基于磁通門的鋼纜損傷檢測

張開拓，張永華

(1.河南機電高等專科學校，河南 新鄉453003;2.鄭州航天電子技術有限公司，河南 駐馬店46100)

0 引 言

鋼纜的主要組成是鋼絲、股繩、襯芯等，這些組成元件間或多或少存在著相對運動。鋼纜在生產、保管和使用過程中，隨時可能受到各種各樣的損傷，如碾壓、彎曲、扭結、機械磨損、超載疲勞和銹蝕等［1］，使得鋼纜容易出現以下現象:①斷絲［2］。斷絲是常見的現象，主要由于磨損和彎曲疲勞引起的。②磨損。磨損主要包括變形磨損、外部磨損和內部磨損。變形磨損是由于震動、碰撞造成的鋼纜表面或局部磨損。外部磨損是鋼纜與外部機械結構反復摩擦引起的;內部磨損是鋼纜在經過卷筒或滑輪時，其所承受全部負荷集中在一側，各根鋼絲在內部產生滑移和相互作用力，增加了股與股之間的接觸應力。當拉伸、彎曲反復循環時，則產生的應力集中使得內部鋼絲折斷。③銹蝕。銹蝕通常發生鋼纜在內部，很難被發現。通常是由于缺乏潤滑，由于水的侵蝕造成的［3］，其危害程度比磨損更為嚴重。在腐蝕環境中，缺乏潤滑的鋼纜極易被腐蝕，降低鋼纜的靈活性和強度，存在于鋼絲中的銹蝕微粒，阻止鋼絲的相對運動，進一步加劇了磨損。④疲勞。鋼纜反復通過滑輪或卷筒時，撓上撓下無數次的彎曲容易使鋼纜產生疲勞，韌性下降，最終導致斷絲。起重機在啟動和制動的始末，鋼纜在承受荷載的前后，變化的拉應力也會引起疲勞。鋼絲繩經常受到扭曲和震動也是產生疲勞的原因。通常情況下，疲勞斷絲的出現意味著鋼纜已接近于使用后期。

具有良好的經驗和判斷力的檢測技術人員可能發現顯性損傷，但基本上無法捕捉和顯現隱性損傷［4］，因為無法使用傳統的檢測方法對鋼纜的損傷狀況進行定量描述。因為缺少檢測依據而提前報廢鋼纜造成的經濟損失和鋼纜的承載能力接近極限而引起的安全事故，存在于各個領域的運行鋼纜之中。

根據鋼纜在正常情況下和損傷時的導磁性能的不同，采用能夠檢測弱磁信號的磁通門技術制作的鋼纜損傷檢測傳感器，可以解決傳統檢測方法無法做到的在線檢測，并根據檢測到的磁能信號進行分析，獲得鋼纜的內部損傷情況和損傷位置。

1 鋼纜損傷對導磁性能的影響

從微觀層次來看，將鋼纜內部參與負荷的區域進一步細分為無限小，并稱之為體積元。鋼纜磁動勢由剩磁磁能決定，并依托于體積元內參與機械負荷的鐵磁性金屬材料而分布。由于制造、存儲、運輸、安裝、運行等歷史過程對鋼絲繩留下了未知的剩磁磁能，所以自然狀態下的磁動勢不能真實地反映體積元的材質特征，即材料究竟是正常還是有缺陷。

向鐵磁性構件(鋼纜)施加給定的勵磁磁場強度，使所有載荷材料具有同等適度的低量級磁能，如果載荷材料沿鋼絲繩軸向等量均勻，連續分布，則任意體積元的磁能也是等量均勻的，即沿鋼絲繩所建的軸向磁場均勻而且連續，穿過任意體積元的磁通等量，而且磁通密度均勻。

如果發生退變的體積元，或者因拉伸塑性徑縮、碾壓/研磨/銹蝕性缺損(LMA)，或因疲勞裂隙、裂斷等突變/間斷(LF)，磁力線在這些退變的體積元中只能沿不規則的低能耗路徑排布，磁通密度隨之變化，磁能分布不均勻，使各體積元產生磁能勢差異，如圖1 所示。而且，這些退變的程度越嚴重，磁能勢差異就越突出。

圖1 各種缺陷的形態和對磁力線的影響

2 磁通門檢測技術

磁通門現象是一種普遍存在的電磁感應現象，利用被測磁場中高導磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應強度與磁場強度的非線性關系來測量弱磁場的一種傳感器［5-6］。具有分辨率高(最高可達10－11T)、測量弱磁場范圍寬(在10－8T 以下)、體積小、質量輕、功耗低、經濟性能好等優點，能夠直接測量磁場的分量和適于在高速運動系統中使用［7-8］。

2.1 工作原理

磁通門主要是由鐵芯及線圈組成，如圖2 所示。鐵芯的基本要求是磁導率高、矯頑力小。使用軟磁材料做成鐵芯，激勵線圈沿兩根鐵芯對稱順繞，使用高頻交流電流i1(t)供電［9-12］。激勵線圈外面繞制感應線圈，通過檢測感應線圈兩端的感應電動勢e2(t)來檢測待測磁場。

圖2 磁通門工作原理

假設激勵電流i1(t)在兩根鐵芯中產生的磁場強度為H1，大小相等，方向相反［13］。當待測磁場強度為H0時，則兩根鐵芯分別處在磁場強度為H0+H1和H0－H1的環境中。如果兩根鐵芯的磁特性完全相同，則鐵芯中產生的磁感應強度可表示為

此時，感應線圈兩端的感應電動勢為

式中:S 為鐵芯的截面積;N2為感應線圈的匝數。

鐵芯一般采用坡莫合金制作，其初始磁化特性曲線可使用下式進行近似的擬合計算:

式中，a、b 是和鐵芯形狀、材料有關的常數。將式(3)代入式(1)、(2)，并整理，可得:

因為外界磁場H0通常是不變的，因此，式(4)中的前兩項為常數，不能在感應線圈兩端產生感應電動勢，式(2)可寫成:

激勵磁場H1可看成由兩個相互獨立的磁場疊加的結果，即:

式中，Hm1、Hm2、ω1和ω2分別是交變磁場的幅度和角頻率。

ω2=0 時，式(6)可寫成:

將式(7)代入式(5)，可得:

Hm2為周圍的環境磁場，其強度可忽略，即Hm2≈0，則式(8)可寫為:

說明e2(t)正比于被測磁場H0，且正比于交變磁場的角頻率ω1，因此，激勵線圈上的電源頻率要盡可能的高，以增大感應線圈的輸出電壓［14］。同時，集膚效應限制了激勵線圈上的電源頻率不能無限制的增加。

2.2 靈敏度

以幅值E 表示被測環境磁場H0時的最大靈敏度

鉬坡莫合金(MPP-60u)在弱磁場工作區的初始磁化曲線的擬合方程為

激勵線圈的電源頻率采用1 MHz，感應線圈面積S =0.25 cm2，匝數N2=600，代入式(10)，可得到最大靈敏度為

若鉬坡莫合金工作的最大磁場強度Hm1= 10 A/m，則制作的磁通門傳感器的最大靈敏度理論值(mV/nT)為

實際系統中，由于鐵芯的漏磁和磁化曲線的非線性，傳感器的靈敏度比理論值有所下降。采用高精度的放大器和A/D 轉換器后，制作的傳感器的線性工作區域為±100 μT，磁場強度大于100 μT 時，傳感器已達到飽和，輸出電壓與磁場強度不再具有線性關系［15］。分辨率為1 nT，工作電流小于150 mA。

2.3 檢測方法

使用強磁場對鋼纜進行磁化，使各磁疇對外表現出宏觀的磁場特性。然后，通過提取鋼纜的全部載荷體積元磁能特征曲線，即可有效識別載荷材料因退變產生的磁能差異，并對比載荷材料的缺陷對磁能影響的變化曲線，分析內部損傷的位置、性質和數量，從而實現了無損條件下定位、定性和定量檢測鋼纜的內部損傷。

根據磁通門原理制作的鋼纜內部磁能檢測探頭結構如圖3 所示。在鉬坡莫合金做成的軟磁套筒上，纏繞激勵線圈(500 匝)，并通以高頻(1 MHz)電流，然后使用檢測線圈檢測出鋼纜的磁能曲線，根據磁能曲線的幅度與形狀，判斷出鋼纜內部的損傷狀況。

圖3 磁通門檢測頭結構

3 檢測結果與分析

使用磁通門技術制作的鋼纜損傷檢測傳感器，對鋼纜磁能進行了檢測。其中，完好的鋼纜在正常狀態下的磁能檢測結果如圖4 所示。從圖中可以看出，曲線形狀雜亂，這是高頻勵磁與周圍的微弱磁場的疊加結果。

圖4 磁通門的噪聲(×1 000)

對鋼纜斷絲的某次檢測結果如圖5 所示。鋼纜斷絲信號的主要特點是:脈沖型信號、脈沖幅度及前后沿的梯度較大，根據此特征加上多次檢測，一般都能準確無誤地檢測出鋼纜的內部損傷狀況。圖5 中，比較尖銳的信號拐點共有9 個，其中1 ～7 為鋼纜的7 處斷絲信號。由于低頻干擾，脈沖6 落在信號的波谷中。

圖5 鋼纜斷絲檢測測試波形

脈沖8 與斷絲信號相似，其實它是由于抖動造成的干擾信號。通過多次測量，并比對測量結果可去除此種類型的干擾信號。脈沖9 是離散型噪聲，通過統計平均方法可得到有效的抑制。

4 結 語

磁通門傳感器比較適合弱磁檢測，具有分辨率高，便于小型化的特點［16］。因此，比較適合用于鋼纜的檢測。結合微型計算機和信號處理電路，將采樣的磁能信號放大，并直觀顯示，可以做到鋼纜的無損檢測。實踐證明，采用磁通門技術對鋼纜損傷進行檢測，減少了維護時間，節約了檢測能源和成本，提高了設備的安全程度，具有重大的應用及推廣意義。

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