郭泽虹，郏荣荣,杨舒佩，李国烜，黄铠杰，彭 力,1b,2

(1.华南师范大学a.物理与电信工程学院;b.物理国家级实验教学示范中心，广东 广州 510006；2.华南师大(清远)科技创新研究院有限公司，广东 清远 511517)

随着钢丝绳在生产和生活中的广泛应用，其安全使用问题得到日益重视. 既要尽量延长钢丝绳的使用寿命，同时又要减少由钢丝绳缺陷导致的安全问题，确保在发生事故之前钢丝绳能够及时被更换. 现存的钢丝绳检测方法有：人工目测法、光学法、声学检测法、电磁检测法、X射线检测法等. 电磁检测法又可分为漏磁检测法、磁桥路法、多回路励磁检测法、主磁通法等[1],其中漏磁检测法是最常用的检测方法. 但是目前漏磁检测法仍存在明显的局限和不足，例如：对缺陷的损伤程度的预估有限，精度不高，检测仪器笨重等问题[2]，而且大多研究的对象为钢丝绳外部缺陷[3-4]. 为此，本文基于漏磁检测原理设计了便携式钢丝绳缺陷检测装置，利用By-Bx图来定性描述钢丝绳损伤情况，实现钢丝绳内部、外部损伤的在线实时测量，并通过理论仿真和具体实验验证了本装置测量结果的精确性，为钢丝绳故障在线检测提供了一种可靠的手段.

1 钢丝绳漏磁检测的基本理论

1.1 钢丝绳缺陷的基本类型

目前,钢丝绳的损伤缺陷一般可以分为2类：钢丝绳局部故障类型(Localized fault,LT)和金属截面积故障类型(Loss of metallic area,LMA). 其中，LF型损伤主要是断丝损伤，包括：锈蚀、局部形状畸形等；LMA型的主要表现为横截面积减少，一般是轴向面积减少，LMA型损伤主要包括长距离锈蚀、磨损、绳径缩细等[5].

对于钢丝绳损伤，这2类损伤相互影响，一种损伤发生可能导致另一种损伤也同时发生，因此很多钢丝绳缺陷检测装置都是检测断丝缺陷，本文也以断丝缺陷作为主要研究对象.

1.2 钢丝绳漏磁检测的基本原理

图1所示为漏磁场检测法检测钢丝绳缺陷的基本原理. 对钢丝绳进行无损检测时，需要用励磁装置将钢丝绳轴向局部磁化至饱和状态，如果钢丝绳不存在缺陷，则钢丝绳内部磁通量保持不变，没有漏磁信号产生. 当钢丝绳存在缺陷时，缺陷处的磁导率降低，磁阻增大，磁感线发生偏转，部分磁感线扩散到缺陷表面，钢丝绳内磁通量发生改变，形成漏磁场[6]. 为了能够定量分析钢丝绳的损伤情况，需要用磁敏元件测量钢丝绳漏磁场数据，最后进行分析处理.

图1 漏磁场检测法示意图

2 数值分析

搭建检测装置前，采用有限元法进行数值仿真. 为了使钢丝绳内部达到均匀的饱和磁化效果，同时考虑到装置的轻便性，本实验选择周向四回路励磁方式. 励磁装置仿真模型如图 2所示，检测位置距离钢丝绳表面1 mm，即提离值为1 mm，扫描范围为中心轴线附近30 mm，如图2中红色线段所示，其中黄色框线部分为所设置的缺陷，其放大图如图 3所示. 在实际应用中，钢丝绳的损伤常为断丝损伤，本文对直径为10 mm的钢丝绳设置不同断丝长度的缺陷(如图 3所示)进行了仿真，方体缺陷的长、宽、深分别为Dx，Dy，Dz，漏磁场的3个方向分量分别为沿钢丝绳周长方向的周向分量Bx，沿钢丝绳绳长方向的轴向分量By及沿钢丝绳直径方向的径向分量Bz[7].

图2 励磁装置仿真模型图

图3 模型局部放大图

设置Dy=Dz=1 mm，外部缺陷长度分别取1.0,1.5，2.0,2.5，3.0 mm进行仿真实验，得到如图 4所示的结果. 从图 4(a)可以看出，钢丝绳的周向漏磁信号Bx强度较小，且杂乱无章；从图 4(b)可以看出，随着缺陷长度增加，轴向漏磁场曲线的峰值逐渐加大；从图 4(c)可以看出，随着缺陷长度增加，曲线两峰的峰值均增加. 以Bz为横坐标，By为纵坐标，即可绘制出图 4(d).By-Bz图是判断是否存在缺陷的重要指标，钢丝绳不存在缺陷时，其表面磁场保持不变，在图中表示为1个点；当缺陷存在时，其表面存在漏磁场，可以在By-Bz图中绘制出漏磁圆.当缺陷在外部时，其By-Bz图为向中心凹陷的非闭合圆环，且随着缺陷长度的增大，“漏磁圆”的面积不断增大. 提取不同长度外部缺陷所对应的轴向漏磁场的峰峰值信号仿真结果如图6(a)所示，发现在一定范围内，轴向漏磁信号峰峰值与缺陷长度之间呈线性正相关[8].

(a)周向 (b)轴向

探究内部缺陷长度对漏磁信号的影响，将上述5组长度不同的缺陷设置在钢丝绳内部，缺陷上表面距离钢丝绳表面的距离设置为1 mm，即埋藏深度为1 mm，扫描范围和提离值与外部缺陷检测设置一致，仿真结果如图 5所示. 可以得到以下结论：对于不同长度的内部缺陷，其漏磁场的变化规律与外部缺陷一致，只是在数值上要小于同一缺陷时外部缺陷漏磁场. 不同长度内部缺陷的By-Bz图形状与外部缺陷一致，但对于相同尺寸缺陷，内部缺陷By-Bz图形所围面积要小于外部缺陷. 如图6(b)所示，在一定范围内，内部缺陷轴向漏磁信号峰峰值与缺陷长度之间的线性相关性较强.

(a)周向 (b)轴向

(a)外部缺陷

3 实验装置

实验装置的示意图如图7所示，采用STC8G2K64S4与ESP8266作为主控芯片，主要由数据采集与分析系统、虚拟系统和外部环境模拟系统组成. 实验装置的实物图如图8所示.

图7 实验装置示意图

图8 实验装置实物图

数据采集与分析系统由驱动装置和检测装置组成，通过NRF无线串口模块来实现驱动装置与检测装置的同步以及整体实验装置与上位机的通讯.

驱动装置的主体部分是42步进电机，通过调整电机的转速，来匹配不同的数据采集速率，可以提高缺陷检测的效率.

检测装置主体部分为四回路励磁结构，如图 9所示. 励磁装置的外壳是带有导向滑轮的亚克力板，尺寸为89 mm×89 mm×270 mm，适用于测量半径小于10 mm的钢丝绳. 励磁装置内部4块长方形衔铁大小为10 mm×250 mm×10 mm，分别固定在盒子的4个侧面，每块衔铁左右两边分别固定大小为10 mm×30 mm×10 mm的永磁体(钕铁硼)，用于产生强磁场，使得钢丝绳达到均匀饱和磁化. 盒子中部上、下、左、右位置各固定三维霍尔传感器，用于检测不同缺陷位置在不同方向产生的漏磁信号. 当钢丝绳出现缺陷，缺陷处的磁感应强度将会增大. 当采集的数据大于设定的阈值时，即代表钢丝绳上存在缺陷，检测装置上的蜂鸣器将会报警，并记录缺陷的位置，从而通过钢丝绳缺陷数量和位置的记录实现钢丝绳缺陷定位和示警的实时监测功能.

(a) (b)图9 励磁装置图

数据采集与分析系统的具体程序流程如图10所示.

图10 装置系统框图

虚拟系统的主控模块如图11所示，对各个模块进行控制和调用. 由图4(a)和5(a)可知，周向漏磁信号较小且无规律，因此虚拟系统只展示钢丝绳漏磁信号的轴向与径向数据. 1～4号传感器的轴向数据分别用通道1～4显示，径向数据分别用通道5～8显示. 当传感器经过钢丝绳的缺陷部位时，波形图标上将会显示缺陷信号的波形，根据显示的波形，即可判断传感器检测位置是否存在缺陷以及缺陷的长度和位置等. 同时，在数据采集过程中点击“By-Bz图”按钮，各个传感器所测By-Bz图将会显示在界面中.

图11 虚拟仪器系统前面板

外部环境模拟包括：木板、钢丝绳架、导轨和四驱小车. 通过将钢丝绳缺陷检测装置固定在四驱小车上，由步进电机带动检测装置沿钢丝绳在木板上平稳运动，进而模拟实际情况下钢丝绳与检测装置的相对运动，实现缺陷检测.

4 结果与讨论

沿钢丝绳周向方向制造多处断丝，断丝根数可以近似看作仿真中的缺陷长度. 通过上位机程序控制自动测量钢丝绳外部和内部缺陷的漏磁信号，并对缺陷位置进行定位和预警.

4.1 数据采集与显示

传感器始终固定在励磁装置内部，钢丝绳不存在缺陷时，传感器将保持固定值，若经过缺陷，则会在轴向和径向上检测到磁场的变化. 实验对直径为10 mm的钢丝绳进行检测，得到漏磁信号如图12和13所示，图中n为采集的数据点. 根据波形信号可知，这段钢丝绳上存在4个缺陷，可以通过曲线波动的程度反映缺陷的相对大小. 同时，对于同一缺陷，不同传感器检测到漏磁信号的大小不同，是由于靠近缺陷最近的传感器所检测到的波形变化最大所导致. 由于通道3和通道7检测到的信号变化最大，表明这2个通道所对应的3号传感器最靠近缺陷，故在量化缺陷大小时应当以3号传感器检测到的信号变化为准.

图12 轴向漏磁信号波形图

图13 径向漏磁信号波形图

在实际检测中，由于装置本身的微小振动会导致轴向和径向的漏磁信号存在一定范围内波动，即使没有缺陷时，也会产生如图14所示的红色框线内的信号，因此可定义此红色方框为安全区，只有当缺陷信号超出安全区时才表明钢丝绳存在缺陷[9]. 当装置经过钢丝绳缺陷，在By-Bz图上就会显示出“漏磁圆”. 图14为同次测量3号传感器对应的By-Bz图.

图14中存在5个大小不同的圆，位于安全区外的4个圆分别对应钢丝绳的4个缺陷. 由仿真结果可得，内部缺陷By-Bz图的面积有可能大于外部缺陷By-Bz图的面积，因此在实际探测过程中需要结合人工目测法等其他方法对缺陷的类型进行进一步判定. 其中外围的2个圆面积较大，表明该钢丝绳存在2个外部缺陷，其余2个圆面积较小，表明存在2个内部缺陷或损伤程度较小的外部缺陷，以此可对钢绳的损伤进行定性分析.

4.2 结果与讨论

通过多次实验获得外部、内部缺陷漏磁信号的数据，经分析，轴向漏磁信号峰峰值随断丝数量的变化趋势与仿真结果一致，对数据进行线性拟合，得到外部、内部缺陷实验数据拟合图如图15所示. 拟合方程表明，在一定范围内，外部和内部缺陷轴向漏磁信号与断丝数量成正比. 对于相同的断丝数量，内部缺陷的漏磁信号相较于外部缺陷较小. 基于上述规律，可实现对钢丝绳外部、内部缺陷的定量识别.

(a)外部

4.3 缺陷定位结果与讨论

随机在钢丝绳上制造3处缺陷，测量得到3处缺陷分别距离左支架24.64,37.25，50.50 cm. 当检测装置经过缺陷时，蜂鸣器将发出警报，OLED显示屏将显示装置移动的位移，从而实现缺陷定位. 具体实验数据结果如表1所示,其中x0为缺陷实际位置，x为检测位置.

由表1可知，对同一缺陷进行多次测量，得到其位置的测量值与实际值相差较小，相对偏差均能控制在4%以内，表明本装置的缺陷定位效果较好、准确度较高.

表1 缺陷定位测量数据

5 结束语

基于磁偶极子模型和仿真结果，设计了基于漏磁检测原理的钢丝绳缺陷检测装置，实现了对钢丝绳漏磁信号的实时监测与定位. 此外，可根据缺陷信号的By-Bz图对缺陷种类和程度进行定性分析，利用轴向漏磁信号的峰峰值对断丝数量进行定量识别，对钢丝绳缺陷的多方位检测,实现钢丝绳内部、外部损伤的在线实时测量,为钢丝绳故障在线检测提供了可靠的手段. 本文所提出钢丝无损探伤方法具有成本低、操作简单、测量效果良好的特点.