萬(wàn)舟 單陽(yáng) 魏健雄

摘 要：在電梯鋼絲繩檢測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)勵(lì)磁裝置、磁場(chǎng)檢測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控顯示、報(bào)警系統(tǒng)對(duì)鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩LF缺陷的檢測(cè)，建立單絲磁偶極子模型進(jìn)行仿真，根據(jù)隧道磁電阻傳感器（Tunnel Magneto Resistance 簡(jiǎn)稱TMR）的原理和特性，對(duì)TMR傳感器進(jìn)行對(duì)稱環(huán)繞分層式排列，減小檢測(cè)過(guò)程中的信號(hào)干擾，通過(guò)仿真選擇合適的提離高度，使檢測(cè)系統(tǒng)滿足對(duì)缺陷的檢測(cè)要求。結(jié)果表明，TMR磁傳感器可以減輕裝置重量，并且可以達(dá)到LF檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：鋼絲繩；勵(lì)磁結(jié)構(gòu)；TMR磁傳感器；環(huán)繞分層式

DOI：10.11907/rjdk.172613

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）004-0171-04

Abstract：The excitation device， the magnetic field detection device， the data acquisition， the data processing， the monitoring display and the alarm system are tested in the nondestructive testing system of the elevator steel wire rope.In order to test the LF defects of steel wire rope， the single dipole model is established for simulation. According to the principle and properties of tunnel magneto resistance （TMR） sensor， the TMR sensors are in the ambient and layered arrangement to reduce signal interference in detection. Proper lift-off height is obtained from simulation so that the detection system can meet the requirements of defect detection. It is shown that the TMR magnetic can reduce the device weight and meet the LF detection standards.

Key Words：steel wire rope； excitation structure； TMR magnetic sensor； ambient and layered arrangement

0 引言

鋼絲繩作為電梯、提升機(jī)、塔橋、吊索等設(shè)備的重要組成部分，在日常工作中起到很關(guān)鍵的作用。所以，鋼絲繩維護(hù)與檢測(cè)是非常重要的環(huán)節(jié)。鋼絲繩制作材料繁多，性能非常優(yōu)越，但是制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜，帶來(lái)的缺陷同樣也很多，有的出現(xiàn)在外表面而有的出現(xiàn)在內(nèi)表面，加上油污灰塵等雜質(zhì)影響，給人工目測(cè)帶來(lái)了極大困難。強(qiáng)度損失很少甚至沒(méi)有損傷的有時(shí)卻被強(qiáng)制更換，造成了巨大的資源浪費(fèi)。為了滿足生產(chǎn)安全要求，提高經(jīng)濟(jì)效益，鋼絲繩的無(wú)損檢測(cè)應(yīng)運(yùn)而生。

無(wú)損檢測(cè)是在不損壞鋼絲繩的情況下對(duì)鋼絲繩的性能進(jìn)行檢測(cè)，而電磁檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是成本相對(duì)較低、操作簡(jiǎn)單方便、精確度高等?；魻杺鞲衅鬏敵鲂盘?hào)穩(wěn)定、不需耦合劑且快速可靠、成本低，但是電磁檢測(cè)法需要高靈敏度，就需要用聚磁環(huán)放大磁場(chǎng)以提高靈敏度[1]，造成勵(lì)磁裝置體積和質(zhì)量增加。而TMR 磁傳感器芯片具有體型小、成本低、功耗低、集成度高、響應(yīng)頻率高和靈敏度高等特性，可以提高檢測(cè)精度[2]。合理安排TMR磁傳感器的排列方式，可以及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)鋼絲繩。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鋼絲繩檢測(cè)裝置包括以下幾個(gè)部分：勵(lì)磁裝置、磁場(chǎng)檢測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控顯示、報(bào)警系統(tǒng)。

檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。勵(lì)磁裝置首先將需要檢測(cè)的鋼絲繩磁化，如果鋼絲繩有問(wèn)題，磁場(chǎng)檢測(cè)裝置中的TMR磁傳感器檢測(cè)到磁場(chǎng)中的漏磁信號(hào)，將采集到的信號(hào)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集部分，由等距離脈沖發(fā)生器將等距離采樣信號(hào)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理裝置，同時(shí)記錄下被檢測(cè)鋼絲繩的位置，發(fā)送給數(shù)據(jù)采集部分的等距離采樣信號(hào)和漏磁信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成編碼信號(hào)，編碼信號(hào)由S3C24W處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)由報(bào)警系統(tǒng)裝置進(jìn)行警示。為了更直觀地了解鋼絲繩的檢測(cè)結(jié)果且儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，可以上接PC系統(tǒng)進(jìn)行顯示。

構(gòu)成勵(lì)磁器的勵(lì)磁磁路主要由永磁體、工業(yè)純鐵、空氣氣隙和待測(cè)段形成。鋼絲繩的缺陷一般包括內(nèi)部和外部損傷腐蝕。若被檢測(cè)的鋼絲繩段沒(méi)有缺陷，則不會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，若材料存在問(wèn)題，則磁傳感器就會(huì)檢測(cè)到勵(lì)磁裝置產(chǎn)生的漏磁信號(hào)。在勵(lì)磁器的勵(lì)磁回路設(shè)計(jì)中，為了降低對(duì)漏磁信號(hào)的干擾，應(yīng)保證合理磁化鋼絲繩段，鋼絲繩由多股繩捻接而成，本身就存在干擾信號(hào)。兩塊永磁鐵周圍是磁導(dǎo)率很高的軟磁材料，不僅可以令鋼絲繩均勻地磁化，同時(shí)也可以提高被檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度，更好地進(jìn)行漏磁檢測(cè)。為了檢測(cè)漏磁信號(hào)，需要用到磁傳感器（見(jiàn)圖2）。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

由于鋼絲繩結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，所產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)也會(huì)復(fù)雜，為了方便進(jìn)行理論探討，需要建立數(shù)學(xué)模型，所以會(huì)對(duì)鋼絲繩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據(jù)漏磁場(chǎng)的對(duì)稱性和其它分量的特點(diǎn)，采用磁偶極子模型對(duì)漏磁場(chǎng)建立數(shù)學(xué)模型。

建立X-Y坐標(biāo)軸，2b為鋼絲繩斷絲的寬度，O為斷絲口的中心點(diǎn)，P1和P2為磁荷，P點(diǎn)為漏磁場(chǎng)的任意一點(diǎn)，r、r1、r2分別為P點(diǎn)到兩個(gè)磁荷O、P1和P2的距離，2l為磁荷之間的距離。根據(jù)磁荷分布原理和磁場(chǎng)疊加理論可得，P點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B為P1點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B1與P2點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度B2的矢量疊加，即：

2.1 實(shí)驗(yàn)分析

利用Matlab對(duì)鋼絲繩的斷口寬度和提離距離影響因素進(jìn)行分析，B=0.85T，μ=4π×10-7。

2.1.1 斷口寬度

傳感器對(duì)于鋼絲繩斷口的提離高度為3mm，鋼絲繩d=3mm，b的值分別取0.25，0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5mm，根據(jù)式（8）-式（10），軸向漏磁強(qiáng)度和徑向漏磁強(qiáng)度如圖4所示。

從圖4中可以看出，不同寬度斷口的漏磁場(chǎng)的徑向磁場(chǎng)變化中，當(dāng)0

從圖5中可以看出，不同寬度斷口漏磁場(chǎng)軸向磁場(chǎng)變化中，當(dāng)0

綜上所述，b的取值宜在1～2mm之間。

2.1.2 提離高度

傳感器對(duì)于鋼絲繩斷口寬度2b=4mm，鋼絲繩提離高度y的值分別取1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5mm，根據(jù)式（8）-式（10），軸向漏磁強(qiáng)度和徑向漏磁強(qiáng)度如圖6所示。

由圖6曲線變化可知，斷口漏磁場(chǎng)徑向磁場(chǎng)的大小隨著提離高度的增加變化非常明顯。但是，在軸向磁場(chǎng)的變化圖7中，隨著提離距離的變小，磁場(chǎng)的強(qiáng)度變化特別明顯，但是漏磁場(chǎng)的“山峰”形態(tài)也趨于明顯。

綜上所述，y的取值宜在2～3mm之間。

2.2 TMR磁傳感器分布

為了能夠全方位檢測(cè)鋼絲繩，根據(jù)TMR磁傳感器的敏感感應(yīng)方向，將傳感器放置在與鋼絲繩中心軸成180°方向和中心軸成90°方向。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

為了盡可能檢測(cè)到鋼絲繩上所有的缺陷與損傷，減少傳感器排列不均造成的干擾信號(hào)，傳感器的數(shù)量N應(yīng)滿足：

式（11）中：R為檢測(cè)環(huán)半徑；L1、L2為軸向和徑向TMR傳感器的檢測(cè)長(zhǎng)度。

3 應(yīng)用效果

利用TMR磁傳感器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)一根有缺陷的客梯鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)，提離高度為3mm，斷口寬度取1mm和2mm。檢測(cè)上海三菱公司生產(chǎn)的菱云系列電梯，額定速度是1～2.5m/s，額定載重量是630～2 500kg，標(biāo)準(zhǔn)最大提升高度是120m，實(shí)驗(yàn)鋼絲繩采用直徑16mm。

如圖9所示鋼絲繩的斷絲檢測(cè)狀況。很明顯，存在5處比較明顯的波峰波谷，除上述5處變化外，其余波形都穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，其幅值穩(wěn)定在0.758～0.801，這是因?yàn)殇摻z繩受股波和鋼絲繩波動(dòng)因素影響。圖中5處為檢測(cè)到斷絲一根、斷口寬度1mm的波形變化，峰頂為0.758V，峰谷為0.731V，是最小損傷狀況的電壓值。圖中2處為檢測(cè)到斷絲4根斷口寬度2mm的波形變化，峰頂為0.799V，峰谷為0.709V，峰值差為0.090V。

表2顯示，利用TMR磁傳感器檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)鋼絲繩的準(zhǔn)確度，沒(méi)有檢測(cè)出的斷絲一般都是鋼絲繩的內(nèi)里斷絲和鋼絲繩的銹蝕斷絲。在以往所有的無(wú)損檢測(cè)中，霍爾傳感器對(duì)于鋼絲繩的缺陷檢測(cè)較為普遍，但是信號(hào)的放大處理造成了裝置笨拙和成本增加，而TMR 磁傳感器可以簡(jiǎn)化信號(hào)處理這一步驟，減輕裝置重量。

4 結(jié)語(yǔ)

基于TMR磁傳感器的鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)軸向和徑向缺陷的雙重檢測(cè)，采用S3C24W處理器提高集成性，充分保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。鋼絲繩結(jié)構(gòu)不盡相同，所造成的缺陷也有很大差異，只有保證數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在建立鋼絲繩數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)才更有參考價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：何 麗）