隧道磁電阻傳感器在鋼絲繩檢測系統中的應用

萬舟 單陽 魏健雄

摘 要：在電梯鋼絲繩檢測系統中，通過勵磁裝置、磁場檢測裝置、數據采集、數據處理、監控顯示、報警系統對鋼絲繩進行檢測。為實現對鋼絲繩LF缺陷的檢測，建立單絲磁偶極子模型進行仿真，根據隧道磁電阻傳感器（Tunnel Magneto Resistance 簡稱TMR）的原理和特性，對TMR傳感器進行對稱環繞分層式排列，減小檢測過程中的信號干擾，通過仿真選擇合適的提離高度，使檢測系統滿足對缺陷的檢測要求。結果表明，TMR磁傳感器可以減輕裝置重量，并且可以達到LF檢測標準。

關鍵詞：鋼絲繩；勵磁結構；TMR磁傳感器；環繞分層式

DOI：10.11907/rjdk.172613

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）004-0171-04

Abstract：The excitation device， the magnetic field detection device， the data acquisition， the data processing， the monitoring display and the alarm system are tested in the nondestructive testing system of the elevator steel wire rope.In order to test the LF defects of steel wire rope， the single dipole model is established for simulation. According to the principle and properties of tunnel magneto resistance （TMR） sensor， the TMR sensors are in the ambient and layered arrangement to reduce signal interference in detection. Proper lift-off height is obtained from simulation so that the detection system can meet the requirements of defect detection. It is shown that the TMR magnetic can reduce the device weight and meet the LF detection standards.

Key Words：steel wire rope； excitation structure； TMR magnetic sensor； ambient and layered arrangement

0 引言

鋼絲繩作為電梯、提升機、塔橋、吊索等設備的重要組成部分，在日常工作中起到很關鍵的作用。所以，鋼絲繩維護與檢測是非常重要的環節。鋼絲繩制作材料繁多，性能非常優越，但是制作結構復雜，帶來的缺陷同樣也很多，有的出現在外表面而有的出現在內表面，加上油污灰塵等雜質影響，給人工目測帶來了極大困難。強度損失很少甚至沒有損傷的有時卻被強制更換，造成了巨大的資源浪費。為了滿足生產安全要求，提高經濟效益，鋼絲繩的無損檢測應運而生。

無損檢測是在不損壞鋼絲繩的情況下對鋼絲繩的性能進行檢測，而電磁檢測法的優點是成本相對較低、操作簡單方便、精確度高等。霍爾傳感器輸出信號穩定、不需耦合劑且快速可靠、成本低，但是電磁檢測法需要高靈敏度，就需要用聚磁環放大磁場以提高靈敏度[1]，造成勵磁裝置體積和質量增加。而TMR 磁傳感器芯片具有體型小、成本低、功耗低、集成度高、響應頻率高和靈敏度高等特性，可以提高檢測精度[2]。合理安排TMR磁傳感器的排列方式，可以及時準確地檢測鋼絲繩。

1 系統結構

鋼絲繩檢測裝置包括以下幾個部分：勵磁裝置、磁場檢測裝置、數據采集、數據處理、監控顯示、報警系統。

檢測系統結構如圖1所示。勵磁裝置首先將需要檢測的鋼絲繩磁化，如果鋼絲繩有問題，磁場檢測裝置中的TMR磁傳感器檢測到磁場中的漏磁信號，將采集到的信號發送給數據采集部分，由等距離脈沖發生器將等距離采樣信號發送給數據處理裝置，同時記錄下被檢測鋼絲繩的位置，發送給數據采集部分的等距離采樣信號和漏磁信號經過A/D轉換器轉換成編碼信號，編碼信號由S3C24W處理器進行數據處理，經由報警系統裝置進行警示。為了更直觀地了解鋼絲繩的檢測結果且儲存數據，可以上接PC系統進行顯示。

構成勵磁器的勵磁磁路主要由永磁體、工業純鐵、空氣氣隙和待測段形成。鋼絲繩的缺陷一般包括內部和外部損傷腐蝕。若被檢測的鋼絲繩段沒有缺陷，則不會產生漏磁場，若材料存在問題，則磁傳感器就會檢測到勵磁裝置產生的漏磁信號。在勵磁器的勵磁回路設計中，為了降低對漏磁信號的干擾，應保證合理磁化鋼絲繩段，鋼絲繩由多股繩捻接而成，本身就存在干擾信號。兩塊永磁鐵周圍是磁導率很高的軟磁材料，不僅可以令鋼絲繩均勻地磁化，同時也可以提高被檢測信號的強度，更好地進行漏磁檢測。為了檢測漏磁信號，需要用到磁傳感器（見圖2）。

2 實驗過程

由于鋼絲繩結構相對比較復雜，所產生的漏磁場也會復雜，為了方便進行理論探討，需要建立數學模型，所以會對鋼絲繩的結構進行簡化。根據漏磁場的對稱性和其它分量的特點，采用磁偶極子模型對漏磁場建立數學模型。

建立X-Y坐標軸，2b為鋼絲繩斷絲的寬度，O為斷絲口的中心點，P1和P2為磁荷，P點為漏磁場的任意一點，r、r1、r2分別為P點到兩個磁荷O、P1和P2的距離，2l為磁荷之間的距離。根據磁荷分布原理和磁場疊加理論可得，P點的磁場強度B為P1點的磁場強度B1與P2點磁場強度B2的矢量疊加，即：

2.1 實驗分析

利用Matlab對鋼絲繩的斷口寬度和提離距離影響因素進行分析，B=0.85T，μ=4π×10-7。

2.1.1 斷口寬度

傳感器對于鋼絲繩斷口的提離高度為3mm，鋼絲繩d=3mm，b的值分別取0.25，0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5mm，根據式（8）-式（10），軸向漏磁強度和徑向漏磁強度如圖4所示。

從圖4中可以看出，不同寬度斷口的漏磁場的徑向磁場變化中，當0

從圖5中可以看出，不同寬度斷口漏磁場軸向磁場變化中，當0

綜上所述，b的取值宜在1～2mm之間。

2.1.2 提離高度

傳感器對于鋼絲繩斷口寬度2b=4mm，鋼絲繩提離高度y的值分別取1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5mm，根據式（8）-式（10），軸向漏磁強度和徑向漏磁強度如圖6所示。

由圖6曲線變化可知，斷口漏磁場徑向磁場的大小隨著提離高度的增加變化非常明顯。但是，在軸向磁場的變化圖7中，隨著提離距離的變小，磁場的強度變化特別明顯，但是漏磁場的“山峰”形態也趨于明顯。

綜上所述，y的取值宜在2～3mm之間。

2.2 TMR磁傳感器分布

為了能夠全方位檢測鋼絲繩，根據TMR磁傳感器的敏感感應方向，將傳感器放置在與鋼絲繩中心軸成180°方向和中心軸成90°方向。其結構如圖8所示。

為了盡可能檢測到鋼絲繩上所有的缺陷與損傷，減少傳感器排列不均造成的干擾信號，傳感器的數量N應滿足：

式（11）中：R為檢測環半徑；L1、L2為軸向和徑向TMR傳感器的檢測長度。

3 應用效果

利用TMR磁傳感器設計的系統對一根有缺陷的客梯鋼絲繩進行檢測，提離高度為3mm，斷口寬度取1mm和2mm。檢測上海三菱公司生產的菱云系列電梯，額定速度是1～2.5m/s，額定載重量是630～2 500kg，標準最大提升高度是120m，實驗鋼絲繩采用直徑16mm。

如圖9所示鋼絲繩的斷絲檢測狀況。很明顯，存在5處比較明顯的波峰波谷，除上述5處變化外，其余波形都穩定在一定范圍內，其幅值穩定在0.758～0.801，這是因為鋼絲繩受股波和鋼絲繩波動因素影響。圖中5處為檢測到斷絲一根、斷口寬度1mm的波形變化，峰頂為0.758V，峰谷為0.731V，是最小損傷狀況的電壓值。圖中2處為檢測到斷絲4根斷口寬度2mm的波形變化，峰頂為0.799V，峰谷為0.709V，峰值差為0.090V。

表2顯示，利用TMR磁傳感器檢測系統檢測鋼絲繩的準確度，沒有檢測出的斷絲一般都是鋼絲繩的內里斷絲和鋼絲繩的銹蝕斷絲。在以往所有的無損檢測中，霍爾傳感器對于鋼絲繩的缺陷檢測較為普遍，但是信號的放大處理造成了裝置笨拙和成本增加，而TMR 磁傳感器可以簡化信號處理這一步驟，減輕裝置重量。

4 結語

基于TMR磁傳感器的鋼絲繩無損檢測系統，可以同時實現軸向和徑向缺陷的雙重檢測，采用S3C24W處理器提高集成性，充分保證檢測結果的準確性。鋼絲繩結構不盡相同，所造成的缺陷也有很大差異，只有保證數據結果的準確性，在建立鋼絲繩數據庫的時才更有參考價值。

參考文獻：

[1] 文軒，楊生勝，鄭闊海，等.隧道磁電阻傳感器在鋼絲繩無損檢測中的應用[J].真空與低溫，2016，22（2）：104-110.

[2] 呂華，劉明峰，曹江偉，等.隧道磁電阻（TMR）磁傳感器的特性與應用[J].磁性材料及器件，2012，6：1-4.

[3] 李萬莉，馮文潔，李珍珍.鋼絲繩缺陷檢測勵磁結構尺寸設計[J].同濟大學學報，2012，40（12）：1888-1893.

[4] ZUOYING H， PEIWEN Q， LIANG C. 3D FEM analysis in magnetic flux leakage method[J]. Ndt & E International，2006，39（1）：61-66.

[5] JOMDECHA C .Design of modified electromagnetic main-flux for steel wire rope inspection[J].NDT&International;，2009，42：77-83.

[6] 鐘小勇，張小紅.基于ARM的鋼絲繩檢測系統研究[J].傳感器與微系統，2011，30（3）：81-86.

[7] 賈小凡，張德坤.承載鋼絲繩在不同預張力下的彎曲疲勞損傷研究[J].機械工程學報，2011（24）：31-37.

[8] 李強，梁莉，劉楨，等.具有溫度補償功能的智能壓力傳感器系統[J].儀器儀表學報，2008，29（9）：1934-1938.

[9] TIAN SHEPING， ZHAOYANG， WEIHONGYU， et al. Nonlinear correction of sensors based on neural network model[J]. Optics and Precision Engineering，2006， 14（5）：896-902.

[10] ZUOYING H，PEIWEN Q，LIANG C. 3D FEM analysis in magnetic flux leakage method[J]. Ndt & E International，2006，39（1）：61-66.

[11] 鄭闊海，楊生勝，王鹢，等.微型磁電阻效應傳感器的空間應用前景[J].真空與低溫，2012，18（6）：83-85.

[12] MUKHOPAHYAY S，SRIVASTAVA G P. Characterisation of metal loss defects from magnetic flux leakage signals with discrete wavelet transform[J]. NDT&E; International，2000，33（1）：57-65.

（責任編輯：何 麗）