ACSM鋼絲繩損傷診斷關鍵技術研究*

林彥宏 ， 高聯(lián)學 ， 劉子碩

（濱州學院電氣工程學院，山東 濱州 256600）

0 緒論

當前，我國市場經(jīng)濟發(fā)展迅速，各行各業(yè)中使用鋼絲繩的現(xiàn)象越來越普遍，因此，鋼絲繩的安全性能就越來越受到人們的高度重視。然而，鋼絲繩在工作過程中，容易受到多種不確定載荷和惡劣環(huán)境因素的影響，導致鋼絲繩強度與疲勞壽命等受到影響，鋼絲繩斷裂、磨損、腐蝕等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。由于鋼絲繩工作條件復雜、鋼絲繩類型與損傷形式多樣，造成的繩損傷也多種多樣，現(xiàn)有的鋼絲繩檢測儀難以完全解決此類問題。如此，尋求新的智能高效的鋼絲繩斷絲損傷診斷技術和儀器，已成為目前亟待解決的問題。課題組主要基于交變電磁場應力檢測信息技術（簡稱ACSM）設計了鋼絲繩斷絲損傷檢測管理系統(tǒng)，重點發(fā)展研究了交變電磁場應力檢測、基于交變電磁場應力檢測分析鋼絲繩磁疇與應力的相互影響；采用基于相關理論基礎知識的定量風險識別處理方法，研究并設計了鋼絲繩斷絲損傷定量識別網(wǎng)絡系統(tǒng)[1]。

目前，對于鋼絲繩安全狀況的磁場檢測法主要進行兩方面檢測：一方面，通過檢測鋼絲繩損傷引起的漏磁場識別鋼絲繩的損傷量；另一方面，根據(jù)檢測鋼絲繩磨損導致截面積損傷引起的磁通變化，識別鋼絲繩截面積減小損傷量。國內(nèi)磁場檢測的主要研究成果有以下四類：磁粉檢測、金屬磁記憶檢測、渦流檢測、脈沖檢測[2-3]。磁粉檢測是以磁粉作為顯示介質(zhì)對鐵磁體材料缺陷進行觀察的方法，對磁化后的鐵磁體材料件進行檢測，如果材料表面存在裂紋，裂紋附近就會存在漏磁場，漏磁場會產(chǎn)生磁極，磁粉受磁極的影響沿裂紋曲線分布。在合適的光照下，憑借肉眼可以觀察到磁痕，從而確定材料裂紋位置與損傷情況。國內(nèi)金屬磁記憶法檢測研究的興起則可以追溯到1999年，金屬磁記憶法檢測是通過鐵磁性材料表面存在應力集中，集中位置形成磁疇釘扎點，此磁疇釘扎點附近磁場與外磁場的大小、方向皆不同。即便去除外磁場，磁疇釘扎點附近的局部磁場也不會消失。依據(jù)檢測材料表面局部磁場位置和大小，確定其應力集中程度及位置。渦流檢測和脈沖檢測原理相同，區(qū)別僅在于勵磁電流形式。當勵磁線圈產(chǎn)生磁場，磁場被封閉在被測試件形成的磁回路中。若被測試件表面有裂紋，會在裂紋處產(chǎn)生漏磁場，從而減小整個回路中的磁場強度。通過感應線圈檢測漏磁場的變化，得到試件的損傷程度大小。

ACSM技術的原理是交變電流產(chǎn)生交變磁場，交變磁場在金屬繩中感應出均勻交變電流，此交變電流的產(chǎn)生會影響感應磁場。當工件受到外界因素作用力時，工件的磁疇改變，磁導率改變，電導率也變化。因此，測得的感應磁場作用強度隨著其與外界相互作用力的改變，而發(fā)生相應的變化。由于企業(yè)主要將該技術應用于鋼絲繩，進行無損檢測時可以同時建立一個清晰的數(shù)學學習模型，使得它可以與中國許多先進的其他信息技術相融合，實現(xiàn)更優(yōu)檢測的功能[4-6]。為了研究鋼絲繩損傷診斷的關鍵技術，本課題組以交變電磁場為基礎，研究鋼絲繩鐵磁性材料的磁疇應力檢測，探討了鐵磁性材料與應力的關系，同時設計了基于外部激勵磁場的應力檢測系統(tǒng)，以此來檢測鋼絲繩的應力分布。

1 交變電磁場應力檢測理論基礎

一般來說，物質(zhì)放在不均勻的磁場中會受到磁力的作用，這稱為物質(zhì)的磁性。根據(jù)各類物質(zhì)的磁化難易程度，將物質(zhì)大致分為以下五類：抗磁性物質(zhì)、順磁性物質(zhì)、鐵磁性物質(zhì)、反鐵磁性物質(zhì)和亞鐵磁性物質(zhì)。而普通鋼絲繩的金屬組成材料大部分屬于鐵磁性物質(zhì)，所以鐵磁性物質(zhì)便成為本次研究交變電磁場應力的主要方向。

鐵磁材料的磁化率是正的，因為磁矩排列在同一方向，鐵磁材料很容易被磁化。鐵磁性材料可以分為金屬鐵磁性材料和非金屬鐵磁性材料。金屬鐵磁性材料主要是以鐵、鈷、鎳三種金屬為基礎，再加入其他元素，通過高溫冶煉、機械加工而制成。由于這類鐵磁性物質(zhì)在高溫、低頻、大功率等條件下能夠穩(wěn)定地輸出工作，因而被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)和生活中。因此，探究組成鋼絲繩的鐵磁性物質(zhì)特性，展開鐵磁性物質(zhì)基于交變電磁場應力檢測研究，應屬于討論的重點方向[7-8]。

1.1 磁疇及磁疇壁

組成鋼絲繩的鐵磁體材料在自發(fā)磁化的過程中，為降低靜磁能而產(chǎn)生分化的方向各異的小型磁化區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，鋼絲繩會分化成不同方向的小磁化區(qū)。這些小區(qū)域稱為磁疇。每個磁疇都由大量原子組成，每個原子內(nèi)的磁矩都排列得十分整齊。但哪怕在相鄰的磁疇區(qū)域之間，這兩個磁疇內(nèi)原子磁矩的方向仍然有很大程度的不同。磁疇與磁疇之間的交界面區(qū)域稱為磁疇壁，疇壁具有厚度。施加外部激勵磁場后，磁疇的磁化方向也隨之發(fā)生改變。鋼絲繩中各磁疇的自發(fā)磁化方向雖然清楚，但具有一定的磁性。在外部激勵磁場的影響下，磁疇的磁化方向會因此發(fā)生變化，同時凈磁矩與磁化矢量也會增高至飽和，此時磁疇中磁場強度和磁疇的體積都發(fā)生改變，宏觀上便表現(xiàn)出鐵磁性材料的磁性。各類鐵磁性物質(zhì)磁性截然不同，影響因素有很多種。其中磁疇的形狀尺寸、磁疇壁的類型與其厚度被合稱為磁疇結(jié)構(gòu)。同一種鐵磁性材料，如果磁疇的結(jié)構(gòu)不同，則其磁化行為和程度也大不相同，所以磁疇結(jié)構(gòu)的不同是鐵磁性物質(zhì)磁性截然不同的原因之一。

鐵磁性物質(zhì)自發(fā)磁化的根源是原子磁矩，而在原子磁矩中起主要作用的是電子自旋磁矩。與原子順磁性一樣，在原子的電子殼層中存在沒有被電子填滿的狀態(tài)是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件。因此鐵磁性材料不受外磁場磁化時，整體鐵磁性不明顯。然而，施加一個外加激勵磁場時，那些自發(fā)磁化方向和外磁場方向成小角度的磁疇，其體積隨著外加激勵磁場的增大而擴大并使自發(fā)磁化方向與外加激勵磁場的角度擴大，磁疇的磁化方向進一步轉(zhuǎn)向外磁場方向，同時磁疇體積也增加。然而，磁疇的自發(fā)磁化方向與外加磁場方向成很大的角度。隨著外加激勵磁場的增大，那些自發(fā)磁化方向和外磁場方向成大角度的磁疇體積也逐漸減小。所有磁疇都沿外磁場排列達到飽和，單元磁矩排列整齊，鐵磁性材料磁化并具有宏觀磁性。

1.2 應力對磁疇的影響

當磁疇內(nèi)部存在應力影響時，磁體的各向異性能和磁彈性應力能將逐漸減小到最小值，從而影響自發(fā)磁化的分布。應力的不同和分布不均都將使鋼絲繩中磁彈性應力能發(fā)生改變，改變應力的同時也將改變其自發(fā)磁化的方向，從而在鋼絲繩中產(chǎn)生磁場。磁疇可以減小磁場的影響，但也會因此隨之發(fā)生改變。

當磁疇在可控且安全狀態(tài)下受到均勻應力檢測時，如果磁疇的磁彈性應力能大于磁晶各向異性能，磁彈性應力將會獨自決定自發(fā)磁化強度的方向；當磁疇的磁彈性應力能小于磁晶各向異性能且達到最低值時，磁疇壁與應力發(fā)展方向應呈現(xiàn)平行關系。由此可以得出，磁疇因為內(nèi)應力的存在，其內(nèi)部會自行發(fā)生應變，磁疇和磁疇壁也會因此改變，進而引起磁導率的改變。由上述分析可知，鋼絲繩繩絲的磁疇內(nèi)部存在應力的作用，會產(chǎn)生磁彈性應力能，磁化強度發(fā)展方向隨應力不斷發(fā)生變化，磁疇和磁疇壁也因此發(fā)生改變。

2 鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

該探傷裝置由斷絲檢測傳感器、信號預處理器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、等距脈沖編碼器組成。在檢測過程中，將普通鋼絲繩相對于檢測傳感器移動，信號預處理器將來自傳感器的鋼絲繩繩絲檢測信號進行放大和過濾，并將其發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換器；位移測量編碼器固定在傳感器上，將測得的數(shù)據(jù)等間隔編碼，脈沖信號以相等的間隔輸出。該裝置處理遵循安全規(guī)則，根據(jù)測試結(jié)果判斷應力對鋼絲繩損傷的診斷。

2.1 信號預處理

在應用霍爾元件設計時，由于霍爾元件受溫度影響特性和輸出電位的偏差，設計電路時要注意解決溫度補償和不相等電位補償?shù)膯栴}。因此，運用霍爾元件檢測時，環(huán)境溫度的變化可能會影響元件的阻值，從而使工作輸出的電流I發(fā)生變化，最終造成電源電勢V的不穩(wěn)定，可以采用流源補償?shù)难a償方法減小溫度的影響。當霍爾元件的內(nèi)阻隨溫度變化時，確保輸出電路R的變化是相對較小的。同時，不等位電源電勢V的補償，采用霍爾元件不等位電勢補償原理的電路來實現(xiàn)。

2.2 嵌入式處理器

本系統(tǒng)擬用ARM處理器Intel PCA架構(gòu)系列的StrongARM嵌入式微處理器。該嵌入式處理器以其體積小、速度快、功耗低的特點，外設接口豐富的高性能的16/32位雙指令集微處理器，常應用在掌上電腦PDA等嵌入式便攜設備中。

2.3 存儲器

本系統(tǒng)準備選用Intel公司的StrongARM芯片SA1110，其可以滿足便攜式、嵌入式應用的要求，作為32位StrongARM RISC處理器，其最高運行速度可達206 MHz；其內(nèi)部有強大的指令操作能力、高速緩沖能力、寄存器管理能力、讀寫緩沖器能力。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換器

選用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器將檢測到的模擬量信號輸出成ARM處理器能接收的數(shù)字量信號，使用普通RAM作為其緩沖器，積分器的輸出將取其平均值，從而起到了濾波的作用。雖然實驗時間長，但是抗干擾能力強，實驗結(jié)果可靠。

2.5 LCD顯示器

在電場的作用下，利用液晶分子的排列方向發(fā)生變化，使外光源透光率改變，完成電—光變換，再利用R、G、B三基色信號的不同激勵，通過紅、綠、藍三基色濾光膜，達到使人機互動環(huán)節(jié)簡潔明了，同時實時顯示鋼絲繩的受損情況分析等。

2.6 報警器

報警電路使用常見的LED燈和一個大功率壓電蜂鳴器，其作用是告訴測試者測試的鋼絲繩在某一處的損傷程度比標準范圍的損傷程度大，以幫助用戶了解鋼絲繩在該條件下的損傷程度。

2.7 等距脈沖編碼器

等距脈沖編碼器可以把模擬量信號變成脈沖信號，對鋼絲繩的損傷程度測試數(shù)據(jù)進行采集，同時不受鋼絲繩轉(zhuǎn)速的影響，保證了實驗測量結(jié)果的準確性。

3 結(jié)語

本研究引入定頻外加交變電磁場激勵源，重點發(fā)展探索了有源激勵下應力作用導致的鋼絲繩電磁特性發(fā)生變化影響規(guī)律，探究在外加電磁場激勵下，應力響應時間信號主要分布規(guī)律，設計并開發(fā)企業(yè)基于鋼絲繩檢測技術系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)與功能，開展鋼絲繩應力檢測學生實驗教學研究，實現(xiàn)了鋼絲繩應力分布情況檢測。