金屬磁記憶的索道鋼絲繩無損檢測方法研究

孫劍 林偉國

（1.黃山學院，安徽黃山 245021；2.北京化工大學，北京 100029）

金屬磁記憶的索道鋼絲繩無損檢測方法研究

孫劍1林偉國2

（1.黃山學院，安徽黃山 245021；2.北京化工大學，北京 100029）

檢測系統由霍尼韋爾HMC1021傳感器、信號調理電路、單片機、4-20mA電流變送器、上位機構成。文章設計了新穎的檢測裝置結構，在軟件中自動置位——復位設計可消除傳感器上歷史磁場的影響，提高了傳感器的測量精度。實驗表明：金屬磁記憶檢測方法可以有效檢測鋼絲繩的損傷，對于防止事故發生具有重要的現實意義。

金屬磁記憶；鋼絲繩；無損檢測

1.引言

索道具備旅游、觀光、交通運輸功能，它以其地形適應能力強、運行安全、舒適快捷、經濟環保的優點，在山岳型風景旅游區發揮著十分重要的作用。鋼絲繩是索道承載和牽引的主要構件，一旦發生斷裂將導致災難性的設備與人身事故。因此，對鋼絲繩進行無損檢測，及時發現安全隱患是避免重大事故發生的有力手段。

目前鋼絲繩的無損檢測方法包括磁檢測、聲發射、電渦流、射線、光學及超聲波等方法，其中只有磁檢測法得到了實踐和推廣。磁檢測方法有磁通門檢測法[1]、磁致伸縮檢測法[2]、磁感線圈檢測法[3]和霍爾元件檢測法[4]。

當前磁檢測方法存在的不足是：1.需要利用專門的磁化激勵設備，這增加了戶外檢測的難度；2.只能實現對已經存在損傷的鋼絲繩進行探傷檢測，無法對鋼絲繩的疲勞損傷進行早期診斷。

針對鋼絲繩無損檢測這一課題，本文提出一種基于金屬磁記憶無損檢測技術的鋼絲繩安全預警新方法。提供一種有效的鋼絲繩應力狀況檢測手段，分析判斷鋼絲繩疲勞損傷狀態，發現并及時更換疲勞破壞嚴重的鋼絲繩，以防止事故的發生。

2.檢測原理

2.1 金屬磁記憶檢測技術

金屬磁記憶技術基本原理[5]為：處于工作負荷下的金屬工件在地磁場的作用下，其內部會發生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，并在應力與變形集中區形成最大的漏磁場HP變化。即磁場的切向分量HP（X）具有最大值，而法向分量HP（Y）改變符號且具有零值點，這種磁狀態的不可逆變化在工作載荷消除后繼續保留。通過漏磁場法向分量以及相應的參數便可以準確地推斷工件的應力集中區。磁記憶檢測最重要的貢獻在于只需要在地磁環境下通過鐵制工件表面散射磁場法向量HP（Y）的測量就能確定工件上的應力集中區域。金屬磁記憶檢測的原理圖1所示:

圖1 磁記憶檢測原理圖

2.2 磁阻傳感器工作原理

HMC1021Z型磁阻傳感器是一維磁阻微電路集成芯片，是一種單邊封裝的磁場傳感器，感應與管腳平行方向的磁場，其結構為惠斯登電橋。傳感器供電電源為Vb，在電阻器中有電流流過。在電橋上施加一個偏置磁場H，使得兩個相對放置的電阻器的磁化方向朝著電流方向轉動，引起電阻阻值增大、另外兩個相對放置的電阻器的磁化方向背向電流方向轉動，引起電阻阻值減小。這樣就將磁場轉換成差動輸出的電壓，該輸出電壓Vout可以用下式表示為[6]：

其中R為薄膜電阻；△R/R為阻值的相對變化量；Vb為傳感器的工作電壓。

由于HMC1021Z磁阻傳感器在內部設計了兩條電流帶，其產生的磁場對測量極弱磁場時產生的非線性進行補償，使得傳感器的線性工作范圍從零開始，從而使得該傳感器能夠測量極弱磁場。在其線性輸出范圍內，傳感器的輸出和外加磁場成正比，可表示為：

其中VO為外磁場為零時傳感器輸出的電壓（-2.5mV），S為傳感器的靈敏度（1mV/V/Guass），H為測量到的磁場強度，Vb為傳感器供電電壓（5V）。

蘇軾說：“古之立大事者，不惟有超世之才，亦必有堅忍不拔之志。”王守仁說：“志不立，天下無可成之事。”由此可見，立志的重要性對一個人來說可見一斑。作為新時代的青年，應當要培養奮斗精神，秉持理想堅定、信念執著、勇于開拓、頑強不息的精神。要視奮斗為幸福，因為幸福都是通過奮斗得來的。1939年5月，毛澤東同志在延安慶賀模范青年大會上說：“中國的青年運動有很好的革命傳統，這個傳統就是‘永久奮斗’。我們共產黨是繼承這個傳統的，現在傳下來了，以后更要繼續傳下去。”每個青年都應當珍惜當下偉大的時代，堅持共產黨艱苦奮斗的優秀傳統，繼續發揚下去，做新時代的奮斗者。

3.檢測系統組成

3.1 檢測系統構成

檢測系統組成如圖2所示。磁場檢測模塊采用的是霍尼韋爾的HMC1021Z磁阻傳感器，同時輔以其特有的復位電路，以及信號調理電路。單片機數據采集控制模塊主要功能是:完成模擬信號采集并轉換為數字信號；對采集的數據進行數字濾波預處理。

采用任務分割的方式實現信號檢測，每個傳感器-單片機為一變送模塊，便于測量模塊在檢測裝置環形內側面的安裝。由多片微處理器共同承擔數據采集任務，每個數據采集模塊負責采集若干個變送模塊傳送的電流信號。采用二線制環路供電，輸出4-20mA電流信號，減少連接線。

圖2 檢測系統結構圖

3.2 檢測裝置結構設計

檢測裝置如圖3所示，左側為整體結構，中間為側視圖，右側為局部剖視圖。其機械結構為采用鉸鏈固定的兩個半圓形的檢測臂，另一端可以分合，這種設計便于鋼絲繩能夠從檢測裝置中間通過。從側視圖與局部剖視圖可以看到：傳感器模塊依次錯位疊接的方式安放，并保證傳感器檢測面始終垂直鋼絲繩，使得采集的數據能夠正確提取被測鋼絲繩漏磁場法向分量和切向分量。以上獨特的結構實現傳感器組對鋼絲繩徑向截面的封閉檢測。

圖3 檢測裝置結構圖

圖4 系統工作流程圖

3.3 系統軟件設計

系統軟件流程圖如圖4所示，實現的功能主要有：磁場信號采樣、A/D轉換、串行通訊、數據存儲以及數據的算法分析等。系統軟件的復位/置位編程，其主要作用是配合復位電路以實現消除傳感器上歷史磁場的影響，提高傳感器的測量精度。

4.實驗數據分析

本研究方法的可行性主要體現在HMC1021Z磁阻傳感器可靠地、靈敏地檢測到鋼絲繩應力集中引發的疲勞損傷處的磁場信號。利用基于HMC1021Z磁阻傳感器與AVR單片機的金屬磁記憶檢測模塊，對有缺陷的鋼絲繩進行檢測。磁場信號的最大梯度值計算公式如下所示：公式中：

KN—應力集中區里磁場最大梯度值；

i—每個檢測模塊的檢測點號；

j—檢測模塊號；

f—相鄰檢測模塊之間j-M和(j+1)-M間區段號，

Likj—j檢測模塊檢測點i和i-1之間的距離；

Likf—f區段上第i次檢測時j—M和(j+1)-M通道之間的距離。

將檢測到的磁場信號經MATLAB處理得到磁場梯度信號曲線如圖5所示。

圖5 磁記憶信號梯度值曲線

在測試點40-60處磁場信號梯度值的幅度正負相差達8000A/m2以上，這與鋼絲繩應力損傷的實際位置是基本相符的。而不存在疲勞損傷處的梯度值幅度正負相差值小于5000A/m2。

5.結論

結果表明：磁阻傳感器能夠檢測到鋼絲繩磁場信號，信號在應力集中損傷位置具有過零點以及具有顯著差異特征的最大梯度值的特征。按照位置的聯合比照可以準確地實現鋼絲繩疲勞損傷的定位。利用金屬磁記憶技術檢測鋼絲繩損傷是可行的，以后將進一步對損傷定位精度方面進行研究。

［1］褚建新，顧偉.鋼絲繩缺陷漏磁場的磁通門檢測法[J].儀器儀表學報，1997，18（4）:437-440.

［2］楊書子，康宜華等.鋼絲繩定量檢測原理與技術[M].北京:國防工業出版社，2005.

［3］周強，陶德馨，顧必沖.鋼絲繩疲勞損傷漏磁監測的試驗研究[J].中國索道，2002，2（4）:30-32.

［4］Health and Safety Executive.Wire Rope Non-Destructive Testing.Survey of Instrument Manufacturers[R].2000.

［5］王麗，馮蒙麗，丁紅勝等.金屬磁記憶檢測的原理和應用[J].物理測試，2007，25（2）:25-30.

［6］王國余，張欣，景亮.新型磁阻傳感器在地磁場測量中的應用[J].傳感器技術，2002，21（10）:43-45.

TP277

：A

：1672-0547（2010）02-0079-02

2010-01-09

孫劍（1975-），男，安徽黟縣人，黃山學院講師，工科碩士。

安徽省教育廳自然科學研究項目（編號：KJ2009B137），黃山學院科研基金資助（編號：2007xkj005），黃山學院教研基金資助（編號：2009JXYJ001）。