鋼絲繩應(yīng)力集中和疲勞損傷的電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分析

范偉 李兵 陳冰華 任尚坤

摘要：隨著鋼絲繩在工業(yè)技術(shù)中應(yīng)用的快速發(fā)展，鋼絲繩運(yùn)行安全和高效經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題日益引起人們的廣泛關(guān)注。鑒于此，闡述了與鋼絲拉索無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)問(wèn)題，分析了鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展演變歷程;研究評(píng)述了鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)最新研究成果的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn);重點(diǎn)分析討論了檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)、信號(hào)處理方法、定性分析和定量識(shí)別技術(shù)、壽命預(yù)測(cè)方法等方面的研究進(jìn)展，并指出了鋼絲繩電磁檢測(cè)技術(shù)目前所面臨的問(wèn)題及今后的研究發(fā)展方向，為深入研究電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鋼絲繩損傷檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：無(wú)損檢測(cè);電磁檢測(cè);應(yīng)力集中;疲勞損傷;鋼絲繩檢測(cè)

0? ? 引言

鋼絲繩作為人或物的承載和運(yùn)輸部件，廣泛應(yīng)用于電梯、吊橋、索道、起重機(jī)、礦井等領(lǐng)域，是工業(yè)領(lǐng)域的“生命線”。鋼絲繩在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)疲勞、銹蝕、磨損、斷絲甚至斷裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致其承載能力及可靠性下降，這直接關(guān)系著人民生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)該問(wèn)題的研究已引起廣大科技人員的廣泛關(guān)注。

1? ? 鋼絲繩電磁檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展演變歷程

鋼絲繩的電磁檢測(cè)最早開(kāi)始于1906年[1]，南非科學(xué)家以交流勵(lì)磁和線圈檢測(cè)的方式研制了基于電磁檢測(cè)方法的鋼絲繩損傷檢測(cè)儀器，該儀器的缺點(diǎn)是易受渦流效應(yīng)和集膚效應(yīng)的影響。

1925年，德國(guó)科學(xué)家H. Chappuzeau設(shè)計(jì)了依據(jù)檢測(cè)鋼絲繩的漏磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)鋼絲繩的電磁檢測(cè)儀器，當(dāng)時(shí)鋼絲繩的勵(lì)磁方式采用了直流勵(lì)磁[2]，其檢測(cè)原理為：被磁化的鋼絲繩在缺陷處會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，通過(guò)檢測(cè)漏磁場(chǎng)的大小和分布特征進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷狀況的判斷;其缺點(diǎn)為體積大且操作繁瑣。

1976年，加拿大科學(xué)家F. Kitzinger與G. A. Wint[3]提出以霍爾元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的檢測(cè)線圈來(lái)對(duì)鋼絲繩的截面積和局部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，霍爾元件的使用明顯減小了檢測(cè)裝置的體積，使信號(hào)拾取技術(shù)上了個(gè)新臺(tái)階。

1985年，加拿大的F. G. Tomaiuolo與J. G. Lang[4]將磁通門(mén)技術(shù)應(yīng)用到漏磁場(chǎng)的檢測(cè)中，進(jìn)一步提高了檢測(cè)靈敏度。

1987年，H. R. Weischedel[5]博士提出將積分電路與檢測(cè)線圈串聯(lián)起來(lái)，進(jìn)一步減少了噪聲對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾，可更加準(zhǔn)確地提取到鋼絲繩上磁通的檢測(cè)信號(hào)，新的檢測(cè)方法不僅可以對(duì)鋼絲繩損傷缺陷進(jìn)行定性分析，還可以進(jìn)行一定程度的定量識(shí)別。

1995年，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的MagnographⅡ型鋼絲繩檢測(cè)儀誕生[6]，其特點(diǎn)是把計(jì)算機(jī)新技術(shù)應(yīng)用到鋼絲繩的電磁無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。

1996年，Hkuwn對(duì)磁致伸縮效應(yīng)進(jìn)行了研究，并將該原理應(yīng)用到鋼絲繩損傷檢測(cè)技術(shù)中，在檢測(cè)結(jié)果上取得了一定程度的成功[7]。

由于鋼絲繩在工業(yè)中的應(yīng)用日益增多，研究鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)的文獻(xiàn)也明顯增多，繼而出現(xiàn)了霍爾元件空間結(jié)構(gòu)新型環(huán)形陣列傳感器。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)的最新研究成果相結(jié)合成為大勢(shì)所趨。信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展日新月異，把小波變換方法應(yīng)用于漏磁檢測(cè)的去噪和自適應(yīng)濾波中已成為新的研究發(fā)展方向;同時(shí)基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法也日益受到人們的重視，可用于漏磁檢測(cè)的三維缺陷成像重建研究。

20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)才開(kāi)始出現(xiàn)鋼絲繩電磁檢測(cè)技術(shù)的研究[1]。撫順煤礦分院于1986年從英國(guó)Becorit公司買(mǎi)了一臺(tái)LMA-250型鋼絲繩探傷儀，由此開(kāi)始進(jìn)入對(duì)鋼絲繩損傷儀器研究應(yīng)用的時(shí)代。后來(lái)又與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作開(kāi)發(fā)，研制了基于單片機(jī)的TGS型探傷儀[8]。

從1985年開(kāi)始，華中科技大學(xué)的楊叔子團(tuán)隊(duì)一直致力于鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)方法的基礎(chǔ)理論和儀器裝置研究，在鋼絲繩的勵(lì)磁、電磁檢測(cè)、損傷識(shí)別、量化檢測(cè)、漏磁成像等方面都頗有建樹(shù)，獲得業(yè)內(nèi)的一致認(rèn)可[9]。

河南洛陽(yáng)礦冶機(jī)電研究所開(kāi)發(fā)了GXT型鋼絲繩損傷在線檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用自行開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)線圈作為傳感器進(jìn)行探傷，在檢測(cè)鋼絲繩局部缺陷時(shí)效果較為理想，在國(guó)內(nèi)產(chǎn)生了較大的影響[10]。

上海海事大學(xué)的磁通門(mén)傳感器技術(shù)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，其首次將磁通門(mén)技術(shù)運(yùn)用到鋼絲繩損傷的檢測(cè)中去，并且取得了較好的成績(jī)[11]。

竇氏高靈敏度傳感器和空間矢量合成原理對(duì)鋼絲繩檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)很大。

青島理工大學(xué)的井陸陽(yáng)將小波變換應(yīng)用于鋼絲繩損傷信號(hào)處理與特征提取中，并應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)的方法對(duì)鋼絲繩缺陷信號(hào)進(jìn)行定量識(shí)別。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的孫佳勝將DSP技術(shù)應(yīng)用于鋼絲繩損傷檢測(cè)裝置的信號(hào)采集系統(tǒng)，增強(qiáng)了鋼絲繩漏磁場(chǎng)缺陷信號(hào)采集的時(shí)效性和精確性。

青島理工大學(xué)的譚繼文課題組[12]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張東來(lái)課題組[13]以及華中科技大學(xué)的康宜華課題組[14]等都對(duì)鋼絲繩損傷的檢測(cè)與評(píng)價(jià)做了大量工作。

2? ? 鋼絲繩檢測(cè)基礎(chǔ)問(wèn)題的有限元仿真研究

陳征宇和葉玉龍采用ANSYS仿真的方法對(duì)電梯鋼絲繩的損傷檢測(cè)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋼絲繩的應(yīng)力集中發(fā)生在鋼絲繩與滾輪接觸的地方的權(quán)重值較大，且拉動(dòng)電梯的一側(cè)比配重的一側(cè)更為嚴(yán)重[15]。應(yīng)力集中容易導(dǎo)致鋼絲繩磨損，磨損變細(xì)又會(huì)進(jìn)一步加劇鋼絲繩的應(yīng)力集中，直至導(dǎo)致斷絲、斷裂。

對(duì)檢測(cè)傳感器的勵(lì)磁線圈和檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)分布分析也很關(guān)鍵，王方帥等人對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的激勵(lì)檢測(cè)裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真研究[16]，發(fā)現(xiàn)鋼絲繩磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布特征與結(jié)構(gòu)有關(guān)，勵(lì)磁裝置中空氣氣隙大小、勵(lì)磁線圈截面長(zhǎng)寬比、激勵(lì)電流、導(dǎo)磁體等參數(shù)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布都有影響，都是不可忽視的影響因素。

楊玉杰等人基于ANSYS仿真軟件進(jìn)行了力-磁耦合分析[17]，通過(guò)研究鋼絲繩張力與磁特性參數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)的閉路磁彈性傳感器。通過(guò)建模仿真分析，提出了聚磁環(huán)旁路式磁彈性傳感器的設(shè)計(jì)思想，對(duì)設(shè)計(jì)的閉合磁回路傳感器的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化;從勵(lì)磁環(huán)路計(jì)算、感應(yīng)信號(hào)處理以及實(shí)用性方面對(duì)聚磁環(huán)旁路式磁彈性傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，產(chǎn)生了較好的檢測(cè)試驗(yàn)效果。

張義清等人采用有限元仿真方法，通過(guò)三維建模方式，分析了永磁勵(lì)磁裝置中勵(lì)磁回路的方式、永久磁鐵的位置對(duì)勵(lì)磁場(chǎng)分布的影響[18]，通過(guò)有限元仿真和等效磁路計(jì)算兩種方法對(duì)激勵(lì)磁場(chǎng)特征分布進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：如果將永久磁鐵放在永磁勵(lì)磁裝置的兩端，則在勵(lì)磁裝置中部形成的磁場(chǎng)較均勻，激勵(lì)效果較好;如果采用多回路周向勵(lì)磁磁路，則設(shè)計(jì)的磁化場(chǎng)更均勻，且磁感應(yīng)強(qiáng)度更強(qiáng)，更容易將鋼絲繩磁化到飽和狀態(tài)。

任明月等人利用Ansoft Maxwell軟件建模仿真分析了勵(lì)磁裝置的勵(lì)磁效果，設(shè)計(jì)了基于多線圈周向磁化的鋼絲繩損傷檢測(cè)磁場(chǎng)激勵(lì)裝置[19]。通過(guò)對(duì)周向布置多個(gè)激勵(lì)線圈的磁場(chǎng)仿真分布分析，設(shè)定安匝數(shù)為2 000。研究發(fā)現(xiàn)，1個(gè)或2個(gè)勵(lì)磁線圈磁化強(qiáng)度都較弱，磁化效果較差;3個(gè)或4個(gè)激勵(lì)線圈都能把鋼絲繩磁化至飽和，但磁化效果區(qū)別不大。綜合考慮和研究勵(lì)磁裝置的結(jié)構(gòu)布局，設(shè)計(jì)偶數(shù)個(gè)線圈較為理想。

3? ? 鋼絲繩檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)研究

3.1? ? 鋼絲繩的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)及方式

勵(lì)磁結(jié)構(gòu)與產(chǎn)生的磁場(chǎng)形式有關(guān)。根據(jù)產(chǎn)生磁場(chǎng)形式的不同，磁化源可分為線圈磁化源和永磁體磁化源兩種結(jié)構(gòu)形式。電流線圈磁化方式又分為交流電流磁化方式和直流電流磁化方式。根據(jù)磁化裝置的空間結(jié)構(gòu)不同可分為單回路磁化結(jié)構(gòu)、雙回路磁化結(jié)構(gòu)和多回路磁化結(jié)構(gòu)。

單回路磁化結(jié)構(gòu)為由磁化源、磁軛、鋼絲繩構(gòu)成閉合磁路，但該種勵(lì)磁方式磁化不均勻，靠近磁化源部分磁場(chǎng)強(qiáng)，遠(yuǎn)離磁化源部分磁場(chǎng)較弱，并且磁化差異隨鋼絲繩直徑的增加而增大。

雙回路磁化結(jié)構(gòu)是在單回路磁化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，在單回路磁化結(jié)構(gòu)的相對(duì)另一側(cè)再增加一組單回路磁路，構(gòu)成兩組單回路磁化結(jié)構(gòu)。雙回路磁化結(jié)構(gòu)可以改善單回路磁化結(jié)構(gòu)的磁化不均勻現(xiàn)象。

多回路勵(lì)磁結(jié)構(gòu)是在鋼絲繩表面周向設(shè)置多組單回路磁路，可以實(shí)現(xiàn)周向多個(gè)位置均勻磁化，對(duì)大直徑鋼絲繩有較好的磁化效果。

3.2? ? 鋼絲繩的傳感器結(jié)構(gòu)及信號(hào)拾取方式

根據(jù)傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)不同，檢測(cè)信號(hào)拾取方式也不同，大致可分為感應(yīng)線圈檢測(cè)法、磁阻元件檢測(cè)法、磁通門(mén)技術(shù)檢測(cè)法及基于磁致伸縮原理的檢測(cè)法。

（1）感應(yīng)線圈檢測(cè)法。對(duì)于交流磁化源的情況，漏磁信號(hào)是交變信號(hào)，感應(yīng)線圈檢測(cè)法很方便。對(duì)于永磁體磁化激勵(lì)源，其將鋼絲繩沿軸向磁化，由于感應(yīng)線圈只能感應(yīng)變化的磁場(chǎng)，所以檢測(cè)輸出信號(hào)與檢測(cè)速度有關(guān)，檢測(cè)速度不均勻時(shí)會(huì)造成誤判。

（2）磁阻元件檢測(cè)法。隨著磁阻傳感技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)靈敏度很高的磁阻傳感器AMR、TMR、GMR相繼出現(xiàn)，極大地豐富了磁阻傳感器家族和磁阻傳感器的選項(xiàng)。磁阻傳感器與感應(yīng)線圈相比，輸出信號(hào)與速度無(wú)關(guān)、元件體積小、空間分辨率高、靈敏度高。但由于磁阻傳感器一般為半導(dǎo)體材料，其對(duì)溫度比較敏感。

（3）磁通門(mén)檢測(cè)法。磁通門(mén)器件檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度，靈敏度和分辨率都很高，可以檢測(cè)靜態(tài)磁場(chǎng)。

（4）磁致伸縮法。磁致伸縮檢測(cè)法對(duì)檢測(cè)大區(qū)域的損傷和疲勞比較靈敏，其基本檢測(cè)原理為：鐵磁拉索在外磁場(chǎng)的作用下會(huì)沿磁場(chǎng)方向變長(zhǎng)或縮短，稱為磁致伸縮效應(yīng);反過(guò)來(lái)，當(dāng)鋼絲繩被拉長(zhǎng)或壓縮時(shí)，在長(zhǎng)度變化方向上也會(huì)產(chǎn)生磁化現(xiàn)象，稱為逆磁致伸縮效應(yīng)。

姜宵園等人[20]為提高對(duì)鋼絲繩不同類型損傷的識(shí)別能力，提出了周向積分磁化的鋼絲繩檢測(cè)傳感器的構(gòu)想，該設(shè)計(jì)還可解決鋼絲繩的飽和磁化磁軛體積過(guò)大的問(wèn)題。

王兵對(duì)電磁場(chǎng)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，采用差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一傳感器[21]，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼絲繩的斷絲損傷檢測(cè)。

彭婷婷等人設(shè)計(jì)研制了一螺線管式磁感應(yīng)鋼絲繩斷絲檢測(cè)傳感器[22]，設(shè)計(jì)原理為：當(dāng)鋼絲繩出現(xiàn)斷絲時(shí)，磁導(dǎo)率會(huì)相應(yīng)降低，磁阻變大，導(dǎo)致線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小可判斷出鋼絲繩斷絲的狀況。針對(duì)多股鋼絲繩在工作中存在高速、多姿態(tài)等在線檢測(cè)技術(shù)難點(diǎn)，采用感應(yīng)線圈進(jìn)行差分并優(yōu)化布局，可最大限度地消除鋼絲繩股波信號(hào)。

鮑澤富、張曦曦[23]為了提高檢測(cè)效率和檢測(cè)準(zhǔn)確度，成功設(shè)計(jì)了陣列傳感器勵(lì)磁裝置，研制了基于TMR傳感器和柔性印刷電路板的傳感器陣列，優(yōu)化了相關(guān)技術(shù)參數(shù)，形成了一套完整的包括硬件模塊和軟件模塊兩部分的鋼絲繩缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。

雷高陽(yáng)等人設(shè)計(jì)了一種顆粒阻尼減振傳感器[24]，其基本原理為：把一些小鋼珠放入傳感器的空腔結(jié)構(gòu)中，活塞桿的推動(dòng)引起顆粒阻尼效應(yīng)。其阻尼方式是通過(guò)鋼珠之間及鋼珠與容器壁之間的碰撞、摩擦、阻尼耗能，有效耗散鋼絲繩耦合振動(dòng)引起的載荷沖擊，可明顯濾除鋼絲繩張力信號(hào)中的噪聲。

楊玉杰等人[17]對(duì)基于磁彈性理論的鋼絲繩張力檢測(cè)方法進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)研制了聚磁環(huán)旁路式鋼絲繩損傷檢測(cè)裝置，并通過(guò)仿真對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法的特點(diǎn)如下：檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快、與鋼絲繩非接觸。

鋼絲繩張力與磁特性參數(shù)之間的關(guān)系很復(fù)雜，表現(xiàn)為非線性關(guān)系，磁彈性傳感器結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)仍是目前研究的難點(diǎn)。

4? ? 信號(hào)處理方法、定量識(shí)別、壽命預(yù)測(cè)研究

研究新的信號(hào)處理方法是鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)重要的發(fā)展方向。檢測(cè)信號(hào)中的雜波信號(hào)主要包括環(huán)境信號(hào)、工頻信號(hào)、鋼絲繩螺旋狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的交錯(cuò)氣隙信號(hào)、傳感器口徑與被檢鋼絲繩之間的直徑差信號(hào)、鋼絲繩運(yùn)行過(guò)程中存在的振動(dòng)信號(hào)、鋼絲繩污染物信號(hào)等，雜波信號(hào)是造成誤判的主要原因[25]。

小波分析技術(shù)是一種聚集到信號(hào)不同細(xì)節(jié)上的處理方法，其正日益引起人們的關(guān)注。該技術(shù)主要是通過(guò)檢查不同的尺度來(lái)研究信號(hào)特征，非常適合處理檢測(cè)鋼絲繩局部損傷產(chǎn)生的信號(hào)[26]。鋼絲繩損傷，造成檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的小波變換明顯增大，通過(guò)奇異值分解，可對(duì)小波變換系數(shù)進(jìn)行處理分析和研究。經(jīng)過(guò)小波變換和奇異值分解處理，檢測(cè)信號(hào)可以表示為小波變換系數(shù)矩陣的形式。由于鋼絲繩無(wú)損傷時(shí)的特征值要遠(yuǎn)小于損傷降質(zhì)處的對(duì)應(yīng)奇異點(diǎn)特征值，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲損傷狀況的檢測(cè)。小波分析是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的時(shí)頻分析處理方法，其優(yōu)點(diǎn)是具有多分辨率分析功能，可克服傳統(tǒng)傅立葉變換的單分辨率分析缺陷。基于小波多分辨率分析方法，對(duì)損傷信號(hào)進(jìn)行分解與重構(gòu)處理，可有效去除工頻干擾和其他眾多噪聲[27]。該方法可很好地保留鋼絲繩漏磁檢測(cè)信號(hào)中的較小奇異信號(hào)，明顯增強(qiáng)了檢測(cè)信號(hào)的抗干擾能力，并且該方法計(jì)算量較小，與傳統(tǒng)低通或帶通濾波器濾波的方法相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

鋼絲繩斷絲故障檢測(cè)信噪比極低，故障信號(hào)往往淹沒(méi)在基線漂移和脈沖噪聲中。楊寧霞等人借鑒傳統(tǒng)小波去噪的思想，探討了基于數(shù)學(xué)形態(tài)和提升小波分析算法的鋼絲繩斷絲檢測(cè)方法[28]。首先采用數(shù)學(xué)形態(tài)方法進(jìn)行濾波預(yù)處理，去除斷絲檢測(cè)信號(hào)中基線漂移和脈沖噪聲，再利用提升小波進(jìn)行二次濾波。該方法與傳統(tǒng)的小波變換相比去噪效果更好，并且運(yùn)算速度更快，不需要附加額外的內(nèi)存。

針對(duì)小波閾值算法在鋼絲繩損傷檢測(cè)信號(hào)去噪中的應(yīng)用，趙潔等人在Donoho的軟、硬閾值去噪方法的基礎(chǔ)上[29]，對(duì)小波閾值算法進(jìn)行了研究。該改進(jìn)的算法可以解決硬閾值去噪效果不佳與軟閾值過(guò)度光滑導(dǎo)致信號(hào)失真的難題，完整地保留了信號(hào)中的小奇異信號(hào)，去噪效果與傳統(tǒng)的閾值去噪法相比效果較好。鄭鵬博[30]針對(duì)部分信號(hào)和噪聲頻率很接近而出現(xiàn)信號(hào)損失的現(xiàn)象，提出了基于集總經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的小波降噪算法，較好地解決了檢測(cè)信號(hào)損失的問(wèn)題。

在集總經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的過(guò)程中添加了正態(tài)白噪聲，并且分離出的模態(tài)數(shù)量不可控，針對(duì)此問(wèn)題又提出了基于變分模態(tài)分解的小波降噪算法。通過(guò)比較，基于變分模態(tài)分解的小波降噪算法效果較好。偽彩色圖像增強(qiáng)算法，也可實(shí)現(xiàn)借助顏色來(lái)描述缺陷的特征。小波超分辨率圖像重構(gòu)算法也是一種值得深入研究的方法，其可使缺陷圖像的分辨率加倍提升，達(dá)到一個(gè)新的臺(tái)階。

鋼絲繩電磁檢測(cè)信號(hào)是一種與時(shí)間及缺陷位置相關(guān)的時(shí)空域信號(hào)，曹青松等人采用虛擬無(wú)限多探頭技術(shù)，依據(jù)Dirac delta函數(shù)，研究建立了傳感器探頭信號(hào)的時(shí)空域數(shù)學(xué)模型[31]，依據(jù)離散型周期信號(hào)頻譜分析的方法，對(duì)時(shí)空域信號(hào)的頻譜特性進(jìn)行研究分析，依據(jù)多采樣率原理，探索了探頭運(yùn)動(dòng)速度對(duì)輸出信號(hào)頻譜特征的影響，獲取了空域信號(hào)的空域固有頻率，得到了很好的處理結(jié)果。

張守新利用檢測(cè)信號(hào)的4種特征量（峰峰值、差分超限數(shù)、信號(hào)波寬、峰峰波寬比）相結(jié)合，研究對(duì)鋼絲繩拉索損傷特征及嚴(yán)重程度進(jìn)行定量識(shí)別的方法，評(píng)價(jià)鋼絲繩斷絲的位置和損傷嚴(yán)重程度，并試圖對(duì)內(nèi)外斷絲情況進(jìn)行分辨[32]。信號(hào)的峰峰值表示的是檢測(cè)信號(hào)的波峰與波谷的幅值之差;差分超限數(shù)表示差分絕對(duì)值超過(guò)某一確定門(mén)限域值的數(shù)值;波寬是表示斷絲信號(hào)空間分布的最重要的特征量之一，它可以準(zhǔn)確地描述斷絲缺陷口寬度。如果信號(hào)峰值較高但波寬較窄，則表示鋼絲繩外部表面斷絲;如果信號(hào)峰值較低但波寬較寬，則表示鋼絲繩內(nèi)部斷絲。

針對(duì)多霍爾元件陣列組合檢測(cè)法以及漏磁信號(hào)的特征，張楠運(yùn)用小波變換理論對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行分解與重構(gòu)，提取缺陷信號(hào)特征值，并針對(duì)缺陷信號(hào)特征進(jìn)行了定量識(shí)別研究[33]。

朱良等人將極限學(xué)習(xí)機(jī)理論引入到了鋼絲繩斷絲損傷的定量識(shí)別研究中[34]，采用距離可分離性判據(jù)度量比較峰值、波寬、波形下面積、功率譜熵、小波奇異值熵的區(qū)分效果，并選取區(qū)分效果最優(yōu)的3個(gè)特征參數(shù)融合成為識(shí)別模型的輸入特征向量。結(jié)果表明：峰值、功率譜熵、小波奇異值熵的區(qū)分效果明顯，優(yōu)于波寬和波形下面積。

基于極限學(xué)習(xí)的斷絲損傷檢測(cè)模型也日益受到人們的重視，初步的研究結(jié)果表明，該方法對(duì)鋼絲繩斷絲損傷的識(shí)別具有較好的效果。

5? ? 鋼絲繩電磁檢測(cè)技術(shù)目前面臨的問(wèn)題及研究發(fā)展方向

目前開(kāi)發(fā)研制的鋼絲繩損傷檢測(cè)設(shè)備，由于受各種干擾因素的影響，適用性、準(zhǔn)確性、靈敏度還不能完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，因而僅被少數(shù)部門(mén)當(dāng)作輔助測(cè)試設(shè)備，這就導(dǎo)致目前超過(guò)一半鋼絲繩使用部門(mén)依舊采用人工肉眼觀察法檢測(cè)鋼絲繩。這種檢測(cè)方法不僅效率低，而且與檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)素質(zhì)直接相關(guān)，檢測(cè)結(jié)果的可靠性難以保證，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)。在工業(yè)應(yīng)用中，被定期強(qiáng)制更換的大多數(shù)鋼絲繩未發(fā)現(xiàn)損傷或者損傷程度未達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，造成了資源的巨大浪費(fèi)，因此開(kāi)展鋼絲繩安全性評(píng)估的研究，實(shí)現(xiàn)缺陷的定量化、自動(dòng)化和智能化檢測(cè)具有重要意義。在理論上需要建立科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在應(yīng)用設(shè)備上需要實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效和穩(wěn)定的損傷檢測(cè)。

（1）鋼絲繩損傷檢測(cè)信號(hào)的處理方法和識(shí)別技術(shù)還有待提高和創(chuàng)新。鋼絲繩損傷缺陷相對(duì)于鋼絲繩本身是十分微小的，加之鋼絲繩的股波存在，給微弱漏磁信號(hào)的提取和識(shí)別帶來(lái)了干擾。由于各鋼絲間、各繩股間排列緊密，面對(duì)鄰近鋼絲繩缺陷信號(hào)的干擾疊加，加之檢測(cè)傳感器、采集電路本身存在的干擾信號(hào)，進(jìn)一步研究信號(hào)提取方法和缺陷特征識(shí)別技術(shù)十分必要。由于鋼絲繩損傷、斷絲的種類很多，如剪切斷絲、扭結(jié)斷絲、銹蝕斷絲，要正確識(shí)別斷絲特征具有很高的特征識(shí)別要求。鋼絲繩實(shí)際工作環(huán)境很復(fù)雜，環(huán)境中的噪聲、振動(dòng)、磁場(chǎng)等對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度影響很大，對(duì)檢測(cè)結(jié)果存在明顯影響。總之，現(xiàn)有鋼絲繩漏磁信號(hào)的處理方法，還不能滿足對(duì)不同缺陷類型故障特征的準(zhǔn)確提取。目前通用的濾波、消噪算法還不能滿足現(xiàn)代檢測(cè)的需要，缺乏自適應(yīng)性。要研究新的數(shù)字信號(hào)提取和特征識(shí)別技術(shù)，如小波變換、希爾伯特變換等，實(shí)現(xiàn)損傷特征的自動(dòng)和高準(zhǔn)確度識(shí)別。

（2）各種損傷方式的形成機(jī)理和發(fā)展規(guī)律有待深入研究。鋼絲繩損傷形式多種多樣，揭示各損傷因素對(duì)鋼絲繩壽命影響的主次關(guān)系，研究各種損傷形式對(duì)鋼絲繩力學(xué)特性的影響規(guī)律和在不同負(fù)載狀態(tài)下的力學(xué)特性，對(duì)提高檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)效率具有重要意義。

（3）磨損后的鋼絲繩仍然可保留一定的機(jī)械性能，要充分利用磨損鋼絲繩剩余承載能力，以有效減少鋼絲繩浪費(fèi)。要深入開(kāi)展對(duì)鋼絲繩剩余壽命的預(yù)測(cè)研究，制定科學(xué)的鋼絲繩損傷報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，研究不同磨損對(duì)使用強(qiáng)度和斷裂失效機(jī)理的影響具有一定經(jīng)濟(jì)效益。

（4）檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步創(chuàng)新。勵(lì)磁裝置可以為拉索磁化提供磁源，是鋼絲繩電磁無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分。目前的現(xiàn)狀：交流勵(lì)磁方式存在趨附效應(yīng)和渦流效應(yīng)的影響，直流電流磁化方式存在體積過(guò)大和發(fā)熱的問(wèn)題，退磁現(xiàn)象和磁化不均勻是永磁勵(lì)磁方式存在的問(wèn)題和不足。需要對(duì)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)進(jìn)一步研究和創(chuàng)新，研制出綜合性能優(yōu)越、能自動(dòng)調(diào)節(jié)其最佳狀態(tài)的勵(lì)磁設(shè)備。

（5）目前對(duì)于磁彈效應(yīng)這一現(xiàn)象的機(jī)理研究還很少，對(duì)于應(yīng)力對(duì)磁化影響的研究還停留在定性方向，力-磁理論模型的建立仍沒(méi)有統(tǒng)一的定論，目前運(yùn)用較多且認(rèn)同度也很高的一種J-A磁滯模型是建立在規(guī)則的金屬材料研究中。對(duì)于鋼絲繩這種結(jié)構(gòu)和受力情況復(fù)雜的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，磁化研究存在較大的困難，對(duì)于這種高度非線性的問(wèn)題，目前仍沒(méi)有一種準(zhǔn)確的理論模型可以解釋實(shí)驗(yàn)鋼絲繩的磁彈效應(yīng)現(xiàn)象。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)磁彈效應(yīng)這一現(xiàn)象機(jī)理的研究，建立系統(tǒng)的力-磁理論檢測(cè)模型。

（6）研究構(gòu)建復(fù)合勵(lì)磁回路的磁化方式，增強(qiáng)磁化強(qiáng)度及均勻性。在檢測(cè)鋼絲繩時(shí)，可以探索研究多回路軸向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，通過(guò)運(yùn)用一定數(shù)量的永久磁鐵與電流線圈磁化相結(jié)合，獲得更好的檢測(cè)結(jié)果。

（7）在建立并完善鋼絲繩檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)方面還有許多工作要做。要求繩索檢測(cè)的專業(yè)隊(duì)伍、有關(guān)部門(mén)相互合作、相互配合，把各種不同類型、不同品牌的鋼絲繩檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一分類、整理、歸納，并輸入到相應(yīng)軟件中，建立完整的數(shù)據(jù)庫(kù)。在需要檢測(cè)時(shí)，只要核對(duì)鋼絲繩的類型、編號(hào)，將檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù)同數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可得到待評(píng)價(jià)鋼絲繩的質(zhì)量狀況。

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收稿日期：2020-02-27

作者簡(jiǎn)介：范偉（1986—），女，河北張家口人，碩士，工程師，研究方向：電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

通信作者：任尚坤（1963—），男，河南太康人，博士，教授，主要從事電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作。