郭澤虹，郟榮榮,楊舒佩，李國烜，黃鎧杰，彭 力,1b,2

(1.華南師范大學a.物理與電信工程學院;b.物理國家級實驗教學示范中心，廣東 廣州 510006；2.華南師大(清遠)科技創(chuàng)新研究院有限公司，廣東 清遠 511517)

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

1 鋼絲繩漏磁檢測的基本理論

1.1 鋼絲繩缺陷的基本類型

目前,鋼絲繩的損傷缺陷一般可以分為2類：鋼絲繩局部故障類型(Localized fault,LT)和金屬截面積故障類型(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型損傷主要包括長距離銹蝕、磨損、繩徑縮細等[5].

對于鋼絲繩損傷，這2類損傷相互影響，一種損傷發(fā)生可能導致另一種損傷也同時發(fā)生，因此很多鋼絲繩缺陷檢測裝置都是檢測斷絲缺陷，本文也以斷絲缺陷作為主要研究對象.

1.2 鋼絲繩漏磁檢測的基本原理

圖1所示為漏磁場檢測法檢測鋼絲繩缺陷的基本原理. 對鋼絲繩進行無損檢測時，需要用勵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，沒有漏磁信號產(chǎn)生. 當鋼絲繩存在缺陷時，缺陷處的磁導率降低，磁阻增大，磁感線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，部分磁感線擴散到缺陷表面，鋼絲繩內(nèi)磁通量發(fā)生改變，形成漏磁場[6]. 為了能夠定量分析鋼絲繩的損傷情況，需要用磁敏元件測量鋼絲繩漏磁場數(shù)據(jù)，最后進行分析處理.

圖1 漏磁場檢測法示意圖

2 數(shù)值分析

搭建檢測裝置前，采用有限元法進行數(shù)值仿真. 為了使鋼絲繩內(nèi)部達到均勻的飽和磁化效果，同時考慮到裝置的輕便性，本實驗選擇周向四回路勵磁方式. 勵磁裝置仿真模型如圖 2所示，檢測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附近30 mm，如圖2中紅色線段所示，其中黃色框線部分為所設(shè)置的缺陷，其放大圖如圖 3所示. 在實際應(yīng)用中，鋼絲繩的損傷常為斷絲損傷，本文對直徑為10 mm的鋼絲繩設(shè)置不同斷絲長度的缺陷(如圖 3所示)進行了仿真，方體缺陷的長、寬、深分別為Dx，Dy，Dz，漏磁場的3個方向分量分別為沿鋼絲繩周長方向的周向分量Bx，沿鋼絲繩繩長方向的軸向分量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，外部缺陷長度分別取1.0,1.5，2.0,2.5，3.0 mm進行仿真實驗，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Bx強度較小，且雜亂無章；從圖 4(b)可以看出，隨著缺陷長度增加，軸向漏磁場曲線的峰值逐漸加大；從圖 4(c)可以看出，隨著缺陷長度增加，曲線兩峰的峰值均增加. 以Bz為橫坐標，By為縱坐標，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，鋼絲繩不存在缺陷時，其表面磁場保持不變，在圖中表示為1個點；當缺陷存在時，其表面存在漏磁場，可以在By-Bz圖中繪制出漏磁圓.當缺陷在外部時，其By-Bz圖為向中心凹陷的非閉合圓環(huán)，且隨著缺陷長度的增大，“漏磁圓”的面積不斷增大. 提取不同長度外部缺陷所對應(yīng)的軸向漏磁場的峰峰值信號仿真結(jié)果如圖6(a)所示，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，軸向漏磁信號峰峰值與缺陷長度之間呈線性正相關(guān)[8].

(a)周向 (b)軸向

探究內(nèi)部缺陷長度對漏磁信號的影響，將上述5組長度不同的缺陷設(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：對于不同長度的內(nèi)部缺陷，其漏磁場的變化規(guī)律與外部缺陷一致，只是在數(shù)值上要小于同一缺陷時外部缺陷漏磁場. 不同長度內(nèi)部缺陷的By-Bz圖形狀與外部缺陷一致，但對于相同尺寸缺陷，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峰峰值與缺陷長度之間的線性相關(guān)性較強.

(a)周向 (b)軸向

(a)外部缺陷

3 實驗裝置

實驗裝置的示意圖如圖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. 實驗裝置的實物圖如圖8所示.

圖7 實驗裝置示意圖

圖8 實驗裝置實物圖

數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)由驅(qū)動裝置和檢測裝置組成，通過NRF無線串口模塊來實現(xiàn)驅(qū)動裝置與檢測裝置的同步以及整體實驗裝置與上位機的通訊.

驅(qū)動裝置的主體部分是42步進電機，通過調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，來匹配不同的數(shù)據(jù)采集速率，可以提高缺陷檢測的效率.

檢測裝置主體部分為四回路勵磁結(jié)構(gòu)，如圖 9所示. 勵磁裝置的外殼是帶有導向滑輪的亞克力板，尺寸為89 mm×89 mm×270 mm，適用于測量半徑小于10 mm的鋼絲繩. 勵磁裝置內(nèi)部4塊長方形銜鐵大小為10 mm×250 mm×10 mm，分別固定在盒子的4個側(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)生強磁場，使得鋼絲繩達到均勻飽和磁化. 盒子中部上、下、左、右位置各固定三維霍爾傳感器，用于檢測不同缺陷位置在不同方向產(chǎn)生的漏磁信號. 當鋼絲繩出現(xiàn)缺陷，缺陷處的磁感應(yīng)強度將會增大. 當采集的數(shù)據(jù)大于設(shè)定的閾值時，即代表鋼絲繩上存在缺陷，檢測裝置上的蜂鳴器將會報警，并記錄缺陷的位置，從而通過鋼絲繩缺陷數(shù)量和位置的記錄實現(xiàn)鋼絲繩缺陷定位和示警的實時監(jiān)測功能.

(a) (b)圖9 勵磁裝置圖

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，對各個模塊進行控制和調(diào)用. 由圖4(a)和5(a)可知，周向漏磁信號較小且無規(guī)律，因此虛擬系統(tǒng)只展示鋼絲繩漏磁信號的軸向與徑向數(shù)據(jù). 1～4號傳感器的軸向數(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. 當傳感器經(jīng)過鋼絲繩的缺陷部位時，波形圖標上將會顯示缺陷信號的波形，根據(jù)顯示的波形，即可判斷傳感器檢測位置是否存在缺陷以及缺陷的長度和位置等. 同時，在數(shù)據(jù)采集過程中點擊“By-Bz圖”按鈕，各個傳感器所測By-Bz圖將會顯示在界面中.

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、導軌和四驅(qū)小車. 通過將鋼絲繩缺陷檢測裝置固定在四驅(qū)小車上，由步進電機帶動檢測裝置沿鋼絲繩在木板上平穩(wěn)運動，進而模擬實際情況下鋼絲繩與檢測裝置的相對運動，實現(xiàn)缺陷檢測.

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度. 通過上位機程序控制自動測量鋼絲繩外部和內(nèi)部缺陷的漏磁信號，并對缺陷位置進行定位和預(yù)警.

4.1 數(shù)據(jù)采集與顯示

傳感器始終固定在勵磁裝置內(nèi)部，鋼絲繩不存在缺陷時，傳感器將保持固定值，若經(jīng)過缺陷，則會在軸向和徑向上檢測到磁場的變化. 實驗對直徑為10 mm的鋼絲繩進行檢測，得到漏磁信號如圖12和13所示，圖中n為采集的數(shù)據(jù)點. 根據(jù)波形信號可知，這段鋼絲繩上存在4個缺陷，可以通過曲線波動的程度反映缺陷的相對大小. 同時，對于同一缺陷，不同傳感器檢測到漏磁信號的大小不同，是由于靠近缺陷最近的傳感器所檢測到的波形變化最大所導致. 由于通道3和通道7檢測到的信號變化最大，表明這2個通道所對應(yīng)的3號傳感器最靠近缺陷，故在量化缺陷大小時應(yīng)當以3號傳感器檢測到的信號變化為準.

圖12 軸向漏磁信號波形圖

圖13 徑向漏磁信號波形圖

在實際檢測中，由于裝置本身的微小振動會導致軸向和徑向的漏磁信號存在一定范圍內(nèi)波動，即使沒有缺陷時，也會產(chǎn)生如圖14所示的紅色框線內(nèi)的信號，因此可定義此紅色方框為安全區(qū)，只有當缺陷信號超出安全區(qū)時才表明鋼絲繩存在缺陷[9]. 當裝置經(jīng)過鋼絲繩缺陷，在By-Bz圖上就會顯示出“漏磁圓”. 圖14為同次測量3號傳感器對應(yīng)的By-Bz圖.

圖14中存在5個大小不同的圓，位于安全區(qū)外的4個圓分別對應(yīng)鋼絲繩的4個缺陷. 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，因此在實際探測過程中需要結(jié)合人工目測法等其他方法對缺陷的類型進行進一步判定. 其中外圍的2個圓面積較大，表明該鋼絲繩存在2個外部缺陷，其余2個圓面積較小，表明存在2個內(nèi)部缺陷或損傷程度較小的外部缺陷，以此可對鋼繩的損傷進行定性分析.

4.2 結(jié)果與討論

通過多次實驗獲得外部、內(nèi)部缺陷漏磁信號的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析，軸向漏磁信號峰峰值隨斷絲數(shù)量的變化趨勢與仿真結(jié)果一致，對數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到外部、內(nèi)部缺陷實驗數(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與斷絲數(shù)量成正比. 對于相同的斷絲數(shù)量，內(nèi)部缺陷的漏磁信號相較于外部缺陷較小. 基于上述規(guī)律，可實現(xiàn)對鋼絲繩外部、內(nèi)部缺陷的定量識別.

(a)外部

4.3 缺陷定位結(jié)果與討論

隨機在鋼絲繩上制造3處缺陷，測量得到3處缺陷分別距離左支架24.64,37.25，50.50 cm. 當檢測裝置經(jīng)過缺陷時，蜂鳴器將發(fā)出警報，OLED顯示屏將顯示裝置移動的位移，從而實現(xiàn)缺陷定位. 具體實驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示,其中x0為缺陷實際位置，x為檢測位置.

由表1可知，對同一缺陷進行多次測量，得到其位置的測量值與實際值相差較小，相對偏差均能控制在4%以內(nèi)，表明本裝置的缺陷定位效果較好、準確度較高.

表1 缺陷定位測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

基于磁偶極子模型和仿真結(jié)果，設(shè)計了基于漏磁檢測原理的鋼絲繩缺陷檢測裝置，實現(xiàn)了對鋼絲繩漏磁信號的實時監(jiān)測與定位. 此外，可根據(jù)缺陷信號的By-Bz圖對缺陷種類和程度進行定性分析，利用軸向漏磁信號的峰峰值對斷絲數(shù)量進行定量識別，對鋼絲繩缺陷的多方位檢測,實現(xiàn)鋼絲繩內(nèi)部、外部損傷的在線實時測量,為鋼絲繩故障在線檢測提供了可靠的手段. 本文所提出鋼絲無損探傷方法具有成本低、操作簡單、測量效果良好的特點.