张书辉，冉坚强，张建，赵庆凯，毛健

六盘水市特种设备检验所，贵州六盘水，553000

0 引言

钢丝绳具有强度高、自身轻、弹性好、过载能力大、在高速工作条件下平稳可靠等优点，因此被广泛应用于电梯、吊桥、索道、起重机、矿井等领域，是国民工业领域的“生命线”[1]。然而钢丝绳由于长期在工作环境较为恶劣、承重量较大的情况下使用，钢丝绳会产生断丝、断股、锈蚀、疲劳等现象，降低钢丝绳的使用寿命，导致钢丝绳的承载能力、可靠性下降，影响钢丝绳的安全使用，对人民的生命及财产造成极大的隐患。因此，能否及时有效对钢丝绳进行安全检测显得极为重要，钢丝绳安全规范和检验标准的制定也引起很多国家重视。

1 钢丝绳检测方法的国内外研究现状

早在100多年前，南非科学家C.E.Mc.cann 和R.Colson发明世界上首台钢丝绳无损检测装置交流励磁（AC）对钢丝绳进行截面损失测量[2]。1925年，德国科学家H.Chappuzeau采用直流励磁（DC）的方式检测判断出钢丝绳上的局部损伤缺陷[3]。1976年，加拿大科学家F.Kitzinger 与G.A.Wint首次将体积小、精度高的霍尔元件作为钢丝绳检测元件进行研究 。1987年，美国NDT 公司的H.R.Weischedel 博士[4]通过将积分电路串联到检测线圈电路上，实现了精准定量、定性检测金属截面积损失。1986 年至1996 年期间，E.Kalwa 博士采用霍尔元件来检测钢丝绳漏磁通和主磁通的方法，找出了钢丝绳部分缺陷与霍尔检测信号的线性关系。1999年，德国科学家Nussbaum，J.M.提出设计出由30个霍尔元件组成的检测阵列构成的传感器。

我国对钢丝绳无损检测研究是从80年代末开始的。煤炭科学院与哈尔滨工业大学基于单片机原理研发出首台钢丝绳损伤检测仪TSG型探伤仪[5]。80年代后，华中科技大学杨叔子团队不断开展钢丝绳无损检测方法研究。武汉理工大学徐俊峰对钢丝绳与计算机结合进行智能化检测研究。华中科技大学周郁明对磁阻传感器的损伤信号分析计算。武汉理工大学邬述晖等人利用磁桥路方法检测LMA信号。窦毓棠教授利用高灵敏度传感器与空间矢量合成原理成功开发了TCK 系列钢丝绳探伤装置[6]。

2 钢丝绳金属截面积缺陷类型的检测方法

LMA的缺陷程度是指钢丝绳横截面积损失缺陷，包括磨损、锈蚀等。因此可以通过检测横截面的损失情况来判断钢丝绳损伤情况，采用磁敏感性的元件将检测到横截面损伤转换成电压值信息，分析电压值来判断缺陷程度。通常可以采用电磁桥路以及线圈两种方式来获取损伤信号。

2.1 钢丝绳LMA 缺陷的线圈检测方法

线圈法检测钢丝绳损伤程度理论原理是分别利用线圈来获取钢丝绳、线圈以及两个之间空气中的磁通量，三者之间关系如公式（1）所示：

式中：ΦT为钢丝绳磁通量；Φ为线圈内的磁通量；Φa空气中的磁通量

检测线圈电动势如公式（2）所示：

式中：E为检测线圈电动势；N表示线圈匝数。

积分电路的输出电动势E0如公式（3）所示：

式中：E0为积分电路电动势；K 表示积分电路常数。

由公式（1）（2）（3）式简化得（4）：

通过（4）可知，积分器将检测到的线圈磁通量ΦT转化成了输出电动势信号E0

又因为：

结合（4）（5）两式得到输出电动势与横截面积之间的关系如公式（6）：

最终简化计算公式（6）可得公式（7）：

式中：S为待测钢丝绳空气横截面积；Sa钢丝绳与磁敏感线圈之间空气横截面积；B待测钢丝绳磁感应强度；Ba钢丝绳与磁敏感线圈之间磁感应强度；为待测钢丝绳横截面减少量。

2.2 采用集成霍尔元件获取LMA 缺陷的方法

霍尔元件检测法是采用霍尔元件作为传感器检测钢丝绳的磁通量变化。霍尔检测法的原理是利用霍尔元件的霍尔效应产生一个稳定的电势差即霍尔电压VH，霍尔电压与施加在霍尔元件上的电流强度I和穿过霍尔元件磁感应强度B存在线性关系，即

式中VH为霍尔电压VH；KH为霍尔元件灵敏度；I施加在霍尔元件上的电流强度；B为穿过霍尔元件磁感应强度。

由公式（8）可知，当施加的电流I为定量时，霍尔元件的输出电压VH与磁感性强度B成线性正比关系，也就是说输出电压VH只与外加磁感应强度B有关，不受霍尔元件的移动速度影响。因此，我们可以通过检测霍尔元件稳定的输出电压VH反向推算出钢丝绳断口缺陷的漏磁场的磁感应强度B，如果钢丝绳损伤缺陷存在必然会产生变化的漏磁场，漏磁场可以通过霍尔传感器的电压信号变现出来，从而进行后期的数据采集和分析，判断出判断LMA损伤程度。

由于霍尔元件制造的检测传感器输出的检测信号不受速度影响，而且可以在小间隙空间磁场检测，能获取更为精准的信号数据，同时其还集成精密电阻，大大提高了检测设备的稳定性和精准度[7]。

2.3 采用电磁桥路检测LMA 缺陷的方法

在使用霍尔元件检测钢丝绳损伤时，首先需要对待检测的钢丝绳进行磁化，磁化后，霍尔元件与钢丝绳集成在一起，磁化的钢丝绳将自身的LMA 损伤程度以信号的形式反馈到集成霍尔元件，根据集成霍尔元件检测到的信号变化情况，可以判断LMA 损伤程度。在选择磁化方式时，要综合考虑钢丝绳横截面的大小，不同面积的横截面要采取不同方式的磁化结构，通常会采用多回路磁化方式来保证钢丝绳被均匀磁化。同时，采用电磁桥路检测法来提高钢丝绳损伤信号值的灵敏度，该方法通过分析集成霍尔元件输出得到的信号电压值，反向计算推算出待测钢丝绳横截面积的大小，再与未使用过的钢丝绳横截面积做比较，相差值即为LMA 缺陷情况。

进行电路分析可知：

式中：Φ为待测钢丝绳磁通量，ΦZ主磁路磁通量，Φb磁桥路磁通量

结合（9）（10）（11）（12）式计算得到：

在上式中B和BZ、Sb与SZ检测过程中数值变化不大，当做不变量。

因此要得到金属截面积值S，只需要测得Bb的值就可以计算出来S

磁阻R计算公式为

根据磁路基尔霍夫定律可得：

由公式（14）（15）可得：

式中：L表示磁路长度；表示磁阻率；F表示磁势大小；

从公式（8）可知，输出电压VH取决于Bb的大小，Bb与金属截面积S存在公式（17）的关系，因此可以将VH与S的关系简单表示为

式中：α、β是比例常数，VH输出电压，S为钢丝绳金属截面积

由公式（17）可知，输出电压VH与钢丝绳金属横截面S存在线性关系，通过输出电压信号VH的变化，可以定性定量判断LMA缺陷情况。

钢丝绳金属截面积损伤对钢丝绳安全使用有着重大意义，前面提到的三种检测方法通过计算损伤横截面和检测信号电压VH，可以对钢丝绳LMA损伤定性定位，定量判断。在实际检测过程中，一般会采用检测结果多次求平均等方法减少检测环境干扰造成的误差，提高检测精准度。

3 钢丝绳局部损伤检测方法分析

钢丝绳局部损伤（LF）包括断丝、断股等也是钢丝绳使用过程中常见现象，现阶段主要依据漏磁原理，利用漏磁通检测法检测钢丝绳局部损伤（LF）[8]。

漏磁通检测法是检测钢丝绳LF缺陷的主流方法，其检测原理是通过磁敏感元件组成的传感器检测钢丝绳LF缺陷周围产生漏磁场的磁性强弱来判断出钢丝绳的断丝位置、断丝数量、断丝宽度如图2所示。磁敏感元件常采用霍尔传感器，由于钢丝绳在使用时会发生断丝数量少，不易被霍尔传感器检测出，因此采用在钢丝绳周向位置增加安放霍尔传感器的方法，避免在检测过程中出现漏检的情况。通过简单计算可知，霍尔传感器安放数量至少要在十个以上才可以有效防止漏检现象。

漏磁检测法可以快速准确地检测出钢丝绳内部磁场变化，根据磁场的变化可以判断出LF缺陷存在情况。

4 结语

综上所述，在一百年的发展时间里，钢丝绳无损检测技术获得了长足的发展，但是钢丝绳无损检测是一项异常复杂的工程，所面临的困难还很多，主要表现在：

（1）缺陷状况复杂。钢丝绳每根钢丝的使用状态都会对整个钢丝绳的磁系统的状态造成影响，缺陷情况的复杂导致现场检测需要精准的检测信号处理方法和识别技术。

（2）励磁结构有待提高。目前在对钢丝绳交流励磁过程中，趋附效应和涡流效应在励磁时不可避免地对励磁状况产生影响，会导致钢丝绳退磁现象和磁化不均匀等，因此对励磁结构做进一步的研究，改善提高励磁效果。

（3）检测工况恶劣。钢丝绳的检测需要在使用现场进行，复杂的检验环境包括噪声、振动、磁场等对测量结果的精度影响很大，也会对检测结果准确性、可靠性产生影响。