金屬磁記憶的索道鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)方法研究

孫劍 林偉國(guó)

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

金屬磁記憶的索道鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)方法研究

孫劍1林偉國(guó)2

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

檢測(cè)系統(tǒng)由霍尼韋爾HMC1021傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)、4-20mA電流變送器、上位機(jī)構(gòu)成。文章設(shè)計(jì)了新穎的檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)，在軟件中自動(dòng)置位——復(fù)位設(shè)計(jì)可消除傳感器上歷史磁場(chǎng)的影響，提高了傳感器的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)表明：金屬磁記憶檢測(cè)方法可以有效檢測(cè)鋼絲繩的損傷，對(duì)于防止事故發(fā)生具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

金屬磁記憶；鋼絲繩；無(wú)損檢測(cè)

1.引言

索道具備旅游、觀光、交通運(yùn)輸功能，它以其地形適應(yīng)能力強(qiáng)、運(yùn)行安全、舒適快捷、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，在山岳型風(fēng)景旅游區(qū)發(fā)揮著十分重要的作用。鋼絲繩是索道承載和牽引的主要構(gòu)件，一旦發(fā)生斷裂將導(dǎo)致災(zāi)難性的設(shè)備與人身事故。因此，對(duì)鋼絲繩進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患是避免重大事故發(fā)生的有力手段。

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

當(dāng)前磁檢測(cè)方法存在的不足是：1.需要利用專門的磁化激勵(lì)設(shè)備，這增加了戶外檢測(cè)的難度；2.只能實(shí)現(xiàn)對(duì)已經(jīng)存在損傷的鋼絲繩進(jìn)行探傷檢測(cè)，無(wú)法對(duì)鋼絲繩的疲勞損傷進(jìn)行早期診斷。

針對(duì)鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)這一課題，本文提出一種基于金屬磁記憶無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的鋼絲繩安全預(yù)警新方法。提供一種有效的鋼絲繩應(yīng)力狀況檢測(cè)手段，分析判斷鋼絲繩疲勞損傷狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)并及時(shí)更換疲勞破壞嚴(yán)重的鋼絲繩，以防止事故的發(fā)生。

2.檢測(cè)原理

2.1 金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)

金屬磁記憶技術(shù)基本原理[5]為：處于工作負(fù)荷下的金屬工件在地磁場(chǎng)的作用下，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場(chǎng)HP變化。即磁場(chǎng)的切向分量HP（X）具有最大值，而法向分量HP（Y）改變符號(hào)且具有零值點(diǎn)，這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后繼續(xù)保留。通過漏磁場(chǎng)法向分量以及相應(yīng)的參數(shù)便可以準(zhǔn)確地推斷工件的應(yīng)力集中區(qū)。磁記憶檢測(cè)最重要的貢獻(xiàn)在于只需要在地磁環(huán)境下通過鐵制工件表面散射磁場(chǎng)法向量HP（Y）的測(cè)量就能確定工件上的應(yīng)力集中區(qū)域。金屬磁記憶檢測(cè)的原理圖1所示:

圖1 磁記憶檢測(cè)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(chǎng)傳感器，感應(yīng)與管腳平行方向的磁場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)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(gè)偏置磁場(chǎng)H，使得兩個(gè)相對(duì)放置的電阻器的磁化方向朝著電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，引起電阻阻值增大、另外兩個(gè)相對(duì)放置的電阻器的磁化方向背向電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，引起電阻阻值減小。這樣就將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成差動(dòng)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(duì)變化量；Vb為傳感器的工作電壓。

由于HMC1021Z磁阻傳感器在內(nèi)部設(shè)計(jì)了兩條電流帶，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量極弱磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的非線性進(jìn)行補(bǔ)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(cè)量極弱磁場(chǎng)。在其線性輸出范圍內(nèi)，傳感器的輸出和外加磁場(chǎng)成正比，可表示為：

其中VO為外磁場(chǎng)為零時(shí)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(cè)量到的磁場(chǎng)強(qiáng)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(jiān)忍不拔之志?！蓖跏厝收f：“志不立，天下無(wú)可成之事?！庇纱丝梢?，立志的重要性對(duì)一個(gè)人來說可見一斑。作為新時(shí)代的青年，應(yīng)當(dāng)要培養(yǎng)奮斗精神，秉持理想堅(jiān)定、信念執(zhí)著、勇于開拓、頑強(qiáng)不息的精神。要視奮斗為幸福，因?yàn)樾腋６际峭ㄟ^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(huì)上說：“中國(guó)的青年運(yùn)動(dòng)有很好的革命傳統(tǒng)，這個(gè)傳統(tǒng)就是‘永久奮斗’。我們共產(chǎn)黨是繼承這個(gè)傳統(tǒng)的，現(xiàn)在傳下來了，以后更要繼續(xù)傳下去?！泵總€(gè)青年都應(yīng)當(dāng)珍惜當(dāng)下偉大的時(shí)代，堅(jiān)持共產(chǎn)黨艱苦奮斗的優(yōu)秀傳統(tǒng)，繼續(xù)發(fā)揚(yáng)下去，做新時(shí)代的奮斗者。

3.檢測(cè)系統(tǒng)組成

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖2所示。磁場(chǎng)檢測(cè)模塊采用的是霍尼韋爾的HMC1021Z磁阻傳感器，同時(shí)輔以其特有的復(fù)位電路，以及信號(hào)調(diào)理電路。單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制模塊主要功能是:完成模擬信號(hào)采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波預(yù)處理。

采用任務(wù)分割的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)，每個(gè)傳感器-單片機(jī)為一變送模塊，便于測(cè)量模塊在檢測(cè)裝置環(huán)形內(nèi)側(cè)面的安裝。由多片微處理器共同承擔(dān)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集若干個(gè)變送模塊傳送的電流信號(hào)。采用二線制環(huán)路供電，輸出4-20mA電流信號(hào)，減少連接線。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測(cè)裝置如圖3所示，左側(cè)為整體結(jié)構(gòu)，中間為側(cè)視圖，右側(cè)為局部剖視圖。其機(jī)械結(jié)構(gòu)為采用鉸鏈固定的兩個(gè)半圓形的檢測(cè)臂，另一端可以分合，這種設(shè)計(jì)便于鋼絲繩能夠從檢測(cè)裝置中間通過。從側(cè)視圖與局部剖視圖可以看到：傳感器模塊依次錯(cuò)位疊接的方式安放，并保證傳感器檢測(cè)面始終垂直鋼絲繩，使得采集的數(shù)據(jù)能夠正確提取被測(cè)鋼絲繩漏磁場(chǎng)法向分量和切向分量。以上獨(dú)特的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳感器組對(duì)鋼絲繩徑向截面的封閉檢測(cè)。

圖3 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示，實(shí)現(xiàn)的功能主要有：磁場(chǎng)信號(hào)采樣、A/D轉(zhuǎn)換、串行通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)的算法分析等。系統(tǒng)軟件的復(fù)位/置位編程，其主要作用是配合復(fù)位電路以實(shí)現(xiàn)消除傳感器上歷史磁場(chǎng)的影響，提高傳感器的測(cè)量精度。

4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本研究方法的可行性主要體現(xiàn)在HMC1021Z磁阻傳感器可靠地、靈敏地檢測(cè)到鋼絲繩應(yīng)力集中引發(fā)的疲勞損傷處的磁場(chǎng)信號(hào)。利用基于HMC1021Z磁阻傳感器與AVR單片機(jī)的金屬磁記憶檢測(cè)模塊，對(duì)有缺陷的鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)。磁場(chǎng)信號(hào)的最大梯度值計(jì)算公式如下所示：公式中：

KN—應(yīng)力集中區(qū)里磁場(chǎng)最大梯度值；

i—每個(gè)檢測(cè)模塊的檢測(cè)點(diǎn)號(hào)；

j—檢測(cè)模塊號(hào)；

f—相鄰檢測(cè)模塊之間j-M和(j+1)-M間區(qū)段號(hào)，

Likj—j檢測(cè)模塊檢測(cè)點(diǎn)i和i-1之間的距離；

Likf—f區(qū)段上第i次檢測(cè)時(shí)j—M和(j+1)-M通道之間的距離。

將檢測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)經(jīng)MATLAB處理得到磁場(chǎng)梯度信號(hào)曲線如圖5所示。

圖5 磁記憶信號(hào)梯度值曲線

在測(cè)試點(diǎn)40-60處磁場(chǎng)信號(hào)梯度值的幅度正負(fù)相差達(dá)8000A/m2以上，這與鋼絲繩應(yīng)力損傷的實(shí)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(fù)相差值小于5000A/m2。

5.結(jié)論

結(jié)果表明：磁阻傳感器能夠檢測(cè)到鋼絲繩磁場(chǎng)信號(hào)，信號(hào)在應(yīng)力集中損傷位置具有過零點(diǎn)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(lián)合比照可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)鋼絲繩疲勞損傷的定位。利用金屬磁記憶技術(shù)檢測(cè)鋼絲繩損傷是可行的，以后將進(jìn)一步對(duì)損傷定位精度方面進(jìn)行研究。

［1］褚建新，顧偉.鋼絲繩缺陷漏磁場(chǎng)的磁通門檢測(cè)法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，1997，18（4）:437-440.

［2］楊書子，康宜華等.鋼絲繩定量檢測(cè)原理與技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［3］周強(qiáng)，陶德馨，顧必沖.鋼絲繩疲勞損傷漏磁監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)索道，2002，2（4）:30-32.

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

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2010-01-09

孫劍（1975-），男，安徽黟縣人，黃山學(xué)院講師，工科碩士。

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