基于差動(dòng)變壓器的編織式鋼絲繩損傷檢測(cè)傳感器

王　兵，邵　帥，華晉偉，林　森

(1．遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，遼寧沈陽(yáng)　110032；2．遼河油田公司資產(chǎn)裝備部，遼寧盤錦　124010；3．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息中心，遼寧沈陽(yáng)　110870)

0　引言

文中主要針對(duì)編織式鋼絲繩損傷的信號(hào)檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)問(wèn)題，這類鋼絲繩主要用于電力系統(tǒng)中的送電工程用來(lái)懸掛電線，其截面不是圓形而是近似方形。由于它采用了一種特殊的方式，像編織的一樣，因此稱作編織式鋼絲繩。這種鋼絲繩具有許多優(yōu)點(diǎn)，如靈活、扭曲后無(wú)痕跡，所以非常適合牽引。編織式鋼絲繩的工作環(huán)境非常惡劣，且要求具有高可靠性的強(qiáng)度，這就需要維修與檢測(cè)。因其特殊的結(jié)構(gòu)和維修工藝，現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)不能滿足操作要求。

文中采用基于主磁通原理的磁阻監(jiān)測(cè)原理，實(shí)現(xiàn)這種鋼絲繩的斷絲檢測(cè)，其特點(diǎn)是輸出信號(hào)明顯，但背景噪聲復(fù)雜。文中采用差動(dòng)變壓器作為傳感器，以提高損傷信號(hào)的靈敏度，所以差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)決定了信號(hào)處理的精確程度。

1　用于鋼絲檢測(cè)的差動(dòng)變壓器原理

在文中鋼絲繩用作電樞，如圖1所示。如果鋼絲里有損傷，磁阻將會(huì)發(fā)生變化，沿著軸線移動(dòng)鋼絲，會(huì)使兩個(gè)次級(jí)繞組產(chǎn)生變化的的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出電壓。磁阻變化是由電樞與常見差動(dòng)變壓器內(nèi)鐵之間的氣隙隙變化引起的，這代表?yè)p傷鋼絲的變化。常見的差動(dòng)變壓器的電樞位置發(fā)生變化時(shí)，次級(jí)繞組的互感M1、M2會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)用于鋼絲檢測(cè)時(shí)，M2、M1由磁阻決定，其信號(hào)的特點(diǎn)是差動(dòng)的。

圖1　用于鋼絲檢測(cè)的差動(dòng)變壓器原理

由于鋼絲的直徑φ≤30 mm，單回路勵(lì)磁可以滿足要求，但內(nèi)徑應(yīng)足夠大使焊接點(diǎn)能通過(guò)。該傳感器是由勵(lì)磁線圈、檢測(cè)線圈、支架和鐵軛組成，支架使用絕緣尼龍制成。為減少漏磁通，支架由具有導(dǎo)磁能力的鐵軛覆蓋。勵(lì)磁線圈纏繞在中間，檢測(cè)線圈對(duì)稱的纏繞在兩側(cè)。為了增強(qiáng)輸出信號(hào)，采用線圈的匝數(shù)比為1∶1，與此同時(shí)，焊接兩個(gè)固定輪保證鋼絲移動(dòng)時(shí)位于軸線上，增強(qiáng)磁導(dǎo)及其檢測(cè)效果，如圖2所示。

圖2　傳感器結(jié)構(gòu)

2　傳感器的電磁分析

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，對(duì)于圖2所示傳感器結(jié)構(gòu)的磁路，根據(jù)對(duì)稱性取磁路的一半進(jìn)行分析。

根據(jù)基爾霍夫的磁路法：∑Hili=∑NI，即：

NIφ=H1l1+H12L+H3l3

(1)

式中：Iφ為激磁電流；N為激磁線圈匝數(shù)；H1、H2、H3分別為鐵軛、傳感器內(nèi)鋼絲繩、氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度；l1、l2、l3分別為各部分對(duì)應(yīng)的有效磁路長(zhǎng)度。

(2)

如果考慮鐵耗，有

根據(jù)式(2)

(3)

把φ=BS帶入式(3)有

(4)

對(duì)式(4)兩邊求導(dǎo)

(5)

帶入式(5)得

(6)

從式(6)可以得出

所以可以通過(guò)如下手段提高傳感器的靈敏度：

(a)沒(méi)有損傷時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度

(b)損傷在右邊時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度

(c)損傷在左邊時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度

(d)損傷在中間時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度

(1)提高線圈的品質(zhì)因數(shù)；

(2)選擇較高的勵(lì)磁頻率；

(3)在不增大傳感器尺寸的情況下增加繞組的線圈數(shù)；

(4)在不使線圈過(guò)熱的情況下增加勵(lì)磁電壓；

(5)縮短傳感器的氣隙長(zhǎng)度；

(6)軸的長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)計(jì)的短些。

3　電磁仿真

利用ANSYS電磁場(chǎng)的便利，仿真不同的激勵(lì)電壓﹑不同損傷位置時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

從圖3，可以發(fā)現(xiàn)大部分的磁力線通過(guò)鐵軛和鋼絲，只有一些漏磁通，但檢測(cè)結(jié)果不受影響；在圖3(b)和圖3(c)中，損傷發(fā)生在次級(jí)線圈的對(duì)稱位置上，可以發(fā)現(xiàn)漏磁沒(méi)有出現(xiàn)在破裂處的附近，漏磁是由于所加10 V激勵(lì)使磁路飽和而引起的，所以主磁通不受影響。此外，磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，是由損傷引起的；從圖3(d)可以看到，當(dāng)損傷出現(xiàn)在傳感器軸線時(shí)，磁力線分布是完全對(duì)稱的，所以采用差動(dòng)變壓器作為傳感器是合理的。

表1記錄了10.03 V激磁電壓時(shí)，不同損傷產(chǎn)生的不同電壓，U21和U22是傳感器的次級(jí)線圈對(duì)稱位置的輸出電壓，U2是損傷在軸線時(shí)的輸出電壓。從圖4可以看到，輸出電壓隨著損傷的增加而近似線性的增加。此外，從表1可以看到，U21和U22接近，符合基本要求。

4　結(jié)束語(yǔ)

利用差動(dòng)變壓器原邊的線性激勵(lì)和副邊兩個(gè)繞組的反接，可以實(shí)現(xiàn)鋼絲繩斷絲的在線檢測(cè)。理論分析和仿真分析結(jié)果和文本數(shù)據(jù)證實(shí)了，文中研究構(gòu)思的合理性。

表1　不同損傷產(chǎn)生的差動(dòng)電壓

圖4　不同損傷產(chǎn)生的不同電壓

參考文獻(xiàn)：

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