基于微弱磁場(chǎng)測(cè)量的鋼絲繩無(wú)損探傷

郭澤虹，郟榮榮,楊舒佩，李國(guó)烜，黃鎧杰，彭 力,1b,2

(1.華南師范大學(xué)a.物理與電信工程學(xué)院;b.物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣東 廣州 510006；2.華南師大(清遠(yuǎn))科技創(chuàng)新研究院有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511517)

隨著鋼絲繩在生產(chǎn)和生活中的廣泛應(yīng)用，其安全使用問(wèn)題得到日益重視. 既要盡量延長(zhǎng)鋼絲繩的使用壽命，同時(shí)又要減少由鋼絲繩缺陷導(dǎo)致的安全問(wèn)題，確保在發(fā)生事故之前鋼絲繩能夠及時(shí)被更換. 現(xiàn)存的鋼絲繩檢測(cè)方法有：人工目測(cè)法、光學(xué)法、聲學(xué)檢測(cè)法、電磁檢測(cè)法、X射線(xiàn)檢測(cè)法等. 電磁檢測(cè)法又可分為漏磁檢測(cè)法、磁橋路法、多回路勵(lì)磁檢測(cè)法、主磁通法等[1],其中漏磁檢測(cè)法是最常用的檢測(cè)方法. 但是目前漏磁檢測(cè)法仍存在明顯的局限和不足，例如：對(duì)缺陷的損傷程度的預(yù)估有限，精度不高，檢測(cè)儀器笨重等問(wèn)題[2]，而且大多研究的對(duì)象為鋼絲繩外部缺陷[3-4]. 為此，本文基于漏磁檢測(cè)原理設(shè)計(jì)了便攜式鋼絲繩缺陷檢測(cè)裝置，利用By-Bx圖來(lái)定性描述鋼絲繩損傷情況，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩內(nèi)部、外部損傷的在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，并通過(guò)理論仿真和具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本裝置測(cè)量結(jié)果的精確性，為鋼絲繩故障在線(xiàn)檢測(cè)提供了一種可靠的手段.

1 鋼絲繩漏磁檢測(cè)的基本理論

1.1 鋼絲繩缺陷的基本類(lèi)型

目前,鋼絲繩的損傷缺陷一般可以分為2類(lèi)：鋼絲繩局部故障類(lèi)型(Localized fault,LT)和金屬截面積故障類(lèi)型(Loss of metallic area,LMA). 其中，LF型損傷主要是斷絲損傷，包括：銹蝕、局部形狀畸形等；LMA型的主要表現(xiàn)為橫截面積減少，一般是軸向面積減少，LMA型損傷主要包括長(zhǎng)距離銹蝕、磨損、繩徑縮細(xì)等[5].

對(duì)于鋼絲繩損傷，這2類(lèi)損傷相互影響，一種損傷發(fā)生可能導(dǎo)致另一種損傷也同時(shí)發(fā)生，因此很多鋼絲繩缺陷檢測(cè)裝置都是檢測(cè)斷絲缺陷，本文也以斷絲缺陷作為主要研究對(duì)象.

1.2 鋼絲繩漏磁檢測(cè)的基本原理

圖1所示為漏磁場(chǎng)檢測(cè)法檢測(cè)鋼絲繩缺陷的基本原理. 對(duì)鋼絲繩進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)，需要用勵(lì)磁裝置將鋼絲繩軸向局部磁化至飽和狀態(tài)，如果鋼絲繩不存在缺陷，則鋼絲繩內(nèi)部磁通量保持不變，沒(méi)有漏磁信號(hào)產(chǎn)生. 當(dāng)鋼絲繩存在缺陷時(shí)，缺陷處的磁導(dǎo)率降低，磁阻增大，磁感線(xiàn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，部分磁感線(xiàn)擴(kuò)散到缺陷表面，鋼絲繩內(nèi)磁通量發(fā)生改變，形成漏磁場(chǎng)[6]. 為了能夠定量分析鋼絲繩的損傷情況，需要用磁敏元件測(cè)量鋼絲繩漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行分析處理.

圖1 漏磁場(chǎng)檢測(cè)法示意圖

2 數(shù)值分析

搭建檢測(cè)裝置前，采用有限元法進(jìn)行數(shù)值仿真. 為了使鋼絲繩內(nèi)部達(dá)到均勻的飽和磁化效果，同時(shí)考慮到裝置的輕便性，本實(shí)驗(yàn)選擇周向四回路勵(lì)磁方式. 勵(lì)磁裝置仿真模型如圖 2所示，檢測(cè)位置距離鋼絲繩表面1 mm，即提離值為1 mm，掃描范圍為中心軸線(xiàn)附近30 mm，如圖2中紅色線(xiàn)段所示，其中黃色框線(xiàn)部分為所設(shè)置的缺陷，其放大圖如圖 3所示. 在實(shí)際應(yīng)用中，鋼絲繩的損傷常為斷絲損傷，本文對(duì)直徑為10 mm的鋼絲繩設(shè)置不同斷絲長(zhǎng)度的缺陷(如圖 3所示)進(jìn)行了仿真，方體缺陷的長(zhǎng)、寬、深分別為Dx，Dy，Dz，漏磁場(chǎng)的3個(gè)方向分量分別為沿鋼絲繩周長(zhǎng)方向的周向分量Bx，沿鋼絲繩繩長(zhǎng)方向的軸向分量By及沿鋼絲繩直徑方向的徑向分量Bz[7].

圖2 勵(lì)磁裝置仿真模型圖

圖3 模型局部放大圖

設(shè)置Dy=Dz=1 mm，外部缺陷長(zhǎng)度分別取1.0,1.5，2.0,2.5，3.0 mm進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到如圖 4所示的結(jié)果. 從圖 4(a)可以看出，鋼絲繩的周向漏磁信號(hào)Bx強(qiáng)度較小，且雜亂無(wú)章；從圖 4(b)可以看出，隨著缺陷長(zhǎng)度增加，軸向漏磁場(chǎng)曲線(xiàn)的峰值逐漸加大；從圖 4(c)可以看出，隨著缺陷長(zhǎng)度增加，曲線(xiàn)兩峰的峰值均增加. 以Bz為橫坐標(biāo)，By為縱坐標(biāo)，即可繪制出圖 4(d).By-Bz圖是判斷是否存在缺陷的重要指標(biāo)，鋼絲繩不存在缺陷時(shí)，其表面磁場(chǎng)保持不變，在圖中表示為1個(gè)點(diǎn)；當(dāng)缺陷存在時(shí)，其表面存在漏磁場(chǎng)，可以在By-Bz圖中繪制出漏磁圓.當(dāng)缺陷在外部時(shí)，其By-Bz圖為向中心凹陷的非閉合圓環(huán)，且隨著缺陷長(zhǎng)度的增大，“漏磁圓”的面積不斷增大. 提取不同長(zhǎng)度外部缺陷所對(duì)應(yīng)的軸向漏磁場(chǎng)的峰峰值信號(hào)仿真結(jié)果如圖6(a)所示，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，軸向漏磁信號(hào)峰峰值與缺陷長(zhǎng)度之間呈線(xiàn)性正相關(guān)[8].

(a)周向 (b)軸向

探究?jī)?nèi)部缺陷長(zhǎng)度對(duì)漏磁信號(hào)的影響，將上述5組長(zhǎng)度不同的缺陷設(shè)置在鋼絲繩內(nèi)部，缺陷上表面距離鋼絲繩表面的距離設(shè)置為1 mm，即埋藏深度為1 mm，掃描范圍和提離值與外部缺陷檢測(cè)設(shè)置一致，仿真結(jié)果如圖 5所示. 可以得到以下結(jié)論：對(duì)于不同長(zhǎng)度的內(nèi)部缺陷，其漏磁場(chǎng)的變化規(guī)律與外部缺陷一致，只是在數(shù)值上要小于同一缺陷時(shí)外部缺陷漏磁場(chǎng). 不同長(zhǎng)度內(nèi)部缺陷的By-Bz圖形狀與外部缺陷一致，但對(duì)于相同尺寸缺陷，內(nèi)部缺陷By-Bz圖形所圍面積要小于外部缺陷. 如圖6(b)所示，在一定范圍內(nèi)，內(nèi)部缺陷軸向漏磁信號(hào)峰峰值與缺陷長(zhǎng)度之間的線(xiàn)性相關(guān)性較強(qiáng).

(a)周向 (b)軸向

(a)外部缺陷

3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖7所示，采用STC8G2K64S4與ESP8266作為主控芯片，主要由數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、虛擬系統(tǒng)和外部環(huán)境模擬系統(tǒng)組成. 實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物圖如圖8所示.

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)裝置和檢測(cè)裝置組成，通過(guò)NRF無(wú)線(xiàn)串口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置與檢測(cè)裝置的同步以及整體實(shí)驗(yàn)裝置與上位機(jī)的通訊.

驅(qū)動(dòng)裝置的主體部分是42步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來(lái)匹配不同的數(shù)據(jù)采集速率，可以提高缺陷檢測(cè)的效率.

檢測(cè)裝置主體部分為四回路勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，如圖 9所示. 勵(lì)磁裝置的外殼是帶有導(dǎo)向滑輪的亞克力板，尺寸為89 mm×89 mm×270 mm，適用于測(cè)量半徑小于10 mm的鋼絲繩. 勵(lì)磁裝置內(nèi)部4塊長(zhǎng)方形銜鐵大小為10 mm×250 mm×10 mm，分別固定在盒子的4個(gè)側(cè)面，每塊銜鐵左右兩邊分別固定大小為10 mm×30 mm×10 mm的永磁體(釹鐵硼)，用于產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，使得鋼絲繩達(dá)到均勻飽和磁化. 盒子中部上、下、左、右位置各固定三維霍爾傳感器，用于檢測(cè)不同缺陷位置在不同方向產(chǎn)生的漏磁信號(hào). 當(dāng)鋼絲繩出現(xiàn)缺陷，缺陷處的磁感應(yīng)強(qiáng)度將會(huì)增大. 當(dāng)采集的數(shù)據(jù)大于設(shè)定的閾值時(shí)，即代表鋼絲繩上存在缺陷，檢測(cè)裝置上的蜂鳴器將會(huì)報(bào)警，并記錄缺陷的位置，從而通過(guò)鋼絲繩缺陷數(shù)量和位置的記錄實(shí)現(xiàn)鋼絲繩缺陷定位和示警的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能.

(a) (b)圖9 勵(lì)磁裝置圖

數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的具體程序流程如圖10所示.

圖10 裝置系統(tǒng)框圖

虛擬系統(tǒng)的主控模塊如圖11所示，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行控制和調(diào)用. 由圖4(a)和5(a)可知，周向漏磁信號(hào)較小且無(wú)規(guī)律，因此虛擬系統(tǒng)只展示鋼絲繩漏磁信號(hào)的軸向與徑向數(shù)據(jù). 1～4號(hào)傳感器的軸向數(shù)據(jù)分別用通道1～4顯示，徑向數(shù)據(jù)分別用通道5～8顯示. 當(dāng)傳感器經(jīng)過(guò)鋼絲繩的缺陷部位時(shí)，波形圖標(biāo)上將會(huì)顯示缺陷信號(hào)的波形，根據(jù)顯示的波形，即可判斷傳感器檢測(cè)位置是否存在缺陷以及缺陷的長(zhǎng)度和位置等. 同時(shí)，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中點(diǎn)擊“By-Bz圖”按鈕，各個(gè)傳感器所測(cè)By-Bz圖將會(huì)顯示在界面中.

圖11 虛擬儀器系統(tǒng)前面板

外部環(huán)境模擬包括：木板、鋼絲繩架、導(dǎo)軌和四驅(qū)小車(chē). 通過(guò)將鋼絲繩缺陷檢測(cè)裝置固定在四驅(qū)小車(chē)上，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢測(cè)裝置沿鋼絲繩在木板上平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而模擬實(shí)際情況下鋼絲繩與檢測(cè)裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè).

4 結(jié)果與討論

沿鋼絲繩周向方向制造多處斷絲，斷絲根數(shù)可以近似看作仿真中的缺陷長(zhǎng)度. 通過(guò)上位機(jī)程序控制自動(dòng)測(cè)量鋼絲繩外部和內(nèi)部缺陷的漏磁信號(hào)，并對(duì)缺陷位置進(jìn)行定位和預(yù)警.

4.1 數(shù)據(jù)采集與顯示

傳感器始終固定在勵(lì)磁裝置內(nèi)部，鋼絲繩不存在缺陷時(shí)，傳感器將保持固定值，若經(jīng)過(guò)缺陷，則會(huì)在軸向和徑向上檢測(cè)到磁場(chǎng)的變化. 實(shí)驗(yàn)對(duì)直徑為10 mm的鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)，得到漏磁信號(hào)如圖12和13所示，圖中n為采集的數(shù)據(jù)點(diǎn). 根據(jù)波形信號(hào)可知，這段鋼絲繩上存在4個(gè)缺陷，可以通過(guò)曲線(xiàn)波動(dòng)的程度反映缺陷的相對(duì)大小. 同時(shí)，對(duì)于同一缺陷，不同傳感器檢測(cè)到漏磁信號(hào)的大小不同，是由于靠近缺陷最近的傳感器所檢測(cè)到的波形變化最大所導(dǎo)致. 由于通道3和通道7檢測(cè)到的信號(hào)變化最大，表明這2個(gè)通道所對(duì)應(yīng)的3號(hào)傳感器最靠近缺陷，故在量化缺陷大小時(shí)應(yīng)當(dāng)以3號(hào)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)變化為準(zhǔn).

圖12 軸向漏磁信號(hào)波形圖

圖13 徑向漏磁信號(hào)波形圖

在實(shí)際檢測(cè)中，由于裝置本身的微小振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致軸向和徑向的漏磁信號(hào)存在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，即使沒(méi)有缺陷時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生如圖14所示的紅色框線(xiàn)內(nèi)的信號(hào)，因此可定義此紅色方框?yàn)榘踩珔^(qū)，只有當(dāng)缺陷信號(hào)超出安全區(qū)時(shí)才表明鋼絲繩存在缺陷[9]. 當(dāng)裝置經(jīng)過(guò)鋼絲繩缺陷，在By-Bz圖上就會(huì)顯示出“漏磁圓”. 圖14為同次測(cè)量3號(hào)傳感器對(duì)應(yīng)的By-Bz圖.

圖14中存在5個(gè)大小不同的圓，位于安全區(qū)外的4個(gè)圓分別對(duì)應(yīng)鋼絲繩的4個(gè)缺陷. 由仿真結(jié)果可得，內(nèi)部缺陷By-Bz圖的面積有可能大于外部缺陷By-Bz圖的面積，因此在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中需要結(jié)合人工目測(cè)法等其他方法對(duì)缺陷的類(lèi)型進(jìn)行進(jìn)一步判定. 其中外圍的2個(gè)圓面積較大，表明該鋼絲繩存在2個(gè)外部缺陷，其余2個(gè)圓面積較小，表明存在2個(gè)內(nèi)部缺陷或損傷程度較小的外部缺陷，以此可對(duì)鋼繩的損傷進(jìn)行定性分析.

4.2 結(jié)果與討論

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)獲得外部、內(nèi)部缺陷漏磁信號(hào)的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析，軸向漏磁信號(hào)峰峰值隨斷絲數(shù)量的變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果一致，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到外部、內(nèi)部缺陷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合圖如圖15所示. 擬合方程表明，在一定范圍內(nèi)，外部和內(nèi)部缺陷軸向漏磁信號(hào)與斷絲數(shù)量成正比. 對(duì)于相同的斷絲數(shù)量，內(nèi)部缺陷的漏磁信號(hào)相較于外部缺陷較小. 基于上述規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩外部、內(nèi)部缺陷的定量識(shí)別.

(a)外部

4.3 缺陷定位結(jié)果與討論

隨機(jī)在鋼絲繩上制造3處缺陷，測(cè)量得到3處缺陷分別距離左支架24.64,37.25，50.50 cm. 當(dāng)檢測(cè)裝置經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，蜂鳴器將發(fā)出警報(bào)，OLED顯示屏將顯示裝置移動(dòng)的位移，從而實(shí)現(xiàn)缺陷定位. 具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示,其中x0為缺陷實(shí)際位置，x為檢測(cè)位置.

由表1可知，對(duì)同一缺陷進(jìn)行多次測(cè)量，得到其位置的測(cè)量值與實(shí)際值相差較小，相對(duì)偏差均能控制在4%以?xún)?nèi)，表明本裝置的缺陷定位效果較好、準(zhǔn)確度較高.

表1 缺陷定位測(cè)量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

基于磁偶極子模型和仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)了基于漏磁檢測(cè)原理的鋼絲繩缺陷檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼絲繩漏磁信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定位. 此外，可根據(jù)缺陷信號(hào)的By-Bz圖對(duì)缺陷種類(lèi)和程度進(jìn)行定性分析，利用軸向漏磁信號(hào)的峰峰值對(duì)斷絲數(shù)量進(jìn)行定量識(shí)別，對(duì)鋼絲繩缺陷的多方位檢測(cè),實(shí)現(xiàn)鋼絲繩內(nèi)部、外部損傷的在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量,為鋼絲繩故障在線(xiàn)檢測(cè)提供了可靠的手段. 本文所提出鋼絲無(wú)損探傷方法具有成本低、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量效果良好的特點(diǎn).