田 劼，王洋洋，郭紅飛，趙彩躍

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

鋼絲繩因?yàn)槠渚哂袃?yōu)越的撓性和承載能力，被廣泛的應(yīng)用在客貨運(yùn)索道、電梯、橋梁、煤礦等領(lǐng)域中。由于鋼絲繩使用的環(huán)境較為惡劣、工作時(shí)間長(zhǎng)、以及不確定性交變載荷等因素，使其在使用過程中出現(xiàn)銹蝕、磨損、斷絲等多種類型的損傷，這些損傷日積月累就會(huì)使鋼絲繩的強(qiáng)度降低，甚至有發(fā)生斷裂的可能，輕則會(huì)影響生產(chǎn)，重則會(huì)發(fā)生安全事故，威脅到鋼絲繩使用現(xiàn)場(chǎng)的人身財(cái)產(chǎn)安全[1，2]。

近幾年由于鋼絲繩斷裂造成人員傷亡的事故時(shí)有發(fā)生，有多個(gè)礦井的礦井提升系統(tǒng)[3]出現(xiàn)跑車、過卷和斷繩事故，其中由于鋼絲繩斷繩所引發(fā)的事故就占29.6%[4]。因此如何能夠?qū)︿摻z繩各種損傷進(jìn)行準(zhǔn)確高效的無損檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析和評(píng)估其損傷情況以及剩余使用壽命，就成了急需解決的問題。

目前，常用的無損檢測(cè)方法是電磁檢測(cè)法，其中各界學(xué)者研究最多且應(yīng)用最廣泛的是漏磁檢測(cè)法，即使用磁敏元件通過測(cè)量缺陷處鋼絲繩周圍的漏磁場(chǎng)來判斷損傷類型和損傷程度。鋼絲繩探傷儀主要的存在問題是檢測(cè)準(zhǔn)確度不高[5，6]，容易誤判，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確檢測(cè)鋼絲繩是否存在損傷，這也阻礙了其在鋼絲繩使用場(chǎng)景中的實(shí)際應(yīng)用。檢測(cè)漏磁信號(hào)的霍爾元件、傳感器的提離值、檢測(cè)電路對(duì)信號(hào)的放大濾波對(duì)探傷儀能否準(zhǔn)確檢測(cè)損傷有著至關(guān)重要的影響。

本文用Ansoft Maxwell對(duì)鋼絲繩的磁化以及缺陷處的漏磁場(chǎng)情況，進(jìn)行有限元仿真分析，確定了磁敏元件的徑向和軸向布置方式，以及提離值的選擇；設(shè)計(jì)了一個(gè)鋼絲繩固定裝置；通過理論計(jì)算選擇了T型放大電路。最后制作探傷儀，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性和準(zhǔn)確性。

1 漏磁檢測(cè)原理

目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)最有效且研究最多的鋼絲繩無損檢測(cè)[7]方法為漏磁檢測(cè)法，漏磁檢測(cè)的基本原理是，用勵(lì)磁裝置將被檢測(cè)的鋼絲繩沿其軸向磁化，當(dāng)鋼絲繩存在缺陷時(shí)，由于缺陷處的磁導(dǎo)率降低導(dǎo)致磁阻增加，缺陷處就會(huì)產(chǎn)生泄露于鋼絲繩外表面以外的漏磁場(chǎng)[8，9]。檢測(cè)原理如圖1所示。

最常用的磁化鋼絲繩勵(lì)磁方式有三種，分別是直流勵(lì)磁、交流勵(lì)磁和永磁體勵(lì)磁[10]。三種勵(lì)磁方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

由表1不難看出永磁體，尤其是稀土永磁體，具有矯頑力大、磁能積高、剩磁高、不需要電源，而且以永磁體作為磁源的漏磁檢測(cè)裝置具有體積小、靈活、重量輕便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，所以本實(shí)驗(yàn)采用稀土永磁體作為勵(lì)磁裝置，選擇型號(hào)為N35的釹鐵硼永磁體。

表1 勵(lì)磁方式對(duì)比

2 探傷儀設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選擇和排列方式

磁敏感元件用于拾取缺陷處的漏磁場(chǎng)，將漏磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于觀測(cè)和處理的電信號(hào)。磁敏感元件種類繁多，應(yīng)用于鋼絲繩無損檢測(cè)的傳感器有霍爾元件、感應(yīng)線圈、磁通門傳感器、隧道磁阻傳感器(TMR)[11]等，其中霍爾元件的優(yōu)點(diǎn)比較明顯，其體積小，易于集成化，不受檢測(cè)速度的影響，且檢測(cè)到的漏磁信號(hào)與輸出的電壓成線性關(guān)系，便于后期的定量分析；有著比霍爾元件更高靈敏度的TMR傳感器，因其檢測(cè)范圍較小，且價(jià)格昂貴，所以選擇型號(hào)為THS119的線性霍爾元件作為本實(shí)驗(yàn)的傳感器。

霍爾元件在探傷儀中的軸向和徑向位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果有著較大的影響，為使檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，所以采用多回路勵(lì)磁方式[12，13]，對(duì)漏磁檢測(cè)的磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行有限元仿真分析，用SolidWorks對(duì)探傷儀以及鋼絲繩建模，在Maxwell中進(jìn)行磁場(chǎng)仿真，仿真的結(jié)果如圖2所示。

圖2 漏磁檢測(cè)原理仿真

通過仿真可知，鋼絲繩中部的磁場(chǎng)較小且平滑，無損時(shí)磁場(chǎng)大小為40mT，當(dāng)鋼絲繩存在損傷時(shí)，磁場(chǎng)大小為240.5mT，易于檢測(cè)磁場(chǎng)變化，所以將霍爾元件放置在探傷儀軸向的中部位置最合適[14]。

鋼絲繩周向的任一位置都有可能出現(xiàn)缺陷，而霍爾元件的檢測(cè)范圍有限，為完整覆蓋鋼絲繩周向，使檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，需沿鋼絲繩周向用多個(gè)霍爾元件排列組成一個(gè)檢測(cè)圓環(huán)，避免漏檢。假如霍爾元件的周向檢測(cè)范圍為L(zhǎng)，檢測(cè)直徑大小為D，則需要布置的霍爾元件數(shù)量為：

本文選用的THS119的霍爾元件檢測(cè)幅度約為20mm檢測(cè)直徑為50mm，根據(jù)式(1)可得N=8，如果直接布置八塊霍爾元件組成檢測(cè)圓環(huán)，不僅安裝起來繁瑣不易操作，且使后續(xù)的電路和信號(hào)處理變得異常復(fù)雜，因此本文采用聚磁檢測(cè)原理來解決這個(gè)問題。聚磁檢測(cè)原理[15]是通過聚磁環(huán)將空間漏磁場(chǎng)進(jìn)行收集，然后將收集到的磁場(chǎng)均勻的導(dǎo)向各個(gè)檢測(cè)通路中，此方法可減少霍爾元件的使用，提高漏磁測(cè)量的靈敏度，本文采用兩個(gè)聚磁半環(huán)組成一個(gè)聚磁環(huán)，每個(gè)半環(huán)上都有兩個(gè)聚磁柱，每個(gè)聚磁柱對(duì)應(yīng)一個(gè)霍爾元件，霍爾元件的感應(yīng)面與鋼絲繩軸向垂直，四個(gè)霍爾元件均勻分布組成一個(gè)檢測(cè)環(huán)，如圖3所示。

圖3 聚磁環(huán)

2.2 傳感器的提離值

傳感器到被測(cè)物體的距離稱為提離值，本文的提離值指的是霍爾元件到被測(cè)鋼絲繩表面的距離。為選擇最佳的提離值，現(xiàn)對(duì)三種繩徑為18mm、28mm和40mm的鋼絲繩做同樣大小為長(zhǎng)6mm寬5mm深3mm的缺陷，進(jìn)行仿真分析。

從仿真中結(jié)果中導(dǎo)出不同繩徑鋼絲繩，相同大小的缺陷，隨著提離值的變化磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的數(shù)據(jù)，將三組數(shù)據(jù)做成一個(gè)折線圖，如圖4所示。

圖4 漏磁場(chǎng)變化曲線

根據(jù)圖5可以看出，隨著提離值的增大，漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度呈指數(shù)減小，三種不同繩徑的鋼絲繩仿真有著相同的結(jié)果。

由于鋼絲繩運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，不僅會(huì)影響信號(hào)采集，增加漏磁信號(hào)中的噪聲，而且可能會(huì)損傷傳感器，造成探傷儀的損壞，所以制作了定位輪，不僅起到固定且減少鋼絲繩震動(dòng)的作用，而且能使霍爾元件保持在最佳的檢測(cè)位置。提離值越小檢測(cè)到的損傷信號(hào)(電壓突變)越明顯，得到的檢測(cè)結(jié)果越好，但也要保持在一個(gè)安全的距離保證傳感器不會(huì)因鋼絲繩震動(dòng)或者表面的細(xì)微變形而受損，所以提離值選擇為3mm。定位輪示意如圖5所示。

圖5 定位輪

2.3 信號(hào)處理電路

目前鋼絲繩無損探傷中，都還在使用傳統(tǒng)的放大電路，傳統(tǒng)的放大電路存在一定的誤差，存在誤差的主要原因是由于偏置電流Ip、失調(diào)電流Ii0、失調(diào)電壓Ui0以及溫度漂移帶來的誤差[16]，綜合這些誤差，可以用圖6所示的等效電路來表示。

圖6 誤差等效電路

下面分析Ip、Ii0和Ui0理論上對(duì)靜態(tài)誤差帶來的影響。差模輸入電壓Ud=0，由圖6得：

聯(lián)立式(1)和式(2)得：

式(4)最大為：

由式(5)可知，等效輸入漂移誤差為：

由式(6)可知，減小漂移誤差的主要方式是選用阻值小的電阻，但對(duì)于微弱信號(hào)電路，輸入電阻應(yīng)該比較大，這樣Rf就需要更大的電阻，而阻值高的電阻穩(wěn)定性差會(huì)產(chǎn)生漂移，圖7的T型反饋電路，可以較好的解決這一問題。T型反饋電路能夠使用小電阻來滿足增益放大的需求，同時(shí)也可以濾除部分高頻噪聲帶來的干擾，提升漏磁信號(hào)的檢測(cè)精度。

圖7 T型反饋放大電路

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前文的設(shè)計(jì)和分析，選用稀土永磁體釹鐵硼作為勵(lì)磁體，選擇霍爾元件作為信號(hào)拾取傳感器，T型反饋濾波放大電路作為信號(hào)處理電路，并據(jù)此制作了圖8探傷儀，搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要有臺(tái)架、電機(jī)、鋼絲繩、探傷儀、編碼器、信號(hào)采集裝置和電腦。

圖8 鋼絲繩探傷儀

選用一根直徑為28mm長(zhǎng)15m的鋼絲繩，并在鋼絲繩上人為制作一處損傷，如圖9所示。

圖9 鋼絲繩

鋼絲繩以2m/s的速度運(yùn)行，使用編碼器定位，用數(shù)據(jù)采集卡采集經(jīng)放大濾波電路處理后的信號(hào)，最后將采集到的的電壓信號(hào)繪制成圖10的波形圖并進(jìn)行分析。

圖10 采集到的電壓波形

從圖10可以看出，鋼絲繩檢測(cè)波形在35～70ms處出現(xiàn)一個(gè)電壓信號(hào)的突變，發(fā)生突變的位置即為當(dāng)鋼絲繩損傷經(jīng)過探傷儀時(shí)的損傷信號(hào)，電壓突變位置的峰值為35mV。無損傷時(shí)，電壓信號(hào)較為穩(wěn)定，約為0V。

實(shí)驗(yàn)所用編碼器參數(shù)為2000P/R，通過計(jì)算可得損傷在鋼絲繩的0.1m處。

無損傷處的信號(hào)波形雖然較為穩(wěn)定，但包含有大量的背景噪聲，部分噪聲的峰值可達(dá)55mV，這無疑會(huì)影響鋼絲繩損傷在線檢測(cè)的準(zhǔn)確性，可能造成誤判。噪聲的主要來源為股波噪聲、電機(jī)的噪聲以及鋼絲繩震動(dòng)等噪聲，通過低通濾波、集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)[17]等方法對(duì)采集到的電壓波形降噪處理后，能有效的消除背景噪聲，抑制噪聲污染并保持信號(hào)細(xì)節(jié)，提高信號(hào)的可分離性，為以后鋼絲繩損傷的定量分析打下基礎(chǔ)，圖11為不同的降噪方法的去噪結(jié)果。

圖11 不同方法的去噪結(jié)果

表2 不同方法的信噪比

通過圖11可以看出低通濾波加上集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的方法能顯著的降低信號(hào)中的噪聲，從表2也可以看出這幾種方法中低通濾波結(jié)合集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的信噪比也是最高的。

在鋼絲繩檢測(cè)信號(hào)中有圖12這樣一段波形，波形表現(xiàn)和鋼絲繩損傷處的波形表現(xiàn)類似，均為電壓出現(xiàn)突變，但此處的波形位置中間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)凹陷，且波形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，波峰最大值約為2.15V，根據(jù)編碼器定位可計(jì)算出，所在位置為鋼絲繩的9.82米處，如圖13所示，此處損傷所在位置為鋼絲繩兩頭連接處，是一處變形，雖然此處不屬于鋼絲繩上的損傷，但形變屬于截面積損傷，可以作為鋼絲繩截面積損傷的研究基礎(chǔ)，做進(jìn)一步的分析。

圖13 鋼絲繩接頭

實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的探傷儀可以準(zhǔn)確的檢測(cè)出鋼絲繩有損傷。

4 結(jié) 論

1)通過仿真，確定了霍爾元件在探傷儀中的排列位置，經(jīng)過仿真對(duì)比分析了提離值對(duì)檢測(cè)漏磁信號(hào)的影響，得出了霍爾元件的最佳提離值為3mm，設(shè)計(jì)了一個(gè)既能固定鋼絲繩減少鋼絲繩的震動(dòng)，又能使霍爾元件保持在最佳提離值的機(jī)構(gòu)。

2)通過理論分析，分析了傳統(tǒng)放大電路存在的誤差，檢測(cè)電路長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生溫漂，使得檢測(cè)信號(hào)存在誤差影響對(duì)損傷的判斷，使用T型反饋放大電路可減少這一誤差。

3)本文所提出的低通濾波結(jié)合集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法去噪效果顯著，能較好的保留原始信號(hào)。

4)設(shè)計(jì)了基于漏磁檢測(cè)原理的鋼絲繩探傷儀，模擬鋼絲繩實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，可通過觀測(cè)采集到的電壓波形是否發(fā)生突變判斷鋼絲繩是否存在損傷，檢測(cè)信號(hào)中的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的凹形波形突變處，是鋼絲繩兩頭連接處，可以看做是一處形變，屬于截面積損傷，可以以此為基礎(chǔ)對(duì)鋼絲繩的截面積損傷類型通過仿真分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)比做進(jìn)一步的研究。