王柏然,童仁園,李 青,金 英,金衛(wèi)良,林 正

(1.中國計量大學 機電工程學院,浙江 杭州 310018;2.浙江省特種設備科學研究院,浙江 杭州 310020)

滑索承載索是強度高、韌性強的特種鋼絲繩,長時間運行滑索鋼絲繩會出現一定損傷,急需一種檢測裝置對其進行探傷檢測,以確保其在安全范圍內工作,保證游客人身財產安全,以及避免定期更換滑索鋼絲繩造成的資源浪費。目前鋼絲繩無損檢測有多種,曹青松[1]、于小杰[2]等推進了鋼絲繩電渦流檢測方法,檢測速度快、靈敏度高,但由于集膚效應,該方法仍然存在無法有效檢測鋼絲繩內部斷絲的問題。張燦[3]運用X光無損檢測技術實現了鋼絲繩缺陷檢測,其探傷能力強,可以直接得到X光圖樣,但是X光具有輻射性以及設備體積較大無法便攜是目前存在的問題。竇毓堂[4]提出空間磁場矢量合成原理,極大推動了鋼絲繩弱磁檢測研究的進步,但是弱磁探傷能力不強。田青山[5]利用激光檢測技術有效測量鋼絲繩徑縮變化量,但是存在結構復雜、功耗較大的問題。聶林[6]運用聲發(fā)射技術有效檢測鋼絲繩內部缺陷,但是傳感器需要接觸鋼絲繩,不適合實際應用。本文采用永磁勵磁,圓周陣列霍爾元件的漏磁檢測法,結構簡單便攜,所需能源小,探傷能力強,適合高空檢測。

1 磁路理論設計及ANSYS Maxwell磁路仿真

1.1 磁路理論分析

探傷裝置需運行在懸空滑索鋼絲繩上,無法攜帶大型電池進行勵磁,所以采用永磁勵磁法。采用環(huán)形徑向充磁的釹鐵硼永磁鐵,其具有很高的剩余磁感應強度和很高的剩余磁化強度,可以在氣隙中產生足夠強的磁場,對滑索具有穩(wěn)定、持久的磁化能力。裝置示意圖如圖1,其等效磁路如圖2。

圖1 裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of installation

圖2 等效磁路Figure 2 Equivalent magnetic circuit

由磁路歐姆定律:

(1)

(2)

可知,雙磁環(huán)回路磁通量會多于單磁環(huán)磁通量。在不考慮漏磁即閉合磁路中磁通量不變的情況下,有公式:

(3)

式(3)中:B為磁感應強度,T;Φ為磁通量,Wb;S為垂直于磁場方向的面積,m2。

可得

(4)

式(4)中:SM是磁環(huán)內環(huán)表面積,m2;SR是鋼絲繩徑向截面積,m2;BR1是單磁環(huán)鋼絲繩中磁感應強度,T;BM是磁環(huán)內環(huán)表面磁感應強度,T;N是倍數。

容易得知滑索鋼絲繩中的磁感應強度為磁環(huán)表面磁感應強度的N倍,當在滑索鋼絲繩另一端加一個磁性相反的磁環(huán)時,構成閉合磁路,磁通量增加1～2倍,滑索鋼絲繩中的磁感應強度變?yōu)?/p>

BR2=sNBM。

(5)

式(5)中,s為雙磁環(huán)磁感應強度系數,s∈(1,2)。

上述分析可以得知:可以通過控制磁環(huán)內環(huán)表面積SM來控制鋼絲繩中的磁感應強度BR2。當磁環(huán)內徑、厚度不變時可以通過加寬磁環(huán)寬度或加大磁環(huán)厚度來增大滑索鋼絲繩中的磁感應強度BR2。以使滑索鋼絲繩被充分磁化至飽和。

1.2 Maxwell磁路仿真

本裝置采用的N38燒結釹鐵硼永磁環(huán),徑向充磁,可以使滑索鋼絲繩被磁化后的內部磁場均勻分布?；麂摻z繩采用Φ16,6×36WS+IWR的鍍鋅鋼絲繩,材料為鋼絲繩碳素鋼。銜鐵材料是電工純鐵,相對磁導率高,磁路漏磁少。設定提離值為5.25 mm,磁環(huán)外環(huán)半徑17.25 mm,內環(huán)半徑13.25 mm,寬度20 mm。圖3是形狀大小相同磁場強度不同的永磁鐵勵磁情況下的滑索鋼絲繩表面軸向磁感應分布。

圖3 滑索鋼絲繩表面軸向磁感應強度分布Figure 3 Distribution of axial magnetic induction intensity on the surface of strop

由圖3可以看出,不同磁場強度的永磁鐵對滑索鋼絲繩進行磁化,滑索鋼絲繩表面磁感應強度幾乎相同,通過自制感應線圈對磁路中鋼絲繩進行磁場檢測,與仿真結果基本吻合,說明滑索鋼絲繩已經達到磁飽和狀態(tài)。

2 檢測原理與硬件電路設計

2.1 檢測原理及傳感器分布

滑索鋼絲繩為鐵磁物質,處于磁回路中時起到導磁作用,大量磁感線被約束在滑索鋼絲及氣隙之中,當滑索表面出現損傷時,完好的磁回路被破壞,滑索表面會出現漏磁場,垂直于磁感線方向放置的霍爾傳感器通過漏磁場時,輸出端的電勢差會發(fā)生變化。如圖1,一對傳感器(傳感器1、傳感器2),沿著滑索鋼絲繩軸向方向運動,當遇到漏磁信號時,傳感器2輸出端電壓U2會升高,傳感器1的輸出端電壓U1不變,為初始狀態(tài)值,ΔU=U2-U1,ΔU>0;當傳感器由空心位置運動到實心位置時,傳感器2已經檢測不到漏磁場,輸出端電壓恢復初始值,傳感器1有漏磁場穿過,輸出端電壓升高,此時ΔU<0。通過檢測ΔU的變化,可以得漏磁場的分布情況。本裝置采用12組霍爾傳感器,如圖4,圓周陣列于滑索周圍,確保不漏失損傷漏磁信號。

圖4 傳感器分布圖Figure 4 Sensor distribution

2.2 檢測電路設計

霍爾傳感器的輸出電壓作為后續(xù)檢測電路的輸入,通過濾波、差分放大進行處理,可以抑制由于裝置震動或者滑索鋼絲繩晃動引起的共模干擾,傳感器對之間的距離為滑索鋼絲繩的一個股距,可以很好的抑制股波[7]的影響。但是由于滑索鋼絲繩相鄰股距并不是嚴格的相等以及傳感器間距實際的誤差,測量得到的波形仍然是波浪形狀,斷絲的漏磁信號都是疊加在股波之中,股波信號是不能完全去除的。由于每個傳感器之間具有差異性,靜態(tài)輸出電壓不同,為了使差分放大的倍數足夠大,本文設計了傳感器輸出等電位調節(jié)電路,使得傳感器靜態(tài)輸出電壓差幾乎為0,微弱的漏磁信號會得到有效的放大。通過十二通道AD采集傳輸至MCU,數據存儲到存儲器以便分析,圖5為單通道采集電路框圖。

圖5 單通道采集電路框圖Figure 5 Block diagram of single channel acquisition circuit

3 軟件設計

本文采用旋轉編碼器輸出高電平觸發(fā)MCU外部中斷進行AD采集的方法。旋轉編碼器與滑輪軸相聯(lián),滑輪通過壓緊力壓在鋼絲繩上,不會打滑,裝置每行走1 mm,編碼器輸出一次高電平,MCU采集一組數據,存儲到外部大容量存儲器中,可以通過功能選擇,將數據讀出發(fā)送至上位機,進行數據處理和損傷分析。此方法解決了因裝置行走的速度不勻導致數據漏采的問題。圖6為程序設計流程。

圖6 程序流程圖Figure 6 Program flow chart

4 斷絲損傷判斷算法及誤差分析

對于滑索鋼絲繩來說,最典型的局部缺陷類損傷就是斷絲,由于滑索鋼絲繩表面鍍鋅,防銹效果好,所以銹蝕斑點這類損傷較少,本裝置主要針對斷絲缺陷。

4.1 實驗檢測斷絲結果

實驗測量中傳感器與斷絲缺陷的位置關系有兩種,一種是傳感器位于斷絲缺陷與滑索軸心連線的延長線上,稱為正對位置,如圖7實心圓位置;另一種是斷絲缺陷位于兩個相鄰傳感器與滑索軸心連線形成的夾角平分線上,稱為錯對位置,如圖7空心圓位置。

圖7 缺陷位置Figure 7 Location of defect

4.1.1 正對位置實驗結果分析

圖8為正對位置斷絲漏磁信號經霍爾傳感器轉化后的電壓值曲線圖?？梢钥闯鰯嘟z信號的形式為上下起伏的形式,由于斷口的形狀差異,以及斷絲翹起的程度,都會造成斷口處漏磁場的分布會有所不同,這樣經過霍爾傳感器轉化來的電壓波形也會有所差異,斷口越寬,斷絲數越多,電壓峰峰值越大?？紤]放大電路的放大倍數以及霍爾傳感器的靈敏度,可以計算得出單根斷絲的漏磁場強度在2～7 mT之間。

圖8 正對位置斷絲信號波形Figure 8 Signal waveform of wire breakage at right position

圖9是1 mm、8 mm斷口寬度斷絲信號曲線圖,可以看到1 mm斷口寬度的斷絲信號會出現第二個波峰。這是由于1 mm斷口產生的漏磁場范圍很小,小于股距,而傳感器對是按股距來布置的,當先行傳感器走過1 mm斷口漏磁場時,后行傳感器還有一段距離到1 mm斷口漏磁場,這之間就會像沒有斷口時將股波信號采集進來,從而形成這種波形;當后行傳感器到達1 mm漏磁場時,電壓波形就會下降,形成波谷。隨著斷口寬度的變大,所產生漏磁場的范圍就會變大,這樣的第二波峰就會消除掉,如8 mm斷口寬度斷絲信號一樣。斷絲斷口寬度可以根據波谷波形的寬度來判別。

圖9 1 mm、8 mm斷口寬度斷絲信號曲線圖Figure 9 1 mm、8 mm fracture width broken wire signal curve

圖10是集中處兩根斷絲與單根斷絲的信號曲線圖。對比兩根斷絲與一根斷絲峰峰值的大小,兩根斷絲的峰峰值可達到300 mV,斷口寬度大于1 mm時,將超過300 mV,大量實驗得出單根斷絲的信號峰峰值由190～290 mV之間,根據這一特點就可以實現斷絲根數的定量檢測。

圖10 1 mm斷口寬度集中兩根斷絲、一根斷絲曲線圖Figure 10 Fracture width of 1 mm concentrated two broken wires and one broken wire curve

4.1.2 錯對位置實驗結果分析

實驗中將斷口寬度5 mm的單根斷絲位于兩個相鄰傳感器之間,裝置勻速滑過后得到相鄰傳感器的輸出電壓信號波形,如圖11。A、B通道放大倍數相同,峰峰值不同是由于斷口與兩個傳感器的距離不同,距離越近,峰峰值越大。從圖11中可以看出,當相鄰傳感器之間出現斷絲缺陷時,兩個傳感器均能捕捉到漏磁場,當斷絲定性判斷兩個相鄰通道斷絲位置相同時,認為該斷絲處為可疑點,進一步觀察可疑點相鄰兩傳感器的電壓信號波形的趨勢,可判定是否為同一個處斷絲。由于實際滑索斷絲缺陷具有很大的差異性,即使滑索同一個徑向橫截面上存在兩個斷絲處,然而斷口的形狀、寬度、斷絲的翹起程度及翹起方向等都不會完全相同,這就導致了不同的斷絲缺陷會有不同分布的漏磁場,采集到的電壓信號波形也是不同的,如果相鄰傳感器輸出波形形狀、趨勢幾乎相同,可以判定存在錯對位置斷絲。

圖11 錯對位置相鄰傳感器輸出信號波形Figure 11 Stagger position adjacent sensor output signal wave

4.2 斷絲定量檢測判定算法

4.2.1 斷絲損傷的定性判斷

斷絲信號在整個檢測信號中屬于異常信號,特征明顯,會有一對較大波峰波谷出現,通過這一特征來實現斷絲損傷的定性判斷。首先要進行斷絲閾值UT的設定,取一段與待測鋼絲繩相同型號完好無損的鋼絲繩,裝置在其上檢測100個股距的距離,分別計算每個股距距離中檢測到的電壓值的最大差值即股波峰峰值,再對100個股距計算得到的股波峰峰值取最大值,再乘以一個斷絲判定系數μ,將這個值設定為斷絲閾值,公式如下:

Ui=Max{|Uim-Uij|},m≠j。

(6)

式(6)中:Ui表示第i個股距的股波峰峰值,V;Uim、Uij分別為第i個股距采集到的第m、j個電壓值,V;m與j的取值范圍由裝置運行速度和滑索鋼絲繩的股距確定;UT為斷絲閾值,V。

UT=μMax{Ui}。

(7)

式(7)中,μ為斷絲判定系數。

通過實驗結果確定,對于斷絲的定性判別,一般取2左右,不可過小,以免造成誤判。當采集到的某一股距中的電壓最大差值超過斷絲閾值UT,即可判斷為斷絲損傷。

4.2.2 斷絲損傷的定量判斷

由圖10可知,兩根斷絲與單根斷絲電壓信號的峰峰值是不同的,所以可以通過設置不同的斷絲根數閾值UST,來判斷斷絲的根數。通過實驗檢測不同斷口寬度多根斷絲采集電壓波形確定判定系數μ的取值范圍,如表1。

表1 斷絲判定系數取值范圍

斷絲根數判定公式:

UST=μUT,

(8)

Us=Max{|Usn-Usz|},n≠z。

(9)

式(9)中:Us表示實測滑索鋼絲繩的第s個股距的股波峰峰值,V;Usn、Usz分別為第s個股距采集到的第n、z個電壓值,V;n與z的取值范圍由裝置運行速度和滑索鋼絲繩的股距確定;s由滑索鋼絲繩的長度確定。

UST(μ=t)≤US≤UST(μ=t+1),t=0,1,2,3。

(10)

必須指出,當斷絲處位于錯隊位置時,其電壓信號波形會相對于正對位置的電壓信號波形有所衰減,最大約減少20%。對于錯對位置的斷絲定量判斷,可以將判定系數乘以20%再進行判斷。

4.3 誤差分析

實驗驗證中使用的滑索鋼絲繩規(guī)格是Φ16,6×36WS+IWR的鍍鋅鋼絲繩,對其不同位置,制作不同的斷絲損傷狀態(tài),如不同的斷絲位置、集中斷絲處的根數等。通過設定實驗積累的斷絲閾值經驗值來進行實驗,對不同斷絲情況的鋼絲繩進行了20次檢測,實驗結果如表2。

表2 斷絲判定實驗數據

根據表2可知,本文設計的探傷裝置的斷絲檢測準確率可以達到97%,可以有效檢測滑索鋼絲繩的斷絲缺陷。

5 總 結

本裝置利用漏磁檢測的方法,可以對滑索鋼絲繩斷絲損傷進行有效定量檢測,斷絲損傷檢測準確率可達97%,從而填補滑索鋼絲繩不能檢測的技術空白。裝置的不足體現在:1)斷絲缺陷的形態(tài)多種多樣,目前不能準確分析出斷口的形態(tài),需要積累大量的現場滑索鋼絲繩的損傷形態(tài);2)斷絲判定的算法有待優(yōu)化,對集中多根斷絲處容易誤判;3)本裝置檢測主要針對載重的滑索承載索,牽引索沒有檢測。目前滑索鋼絲繩仍然是定期更換,對滑索鋼絲繩有效的檢測,可以減少大量的資源浪費,這也是本裝置的價值所在,因此具有一定應用前景。本裝置與同課題組其他研究人員研發(fā)的索道機器人配合使用。