微小型鋼絲繩漏磁檢測傳感器與儀器

康宜華，黎振捷，楊 蕓，邱 晨

（1.華中科技大學(xué)，武漢 430074；2.武漢華宇一目檢測裝備有限公司，武漢 430074）

鋼絲繩在電梯、提升機(jī)、索道等設(shè)備中廣泛應(yīng)用，漏磁檢測是目前針對鋼絲繩最可靠和最有效的無損檢測方法［1］。鋼絲繩中的斷絲、腐蝕、磨損和機(jī)械損傷等都可以通過該法檢測出來。國內(nèi)外已進(jìn)行了大量的鋼絲繩檢測研究工作，并生產(chǎn)出各式檢測設(shè)備［2］。目前，鋼絲繩漏磁檢測一般采用穿過式線圈磁化或者永磁磁軛式磁化，因而設(shè)計(jì)的傳感器體積大且重。

筆者提出采用穿過式永久磁鐵磁化的檢測傳感方法，最大限度地減小了傳感器體積和重量。基于Ansys有限元仿真，建立鋼絲繩漏磁檢測磁化器模型，研究不同磁化器結(jié)構(gòu)和尺寸對磁化的影響，從而優(yōu)化磁化器結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)檢測傳感器的微小型設(shè)計(jì)。

1 漏磁磁化方法與裝置

漏磁檢測的關(guān)鍵在于磁化器和檢測傳感器的設(shè)計(jì)，目前用于鋼絲繩檢測的磁化方法主要有傳統(tǒng)磁軛式永磁磁化和穿過式永磁磁化，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。通過Ansys有限元分析計(jì)算，研究了兩種磁化方法的磁化檢測效果。建立兩種磁化方法的三維仿真模型，以＃28鋼絲繩為例，由于其結(jié)構(gòu)緊密，可以等效為鋼棒［3］，在其表面刻有寬2mm，深2mm，30°的槽來模擬斷絲。保證穿過式磁鐵和方塊磁鐵的厚度和磁極面積一致，磁極與鋼絲繩距離一致，同時(shí)軸向覆蓋長度一致。磁軛式磁化方法中方形磁鐵磁極的尺寸為48mm（軸向）×32mm（周向），厚度為10mm（徑向）。銜鐵尺寸為146mm（軸向）×32mm（周向）×30mm（徑向）。穿過式磁化方法中穿過式磁鐵內(nèi)外徑分別為35，95mm，厚度為10mm，銜鐵內(nèi)外徑與磁鐵一致，軸向長度為126mm。圖1所示為兩種磁化方法的三維仿真模型。

圖1 穿過式磁化與磁軛式磁化有限元模型

圖2為兩種磁化方法磁化效果對比圖。從圖2中可以看出傳統(tǒng)磁軛式磁化法檢出的漏磁信號要優(yōu)于穿過式磁鐵磁化法。同時(shí)計(jì)算了當(dāng)鋼絲繩偏離中心位置時(shí)，兩種磁化形式對于鋼絲繩的偏吸力，磁軛式偏吸力為45.3N，穿過式為11.5N。穿過式磁鐵磁化法的優(yōu)點(diǎn)在于方便安裝，且工作過程中對鋼絲繩的偏吸力較小，便于檢測機(jī)構(gòu)在鋼絲繩上順利運(yùn)動。

圖2 兩種磁化方法磁化效果對比圖

筆者主要對穿過式磁鐵磁化方法及其檢測效果進(jìn)行研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)磁化器的結(jié)構(gòu)尺寸，增強(qiáng)漏磁信號［4］。圖3為穿過式磁化二維模型。從圖3可看出，磁化器主體為兩個(gè)穿過式磁鐵和銜鐵，它們與鋼絲繩及中間氣縫共同構(gòu)成磁路［5］。通過合理選擇穿過式磁鐵、銜鐵的內(nèi)徑、磁極面積以及軸向長度，以達(dá)到符合要求的磁化能力和盡可能小的體積。

2 穿過式磁鐵磁化方法優(yōu)化

2.1 模型介紹

圖3 穿過式磁化二維模型

與第1節(jié)類似，建立穿過式磁鐵磁化方法的三維仿真模型，如圖1所示。模型包括磁化器、被測帶缺陷鋼絲繩（φ28mm，足夠長）和周圍空氣，且模型外圍的空氣場足夠大。永久磁鐵采用NdFeB35銣鐵硼永磁鐵，矯頑力490 000A／m；銜鐵采用通用純鐵，相對磁導(dǎo)率為1 000；鋼絲繩模型的磁化曲線選用碳鋼默認(rèn)的B－H 曲線。創(chuàng)建物理環(huán)境模型，分別給各部分添加材料屬性，手動劃分區(qū)域網(wǎng)格（磁鐵和檢測區(qū)網(wǎng)格等級尺寸0.000 2、銜鐵和鋼絲繩網(wǎng)格等級尺寸0.002、空氣部分網(wǎng)格等級尺寸0.004）；在檢測區(qū)劃定檢測線；計(jì)算程序，輸出前述檢測線上的磁場強(qiáng)度值，以便后續(xù)分析。在分析穿過式磁鐵磁化結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑、外徑和軸向長度時(shí)，將中間銜鐵部分視為永磁鐵進(jìn)行分析。

2.2 穿過式磁鐵內(nèi)徑對磁化效果的影響

保持磁鐵的磁極面積（即橫截面積）A＝6.15×10－3m2、磁鐵長度Lm＝50mm 不變，R1從35～90mm每隔5mm分別取值，磁鐵外徑R2相應(yīng)隨之變化。圖4顯示為鋼絲繩被磁化后缺陷漏磁信號軸向分量幅值Bz－PP隨磁鐵內(nèi)徑R1的變化規(guī)律。從圖4可見，隨著磁鐵內(nèi)徑R1的逐漸增大，鋼絲繩缺陷漏磁信號逐漸減小。這是由于磁鐵能量一定，在磁鐵內(nèi)徑不斷變大的過程中，磁場分布逐漸分散化，導(dǎo)致鋼絲繩磁化效果變差，漏磁信號逐漸降低。所以在設(shè)計(jì)過程中，在保證儀器正常運(yùn)動工作的前提下，盡可能地減小磁鐵內(nèi)徑，可達(dá)到較好的檢測效果。

圖4 漏磁信號Bz－PP隨R1變化圖

2.3 穿過式磁鐵厚度對磁化效果的影響

選定磁鐵內(nèi)徑R1為35mm，同時(shí)保持磁鐵長度Lm為50mm不變，磁鐵厚度由5～70mm每隔5mm取值一次。圖5（a）為鋼絲繩被磁化后缺陷漏磁信號軸向分量幅值Bz－PP隨磁鐵厚度Hm的變化規(guī)律。由圖5（a）可見，隨著磁鐵厚度的逐漸增大，內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度先快速增大，隨后增大的斜率逐漸減小；漏磁信號強(qiáng)度先增大到最大值，隨后保持不變，甚至有緩慢減小的趨勢。這是因?yàn)榇盆F厚度增加，磁勢不斷增強(qiáng)，鋼索內(nèi)部磁場逐漸增強(qiáng)，以至于慢慢達(dá)到飽和狀態(tài)；同時(shí)由于背景磁場的不斷增大，漏磁信號的峰峰值也很快達(dá)到最大值。磁鐵厚度繼續(xù)增大將不再適合本磁化器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以對于更大厚度磁鐵的磁化效果未作具體研究。

從上述結(jié)果中可以得出，磁鐵厚度在20～40mm間時(shí)，檢測信號達(dá)到比較理想的值。表1給出了漏磁信號增大比例與磁鐵重量增大比例的對比關(guān)系。M表示磁鐵重量，Bδ，Mδ表示磁場強(qiáng)度和重量的變化比?？梢钥闯?，磁鐵厚度從20mm增大到30mm的過程中，信號增大明顯，同時(shí)磁鐵重量增大的比例比信號增大的比例小，在可以接受的范圍內(nèi)；磁鐵厚度從30mm增大到40mm的過程中，漏磁信號雖然繼續(xù)增大，但增大比例減小，同時(shí)磁鐵重量增大非常明顯，不符合輕量化磁化器的設(shè)計(jì)要求。所以綜合上述分析，選定磁鐵厚度為30mm。

表1 磁化強(qiáng)度、磁鐵重量與磁鐵厚度對照表

2.4 穿過式磁鐵磁化器軸向長度對磁化效果的影響

在確定了磁鐵的最佳內(nèi)、外徑之后，繼續(xù)研究磁化器長度對于磁化效果的影響。保持磁鐵內(nèi)徑R1為35mm，厚度Hm為30mm不變，磁鐵長度Lm從30～100mm每隔5mm依次變化。圖5（b）顯示為鋼絲繩被磁化后缺陷漏磁信號軸向分量幅值Bz－PP隨磁鐵長度Lm的變化規(guī)律。由圖5（b）可以看出，隨著磁鐵長度的增加，內(nèi)部磁化強(qiáng)度逐漸增大，達(dá)到飽和值后保持穩(wěn)定；漏磁信號先快速增大到最大值，后慢慢減小，達(dá)到穩(wěn)定值。這是由于當(dāng)磁鐵較短（磁鐵間距較小）時(shí)，磁路相對很短，鋼絲繩磁化效果一般；隨著磁鐵長度的增加，磁路達(dá)到最佳，鋼絲繩內(nèi)部磁化強(qiáng)度達(dá)到理想值，漏磁信號也最大；當(dāng)磁鐵長度進(jìn)一步增大時(shí)，鋼絲繩磁化已飽和，漏磁信號也因?yàn)楸尘按艌龅脑蛟诼晕p小后保持不變。

圖5 漏磁信號隨磁鐵厚度、長度的變化圖

2.5 純鐵替換磁鐵的影響

在上述分析中將整個(gè)穿過式磁鐵磁化器視為一整個(gè)穿過式磁鐵，而實(shí)際應(yīng)用中，由于銣鐵硼磁鐵材料價(jià)格昂貴，所以可以考慮將穿過式磁鐵中間部分替換為純鐵，組合形成穿過式磁鐵－銜鐵－穿過式磁鐵的磁化結(jié)構(gòu)。保持磁化結(jié)構(gòu)的軸向總長度50mm不變，逐漸增加銜鐵長度，相應(yīng)減小磁鐵的長度。圖6顯示了漏磁信號Bz－PP隨銜鐵長度不斷增大的變化趨勢。從圖6可以看出，隨著中間銜鐵的不斷增加，兩邊磁鐵長度不斷減小，鋼絲繩內(nèi)部磁化強(qiáng)度和缺陷漏磁信號均會隨之減小。當(dāng)銜鐵長度為30mm，兩邊磁鐵長度均為10mm時(shí)，漏磁信號幅值為0.1T，相當(dāng)于不使用銜鐵時(shí)（0.2T）的一半，符合缺陷檢出條件，所以選定銜鐵長度為30mm，磁鐵長度為10mm。

圖6 銜鐵尺寸對磁化的影響變化圖

2.6 穿過式磁化結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

通過上述對磁化器的結(jié)構(gòu)、尺寸、磁化效果的綜合分析，可選擇出磁化效果良好，同時(shí)體積重量很小的最優(yōu)磁化器。該磁化器由兩個(gè)穿過式磁鐵和一個(gè)銜鐵組成，兩者的內(nèi)外徑相同，分別為35，95mm，磁鐵的長度為10mm，銜鐵的長度為30mm。磁化器實(shí)物如圖7所示。

圖7 磁化器實(shí)物圖

3 信號檢測方法與裝置

確定了合適的磁化器以及具體尺寸后，需要選定合適的信號檢測方法并設(shè)計(jì)合理的傳感器檢測裝置。選用線圈電感作為檢測傳感器，在實(shí)際應(yīng)用中，通常將多個(gè)線圈串聯(lián)或者適當(dāng)差分來真實(shí)反映缺陷信號。圖8為實(shí)驗(yàn)室自制的線圈傳感器，其主要由純鐵聚磁片和4個(gè)繞制線圈組成，線圈1，2以及線圈3，4串聯(lián)后再反向連接以達(dá)到差分的目的。差分可以實(shí)現(xiàn)去除鋼絲繩波股信號對于缺陷漏磁信號的影響的作用，在實(shí)際檢測中應(yīng)用意義較大。

圖8 鋼絲繩檢測傳感器示意及實(shí)物圖

通過前述仿真計(jì)算得出的磁化器最佳尺寸（如2.6節(jié)所述），同時(shí)配合上述差分線圈傳感器，設(shè)計(jì)出用于小直徑鋼絲繩檢測的簡單試驗(yàn)裝置，圖8所示為差分傳感器在檢測中的具體使用情況。圖9為經(jīng)過傳感器、放大板、采集卡后在電腦分析軟件上顯示出來的斷絲漏磁信號。從圖10可以看出，在實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)環(huán)境下，上述磁化器和檢測傳感器配合檢測出的信號信噪比良好，符合檢測要求。

圖9 鋼絲繩微型檢測傳感器

圖10 試驗(yàn)斷絲信號圖

4 結(jié)論

通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)對比可以得出如下結(jié)論，鋼絲繩斷絲漏磁信號隨磁鐵內(nèi)徑R1的增大不斷減??；隨磁鐵厚度Hm（磁極面積）的增大先快速增大，而后基本保持不變；隨磁鐵長度Lm的增大先快速增大到最大值，然后減小，最后達(dá)到穩(wěn)定值；用純鐵代替中間部分磁鐵后，漏磁信號隨之減小。針對本課題設(shè)計(jì)的微型磁化器，可以選擇磁鐵內(nèi)徑為35mm，外徑為95mm，長度為10mm，銜鐵內(nèi)外徑與磁鐵一致，長度為30mm。

選擇合適的磁化方法，繼而優(yōu)化設(shè)計(jì)磁化器具體尺寸，同時(shí)對檢測傳感器進(jìn)行合理的選擇利用，既能獲得較好的磁化效果和漏磁信號，又能適當(dāng)?shù)販p輕單個(gè)磁化器重量，從而達(dá)到鋼絲繩漏磁檢測傳感器的微型化設(shè)計(jì)的要求。

［1］ WEISCHEDEL H R.The inspection of wire ropes in service：a critical review［J］.Mater Eval，1985，43（13）：1592－605.

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

［3］ 趙敏，張東來.鋼絲繩典型缺陷的漏磁場有限元仿真［J］.無損檢測，2009，31（3）：177－180.

［4］ 袁建明，武新軍，康宜華.可重構(gòu)斜拉索磁性無損檢測機(jī)器人技術(shù)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32（3）：442－445.

［5］ 林其壬，趙佑銘.磁路設(shè)計(jì)原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987：95－100.