基于磁通门的钢缆损伤检测

2013-07-19张开拓张永华

实验室研究与探索 2013年4期

张开拓，张永华

(1.河南机电高等专科学校，河南新乡453003;2.郑州航天电子技术有限公司，河南驻马店46100)

0 引言

钢缆的主要组成是钢丝、股绳、衬芯等，这些组成元件间或多或少存在着相对运动。钢缆在生产、保管和使用过程中，随时可能受到各种各样的损伤，如碾压、弯曲、扭结、机械磨损、超载疲劳和锈蚀等［1］，使得钢缆容易出现以下现象:①断丝［2］。断丝是常见的现象，主要由于磨损和弯曲疲劳引起的。②磨损。磨损主要包括变形磨损、外部磨损和内部磨损。变形磨损是由于震动、碰撞造成的钢缆表面或局部磨损。外部磨损是钢缆与外部机械结构反复摩擦引起的;内部磨损是钢缆在经过卷筒或滑轮时，其所承受全部负荷集中在一侧，各根钢丝在内部产生滑移和相互作用力，增加了股与股之间的接触应力。当拉伸、弯曲反复循环时，则产生的应力集中使得内部钢丝折断。③锈蚀。锈蚀通常发生钢缆在内部，很难被发现。通常是由于缺乏润滑，由于水的侵蚀造成的［3］，其危害程度比磨损更为严重。在腐蚀环境中，缺乏润滑的钢缆极易被腐蚀，降低钢缆的灵活性和强度，存在于钢丝中的锈蚀微粒，阻止钢丝的相对运动，进一步加剧了磨损。④疲劳。钢缆反复通过滑轮或卷筒时，挠上挠下无数次的弯曲容易使钢缆产生疲劳，韧性下降，最终导致断丝。起重机在启动和制动的始末，钢缆在承受荷载的前后，变化的拉应力也会引起疲劳。钢丝绳经常受到扭曲和震动也是产生疲劳的原因。通常情况下，疲劳断丝的出现意味着钢缆已接近于使用后期。

具有良好的经验和判断力的检测技术人员可能发现显性损伤，但基本上无法捕捉和显现隐性损伤［4］，因为无法使用传统的检测方法对钢缆的损伤状况进行定量描述。因为缺少检测依据而提前报废钢缆造成的经济损失和钢缆的承载能力接近极限而引起的安全事故，存在于各个领域的运行钢缆之中。

根据钢缆在正常情况下和损伤时的导磁性能的不同，采用能够检测弱磁信号的磁通门技术制作的钢缆损伤检测传感器，可以解决传统检测方法无法做到的在线检测，并根据检测到的磁能信号进行分析，获得钢缆的内部损伤情况和损伤位置。

1 钢缆损伤对导磁性能的影响

从微观层次来看，将钢缆内部参与负荷的区域进一步细分为无限小，并称之为体积元。钢缆磁动势由剩磁磁能决定，并依托于体积元内参与机械负荷的铁磁性金属材料而分布。由于制造、存储、运输、安装、运行等历史过程对钢丝绳留下了未知的剩磁磁能，所以自然状态下的磁动势不能真实地反映体积元的材质特征，即材料究竟是正常还是有缺陷。

向铁磁性构件(钢缆)施加给定的励磁磁场强度，使所有载荷材料具有同等适度的低量级磁能，如果载荷材料沿钢丝绳轴向等量均匀，连续分布，则任意体积元的磁能也是等量均匀的，即沿钢丝绳所建的轴向磁场均匀而且连续，穿过任意体积元的磁通等量，而且磁通密度均匀。

如果发生退变的体积元，或者因拉伸塑性径缩、碾压/研磨/锈蚀性缺损(LMA)，或因疲劳裂隙、裂断等突变/间断(LF)，磁力线在这些退变的体积元中只能沿不规则的低能耗路径排布，磁通密度随之变化，磁能分布不均匀，使各体积元产生磁能势差异，如图1 所示。而且，这些退变的程度越严重，磁能势差异就越突出。

图1 各种缺陷的形态和对磁力线的影响

2 磁通门检测技术

磁通门现象是一种普遍存在的电磁感应现象，利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器［5-6］。具有分辨率高(最高可达10－11T)、测量弱磁场范围宽(在10－8T 以下)、体积小、质量轻、功耗低、经济性能好等优点，能够直接测量磁场的分量和适于在高速运动系统中使用［7-8］。

2.1 工作原理

磁通门主要是由铁芯及线圈组成，如图2 所示。铁芯的基本要求是磁导率高、矫顽力小。使用软磁材料做成铁芯，激励线圈沿两根铁芯对称顺绕，使用高频交流电流i1(t)供电［9-12］。激励线圈外面绕制感应线圈，通过检测感应线圈两端的感应电动势e2(t)来检测待测磁场。

图2 磁通门工作原理

假设激励电流i1(t)在两根铁芯中产生的磁场强度为H1，大小相等，方向相反［13］。当待测磁场强度为H0时，则两根铁芯分别处在磁场强度为H0+H1和H0－H1的环境中。如果两根铁芯的磁特性完全相同，则铁芯中产生的磁感应强度可表示为

此时，感应线圈两端的感应电动势为

式中:S 为铁芯的截面积;N2为感应线圈的匝数。

铁芯一般采用坡莫合金制作，其初始磁化特性曲线可使用下式进行近似的拟合计算:

式中，a、b 是和铁芯形状、材料有关的常数。将式(3)代入式(1)、(2)，并整理，可得:

因为外界磁场H0通常是不变的，因此，式(4)中的前两项为常数，不能在感应线圈两端产生感应电动势，式(2)可写成:

激励磁场H1可看成由两个相互独立的磁场叠加的结果，即:

式中，Hm1、Hm2、ω1和ω2分别是交变磁场的幅度和角频率。

ω2=0 时，式(6)可写成:

将式(7)代入式(5)，可得:

Hm2为周围的环境磁场，其强度可忽略，即Hm2≈0，则式(8)可写为:

说明e2(t)正比于被测磁场H0，且正比于交变磁场的角频率ω1，因此，激励线圈上的电源频率要尽可能的高，以增大感应线圈的输出电压［14］。同时，集肤效应限制了激励线圈上的电源频率不能无限制的增加。

2.2 灵敏度

以幅值E 表示被测环境磁场H0时的最大灵敏度

钼坡莫合金(MPP-60u)在弱磁场工作区的初始磁化曲线的拟合方程为

激励线圈的电源频率采用1 MHz，感应线圈面积S =0.25 cm2，匝数N2=600，代入式(10)，可得到最大灵敏度为

若钼坡莫合金工作的最大磁场强度Hm1= 10 A/m，则制作的磁通门传感器的最大灵敏度理论值(mV/nT)为

实际系统中，由于铁芯的漏磁和磁化曲线的非线性，传感器的灵敏度比理论值有所下降。采用高精度的放大器和A/D 转换器后，制作的传感器的线性工作区域为±100 μT，磁场强度大于100 μT 时，传感器已达到饱和，输出电压与磁场强度不再具有线性关系［15］。分辨率为1 nT，工作电流小于150 mA。

2.3 检测方法

使用强磁场对钢缆进行磁化，使各磁畴对外表现出宏观的磁场特性。然后，通过提取钢缆的全部载荷体积元磁能特征曲线，即可有效识别载荷材料因退变产生的磁能差异，并对比载荷材料的缺陷对磁能影响的变化曲线，分析内部损伤的位置、性质和数量，从而实现了无损条件下定位、定性和定量检测钢缆的内部损伤。

根据磁通门原理制作的钢缆内部磁能检测探头结构如图3 所示。在钼坡莫合金做成的软磁套筒上，缠绕激励线圈(500 匝)，并通以高频(1 MHz)电流，然后使用检测线圈检测出钢缆的磁能曲线，根据磁能曲线的幅度与形状，判断出钢缆内部的损伤状况。

图3 磁通门检测头结构

3 检测结果与分析

使用磁通门技术制作的钢缆损伤检测传感器，对钢缆磁能进行了检测。其中，完好的钢缆在正常状态下的磁能检测结果如图4 所示。从图中可以看出，曲线形状杂乱，这是高频励磁与周围的微弱磁场的叠加结果。

图4 磁通门的噪声(×1 000)

对钢缆断丝的某次检测结果如图5 所示。钢缆断丝信号的主要特点是:脉冲型信号、脉冲幅度及前后沿的梯度较大，根据此特征加上多次检测，一般都能准确无误地检测出钢缆的内部损伤状况。图5 中，比较尖锐的信号拐点共有9 个，其中1 ～7 为钢缆的7 处断丝信号。由于低频干扰，脉冲6 落在信号的波谷中。

图5 钢缆断丝检测测试波形

脉冲8 与断丝信号相似，其实它是由于抖动造成的干扰信号。通过多次测量，并比对测量结果可去除此种类型的干扰信号。脉冲9 是离散型噪声，通过统计平均方法可得到有效的抑制。

4 结语

磁通门传感器比较适合弱磁检测，具有分辨率高，便于小型化的特点［16］。因此，比较适合用于钢缆的检测。结合微型计算机和信号处理电路，将采样的磁能信号放大，并直观显示，可以做到钢缆的无损检测。实践证明，采用磁通门技术对钢缆损伤进行检测，减少了维护时间，节约了检测能源和成本，提高了设备的安全程度，具有重大的应用及推广意义。

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