基于弱磁的鋼絲繩探傷技術(shù)研究

史 榮， 郭 鵬， 王勁東， 王 雷

（1.燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004；2.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190）

基于弱磁的鋼絲繩探傷技術(shù)研究

史 榮1， 郭 鵬1， 王勁東2， 王 雷1

（1.燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004；2.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190）

依據(jù)磁荷分析理論，建立了鋼絲繩斷絲磁偶極子模型，計(jì)算了單絲斷口處漏磁場(chǎng)的分布規(guī)律。采用正交設(shè)計(jì)方法對(duì)激磁回路參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，確定了弱磁磁化系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與基本參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了磁化與檢測(cè)的一體化設(shè)計(jì)。依據(jù)弱磁激勵(lì)情況下鋼絲繩缺欠處的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度，選擇了高靈敏度MR01型磁阻式傳感器；給出了多種斷絲形態(tài)的實(shí)測(cè)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于MR01型磁阻式傳感器的鋼絲繩磁檢測(cè)系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)小尺寸斷口缺陷的有效檢測(cè)，而且可用于剩磁檢測(cè)，為鋼絲繩探傷技術(shù)的發(fā)展提供了有價(jià)值的科學(xué)依據(jù)。

計(jì)量學(xué)；鋼絲繩探傷；弱磁檢測(cè)；微磁檢測(cè)；磁阻式傳感器

1 引 言

自1906年南非學(xué)者發(fā)明第一臺(tái)鋼絲繩探傷儀以來，歷經(jīng)一個(gè)多世紀(jì)的研究，各種檢測(cè)技術(shù)層出不窮。目前提出的比較具有代表性的檢測(cè)方法有超聲波檢測(cè)法、聲發(fā)射檢測(cè)法、磁致伸縮檢測(cè)法、射線檢測(cè)法、渦流檢測(cè)法及電磁檢測(cè)法等。其中，電磁檢測(cè)法是目前國際上公認(rèn)的比較可靠的探傷方法之一［1，2］。

鋼絲繩電磁檢測(cè)分為強(qiáng)磁檢測(cè)與弱磁檢測(cè)技術(shù)。目前，工程實(shí)踐中應(yīng)用的主要是強(qiáng)磁檢測(cè)，其主流機(jī)型為磁化與檢測(cè)系統(tǒng)分開的分離式檢測(cè)系統(tǒng)，如俄羅斯的INTROS磁性鋼絲繩檢測(cè)儀等。而弱磁檢測(cè)系統(tǒng)由于鋼絲繩的磁化強(qiáng)度低、永久磁鐵矯頑力小，實(shí)現(xiàn)了激磁系統(tǒng)與檢測(cè)裝置一體化的儀器設(shè)計(jì)，且檢測(cè)裝置質(zhì)量小、重量輕、攜帶方便；傳感器靈敏度高，允許傳感器與鋼絲繩表面有較大間隙，信號(hào)噪聲低。因此，弱磁檢測(cè)是鋼絲繩探傷領(lǐng)域的新技術(shù)之一［3］。

2 鋼絲繩鋼絲斷口處的漏磁場(chǎng)分布

鋼絲繩是由多股鋼絲繞制而成的，斷絲是鋼絲繩的主要缺陷。圖1顯示了鋼絲繩只有1根斷絲時(shí)的磁偶極子模型，利用磁場(chǎng)分布理論可以對(duì)斷口處漏磁場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算［4］。

圖1 鋼絲斷口的磁偶極子模型

假設(shè)斷口P1（－L，0）點(diǎn)和P2（L，0）點(diǎn)處分別具有點(diǎn)磁荷－Q和Q，根據(jù)磁荷分析理論和磁場(chǎng)矢量疊加原理，P（x，y）處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B應(yīng)等于磁荷－Q和＋Q在該點(diǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和。P點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度在x、y方向上的分量分別為：

式中，x為沿鋼絲繩軸向，y為沿鋼絲繩徑向。

設(shè)：鋼絲繩的鋼絲直徑為d，則：斷口距離為2L－d，斷口處的磁荷量Q可表示為：

式中，Bg為鋼絲繩中的磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）。

依據(jù)上述理論，利用matlab軟件編程，可計(jì)算出金屬絲斷口處的漏磁場(chǎng)分布如圖2（a）所示。其中，鋼絲直徑d為3 mm，斷口距離2L－d為4 mm。在弱磁磁化狀態(tài)下，鋼絲繩中的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bg≤ 10－4T。

圖2（b）是斷口處漏磁場(chǎng)的實(shí)測(cè)結(jié)果，x、y方向漏磁場(chǎng)分布規(guī)律與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，證明了在鋼絲斷口處漏磁場(chǎng)確實(shí)存在較明顯的變化，為鋼絲繩斷絲檢測(cè)提供了理論依據(jù)。

圖2 鋼絲斷口處x、y方向漏磁場(chǎng)的分布規(guī)律

3 基于弱磁場(chǎng)的檢測(cè)元件

鋼絲繩無損探傷常用的磁場(chǎng)檢測(cè)元件主要有感應(yīng)線圈和霍爾元件。感應(yīng)線圈的優(yōu)點(diǎn)是成本低、易實(shí)現(xiàn)，但是在檢測(cè)過程中對(duì)鋼絲繩運(yùn)行速度的穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求，而且精度較低，現(xiàn)已逐漸被淘汰?；魻栐膬?yōu)點(diǎn)是體積較小，可實(shí)現(xiàn)集成，在現(xiàn)有的國內(nèi)外鋼絲繩探傷儀中應(yīng)用比較廣泛［5］。

然而，由圖2的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，在弱磁磁化狀態(tài)下，φ3 mm鋼絲斷口處的漏磁場(chǎng)最大值為± 5×10－5T，而商用霍爾傳感器的靈敏度指標(biāo)≥10－4T［6］，霍爾元件的靈敏度小于漏磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，對(duì)于斷絲根數(shù)少、斷口長度小的鋼絲繩缺陷的有效檢出率欠佳。因此，選擇更靈敏的磁場(chǎng)檢測(cè)元件是實(shí)現(xiàn)弱磁探傷檢測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

MR01型磁阻式傳感器，是在航天領(lǐng)域深空探測(cè)所研制的高精度磁強(qiáng)計(jì)基礎(chǔ)上開發(fā)的一種磁場(chǎng)檢測(cè)元件，具有x、y、z三個(gè)方向的探頭，測(cè)量范圍為± 6.5×10－5T［7］。圖2（b）為使用該傳感器檢測(cè)到的斷絲處漏磁場(chǎng)分布，其波形清晰，幅值變化明顯。因此，本文將研究基于MR01型磁阻式傳感器的鋼絲繩缺欠弱磁檢測(cè)的系統(tǒng)。

4 激磁回路設(shè)計(jì)

鋼絲繩磁化器磁路的主要形式有單回路與多回路磁路，由于MR01型傳感器具有足夠高的靈敏度，首先設(shè)計(jì)了單激磁回路進(jìn)行弱磁探傷技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究［8］。

單激磁回路原理如圖3所示，主要包括：1、鋼絲繩；2、極靴；3、傳感器；4、銜鐵；5、永久磁鐵。主要參數(shù)包括鐵磁材料的磁性能，相關(guān)尺寸h1，h2，h4及傳感器安裝方式等。

圖3 單激磁回路示意圖

4.1 磁性材料的選擇

磁路系統(tǒng)中主要有兩種磁性材料，一是激磁源的永磁材料，二是用來改善磁路導(dǎo)磁狀態(tài)的軟磁材料。對(duì)于弱磁探傷，由于磁場(chǎng)強(qiáng)度不高，在實(shí)驗(yàn)研究中，首先選用普通的鐵氧體磁鐵或釹鐵硼磁鐵等對(duì)鋼絲繩進(jìn)行磁化。圖4為磁路中采用的普通磁鐵。

為了減小磁路中的磁阻，改變磁力線的分布，增大氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，選擇DT4工業(yè)純鐵作為勵(lì)磁回路中的軟磁材料。

圖4 永磁材料

4.2 磁路參數(shù)的確定

為了探討單激磁回路的基本參數(shù)，本文采用正交法設(shè)計(jì)了以研究傳感器到鋼絲繩表面距離h4，磁極間距L2及鐵磁材料的剩磁為主要指標(biāo)，以考核MR01型磁阻式傳感器的工作特性、斷絲信號(hào)的分辨率與幅值特性、缺陷信號(hào)的穩(wěn)定性與重復(fù)性等為目標(biāo)的正交實(shí)驗(yàn)表，表1為實(shí)驗(yàn)因素與水平。表中磁鐵的尺寸分別為：C1：24 mm×4 mm，C2：10 mm×10 mm×3 mm，C3：10 mm×10 mm× 1.5 mm，C4：20 mm×10 mm×1.5 mm。

表1 L16（45）正交表

由正交實(shí)驗(yàn)確定的單回路磁路系統(tǒng)基本參數(shù)見表2。

表2 磁路基本參數(shù)mm

按照上述參數(shù)所設(shè)計(jì)的弱磁檢測(cè)系統(tǒng)如圖5所示。其中：1是鋼絲繩；2是磁靴；3是傳感器；4是傳感器與鋼絲繩間距離（h4）的調(diào)制機(jī)構(gòu)，當(dāng)被測(cè)鋼絲繩直徑變化時(shí)，通過調(diào)整h4，使鋼絲繩與傳感器之間保持最佳距離，減少噪聲干擾；5是永久磁鐵；6是磁靴距離調(diào)整機(jī)構(gòu)，極靴內(nèi)側(cè)間距L2的調(diào)整是為了形成一段均勻磁化的區(qū)域，使得傳感器的輸出受外界干擾最小，有利于對(duì)鋼絲繩上的微小缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

圖5 磁路和檢測(cè)的一體化設(shè)計(jì)

由圖5可見，該磁路的顯著特點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于弱磁激勵(lì)，磁路系統(tǒng)質(zhì)量小，將傳感器與磁路集成在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了磁化與檢測(cè)的一體結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的輕型化設(shè)計(jì)，這是對(duì)傳統(tǒng)分體式鋼絲繩探傷檢測(cè)裝置的一大革新，也是弱磁探傷的最大特點(diǎn)之一。

5 單回路磁路系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證鋼絲繩弱磁探傷技術(shù)的可行性，采用圖5所示的磁路系統(tǒng)，在燕山大學(xué)機(jī)械電子工程河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。缺陷鋼絲繩的標(biāo)樣制作方法見文獻(xiàn)［9］。

5.1 小直徑鋼絲繩斷絲缺陷檢測(cè)實(shí)例

圖6 小直徑鋼絲繩斷絲檢測(cè)結(jié)果

圖6為φ8 mm鋼絲繩斷絲缺陷探傷實(shí)例，鋼絲直徑為φ0.5 mm，材料為高碳鋼。其斷絲缺陷如圖6（a），缺陷1、2為2根斷絲，缺陷3為3根斷絲。實(shí)驗(yàn)中采用的磁路參數(shù)為：磁極間距160 mm，傳感器距鋼絲繩表面8 mm。磁化器為N35釹鐵硼（C2）永久磁鐵。

圖6中，（b）、（c）為缺陷漏磁場(chǎng)沿鋼絲繩軸向x方向分布。其中，（b）為缺陷部位相對(duì)于檢測(cè)裝置往返運(yùn)動(dòng)1次所測(cè)得的缺陷波形，即1-2-3為正行程，3-2-1為返回狀態(tài)。由圖可見，正返行程波形基本一致，由于返行程速度大于正行程的速度，3-2-1的波形比1-2-3的波形歷時(shí)較短。（c）為3號(hào)缺陷反復(fù)6次通過檢測(cè)系統(tǒng)后的實(shí)測(cè)波形曲線，曲線的幅值基本一致。且（b）與（c）幅值的絕對(duì)值基本一致，對(duì)其零線位置的波動(dòng)，可通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)解決。

由實(shí)測(cè)波形可見，MR01傳感器與磁路參數(shù)配置具有較好的協(xié)調(diào)性，缺陷處波形清晰，幅值明顯，重復(fù)性好，為信號(hào)后處理提供了良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5.2 大直徑鋼絲繩斷絲缺陷檢測(cè)實(shí)例

實(shí)驗(yàn)中采用的大直徑鋼絲繩如圖7所示，鋼絲繩直徑為φ30 mm，其型號(hào)為6X19S＋SF，外層股鋼絲為φ3 mm，其缺陷形態(tài)如圖7中的（a）、（b）、（c）所示。其中（a）為2根斷絲，（b）為3根斷絲，且斷絲距離極端，（c）為1根斷絲。其磁路參數(shù)為：磁極間距200 mm，傳感器距鋼絲繩表面10 mm，永久磁鐵為C4。

圖7 鋼絲繩斷絲缺陷形態(tài)圖

圖8為缺陷處軸向漏磁場(chǎng)分布，其中（a）為傳感器依次通過圖7中a、b、c三處缺陷的實(shí)測(cè)波形，（b）為傳感器對(duì)b、c缺陷往復(fù)一次的采樣結(jié)果。

由圖8可見，傳感器對(duì)缺陷響應(yīng)十分明顯，波形幅值與斷口形態(tài)、斷絲數(shù)量對(duì)應(yīng)。即斷絲數(shù)量增加，波形幅值增大。在鋼絲繩勻速運(yùn)動(dòng)前提下，波形斷口寬，信號(hào)波形的時(shí)間歷程就長。因此，通過缺陷波形分析，可實(shí)現(xiàn)鋼絲繩斷絲缺陷的量化，為精確預(yù)報(bào)鋼絲繩斷絲狀態(tài)提供可靠的依據(jù)。

依據(jù)鋼絲繩報(bào)廢準(zhǔn)則GB 5972－86［10］，對(duì)于規(guī)格為6X19S＋SF鋼絲繩，當(dāng)6倍于鋼絲繩直徑長度范圍內(nèi)斷絲根數(shù)達(dá)到5根，或10倍于鋼絲繩直徑長度范圍內(nèi)斷絲根數(shù)達(dá)到10根時(shí)，該鋼絲繩應(yīng)報(bào)廢，而本系統(tǒng)對(duì)于斷絲根數(shù)為1，斷口距離很短的缺陷能夠?qū)崿F(xiàn)有效的檢測(cè)。因此，基于MR01型磁阻式傳感器的磁路參數(shù)設(shè)計(jì)完全能滿足工業(yè)應(yīng)用要求。

5.3 剩磁探傷檢測(cè)實(shí)施案例

圖8 大直徑鋼絲繩斷絲缺陷實(shí)測(cè)波形

圖9為直接利用鋼絲繩剩磁進(jìn)行探傷檢測(cè)的實(shí)例。鋼絲繩直徑為φ25.4 mm，鋼絲直徑為φ2 mm，試件來自煤碼頭剛剛報(bào)廢的鋼絲繩。圖9（1）為鋼絲繩的斷絲形態(tài)，該缺陷屬于疲勞斷絲，其中1處有3根斷絲，且斷口長度為5 mm。2處為由于腐蝕引起的點(diǎn)狀斷絲，斷口長度極小。圖9（2）是基于鋼絲繩剩磁的實(shí)測(cè)缺陷波形，由圖可見，在未對(duì)鋼絲繩進(jìn)行磁化的情況下，實(shí)測(cè)波形真實(shí)地反應(yīng)了鋼絲繩缺陷形態(tài)，且波形清晰，分辨率高。

圖9 鋼絲繩的剩磁探傷實(shí)例

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證實(shí)，采用MR01型磁阻式傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)具有一定剩磁的鋼絲繩直接進(jìn)行探傷檢測(cè)，為鋼絲繩無損探傷提供了更簡(jiǎn)捷的方法。

6 結(jié) 論

（1）依據(jù)磁偶極子模型，分析了鋼絲繩斷絲情況下的漏磁強(qiáng)度與漏磁分布規(guī)律；

（2）設(shè)計(jì)了基于弱磁檢測(cè)的鋼絲繩缺陷無損探傷系統(tǒng)，確定了傳感器的基本形式及靈敏度指標(biāo)，采用正交實(shí)驗(yàn)法，確定了磁路的基本參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了磁化與檢測(cè)的一體化設(shè)計(jì)，為簡(jiǎn)約化、輕量化的鋼絲繩探傷檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)；

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于弱磁的鋼絲繩缺陷無損探傷系統(tǒng)具有很高的靈敏度，可實(shí)現(xiàn)微小斷絲的有效檢測(cè)，對(duì)于鋼絲繩斷絲缺陷的早期發(fā)現(xiàn)具有重要意義；

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MR01型磁阻式傳感器不但可用于鋼絲繩的弱磁探傷，而且可實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的剩磁探傷，該傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中將具有良好的應(yīng)用前景。

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W ire Rope Inspection Technology Research Based on Weak Magnetic

SHIRong1， GUO Peng1， WANG Jin-dong2， WANG Lei1
（1.Parallel Robot and Mechatronic System Laboratory of Hebei Province，YanShan University，Qinhuangdao，
Hebei066004，China； 2.National Space Science Center CAS，Beijing 100190，China）

Based on magnetic charge analysis theory，the broken wire rope magnetic dipolemodel was established，and the calculation of the single fracture leakagemagnetic field in the distribution law.The excitation circuit parametersare experimentally studied through the orthogonal designmethod，the basic structure and basic parameters of theweakmagnetic magnetization system are determined，and the integration design of the magnetization and the detection is achieved.According to the leakagemagnetic field strength atwire rope defects in the case of weak magnetic incentives，the MR01 typemagnetoresistive sensor with high sensitivity is chosen.Themeasured curves of a variety of broken wires in form is also described.The experimental results show that the wire rope magnetic detection system based on the MR01 type magnetoresistive sensors is not only able to achieve the effective detection of the fracture in small size but also for the remanence detection.It is a valuable research for the development of the wire rope inspection technique.

Metrology；Wire rope flaw detection；Weak magnetic detection；Micromagnetic detection； Magnetoresistive sensor

TB972

A

1000-1158（2014）01-0078-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．01．16

2012-06-20；

2012-11-17

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目（2008AA12A206）

史榮（1949－），女，燕山大學(xué)機(jī)械學(xué)院教授，主要從事機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)研究。shingrong＠ysu.edu.cn