基于周向積分磁化的鋼絲繩檢測傳感器*

姜宵園， 孫燕華， 馬文家， 馮曉宇， 劉世偉

(華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

漏磁檢測法檢測可靠，易于操作是目前最常應用于鋼絲繩的檢測方法之一[1]，國內外已有大量的文獻對鋼絲繩漏磁檢測法進行了研究[2～4]，并開發各式鋼絲繩漏磁檢測系統[5～7]。目前，漏磁檢測系統磁化結構主要分為磁軛式磁化結構和穿過式線圈磁化結構，且以磁軛式磁化結構最常見[8]，但此種傳感器結構在沿待檢鋼絲繩圓周方向上分布的磁軛數量有限，為了滿足鋼絲繩的飽和磁化磁軛體積設計比較大，最終導致整個傳感器體積重量大，不易于操作且不利于狹小空間的鋼絲繩探傷。

本文在有限數量的磁軛式磁化方法的基礎上提出周向積分磁化方法，通過有限元仿真研究磁化器結構尺寸對磁化效果的影響，進而優化周向積分磁化器，并合理選擇磁敏元件的種類及布置方式，提高缺陷信號識別度，同時對檢測傳感器整體結構進行設計，以達到減輕傳感器尺寸和重量的目的，最終設計出輕便可靠的鋼絲繩檢測傳感器。

1 周向積分磁化傳感器

1.1 周向積分磁化器優化設計

對于鋼絲繩漏磁檢測傳感器，磁化器對鋼絲繩的磁化程度關系著鋼絲繩上的缺陷檢測分辨率及傳感器的尺寸和重量[9]。在保證檢測靈敏度的情況下，為了盡可能減輕傳感器重量及縮小傳感器尺寸，將現有永磁磁軛式磁化器在待檢測鋼絲繩圓周方向上數量有限的磁軛進行周向積分拓展，形成全圓周向磁極磁化，該方法消除了傳統數量有限的永磁磁軛之間的磁化盲區帶，可利用體積較小的結構形式對鋼絲繩實施飽和磁化從而完成斷絲或磨損等損傷檢測。該方法的磁化器具體設計實施為：優先選擇輻向取向永磁環對鋼絲繩進行徑向磁化，輻向取向永磁環和銜鐵與待測鋼絲繩及中間氣縫所組成的磁化回路是傳統磁軛式磁化回路的圓周積分形式，其結構形式如圖1所示。

圖1 周向積分磁化回路

對上述周向積分磁化方式進行ANSYS仿真，具體研究永磁環的內徑和銜鐵的軸向長度對磁化效果的影響，并合理地選擇模型的尺寸參數，使磁化器達到滿足周向積分磁化要求的磁化能力和盡可能小的體積。所建ANSYS模型包括磁化器、被測鋼絲繩和周圍空氣，其中輻向取向永磁環采用NdFeB42釹鐵硼磁鐵，其相對磁導率為1.05，矯頑力為986 000 A/m；銜鐵采用坡莫合金，其相對磁導率為20 000；鋼絲繩模型的磁化曲線使用碳鋼的B-H曲線。尺寸參數分別為：輻向取向永磁環的內徑為Pd，厚度為PT，軸向長度為PL，兩永磁環之間的間隔為PS；銜鐵的內徑為Ad，其大小等于Pd+2PT，厚度為AT，軸向長度為AL，其大小等于2PL+PS；待測鋼絲繩的直徑φ為28 mm。

在仿真計算過程中，取輻向取向PT為6 mm，PL為8 mm，Pd從40～85 mm每隔5 mm取值，Ad隨之相應變化，AT為10 mm，AL為30 mm。在ANSYS后處理中，提取待測鋼絲繩中間截面的磁通密度軸向分量Bz值，繪制其隨Pd的變化曲線，如圖2(a)所示，隨著Pd的逐漸增大，Bz值逐漸減小，即在Pd逐漸增大的過程中，磁場的分布逐漸分散，導致鋼絲繩的磁化效果變差，得到的缺陷檢測信號會逐漸減小，缺陷檢測分辨率變差。因此，在設計過程中，考慮到檢測傳感器的安裝與運行，選擇Pd為40 mm，既減小了磁化器的尺寸，又達到了較好的檢測效果。

圖2 仿真分析曲線

確定Pd為40 mm后，保持PT為6 mm，PL為8 mm不變，此時銜鐵的內徑Ad為52 mm，其AT為10 mm，取銜鐵AL從30～60 mm每隔5 mm的變化值，研究鋼絲繩中間截面的磁通密度軸向分量Bz值隨AL的變化規律，如圖2(b)所示。隨著AL的增加，鋼絲繩的磁通密度軸向分量Bz值逐漸增大，最后曲線趨于平和。由于背景磁場的影響，缺陷檢測信號隨著銜鐵軸向長度的逐漸增加會逐漸增大，當銜鐵軸向長度進一步增加時，鋼絲繩內部磁化強度達到飽和，缺陷檢測信號會略微減小之后基本保持不變，因此，一般選擇鋼絲繩內部磁化強度在近飽和區域。基于周向積分磁化理論，當銜鐵軸向長度為30 mm時，滿足檢測精度和傳感器體積微小化的要求。

根據上述仿真規律，磁化器中Pd為40 mm，PT為6 mm，PL為8 mm；內徑Ad為52 mm，AT為10 mm，AL為30 mm。

最終制作的磁化器整體樣機如圖3所示。半開合式環形永磁體中一側內環為N極，另一側內環為S極，對待測鋼絲繩進行全周周向磁化，其磁化性能大幅度提高，在缺陷處所形成的漏磁場信號更易于采集和處理。

圖3 周向積分磁化器樣機

1.2 磁敏感元件選型

對目前常用于信號檢測的磁敏感元件檢測線圈、霍爾元件[10]、貼片電感的單個磁敏感元件在同一根待測鋼絲繩上進行檢測試驗，分析所采集的缺陷檢測信號，對比其信噪比，如圖4所示。

圖4 各磁敏感元件的檢測信號特征

圖4(a)中缺陷信號與繩股干擾信號幅值較為接近，辨識度相對較低；圖4(b)缺陷信號的辨識度相對于檢測線圈有所提高，但檢測傳感器在來回掃差過程中存在著檢測單向性，不利于缺陷識別，另外由于實際檢測環境中噪聲來源眾多，因此將會造成基波信號和噪聲信號的增大及缺陷信號的衰減，缺陷信號的分辨率降低；相比于圖4(a)～圖4(c)缺陷信號的辨識度較高，結合各類磁敏感元件性能及特點的分析，選定貼片電感器作為鋼絲繩漏磁檢測的磁敏感元件，其具有輸出信號與電感量有關、檢測靈敏度較高、抗干擾性較強、成本低、體積小的特點。貼片電感器中線圈的布置方向與主磁通方向垂直，所獲取的缺陷信號特征幅值較大，有利于提高檢測信號的信噪比和辨識度。

考慮多個貼片電感器布置方式時，采用圓周陣列周向布置方式，并使繩股處貼片電感器以差動形式連接，可以減小繩股間漏磁信號對檢測信號的干擾，保證鋼絲繩檢測不漏檢。將貼片電感器周向居中布置于磁化器耐磨套的外表面，后用電子密封膠密封，裝配到輻射環磁化器中，并加入連接部件用于檢測信號的數據采集，其提離距離為1～2 mm。

1.3 傳感器結構設計

針對直徑d=28 mm的待測鋼絲繩，設計了一鋼絲繩漏磁檢測傳感器，整體裝配尺寸為150 mm×100 mm×120 mm，內部放置周向積分磁化器。傳感器采用滑動端頭，以保證鋼絲繩的對中性和磁敏感元件的提離距離，同時也可避免因鋼絲繩翹絲和斷絲而造成檢測信號不穩定。

考慮到儀器的便攜性，傳感器的外殼采用一體化設計，避免二次加工及復雜的裝配工序，極大簡化復雜結構。外殼制作采用3D打印技術，材料為ABS樹脂，不僅滿足儀器強度和硬度的要求，而且很大程度上減輕了傳感器的重量，實物如圖5所示。

圖5 檢測傳感器實物

2 試驗測試

為了盡可能地模擬實際工況中鋼絲繩的損傷情況，在鋼絲繩上分別模擬了繩股間斷絲和相鄰繩股間單根缺失2種缺陷，因鋼絲繩本身的繩股信號很容易將斷絲缺陷信號掩蓋，在實際檢測中具有一定難度，另外還模擬了鋼絲繩磨損,這類缺陷不存在斷絲，漏磁場非常弱，易出現漏檢現象，要求傳感器的檢測性能非常高。圖6為鋼絲繩漏磁檢測試驗裝置及缺陷模擬。

圖6 鋼絲繩漏磁檢測試驗裝置及缺陷模擬

2.1 定點檢測法

分別對圖6中鋼絲繩上的缺陷位置處進行定點檢測，依次得到鋼絲繩繩股間斷絲、股間單根缺失和磨損的多通道檢測信號波形，深色的波形信號是采集板第7通道的采集數據，較淺色的波形信號是采集板第5通道的采集數據，如圖7(a1)、圖7(b1)及圖7(c1)所示。通過對比分析，該精準磁檢測傳感器對鋼絲繩上較難檢測識別的缺陷類型具有很好的辨識度，不同缺陷類型的檢測信號幅值不同，單根缺失處的缺陷信號幅值較大，股間斷絲處次之，磨損處的缺陷信號幅值較小，但總體上各缺陷處檢測信號特征明顯，信噪比較高。同時為降低干擾因素的影響，使該傳感器以不同速度通過不同的數據采集通道進行數據采集，在一定程度上避免出現“假信號”，圖7(a2)、圖7(b2)、圖7(c2)所示的信號為同一缺陷以不同的速度采集所得的檢測信號波形，結果與圖7(a1)、圖7(b1)及圖7(c1)的缺陷信號特征分析結論一致，相同缺陷類型的缺陷信號特征比較相似，不同缺陷類型的缺陷信號特征略有不同，說明該檢測傳感器具有一定的缺陷檢測分辨率。

圖7 不同缺陷處定點檢測結果

2.2 全局盲測法

使該周向積分磁化檢測傳感器掃描整根鋼絲繩(d=28 mm)，并隨機使用該傳感器的一處數據采集通道采集信號顯示波形，如圖8(a)所示，經反復試驗，結合前進鋼絲繩定點檢測的結果，對比分析不同缺陷類型的信號幅值，可判斷出鋼絲繩自左向右的缺陷依次是磨損、股間單根缺失和股間斷絲，與圖8(b)相符，說明該檢測傳感器可以辨識鋼絲繩上的缺陷類型，符合檢測要求。

圖8 鋼絲繩缺陷及全局盲測結果

3 結 論

在傳統的數量有限的永磁磁軛基礎上提出了全圓周向磁極磁化的方法，經實驗測試表明，設計的檢測傳感器可以有效辨識鋼絲繩上繩股間斷絲、股間斷絲缺失和磨損等缺陷類型，具有較好的可靠性，同時減輕了檢測傳感器的體積與重量，達到了基于周向積分磁化的鋼絲繩檢測傳感器的設計要求。