鋼絲繩損傷的電磁無損檢測技術研究應用

張書輝，冉堅強，張建，趙慶凱，毛健

六盤水市特種設備檢驗所，貴州六盤水，553000

0 引言

鋼絲繩具有強度高、自身輕、彈性好、過載能力大、在高速工作條件下平穩可靠等優點，因此被廣泛應用于電梯、吊橋、索道、起重機、礦井等領域，是國民工業領域的“生命線”[1]。然而鋼絲繩由于長期在工作環境較為惡劣、承重量較大的情況下使用，鋼絲繩會產生斷絲、斷股、銹蝕、疲勞等現象，降低鋼絲繩的使用壽命，導致鋼絲繩的承載能力、可靠性下降，影響鋼絲繩的安全使用，對人民的生命及財產造成極大的隱患。因此，能否及時有效對鋼絲繩進行安全檢測顯得極為重要，鋼絲繩安全規范和檢驗標準的制定也引起很多國家重視。

1 鋼絲繩檢測方法的國內外研究現狀

早在100多年前，南非科學家C.E.Mc.cann 和R.Colson發明世界上首臺鋼絲繩無損檢測裝置交流勵磁（AC）對鋼絲繩進行截面損失測量[2]。1925年，德國科學家H.Chappuzeau采用直流勵磁（DC）的方式檢測判斷出鋼絲繩上的局部損傷缺陷[3]。1976年，加拿大科學家F.Kitzinger 與G.A.Wint首次將體積小、精度高的霍爾元件作為鋼絲繩檢測元件進行研究 。1987年，美國NDT 公司的H.R.Weischedel 博士[4]通過將積分電路串聯到檢測線圈電路上，實現了精準定量、定性檢測金屬截面積損失。1986 年至1996 年期間，E.Kalwa 博士采用霍爾元件來檢測鋼絲繩漏磁通和主磁通的方法，找出了鋼絲繩部分缺陷與霍爾檢測信號的線性關系。1999年，德國科學家Nussbaum，J.M.提出設計出由30個霍爾元件組成的檢測陣列構成的傳感器。

我國對鋼絲繩無損檢測研究是從80年代末開始的。煤炭科學院與哈爾濱工業大學基于單片機原理研發出首臺鋼絲繩損傷檢測儀TSG型探傷儀[5]。80年代后，華中科技大學楊叔子團隊不斷開展鋼絲繩無損檢測方法研究。武漢理工大學徐俊峰對鋼絲繩與計算機結合進行智能化檢測研究。華中科技大學周郁明對磁阻傳感器的損傷信號分析計算。武漢理工大學鄔述暉等人利用磁橋路方法檢測LMA信號。竇毓棠教授利用高靈敏度傳感器與空間矢量合成原理成功開發了TCK 系列鋼絲繩探傷裝置[6]。

2 鋼絲繩金屬截面積缺陷類型的檢測方法

LMA的缺陷程度是指鋼絲繩橫截面積損失缺陷，包括磨損、銹蝕等。因此可以通過檢測橫截面的損失情況來判斷鋼絲繩損傷情況，采用磁敏感性的元件將檢測到橫截面損傷轉換成電壓值信息，分析電壓值來判斷缺陷程度。通常可以采用電磁橋路以及線圈兩種方式來獲取損傷信號。

2.1 鋼絲繩LMA 缺陷的線圈檢測方法

線圈法檢測鋼絲繩損傷程度理論原理是分別利用線圈來獲取鋼絲繩、線圈以及兩個之間空氣中的磁通量，三者之間關系如公式（1）所示：

式中：ΦT為鋼絲繩磁通量；Φ為線圈內的磁通量；Φa空氣中的磁通量

檢測線圈電動勢如公式（2）所示：

式中：E為檢測線圈電動勢；N表示線圈匝數。

積分電路的輸出電動勢E0如公式（3）所示：

式中：E0為積分電路電動勢；K 表示積分電路常數。

由公式（1）（2）（3）式簡化得（4）：

通過（4）可知，積分器將檢測到的線圈磁通量ΦT轉化成了輸出電動勢信號E0

又因為：

結合（4）（5）兩式得到輸出電動勢與橫截面積之間的關系如公式（6）：

最終簡化計算公式（6）可得公式（7）：

式中：S為待測鋼絲繩空氣橫截面積；Sa鋼絲繩與磁敏感線圈之間空氣橫截面積；B待測鋼絲繩磁感應強度；Ba鋼絲繩與磁敏感線圈之間磁感應強度；為待測鋼絲繩橫截面減少量。

2.2 采用集成霍爾元件獲取LMA 缺陷的方法

霍爾元件檢測法是采用霍爾元件作為傳感器檢測鋼絲繩的磁通量變化。霍爾檢測法的原理是利用霍爾元件的霍爾效應產生一個穩定的電勢差即霍爾電壓VH，霍爾電壓與施加在霍爾元件上的電流強度I和穿過霍爾元件磁感應強度B存在線性關系，即

式中VH為霍爾電壓VH；KH為霍爾元件靈敏度；I施加在霍爾元件上的電流強度；B為穿過霍爾元件磁感應強度。

由公式（8）可知，當施加的電流I為定量時，霍爾元件的輸出電壓VH與磁感性強度B成線性正比關系，也就是說輸出電壓VH只與外加磁感應強度B有關，不受霍爾元件的移動速度影響。因此，我們可以通過檢測霍爾元件穩定的輸出電壓VH反向推算出鋼絲繩斷口缺陷的漏磁場的磁感應強度B，如果鋼絲繩損傷缺陷存在必然會產生變化的漏磁場，漏磁場可以通過霍爾傳感器的電壓信號變現出來，從而進行后期的數據采集和分析，判斷出判斷LMA損傷程度。

由于霍爾元件制造的檢測傳感器輸出的檢測信號不受速度影響，而且可以在小間隙空間磁場檢測，能獲取更為精準的信號數據，同時其還集成精密電阻，大大提高了檢測設備的穩定性和精準度[7]。

2.3 采用電磁橋路檢測LMA 缺陷的方法

在使用霍爾元件檢測鋼絲繩損傷時，首先需要對待檢測的鋼絲繩進行磁化，磁化后，霍爾元件與鋼絲繩集成在一起，磁化的鋼絲繩將自身的LMA 損傷程度以信號的形式反饋到集成霍爾元件，根據集成霍爾元件檢測到的信號變化情況，可以判斷LMA 損傷程度。在選擇磁化方式時，要綜合考慮鋼絲繩橫截面的大小，不同面積的橫截面要采取不同方式的磁化結構，通常會采用多回路磁化方式來保證鋼絲繩被均勻磁化。同時，采用電磁橋路檢測法來提高鋼絲繩損傷信號值的靈敏度，該方法通過分析集成霍爾元件輸出得到的信號電壓值，反向計算推算出待測鋼絲繩橫截面積的大小，再與未使用過的鋼絲繩橫截面積做比較，相差值即為LMA 缺陷情況。

進行電路分析可知：

式中：Φ為待測鋼絲繩磁通量，ΦZ主磁路磁通量，Φb磁橋路磁通量

結合（9）（10）（11）（12）式計算得到：

在上式中B和BZ、Sb與SZ檢測過程中數值變化不大，當做不變量。

因此要得到金屬截面積值S，只需要測得Bb的值就可以計算出來S

磁阻R計算公式為

根據磁路基爾霍夫定律可得：

由公式（14）（15）可得：

式中：L表示磁路長度；表示磁阻率；F表示磁勢大小；

從公式（8）可知，輸出電壓VH取決于Bb的大小，Bb與金屬截面積S存在公式（17）的關系，因此可以將VH與S的關系簡單表示為

式中：α、β是比例常數，VH輸出電壓，S為鋼絲繩金屬截面積

由公式（17）可知，輸出電壓VH與鋼絲繩金屬橫截面S存在線性關系，通過輸出電壓信號VH的變化，可以定性定量判斷LMA缺陷情況。

鋼絲繩金屬截面積損傷對鋼絲繩安全使用有著重大意義，前面提到的三種檢測方法通過計算損傷橫截面和檢測信號電壓VH，可以對鋼絲繩LMA損傷定性定位，定量判斷。在實際檢測過程中，一般會采用檢測結果多次求平均等方法減少檢測環境干擾造成的誤差，提高檢測精準度。

3 鋼絲繩局部損傷檢測方法分析

鋼絲繩局部損傷（LF）包括斷絲、斷股等也是鋼絲繩使用過程中常見現象，現階段主要依據漏磁原理，利用漏磁通檢測法檢測鋼絲繩局部損傷（LF）[8]。

漏磁通檢測法是檢測鋼絲繩LF缺陷的主流方法，其檢測原理是通過磁敏感元件組成的傳感器檢測鋼絲繩LF缺陷周圍產生漏磁場的磁性強弱來判斷出鋼絲繩的斷絲位置、斷絲數量、斷絲寬度如圖2所示。磁敏感元件常采用霍爾傳感器，由于鋼絲繩在使用時會發生斷絲數量少，不易被霍爾傳感器檢測出，因此采用在鋼絲繩周向位置增加安放霍爾傳感器的方法，避免在檢測過程中出現漏檢的情況。通過簡單計算可知，霍爾傳感器安放數量至少要在十個以上才可以有效防止漏檢現象。

漏磁檢測法可以快速準確地檢測出鋼絲繩內部磁場變化，根據磁場的變化可以判斷出LF缺陷存在情況。

4 結語

綜上所述，在一百年的發展時間里，鋼絲繩無損檢測技術獲得了長足的發展，但是鋼絲繩無損檢測是一項異常復雜的工程，所面臨的困難還很多，主要表現在：

（1）缺陷狀況復雜。鋼絲繩每根鋼絲的使用狀態都會對整個鋼絲繩的磁系統的狀態造成影響，缺陷情況的復雜導致現場檢測需要精準的檢測信號處理方法和識別技術。

（2）勵磁結構有待提高。目前在對鋼絲繩交流勵磁過程中，趨附效應和渦流效應在勵磁時不可避免地對勵磁狀況產生影響，會導致鋼絲繩退磁現象和磁化不均勻等，因此對勵磁結構做進一步的研究，改善提高勵磁效果。

（3）檢測工況惡劣。鋼絲繩的檢測需要在使用現場進行，復雜的檢驗環境包括噪聲、振動、磁場等對測量結果的精度影響很大，也會對檢測結果準確性、可靠性產生影響。