提出脉冲电涡流无损探伤检测装置及方法。信号检测装置包括：脉冲涡流探头与霍尔传感器；脉冲方波激励信号通过脉冲涡流探头在钢丝绳内部形成涡电流和磁场，霍尔传感器接收钢丝绳的变化的磁场。上述有益探索，是钢丝绳NDT方面研究成果的综述；遗憾的是，针对mm级直径的、生物安全柜前窗移门悬挂钢丝的NDT至今少人问津，生物安全柜前窗移门悬本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种悬挂钢丝缺陷的检测装置，其特征在于装置由励磁检测传感器单元(10)、步进电机和驱动器单元(20)、惠斯顿电桥单元(30)、信号处理和控制单元(40)、滚珠丝杠副(50)、悬挂钢丝(60)、卡具台架(70)组成；励磁检测传感器单元(10)包括永磁励磁模块(100)、霍尔检测模块(200)、霍尔信号调理模块(300)、励磁检测传感器开合模块(400)，步进电机和驱动器单元(20)包括驱动器模块(500)、步进电机(600)；/n励磁检测传感器单元(10)、步进电机和驱动器单元(20)、惠斯顿电桥单元(30)与信号处理和控制单元(40)相连，惠斯顿电桥单元(30)输出悬挂钢丝电阻值R的偏离度、即悬挂钢丝的LMA；永磁励磁模块(100)、霍尔检测模块(200)沿悬挂钢丝(60)的轴线分离安装，借助励磁检测传感器开合模块(400)进行开/合状态的转换，励磁检测传感器开合模块(400)安装在滚珠丝杠副(50)的螺母滑块上、与滚珠丝杠副(50)的螺母刚性连接；步进电机和驱动器单元(20)驱动滚珠丝杠副(50)，滚珠丝杠副(50)的螺母带动励磁检测传感器单元(10)沿悬挂钢丝(60)的轴线平移，悬挂钢丝(60)安装在卡具台架(70)的卡具上；励磁检测传感器单元(10)采用开合式沿钢丝轴心的剖分结构，开状态时执行间歇运动，合状态时执行静态电磁检测，即综合磁屏蔽、聚磁和差分技术，对悬挂钢丝(60)的LF信号进行间歇式静态剩磁检测。/n...

【技术特征摘要】
1.一种悬挂钢丝缺陷的检测装置，其特征在于装置由励磁检测传感器单元(10)、步进电机和驱动器单元(20)、惠斯顿电桥单元(30)、信号处理和控制单元(40)、滚珠丝杠副(50)、悬挂钢丝(60)、卡具台架(70)组成；励磁检测传感器单元(10)包括永磁励磁模块(100)、霍尔检测模块(200)、霍尔信号调理模块(300)、励磁检测传感器开合模块(400)，步进电机和驱动器单元(20)包括驱动器模块(500)、步进电机(600)；
励磁检测传感器单元(10)、步进电机和驱动器单元(20)、惠斯顿电桥单元(30)与信号处理和控制单元(40)相连，惠斯顿电桥单元(30)输出悬挂钢丝电阻值R的偏离度、即悬挂钢丝的LMA；永磁励磁模块(100)、霍尔检测模块(200)沿悬挂钢丝(60)的轴线分离安装，借助励磁检测传感器开合模块(400)进行开/合状态的转换，励磁检测传感器开合模块(400)安装在滚珠丝杠副(50)的螺母滑块上、与滚珠丝杠副(50)的螺母刚性连接；步进电机和驱动器单元(20)驱动滚珠丝杠副(50)，滚珠丝杠副(50)的螺母带动励磁检测传感器单元(10)沿悬挂钢丝(60)的轴线平移，悬挂钢丝(60)安装在卡具台架(70)的卡具上；励磁检测传感器单元(10)采用开合式沿钢丝轴心的剖分结构，开状态时执行间歇运动，合状态时执行静态电磁检测，即综合磁屏蔽、聚磁和差分技术，对悬挂钢丝(60)的LF信号进行间歇式静态剩磁检测。


2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述的永磁励磁模块(100)由第1永磁体上半环(110)、第1永磁体下半环(120)、第2永磁体上半环(130)、第2永磁体下半环(140)、周向衔铁导磁套筒上半环(150)、周向衔铁导磁套筒下半环(160)组成，4个永磁体半环和2个周向衔铁导磁套筒半环构成永磁励磁源；第1永磁体上半环(110)包括铷铁硼永磁铁(111)、坡莫合金极靴(112)，坡莫合金极靴(112)与铷铁硼永磁铁(111)为同圆心的内外环，第1永磁体下半环(120)、第2永磁体上半环(130)、第2永磁体下半环(140)与第1永磁体上半环(110)相同；周向衔铁导磁套筒上半环(150)、周向衔铁导磁套筒下半环(160)采用DT4C电磁纯铁；永磁励磁模块(100)采用开合式沿钢丝轴心的剖分结构，借助励磁检测传感器开合模块(400)进行开/合状态的转换，开状态时执行间歇运动，合状态时执行永磁励磁；通过永磁励磁模块(100)提供的励磁磁场，进行悬挂钢丝(60)LF信号的间歇式静态剩磁检测；
霍尔检测模块(200)由设导磁凸台的第1聚磁上半环(210)、设导磁凸台的第1聚磁下半环(220)、设导磁凸台的第2聚磁上半环(230)、设导磁凸台的第2聚磁下半环(240)、上半环霍尔元件(250)、下半环霍尔元件(260)、上半环磁屏蔽罩(270)、下半环磁屏蔽罩(280)组成；上半环霍尔元件(250)嵌在第1聚磁上半环(210)、第2聚磁上半环(230)的导磁凸台中间，构成聚磁上半环的导磁桥路，下半环霍尔元件(260)嵌在第1聚磁下半环(220)、第2聚磁下半环(240)的导磁凸台中间，构成聚磁下半环的导磁桥路，上半环磁屏蔽罩(270)、下半环磁屏蔽罩(280)构成霍尔检测模块(200)的磁屏蔽罩，上/下半环导磁桥路整体布置在磁屏蔽罩的中心位置；霍尔元件的型号UGN3503，聚磁环采用DT4C电磁纯铁；霍尔检测模块(200)采用开合式沿钢丝轴心的剖分结构，借助励磁检测传感器开合模块(400)进行开/合状态的转换，开状态时执行间歇运动，合状态时执行悬挂钢丝(60)LF信号的间歇式静态剩磁检测；
霍尔信号调理模块(300)以第1运放(310)、第2运放(320)、第3运放(330)、第4运放(340)、第5运放(350)为核心，运放型号OP-27；第1运放(310)构成上半环霍尔元件(250)的调零电路，第2运放(320)构成上半环霍尔元件(250)的巴特沃斯滤波器，第3运放(330)构成下半环霍尔元件(260)的调零电路，第4运放(340)构成下半环霍尔元件(260)的巴特沃斯滤波器，第5运放(350)构成上半环霍尔元件(250)和下半环霍尔元件(260)的加法电路；上半环霍尔元件(250)的UGN3503脚1接5V、脚2接地，脚3输出UH1_upper、经R312与第1运放(310)的OP-27脚3相连，OP-27脚3经R313接地；5V经可变电阻R315、电阻R311与第1运放(310)的OP-27脚2相连，OP-27脚2经R314接脚6；取值R314/R311＝R313/R312，则UH2_upper＝R314/R311×(UH1_upper-U315)，U315是可变电阻R315输出的电压，电路调零时上半环霍尔元件(250)上加磁屏蔽、调节可变电阻R315、使UH1_upper＝U315、即上半环霍尔元件(250)输出的静态电压调零，撤上半环霍尔元件(250)的磁屏蔽，调零结束转入检测；调零电路输出UH2_upper，经上半环霍尔元件(250)的巴特沃斯滤波器输出UH3_upper；下半环霍尔元件(260)的UGN3503信号调理与上半环霍尔元件(250)相同，输出UH3_lower；U...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶建平，张泽彬，许仕伟，吴明光，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33