基于漏磁檢測的鋼絲繩探傷原理與方法研究

田 劼，王洋洋，郭紅飛，趙彩躍

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

鋼絲繩因為其具有優(yōu)越的撓性和承載能力，被廣泛的應(yīng)用在客貨運索道、電梯、橋梁、煤礦等領(lǐng)域中。由于鋼絲繩使用的環(huán)境較為惡劣、工作時間長、以及不確定性交變載荷等因素，使其在使用過程中出現(xiàn)銹蝕、磨損、斷絲等多種類型的損傷，這些損傷日積月累就會使鋼絲繩的強度降低，甚至有發(fā)生斷裂的可能，輕則會影響生產(chǎn)，重則會發(fā)生安全事故，威脅到鋼絲繩使用現(xiàn)場的人身財產(chǎn)安全[1，2]。

近幾年由于鋼絲繩斷裂造成人員傷亡的事故時有發(fā)生，有多個礦井的礦井提升系統(tǒng)[3]出現(xiàn)跑車、過卷和斷繩事故，其中由于鋼絲繩斷繩所引發(fā)的事故就占29.6%[4]。因此如何能夠?qū)︿摻z繩各種損傷進(jìn)行準(zhǔn)確高效的無損檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果分析和評估其損傷情況以及剩余使用壽命，就成了急需解決的問題。

目前，常用的無損檢測方法是電磁檢測法，其中各界學(xué)者研究最多且應(yīng)用最廣泛的是漏磁檢測法，即使用磁敏元件通過測量缺陷處鋼絲繩周圍的漏磁場來判斷損傷類型和損傷程度。鋼絲繩探傷儀主要的存在問題是檢測準(zhǔn)確度不高[5，6]，容易誤判，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確檢測鋼絲繩是否存在損傷，這也阻礙了其在鋼絲繩使用場景中的實際應(yīng)用。檢測漏磁信號的霍爾元件、傳感器的提離值、檢測電路對信號的放大濾波對探傷儀能否準(zhǔn)確檢測損傷有著至關(guān)重要的影響。

本文用Ansoft Maxwell對鋼絲繩的磁化以及缺陷處的漏磁場情況，進(jìn)行有限元仿真分析，確定了磁敏元件的徑向和軸向布置方式，以及提離值的選擇；設(shè)計了一個鋼絲繩固定裝置；通過理論計算選擇了T型放大電路。最后制作探傷儀，搭建實驗平臺，并進(jìn)行了實驗，以驗證設(shè)計的可行性和準(zhǔn)確性。

1 漏磁檢測原理

目前國內(nèi)外公認(rèn)最有效且研究最多的鋼絲繩無損檢測[7]方法為漏磁檢測法，漏磁檢測的基本原理是，用勵磁裝置將被檢測的鋼絲繩沿其軸向磁化，當(dāng)鋼絲繩存在缺陷時，由于缺陷處的磁導(dǎo)率降低導(dǎo)致磁阻增加，缺陷處就會產(chǎn)生泄露于鋼絲繩外表面以外的漏磁場[8，9]。檢測原理如圖1所示。

最常用的磁化鋼絲繩勵磁方式有三種，分別是直流勵磁、交流勵磁和永磁體勵磁[10]。三種勵磁方式的優(yōu)缺點對比見表1。

由表1不難看出永磁體，尤其是稀土永磁體，具有矯頑力大、磁能積高、剩磁高、不需要電源，而且以永磁體作為磁源的漏磁檢測裝置具有體積小、靈活、重量輕便于攜帶等優(yōu)點，所以本實驗采用稀土永磁體作為勵磁裝置，選擇型號為N35的釹鐵硼永磁體。

表1 勵磁方式對比

2 探傷儀設(shè)計

2.1 傳感器的選擇和排列方式

磁敏感元件用于拾取缺陷處的漏磁場，將漏磁信號轉(zhuǎn)換為便于觀測和處理的電信號。磁敏感元件種類繁多，應(yīng)用于鋼絲繩無損檢測的傳感器有霍爾元件、感應(yīng)線圈、磁通門傳感器、隧道磁阻傳感器(TMR)[11]等，其中霍爾元件的優(yōu)點比較明顯，其體積小，易于集成化，不受檢測速度的影響，且檢測到的漏磁信號與輸出的電壓成線性關(guān)系，便于后期的定量分析；有著比霍爾元件更高靈敏度的TMR傳感器，因其檢測范圍較小，且價格昂貴，所以選擇型號為THS119的線性霍爾元件作為本實驗的傳感器。

霍爾元件在探傷儀中的軸向和徑向位置對檢測結(jié)果有著較大的影響，為使檢測結(jié)果準(zhǔn)確，所以采用多回路勵磁方式[12，13]，對漏磁檢測的磁場分布情況進(jìn)行有限元仿真分析，用SolidWorks對探傷儀以及鋼絲繩建模，在Maxwell中進(jìn)行磁場仿真，仿真的結(jié)果如圖2所示。

圖2 漏磁檢測原理仿真

通過仿真可知，鋼絲繩中部的磁場較小且平滑，無損時磁場大小為40mT，當(dāng)鋼絲繩存在損傷時，磁場大小為240.5mT，易于檢測磁場變化，所以將霍爾元件放置在探傷儀軸向的中部位置最合適[14]。

鋼絲繩周向的任一位置都有可能出現(xiàn)缺陷，而霍爾元件的檢測范圍有限，為完整覆蓋鋼絲繩周向，使檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，需沿鋼絲繩周向用多個霍爾元件排列組成一個檢測圓環(huán)，避免漏檢。假如霍爾元件的周向檢測范圍為L，檢測直徑大小為D，則需要布置的霍爾元件數(shù)量為：

本文選用的THS119的霍爾元件檢測幅度約為20mm檢測直徑為50mm，根據(jù)式(1)可得N=8，如果直接布置八塊霍爾元件組成檢測圓環(huán)，不僅安裝起來繁瑣不易操作，且使后續(xù)的電路和信號處理變得異常復(fù)雜，因此本文采用聚磁檢測原理來解決這個問題。聚磁檢測原理[15]是通過聚磁環(huán)將空間漏磁場進(jìn)行收集，然后將收集到的磁場均勻的導(dǎo)向各個檢測通路中，此方法可減少霍爾元件的使用，提高漏磁測量的靈敏度，本文采用兩個聚磁半環(huán)組成一個聚磁環(huán)，每個半環(huán)上都有兩個聚磁柱，每個聚磁柱對應(yīng)一個霍爾元件，霍爾元件的感應(yīng)面與鋼絲繩軸向垂直，四個霍爾元件均勻分布組成一個檢測環(huán)，如圖3所示。

圖3 聚磁環(huán)

2.2 傳感器的提離值

傳感器到被測物體的距離稱為提離值，本文的提離值指的是霍爾元件到被測鋼絲繩表面的距離。為選擇最佳的提離值，現(xiàn)對三種繩徑為18mm、28mm和40mm的鋼絲繩做同樣大小為長6mm寬5mm深3mm的缺陷，進(jìn)行仿真分析。

從仿真中結(jié)果中導(dǎo)出不同繩徑鋼絲繩，相同大小的缺陷，隨著提離值的變化磁場強度變化的數(shù)據(jù)，將三組數(shù)據(jù)做成一個折線圖，如圖4所示。

圖4 漏磁場變化曲線

根據(jù)圖5可以看出，隨著提離值的增大，漏磁場磁感應(yīng)強度呈指數(shù)減小，三種不同繩徑的鋼絲繩仿真有著相同的結(jié)果。

由于鋼絲繩運行過程中會產(chǎn)生震動，不僅會影響信號采集，增加漏磁信號中的噪聲，而且可能會損傷傳感器，造成探傷儀的損壞，所以制作了定位輪，不僅起到固定且減少鋼絲繩震動的作用，而且能使霍爾元件保持在最佳的檢測位置。提離值越小檢測到的損傷信號(電壓突變)越明顯，得到的檢測結(jié)果越好，但也要保持在一個安全的距離保證傳感器不會因鋼絲繩震動或者表面的細(xì)微變形而受損，所以提離值選擇為3mm。定位輪示意如圖5所示。

圖5 定位輪

2.3 信號處理電路

目前鋼絲繩無損探傷中，都還在使用傳統(tǒng)的放大電路，傳統(tǒng)的放大電路存在一定的誤差，存在誤差的主要原因是由于偏置電流Ip、失調(diào)電流Ii0、失調(diào)電壓Ui0以及溫度漂移帶來的誤差[16]，綜合這些誤差，可以用圖6所示的等效電路來表示。

圖6 誤差等效電路

下面分析Ip、Ii0和Ui0理論上對靜態(tài)誤差帶來的影響。差模輸入電壓Ud=0，由圖6得：

聯(lián)立式(1)和式(2)得：

式(4)最大為：

由式(5)可知，等效輸入漂移誤差為：

由式(6)可知，減小漂移誤差的主要方式是選用阻值小的電阻，但對于微弱信號電路，輸入電阻應(yīng)該比較大，這樣Rf就需要更大的電阻，而阻值高的電阻穩(wěn)定性差會產(chǎn)生漂移，圖7的T型反饋電路，可以較好的解決這一問題。T型反饋電路能夠使用小電阻來滿足增益放大的需求，同時也可以濾除部分高頻噪聲帶來的干擾，提升漏磁信號的檢測精度。

圖7 T型反饋放大電路

3 實驗驗證

根據(jù)前文的設(shè)計和分析，選用稀土永磁體釹鐵硼作為勵磁體，選擇霍爾元件作為信號拾取傳感器，T型反饋濾波放大電路作為信號處理電路，并據(jù)此制作了圖8探傷儀，搭建了實驗臺。實驗臺主要有臺架、電機、鋼絲繩、探傷儀、編碼器、信號采集裝置和電腦。

圖8 鋼絲繩探傷儀

選用一根直徑為28mm長15m的鋼絲繩，并在鋼絲繩上人為制作一處損傷，如圖9所示。

圖9 鋼絲繩

鋼絲繩以2m/s的速度運行，使用編碼器定位，用數(shù)據(jù)采集卡采集經(jīng)放大濾波電路處理后的信號，最后將采集到的的電壓信號繪制成圖10的波形圖并進(jìn)行分析。

圖10 采集到的電壓波形

從圖10可以看出，鋼絲繩檢測波形在35～70ms處出現(xiàn)一個電壓信號的突變，發(fā)生突變的位置即為當(dāng)鋼絲繩損傷經(jīng)過探傷儀時的損傷信號，電壓突變位置的峰值為35mV。無損傷時，電壓信號較為穩(wěn)定，約為0V。

實驗所用編碼器參數(shù)為2000P/R，通過計算可得損傷在鋼絲繩的0.1m處。

無損傷處的信號波形雖然較為穩(wěn)定，但包含有大量的背景噪聲，部分噪聲的峰值可達(dá)55mV，這無疑會影響鋼絲繩損傷在線檢測的準(zhǔn)確性，可能造成誤判。噪聲的主要來源為股波噪聲、電機的噪聲以及鋼絲繩震動等噪聲，通過低通濾波、集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EEMD)[17]等方法對采集到的電壓波形降噪處理后，能有效的消除背景噪聲，抑制噪聲污染并保持信號細(xì)節(jié)，提高信號的可分離性，為以后鋼絲繩損傷的定量分析打下基礎(chǔ)，圖11為不同的降噪方法的去噪結(jié)果。

圖11 不同方法的去噪結(jié)果

表2 不同方法的信噪比

通過圖11可以看出低通濾波加上集成經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的方法能顯著的降低信號中的噪聲，從表2也可以看出這幾種方法中低通濾波結(jié)合集成經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的信噪比也是最高的。

在鋼絲繩檢測信號中有圖12這樣一段波形，波形表現(xiàn)和鋼絲繩損傷處的波形表現(xiàn)類似，均為電壓出現(xiàn)突變，但此處的波形位置中間會出現(xiàn)一個凹陷，且波形持續(xù)時間較長，波峰最大值約為2.15V，根據(jù)編碼器定位可計算出，所在位置為鋼絲繩的9.82米處，如圖13所示，此處損傷所在位置為鋼絲繩兩頭連接處，是一處變形，雖然此處不屬于鋼絲繩上的損傷，但形變屬于截面積損傷，可以作為鋼絲繩截面積損傷的研究基礎(chǔ)，做進(jìn)一步的分析。

圖13 鋼絲繩接頭

實驗表明，設(shè)計的探傷儀可以準(zhǔn)確的檢測出鋼絲繩有損傷。

4 結(jié) 論

1)通過仿真，確定了霍爾元件在探傷儀中的排列位置，經(jīng)過仿真對比分析了提離值對檢測漏磁信號的影響，得出了霍爾元件的最佳提離值為3mm，設(shè)計了一個既能固定鋼絲繩減少鋼絲繩的震動，又能使霍爾元件保持在最佳提離值的機構(gòu)。

2)通過理論分析，分析了傳統(tǒng)放大電路存在的誤差，檢測電路長時間運行會產(chǎn)生溫漂，使得檢測信號存在誤差影響對損傷的判斷，使用T型反饋放大電路可減少這一誤差。

3)本文所提出的低通濾波結(jié)合集成經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法去噪效果顯著，能較好的保留原始信號。

4)設(shè)計了基于漏磁檢測原理的鋼絲繩探傷儀，模擬鋼絲繩實際運行狀態(tài)，可通過觀測采集到的電壓波形是否發(fā)生突變判斷鋼絲繩是否存在損傷，檢測信號中的持續(xù)時間較長的凹形波形突變處，是鋼絲繩兩頭連接處，可以看做是一處形變，屬于截面積損傷，可以以此為基礎(chǔ)對鋼絲繩的截面積損傷類型通過仿真分析結(jié)合實驗對比做進(jìn)一步的研究。