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(xué)校，河南 新鄉(xiāng)453003;2.鄭州航天電子技術(shù)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(chǎn)、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(jié)、機械磨損、超載疲勞和銹蝕等［1］，使得鋼纜容易出現(xiàn)以下現(xiàn)象:①斷絲［2］。斷絲是常見的現(xiàn)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(nèi)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(jié)構(gòu)反復(fù)摩擦引起的;內(nèi)部磨損是鋼纜在經(jīng)過卷筒或滑輪時，其所承受全部負(fù)荷集中在一側(cè)，各根鋼絲在內(nèi)部產(chǎn)生滑移和相互作用力，增加了股與股之間的接觸應(yīng)力。當(dāng)拉伸、彎曲反復(fù)循環(huán)時，則產(chǎn)生的應(yīng)力集中使得內(nèi)部鋼絲折斷。③銹蝕。銹蝕通常發(fā)生鋼纜在內(nèi)部，很難被發(fā)現(xiàn)。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(yán)重。在腐蝕環(huán)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(fù)通過滑輪或卷筒時，撓上撓下無數(shù)次的彎曲容易使鋼纜產(chǎn)生疲勞，韌性下降，最終導(dǎo)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(yīng)力也會引起疲勞。鋼絲繩經(jīng)常受到扭曲和震動也是產(chǎn)生疲勞的原因。通常情況下，疲勞斷絲的出現(xiàn)意味著鋼纜已接近于使用后期。

具有良好的經(jīng)驗和判斷力的檢測技術(shù)人員可能發(fā)現(xiàn)顯性損傷，但基本上無法捕捉和顯現(xiàn)隱性損傷［4］，因為無法使用傳統(tǒng)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(jù)而提前報廢鋼纜造成的經(jīng)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(lǐng)域的運行鋼纜之中。

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

1 鋼纜損傷對導(dǎo)磁性能的影響

從微觀層次來看，將鋼纜內(nèi)部參與負(fù)荷的區(qū)域進一步細(xì)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(nèi)參與機械負(fù)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(tài)下的磁動勢不能真實地反映體積元的材質(zhì)特征，即材料究竟是正常還是有缺陷。

向鐵磁性構(gòu)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(xù)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(xù)，穿過任意體積元的磁通等量，而且磁通密度均勻。

如果發(fā)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(guī)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(chǎn)生磁能勢差異，如圖1 所示。而且，這些退變的程度越嚴(yán)重，磁能勢差異就越突出。

圖1 各種缺陷的形態(tài)和對磁力線的影響

2 磁通門檢測技術(shù)

磁通門現(xiàn)象是一種普遍存在的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，利用被測磁場中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應(yīng)強度與磁場強度的非線性關(guān)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(zhì)量輕、功耗低、經(jīng)濟性能好等優(yōu)點，能夠直接測量磁場的分量和適于在高速運動系統(tǒng)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(dǎo)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(yīng)線圈，通過檢測感應(yīng)線圈兩端的感應(yīng)電動勢e2(t)來檢測待測磁場。

圖2 磁通門工作原理

假設(shè)激勵電流i1(t)在兩根鐵芯中產(chǎn)生的磁場強度為H1，大小相等，方向相反［13］。當(dāng)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(huán)境中。如果兩根鐵芯的磁特性完全相同，則鐵芯中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度可表示為

此時，感應(yīng)線圈兩端的感應(yīng)電動勢為

式中:S 為鐵芯的截面積;N2為感應(yīng)線圈的匝數(shù)。

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(guān)的常數(shù)。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(shù)，不能在感應(yīng)線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)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(jié)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(huán)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(yīng)線圈的輸出電壓［14］。同時，集膚效應(yīng)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(huán)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(qū)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(yīng)線圈面積S =0.25 cm2，匝數(shù)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(tǒng)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(zhuǎn)換器后，制作的傳感器的線性工作區(qū)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(guān)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(xiàn)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(chǎn)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(nèi)部損傷的位置、性質(zhì)和數(shù)量，從而實現(xiàn)了無損條件下定位、定性和定量檢測鋼纜的內(nèi)部損傷。

根據(jù)磁通門原理制作的鋼纜內(nèi)部磁能檢測探頭結(jié)構(gòu)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(jù)磁能曲線的幅度與形狀，判斷出鋼纜內(nèi)部的損傷狀況。

圖3 磁通門檢測頭結(jié)構(gòu)

3 檢測結(jié)果與分析

使用磁通門技術(shù)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(tài)下的磁能檢測結(jié)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(jié)果。

圖4 磁通門的噪聲(×1 000)

對鋼纜斷絲的某次檢測結(jié)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(jù)此特征加上多次檢測，一般都能準(zhǔn)確無誤地檢測出鋼纜的內(nèi)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(jié)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(tǒng)計平均方法可得到有效的抑制。

4 結(jié) 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(jié)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(shù)對鋼纜損傷進行檢測，減少了維護時間，節(jié)約了檢測能源和成本，提高了設(shè)備的安全程度，具有重大的應(yīng)用及推廣意義。

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