面向曳引鋼帶缺陷檢測的徑向磁化電磁傳感器仿真研究?

郭必奔邵 鵬鄭 波唐 波?

(1.中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州310018；2.杭州市特種設(shè)備檢測研究院，浙江 杭州310003)

曳引鋼帶具有曳引力高、柔韌性好和重量輕等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于各種運(yùn)輸、自動化工業(yè)、礦業(yè)、電梯等領(lǐng)域，而曳引鋼帶缺陷嚴(yán)重影響其承載能力。無損檢測是曳引鋼帶缺陷檢測的最佳手段，研究曳引鋼帶的缺陷檢測問題對于曳引鋼帶可靠運(yùn)行和維護(hù)具有十分重要的意義。

曳引鋼帶是在普通鋼絲繩的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型曳引構(gòu)件，因此一些鋼絲繩的無損檢測也可應(yīng)用于曳引鋼帶。目前，鋼絲繩無損檢測方法有電磁檢測法、超聲波檢測法、聲發(fā)射檢測法、射線檢測法及光學(xué)檢測法等[1－5]。國內(nèi)外研究者已對曳引鋼帶檢測開展了一些研究工作。Tomasz Koz?owski[6]采用高分辨率診斷系統(tǒng)(High Resolution Diagnostic System，HRDS)對鋼絲繩輸送帶進(jìn)行磁性測試，初步結(jié)果表明，可以使用統(tǒng)計方法對長度、時間的相對伸長率和偏斜角三個參數(shù)進(jìn)行分析，來實(shí)現(xiàn)對其接頭的技術(shù)條件進(jìn)行評估；李娟[7]針對鋼絲非均勻分布鋼帶提出一種非對稱鋼絲間隙傳感器；熊亮[8]采用漏磁與射線數(shù)字實(shí)時成像檢測技術(shù)對鋼芯鋁絞線進(jìn)行檢測；朱雪麗等人[9]通過巴克豪森噪聲技術(shù)對內(nèi)部鋼絲繩的殘余應(yīng)力與疲勞狀況進(jìn)行檢測，為鋼帶使用壽命預(yù)測提供可靠的依據(jù)；段孝派等人[10]提出了一種同面八電極電容傳感器主要用來檢測電梯曳引鋼帶表面磨損情況；周德強(qiáng)等人[11]基于導(dǎo)電材料的應(yīng)力與其導(dǎo)電率的相關(guān)性，采用脈沖渦流檢測方法評估殘余應(yīng)力對零件造成的疲勞、斷裂缺陷。上述學(xué)者主要針對曳引鋼帶的接頭處、殘余應(yīng)力和表面磨損進(jìn)行檢測。

本文針對曳引鋼帶缺陷檢測需求，借鑒導(dǎo)磁材料的磁通聚集特性，提出一種徑向磁化電磁傳感器，研究徑向磁化電磁傳感器電磁響應(yīng)特性影響因素以及其與缺陷程度的關(guān)系，為曳引鋼帶缺陷檢測提供思路和解決方案。

1 徑向磁化電磁傳感器分析

1.1 徑向磁化原理

由于曳引鋼帶鋼絲繩具有鐵磁特性，可采用如圖1所示的曳引鋼帶徑向磁化檢測原理。該檢測方法的原理是線圈或永磁體產(chǎn)生磁場，通過高導(dǎo)磁材料進(jìn)行聚磁，使得磁通徑向通過曳引鋼帶，當(dāng)曳引鋼帶產(chǎn)生缺陷時，缺陷處從導(dǎo)磁材料變成空氣，將增加磁路的磁阻，因此磁路的磁通將減小，通過敏感元件對該磁路的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測量，可根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度對缺陷程度進(jìn)行估計。

圖1 徑向磁化原理

1.2 徑向磁化電磁傳感器分析

針對曳引鋼帶由聚氨酯包裹多股鋼絲繩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于徑向磁化原理提出了如圖2所示的徑向磁化電磁傳感器，其主要包括激勵源線圈、導(dǎo)磁磁軛、聚磁鐵芯和霍爾傳感器。曳引鋼帶位于徑向電磁傳感器的氣隙區(qū)域中，聚磁鐵芯及霍爾傳感器分別位于曳引鋼帶鋼絲繩正上方且霍爾傳感器與曳引鋼帶上表面保持一定間隙，由激勵源線圈產(chǎn)生的磁動勢通過導(dǎo)磁磁軛和聚磁鐵芯引導(dǎo)到曳引鋼帶所在氣隙并形成閉合磁回路，利用霍爾傳感器對該磁路的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測量[12－13]。由圖2的徑向磁化傳感器的磁通路徑可知:線圈安匝數(shù)決定磁路的磁動勢，聚磁鐵芯的寬度直接影響聚磁效果，從而對霍爾傳感器測量處的磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生影響[14]。當(dāng)徑向磁化電磁傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的情況下，霍爾傳感器測量處的磁感應(yīng)強(qiáng)度只與曳引鋼帶缺陷程度有關(guān)。

圖2 徑向磁化電磁傳感器

2 仿真模型建立

有限元法能對復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和非線性材料特性進(jìn)行研究分析，因此選用COMSOL有限元仿真軟件對徑向磁化電磁傳感器進(jìn)行三維建模和仿真分析[15]。

2.1 參數(shù)化建模

在COMSOL軟件中，物理場選擇AC/DC模塊中的磁場，在該物理場下添加多匝線圈邊界條件，確定其匝數(shù)和電流，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)研究。建立徑向磁化電磁傳感器的三維等效模型如圖3所示，模型由曳引鋼帶、導(dǎo)磁磁軛、聚磁鐵芯和激勵源線圈組成。采用球體無限元域模擬無邊界域，對該模型進(jìn)行開放邊界電磁仿真，各個域的幾何參數(shù)如表1所示。鋼絲繩采用具有高磁導(dǎo)率的Steel 1008，而由于聚氨酯為順磁材料，其磁導(dǎo)率接近1，采用空氣來代替。導(dǎo)磁磁軛和聚磁鐵芯常用的材料為Soft Iron，Soft Iron和Steel 1008的B－H曲線如圖4所示。

圖3 徑向磁化電磁傳感器等效模型

表1 模型幾何參數(shù)

圖4 材料B－H曲線

依據(jù)霍爾傳感器實(shí)際厚度在1.5 mm到2 mm，假設(shè)其實(shí)際測量位置為霍爾傳感器的中心位置，因此將測量點(diǎn)設(shè)置在離聚磁鐵芯正下方1 mm處，并且從左到右依次為測量點(diǎn)1到測量點(diǎn)4。

遵守單一變量的原則下，分別改變聚磁鐵芯寬度、激勵源線圈的安匝數(shù)和曳引鋼帶內(nèi)部鋼絲形狀等參數(shù)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)研究。通過一維繪圖組中的線圖和點(diǎn)圖后處理方法獲取測量處磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，而三維繪圖組中可以產(chǎn)生磁通密度模及磁力線分布圖，如圖5所示。

圖5 磁通密度模及磁力線分布

2.2 網(wǎng)格劃分

傳統(tǒng)建模的網(wǎng)格劃分只是對整個模型進(jìn)行用戶控制網(wǎng)格劃分，并沒有精確到各個域[16]。該模型對測量處的精度要求較高，因此對測量處建立一個長方體域并采用最大單元尺寸為0.05 mm的自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，使用掃掠網(wǎng)格完成無限元域的剖分。對精度要求不太高的其他域采用最大單元尺寸為0.6 mm的自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其結(jié)果如圖6所示，這樣即保證了計算的精度，又降低了計算量。

圖6 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 聚磁鐵芯寬度對測量位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

如圖3所示，聚磁鐵芯處的標(biāo)識為其寬度，聚磁鐵芯寬度的不同，會影響其聚磁效果，因此影響了其下方測量處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。為了探究聚磁鐵芯寬度的變化對測量處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，保持安匝數(shù)不變的情況下，設(shè)計了4組寬度不同的聚磁鐵芯，其尺寸參數(shù)見表2。

表2 不同聚磁鐵芯寬度參數(shù)

如圖7所示，不同聚磁鐵芯寬度下，測量處的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化情況，聚磁鐵芯寬度從0 mm到1 mm時，即從無聚磁鐵芯到有聚磁鐵芯，可以看出整體磁感應(yīng)強(qiáng)度有明顯的增加且磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯高于其兩側(cè)，說明聚磁鐵芯的聚磁作用可以增強(qiáng)測量處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。但是隨著寬度的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度有略微的下降，因為寬度增加導(dǎo)致漏磁增加，聚磁減弱，磁感應(yīng)強(qiáng)度下降。所以聚磁鐵芯寬度為1 mm時，其聚磁效果最佳。

圖7 不同聚磁鐵芯寬度的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨測量位置變化

3.2 安匝數(shù)對測量位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

由于導(dǎo)磁性材料的磁導(dǎo)率會隨著磁場強(qiáng)度的增加而減小，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度接近飽和時，繼續(xù)增加安匝數(shù)會造成資源的浪費(fèi)。為了選取合適的安匝數(shù)，在聚磁鐵芯寬度確定的情況下，設(shè)計了4組不同安匝數(shù)，分析其與測量處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。具體電流大小和匝數(shù)參數(shù)見表3。

表3 各磁動勢對應(yīng)電流和匝數(shù)值

如圖8所示，測量位置整體的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著磁動勢的增加而增加，整體的分布不變。但是其增加趨勢隨著安匝數(shù)的增加而減小，在1 000 AT后，磁感應(yīng)強(qiáng)度接近飽和。因此在選取線圈匝數(shù)和電流大小時，不僅需考慮線圈繞制的空間大小和線圈規(guī)定的最大電流，還需要考慮磁感應(yīng)強(qiáng)度的飽和[17]。

圖8 不同磁動勢的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨測量位置變化

3.3 缺陷程度與測量位置磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

借助傳感器主要是建立確定的輸入輸出關(guān)系，即確定缺陷程度與測量處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。曳引鋼帶在使用過程中主要產(chǎn)生斷絲、磨損兩種缺陷，嚴(yán)重影響曳引鋼帶的承載能力。因此針對上述兩種缺陷，分別設(shè)計了五種程度的缺陷，研究其與測量點(diǎn)2的磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。

圖9 和圖10分別為五種不同程度的斷絲和磨損缺陷示意圖，斷絲缺陷主要導(dǎo)致內(nèi)部鋼絲繩缺陷處的局部截面積減小，磨損缺陷主要會使內(nèi)部鋼絲繩直徑的減小。

圖9 斷絲缺陷程度示意

圖10 磨損缺陷程度示意

兩種缺陷的缺陷程度與測量點(diǎn)2的磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖11所示，測量點(diǎn)2的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著缺陷程度的增加而下降。如圖12和圖13所示，由于曳引鋼帶內(nèi)部鋼絲繩是鐵磁性材料，其材料磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣，在磁場中起到聚磁的作用，當(dāng)沒有缺陷時，磁路中磁通量通過時能將周圍的磁力線聚集起來，從而使得測量處氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大；而當(dāng)缺陷程度為100%時，即缺陷所在位置的磁導(dǎo)率接近于空氣，起不到聚磁的作用，因此測量點(diǎn)處氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度沒有得到增強(qiáng)。可見，缺陷程度影響測量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在實(shí)際檢測中，可通過霍爾傳感器提取測量點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化情況，可根據(jù)信號幅值對缺陷程度進(jìn)行估計。

圖11 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨缺陷程度的變化關(guān)系

圖12 缺陷程度0%時,空氣域的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖13 缺陷程度100%時,空氣域的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

4 實(shí)驗驗證

通過實(shí)驗與仿真的比較，驗證仿真參數(shù)設(shè)置是否與實(shí)際情況一致，證明以上仿真的有效性。如圖14 所示，整個徑向磁化電磁傳感器的仿真參數(shù)驗證實(shí)驗裝置由四部分構(gòu)成，其包括徑向磁化電磁傳感器、曳引鋼帶、高斯計、恒流源?？紤]導(dǎo)磁磁軛線圈繞制處的空間大小，選取了線圈匝數(shù)為47。如圖15所示，圖中實(shí)線表示曳引鋼帶內(nèi)部鋼絲繩，從左到右分別為無鋼帶、無缺陷鋼帶和有缺陷鋼帶三種實(shí)驗情況。分別在上述三種實(shí)驗情況下調(diào)節(jié)恒流源來改變激勵源線圈的電流大小，使用高斯計對測量點(diǎn)2的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測量。通過比較仿真與實(shí)驗測得測量點(diǎn)2的磁感應(yīng)強(qiáng)度與激勵電流的關(guān)系，來分別驗證徑向磁化電磁傳感器、曳引鋼帶和缺陷的仿真模型參數(shù)與真實(shí)情況的一致性。

圖14 實(shí)驗裝置

圖15 實(shí)驗示意

如圖16所示，在無缺陷曳引鋼帶的情況下，測量值與仿真值偏差較大，并且偏差量隨著電流的增大而增大，其最大相對誤差為7.8%，主要是實(shí)際曳引鋼帶內(nèi)部鋼絲繩的材料和尺寸與仿真參數(shù)存在略微偏差引起。

圖16 不同情況下,磁感應(yīng)強(qiáng)度與激勵電流的關(guān)系

5 結(jié)論

本文對面向曳引鋼帶缺陷檢測的徑向電磁傳感器電磁響應(yīng)特性進(jìn)行了研究，通過對電磁傳感器進(jìn)行理論建模、有限元仿真和實(shí)驗測試，得到如下結(jié)論:①在安匝數(shù)相同的情況下，聚磁鐵芯由于鐵磁性材料能起到聚磁作用，而其寬度將影響其效果，寬度為1 mm的聚磁鐵芯具有最佳的聚磁效果；②在一定范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著安匝數(shù)增加而增加，安匝數(shù)超過1 000 AT后，鐵磁性材料趨于飽和，磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加開始趨于平緩；③曳引鋼帶內(nèi)部鋼絲繩在磁場中起到聚磁的作用，缺陷使其聚磁的作用減弱而對測量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。測量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著缺陷程度的增加而減小，因此可根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度對缺陷程度進(jìn)行估計。

通過實(shí)驗對仿真的有效性進(jìn)行驗證，實(shí)驗結(jié)果表明，測量值與仿真值的最大相對誤差為7.8%。仿真研究能為徑向磁化電磁傳感器制備和性能優(yōu)化提供理論參考。