鋼絲繩損傷的電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究應(yīng)用

張書(shū)輝，冉堅(jiān)強(qiáng)，張建，趙慶凱，毛健

六盤(pán)水市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，貴州六盤(pán)水，553000

0 引言

鋼絲繩具有強(qiáng)度高、自身輕、彈性好、過(guò)載能力大、在高速工作條件下平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于電梯、吊橋、索道、起重機(jī)、礦井等領(lǐng)域，是國(guó)民工業(yè)領(lǐng)域的“生命線”[1]。然而鋼絲繩由于長(zhǎng)期在工作環(huán)境較為惡劣、承重量較大的情況下使用，鋼絲繩會(huì)產(chǎn)生斷絲、斷股、銹蝕、疲勞等現(xiàn)象，降低鋼絲繩的使用壽命，導(dǎo)致鋼絲繩的承載能力、可靠性下降，影響鋼絲繩的安全使用，對(duì)人民的生命及財(cái)產(chǎn)造成極大的隱患。因此，能否及時(shí)有效對(duì)鋼絲繩進(jìn)行安全檢測(cè)顯得極為重要，鋼絲繩安全規(guī)范和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定也引起很多國(guó)家重視。

1 鋼絲繩檢測(cè)方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

早在100多年前，南非科學(xué)家C.E.Mc.cann 和R.Colson發(fā)明世界上首臺(tái)鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)裝置交流勵(lì)磁（AC）對(duì)鋼絲繩進(jìn)行截面損失測(cè)量[2]。1925年，德國(guó)科學(xué)家H.Chappuzeau采用直流勵(lì)磁（DC）的方式檢測(cè)判斷出鋼絲繩上的局部損傷缺陷[3]。1976年，加拿大科學(xué)家F.Kitzinger 與G.A.Wint首次將體積小、精度高的霍爾元件作為鋼絲繩檢測(cè)元件進(jìn)行研究 。1987年，美國(guó)NDT 公司的H.R.Weischedel 博士[4]通過(guò)將積分電路串聯(lián)到檢測(cè)線圈電路上，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)定量、定性檢測(cè)金屬截面積損失。1986 年至1996 年期間，E.Kalwa 博士采用霍爾元件來(lái)檢測(cè)鋼絲繩漏磁通和主磁通的方法，找出了鋼絲繩部分缺陷與霍爾檢測(cè)信號(hào)的線性關(guān)系。1999年，德國(guó)科學(xué)家Nussbaum，J.M.提出設(shè)計(jì)出由30個(gè)霍爾元件組成的檢測(cè)陣列構(gòu)成的傳感器。

我國(guó)對(duì)鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)研究是從80年代末開(kāi)始的。煤炭科學(xué)院與哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于單片機(jī)原理研發(fā)出首臺(tái)鋼絲繩損傷檢測(cè)儀TSG型探傷儀[5]。80年代后，華中科技大學(xué)楊叔子團(tuán)隊(duì)不斷開(kāi)展鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)方法研究。武漢理工大學(xué)徐俊峰對(duì)鋼絲繩與計(jì)算機(jī)結(jié)合進(jìn)行智能化檢測(cè)研究。華中科技大學(xué)周郁明對(duì)磁阻傳感器的損傷信號(hào)分析計(jì)算。武漢理工大學(xué)鄔述暉等人利用磁橋路方法檢測(cè)LMA信號(hào)。竇毓棠教授利用高靈敏度傳感器與空間矢量合成原理成功開(kāi)發(fā)了TCK 系列鋼絲繩探傷裝置[6]。

2 鋼絲繩金屬截面積缺陷類(lèi)型的檢測(cè)方法

LMA的缺陷程度是指鋼絲繩橫截面積損失缺陷，包括磨損、銹蝕等。因此可以通過(guò)檢測(cè)橫截面的損失情況來(lái)判斷鋼絲繩損傷情況，采用磁敏感性的元件將檢測(cè)到橫截面損傷轉(zhuǎn)換成電壓值信息，分析電壓值來(lái)判斷缺陷程度。通?？梢圆捎秒姶艠蚵芬约熬€圈兩種方式來(lái)獲取損傷信號(hào)。

2.1 鋼絲繩LMA 缺陷的線圈檢測(cè)方法

線圈法檢測(cè)鋼絲繩損傷程度理論原理是分別利用線圈來(lái)獲取鋼絲繩、線圈以及兩個(gè)之間空氣中的磁通量，三者之間關(guān)系如公式（1）所示：

式中：ΦT為鋼絲繩磁通量；Φ為線圈內(nèi)的磁通量；Φa空氣中的磁通量

檢測(cè)線圈電動(dòng)勢(shì)如公式（2）所示：

式中：E為檢測(cè)線圈電動(dòng)勢(shì)；N表示線圈匝數(shù)。

積分電路的輸出電動(dòng)勢(shì)E0如公式（3）所示：

式中：E0為積分電路電動(dòng)勢(shì)；K 表示積分電路常數(shù)。

由公式（1）（2）（3）式簡(jiǎn)化得（4）：

通過(guò)（4）可知，積分器將檢測(cè)到的線圈磁通量ΦT轉(zhuǎn)化成了輸出電動(dòng)勢(shì)信號(hào)E0

又因?yàn)椋?/p>

結(jié)合（4）（5）兩式得到輸出電動(dòng)勢(shì)與橫截面積之間的關(guān)系如公式（6）：

最終簡(jiǎn)化計(jì)算公式（6）可得公式（7）：

式中：S為待測(cè)鋼絲繩空氣橫截面積；Sa鋼絲繩與磁敏感線圈之間空氣橫截面積；B待測(cè)鋼絲繩磁感應(yīng)強(qiáng)度；Ba鋼絲繩與磁敏感線圈之間磁感應(yīng)強(qiáng)度；為待測(cè)鋼絲繩橫截面減少量。

2.2 采用集成霍爾元件獲取LMA 缺陷的方法

霍爾元件檢測(cè)法是采用霍爾元件作為傳感器檢測(cè)鋼絲繩的磁通量變化。霍爾檢測(cè)法的原理是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差即霍爾電壓VH，霍爾電壓與施加在霍爾元件上的電流強(qiáng)度I和穿過(guò)霍爾元件磁感應(yīng)強(qiáng)度B存在線性關(guān)系，即

式中VH為霍爾電壓VH；KH為霍爾元件靈敏度；I施加在霍爾元件上的電流強(qiáng)度；B為穿過(guò)霍爾元件磁感應(yīng)強(qiáng)度。

由公式（8）可知，當(dāng)施加的電流I為定量時(shí)，霍爾元件的輸出電壓VH與磁感性強(qiáng)度B成線性正比關(guān)系，也就是說(shuō)輸出電壓VH只與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，不受霍爾元件的移動(dòng)速度影響。因此，我們可以通過(guò)檢測(cè)霍爾元件穩(wěn)定的輸出電壓VH反向推算出鋼絲繩斷口缺陷的漏磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，如果鋼絲繩損傷缺陷存在必然會(huì)產(chǎn)生變化的漏磁場(chǎng)，漏磁場(chǎng)可以通過(guò)霍爾傳感器的電壓信號(hào)變現(xiàn)出來(lái)，從而進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)采集和分析，判斷出判斷LMA損傷程度。

由于霍爾元件制造的檢測(cè)傳感器輸出的檢測(cè)信號(hào)不受速度影響，而且可以在小間隙空間磁場(chǎng)檢測(cè)，能獲取更為精準(zhǔn)的信號(hào)數(shù)據(jù)，同時(shí)其還集成精密電阻，大大提高了檢測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度[7]。

2.3 采用電磁橋路檢測(cè)LMA 缺陷的方法

在使用霍爾元件檢測(cè)鋼絲繩損傷時(shí)，首先需要對(duì)待檢測(cè)的鋼絲繩進(jìn)行磁化，磁化后，霍爾元件與鋼絲繩集成在一起，磁化的鋼絲繩將自身的LMA 損傷程度以信號(hào)的形式反饋到集成霍爾元件，根據(jù)集成霍爾元件檢測(cè)到的信號(hào)變化情況，可以判斷LMA 損傷程度。在選擇磁化方式時(shí)，要綜合考慮鋼絲繩橫截面的大小，不同面積的橫截面要采取不同方式的磁化結(jié)構(gòu)，通常會(huì)采用多回路磁化方式來(lái)保證鋼絲繩被均勻磁化。同時(shí)，采用電磁橋路檢測(cè)法來(lái)提高鋼絲繩損傷信號(hào)值的靈敏度，該方法通過(guò)分析集成霍爾元件輸出得到的信號(hào)電壓值，反向計(jì)算推算出待測(cè)鋼絲繩橫截面積的大小，再與未使用過(guò)的鋼絲繩橫截面積做比較，相差值即為L(zhǎng)MA 缺陷情況。

進(jìn)行電路分析可知：

式中：Φ為待測(cè)鋼絲繩磁通量，ΦZ主磁路磁通量，Φb磁橋路磁通量

結(jié)合（9）（10）（11）（12）式計(jì)算得到：

在上式中B和BZ、Sb與SZ檢測(cè)過(guò)程中數(shù)值變化不大，當(dāng)做不變量。

因此要得到金屬截面積值S，只需要測(cè)得Bb的值就可以計(jì)算出來(lái)S

磁阻R計(jì)算公式為

根據(jù)磁路基爾霍夫定律可得：

由公式（14）（15）可得：

式中：L表示磁路長(zhǎng)度；表示磁阻率；F表示磁勢(shì)大??；

從公式（8）可知，輸出電壓VH取決于Bb的大小，Bb與金屬截面積S存在公式（17）的關(guān)系，因此可以將VH與S的關(guān)系簡(jiǎn)單表示為

式中：α、β是比例常數(shù)，VH輸出電壓，S為鋼絲繩金屬截面積

由公式（17）可知，輸出電壓VH與鋼絲繩金屬橫截面S存在線性關(guān)系，通過(guò)輸出電壓信號(hào)VH的變化，可以定性定量判斷LMA缺陷情況。

鋼絲繩金屬截面積損傷對(duì)鋼絲繩安全使用有著重大意義，前面提到的三種檢測(cè)方法通過(guò)計(jì)算損傷橫截面和檢測(cè)信號(hào)電壓VH，可以對(duì)鋼絲繩LMA損傷定性定位，定量判斷。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，一般會(huì)采用檢測(cè)結(jié)果多次求平均等方法減少檢測(cè)環(huán)境干擾造成的誤差，提高檢測(cè)精準(zhǔn)度。

3 鋼絲繩局部損傷檢測(cè)方法分析

鋼絲繩局部損傷（LF）包括斷絲、斷股等也是鋼絲繩使用過(guò)程中常見(jiàn)現(xiàn)象，現(xiàn)階段主要依據(jù)漏磁原理，利用漏磁通檢測(cè)法檢測(cè)鋼絲繩局部損傷（LF）[8]。

漏磁通檢測(cè)法是檢測(cè)鋼絲繩LF缺陷的主流方法，其檢測(cè)原理是通過(guò)磁敏感元件組成的傳感器檢測(cè)鋼絲繩LF缺陷周?chē)a(chǎn)生漏磁場(chǎng)的磁性強(qiáng)弱來(lái)判斷出鋼絲繩的斷絲位置、斷絲數(shù)量、斷絲寬度如圖2所示。磁敏感元件常采用霍爾傳感器，由于鋼絲繩在使用時(shí)會(huì)發(fā)生斷絲數(shù)量少，不易被霍爾傳感器檢測(cè)出，因此采用在鋼絲繩周向位置增加安放霍爾傳感器的方法，避免在檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)漏檢的情況。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可知，霍爾傳感器安放數(shù)量至少要在十個(gè)以上才可以有效防止漏檢現(xiàn)象。

漏磁檢測(cè)法可以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出鋼絲繩內(nèi)部磁場(chǎng)變化，根據(jù)磁場(chǎng)的變化可以判斷出LF缺陷存在情況。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在一百年的發(fā)展時(shí)間里，鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)是一項(xiàng)異常復(fù)雜的工程，所面臨的困難還很多，主要表現(xiàn)在：

（1）缺陷狀況復(fù)雜。鋼絲繩每根鋼絲的使用狀態(tài)都會(huì)對(duì)整個(gè)鋼絲繩的磁系統(tǒng)的狀態(tài)造成影響，缺陷情況的復(fù)雜導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要精準(zhǔn)的檢測(cè)信號(hào)處理方法和識(shí)別技術(shù)。

（2）勵(lì)磁結(jié)構(gòu)有待提高。目前在對(duì)鋼絲繩交流勵(lì)磁過(guò)程中，趨附效應(yīng)和渦流效應(yīng)在勵(lì)磁時(shí)不可避免地對(duì)勵(lì)磁狀況產(chǎn)生影響，會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩退磁現(xiàn)象和磁化不均勻等，因此對(duì)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的研究，改善提高勵(lì)磁效果。

（3）檢測(cè)工況惡劣。鋼絲繩的檢測(cè)需要在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，復(fù)雜的檢驗(yàn)環(huán)境包括噪聲、振動(dòng)、磁場(chǎng)等對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度影響很大，也會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性、可靠性產(chǎn)生影響。