鋼絲繩具有強(qiáng)度高、韌性好、自重輕等優(yōu)良特性,常應(yīng)用于煤炭開采運(yùn)輸中。由于工況條件復(fù)雜，鋼絲繩在使用過程中容易出現(xiàn)各種損傷，這些損傷會使得鋼絲繩強(qiáng)度降低甚至斷裂，危及工作人員生命及生產(chǎn)安全，所以定期對鋼絲繩進(jìn)行損傷檢測至關(guān)重要[1-2]。目前，常用的鋼絲繩損傷檢測技術(shù)有電磁檢測法、渦流檢測法、光學(xué)檢測法、計算機(jī)視覺檢測法、射線檢測法和聲發(fā)射檢測法等[3-6]。其中，電磁檢測法是鋼絲繩最有效的無損檢測方法之一[7]，其一般使用霍爾傳感器作為磁信號探測傳感器，但霍爾傳感器易受溫度和電磁干擾等因素影響，而TMR（隧道磁阻）傳感器因其本身的高靈敏度和低量程特性鮮有人使用。文章提出一種基于TMR的漏磁檢測系統(tǒng)，其既能保證鋼絲繩有穩(wěn)定的磁場信號，又能充分發(fā)揮TMR高靈敏度的優(yōu)勢。
推薦閱讀：無損檢測掛證價格行情與辦理流程詳解（2025年12月更新）
1. 漏磁檢測原理
漏磁檢測原理示意如圖1所示。由于鋼絲繩具有良好的導(dǎo)磁性，永磁體將鋼絲繩進(jìn)行均勻磁化至飽和狀態(tài)后，銜鐵、永磁體、空氣隙和鋼絲繩間會形成閉合回路。當(dāng)鋼絲繩無缺陷時，內(nèi)部的磁力線平行且均勻通過，基本沒有磁力線從鋼絲繩表面泄漏；當(dāng)鋼絲繩表面出現(xiàn)損傷時，空氣磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于鋼絲的磁導(dǎo)率,導(dǎo)致磁路中的磁力線發(fā)生改變，磁力線除了通過鋼絲繩內(nèi)部和缺陷部分外，還有一部分會泄漏到鋼絲繩附近的空氣中，通過空氣繞過缺陷再重新進(jìn)入鋼絲繩，從而在缺陷處形成漏磁場。漏磁檢測時，利用漏磁傳感器對漏磁信號進(jìn)行采集，再傳輸至計算機(jī)端進(jìn)行分析處理，即可得出鋼絲繩損傷的信息[7-8]。
2. 檢測系統(tǒng)設(shè)計
檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。基于TMR傳感器的鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)主要由3部分組成：永磁勵磁組件、漏磁傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。量程編碼器自帶膠輪且與鋼絲繩緊密貼合，當(dāng)鋼絲繩的檢測系統(tǒng)與鋼絲繩發(fā)生相對運(yùn)動時，量程編碼器自帶的膠輪將隨之發(fā)生連續(xù)運(yùn)動，同時產(chǎn)生連續(xù)的等間距脈沖，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制漏磁傳感器采集漏磁信號，所有采集信號都會傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最后傳輸?shù)接嬎銠C(jī)端進(jìn)行分析和處理，進(jìn)而獲得鋼絲繩缺陷位置的損傷信息。
2.1 勵磁組件
對鋼絲繩進(jìn)行無損檢測的首要條件是要將其磁化至飽和狀態(tài)。為保證磁化效果的穩(wěn)定性，現(xiàn)通常使用高磁能永磁體的勵磁方式。為便于工程制作和使用，采用可分離式結(jié)構(gòu)。永磁勵磁裝置采用多回路周向勵磁的方法,多塊永磁體呈環(huán)形放置在勵磁器兩端，銜鐵做成管狀以最大限度地減少漏磁。
永磁勵磁組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸參數(shù)對損傷檢測有重要影響。依據(jù)漏磁原理可知，當(dāng)鋼絲繩內(nèi)部磁化至飽和時，鋼絲繩出現(xiàn)損傷才能產(chǎn)生較多的漏磁。現(xiàn)利用COMSOL有限元軟件的建模功能對永磁勵磁組件進(jìn)行建模，永磁體材料采用釹鐵硼N40，銜鐵材料選擇磁導(dǎo)率、飽和磁導(dǎo)密度都較高的DT4（電磁純鐵）[7]。
此次仿真以直徑為52 mm的鋼絲繩為檢測對象，永磁體呈扇形塊狀，以輻射形分布，銜鐵與極性相反的兩塊永磁鐵成組配套使用。當(dāng)鋼絲繩達(dá)到磁化飽和時，因TMR傳感器的高靈敏度和低量程特性，而需要增加軟磁材料屏蔽罩將漏磁處的背底磁場強(qiáng)度調(diào)整至其量程范圍內(nèi)，材料仍選用DT4，仿真模型如圖3所示。
經(jīng)過多輪仿真計算最終得到，當(dāng)鋼絲繩最小磁場強(qiáng)度為1.8 T時，鋼絲繩磁化達(dá)到飽和狀態(tài)，軟磁環(huán)內(nèi)部可滿足TMR傳感器的漏磁檢測要求。采用了8個內(nèi)N外S，8個內(nèi)S外N和8個銜鐵，外加上下2組軟磁環(huán)組成了勵磁組件。
2.2 漏磁傳感器
文章所使用的漏磁傳感器是以TMR為主，線圈為輔的組合傳感器。漏磁場信號包含鋼絲繩軸向、周向和徑向3個方向的分量[9]。通過分析3個方向的分量特征發(fā)現(xiàn)，軸向分量在缺陷的定位及定量檢測上優(yōu)于周向和徑向分量，因而在設(shè)計TMR傳感器陣列時，需要保證各TMR傳感器的布置方向與鋼絲繩表面垂直。
由于TMR傳感器的尺寸及勵磁裝置的空間限制，TMR陣列傳感器共采用了48個TMR傳感器均勻分布在鋼絲繩的周向上，并使其緊靠鋼絲繩的表面，以減小提離距離。TMR陣列傳感器的結(jié)構(gòu)是兩個半環(huán)，測量時,兩個半環(huán)對扣到一起；安裝TMR陣列傳感器時，需保證兩個半環(huán)上的48個TMR傳感器在鋼絲繩的同一個橫截面上。傳統(tǒng)線圈在繞制過程中不可避免地會產(chǎn)生軸向跨度。因此，寬度平均效應(yīng)會導(dǎo)致傳統(tǒng)線圈對損傷寬度小于其軸向跨度的損傷不敏感，而 PCB（印刷電路板）線圈幾乎不存在軸向跨度，可應(yīng)用于檢測小尺寸損傷[9]。為節(jié)省空間，現(xiàn)將線圈布置于PCB線圈內(nèi)部，從而可以檢測鋼絲繩LMA類損傷，并能夠根據(jù)信號峰值判斷損傷大小。TMR陣列傳感器實物如圖4所示，線圈布置于PCB線圈外圈，內(nèi)部布置TMR傳感器。
2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由STM32H750型主控芯片,模擬開關(guān)芯片等組成，用來完成漏磁信號的采集與傳輸。由于漏磁傳感器內(nèi)部使用了48路TMR傳感器陣列和線圈，故需采用多通道技術(shù)來采集和傳輸漏磁信號[10]。漏磁傳感器中TMR陣列和線圈輸出為模擬信號，通過模擬開關(guān)芯片依次選擇對應(yīng)通路的傳感器信號，每一路信號經(jīng)過STM32H750型單片機(jī)內(nèi)的A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換,傳輸?shù)接嬎銠C(jī)端。電路板各接口實物如圖5所示。
當(dāng)檢測系統(tǒng)相對鋼絲繩做相對運(yùn)動時，每發(fā)生0.2 mm位移，量程編碼器將發(fā)送一個脈沖信號到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，觸發(fā)控制線圈和TMR陣列傳感器對鋼絲繩的漏磁信號進(jìn)行采集，再將模擬信號傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行處理，最后通過USB2.0接口傳輸至計算機(jī)端進(jìn)行信號處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖如圖6所示。
3. 漏磁信號分析和處理
3.1 漏磁信號仿真建模
根據(jù)電磁感應(yīng)和等效磁偶極子相關(guān)理論，缺陷的寬度和截面損失量是影響軸向磁通檢測結(jié)果的主要因素。在提離值固定的前提下，通過COMSOL軟件對鋼絲繩損傷進(jìn)行有限元仿真來研究軸向磁通變化量分別與橫截面損失和缺陷軸向?qū)挾鹊年P(guān)系。以6*37-FC規(guī)格（6股鋼絲，每股含37根細(xì)絲，F(xiàn)C表示纖維繩芯）、?52 mm鋼絲繩作為仿真模型。
3.1.1 軸向磁通變化量與橫截面損失的關(guān)系仿真
在典型的軸向缺陷寬度0~45 mm（不包括0 mm）內(nèi)，間隔5 mm，進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示，可知該區(qū)間內(nèi)軸向?qū)挾裙潭〞r，磁通變化量與橫截面損失近似呈正比線性關(guān)系。
3.1.2 軸向磁通變化量與缺陷寬度的關(guān)系仿真
固定缺陷橫截面損失為2%，選取寬度分別為2，5，8，10，12，15，18，20，30 mm的缺陷進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示，可知橫截面損失固定時，磁通量變化量的值仍然會受到缺陷寬度變化的影響。
由圖8可知，當(dāng)寬度缺陷寬度小于40 mm時，軸向磁通變化量隨著寬度的增大呈現(xiàn)先增后減的趨勢；當(dāng)缺陷不小于40 mm時，隨著寬度增大，磁通變化量趨于穩(wěn)定。
3.2 漏磁信號的處理
為了消除缺陷寬度對磁通量變化量的影響，通過磁通量變化量計算獲得橫截面損失，在數(shù)據(jù)處理上建立了缺陷寬度補(bǔ)償?shù)匿摻z繩截面損失定量計算模型。缺陷寬度補(bǔ)償?shù)匿摻z繩截面損失定量計算公式為
式中：Δ?ex為漏磁場產(chǎn)生的磁通量；Bwirenod為無缺陷時鋼絲繩內(nèi)部的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度；Saird1為缺陷處的橫截面積；Baird2為缺陷處的磁感應(yīng)強(qiáng)度；Δ?為有無缺陷時的磁通量變化量；S為鋼絲繩截面積；Saird2為有缺陷時封閉線圈與鋼絲繩間的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度。
Δ?與Baird2可分別對應(yīng)線圈與TMR所測得的磁通量變化量以及磁感應(yīng)強(qiáng)度值，以40 mm寬度為界限，可通過最小二乘法分別求得缺陷寬度補(bǔ)償系數(shù)的最優(yōu)解，擬合準(zhǔn)則是使預(yù)期值與實際值的距離平方和最小。
基于事先構(gòu)建的鋼絲繩缺陷數(shù)據(jù)集，通過式（1）和式（2）的超定方程最小二乘法求解，可得到?47.5 mm鋼絲繩和?52.0 mm鋼絲繩的補(bǔ)償系數(shù)，如表1所示。
| 編號 | 鋼繩直徑/mm | 缺陷寬度/mm | |||
|---|---|---|---|---|---|
| <40 | ≥40 | ||||
| 2# | 47.5 | 0.010 3 | -0.013 8 | 0.040 7 | 0.164 0 |
| 3# | 52.0 | -0.002 5 | 0.002 0 | 0.002 1 | 0.020 9 |
通過裝置獲得漏磁信號后，首先要進(jìn)行信號的預(yù)處理。一方面要去除鋼絲繩檢測過程中摻雜的股波噪聲、振動噪聲以及其他的環(huán)境噪聲。另一方面由于TMR元器件的基準(zhǔn)電壓不一致，在使用過程中也會出現(xiàn)不同程度的信號漂移，因此在處理時，需要對通道進(jìn)行均衡標(biāo)準(zhǔn)化。采集到的多通道漏磁信號經(jīng)由融合處理后的TMR信號及線圈軸向磁通變化量所產(chǎn)生的信號如圖9，10所示。
在檢測階段，通過不同小波函數(shù)和層數(shù)的小波分解對比，最終選取db8小波函數(shù)的3層分解。通過小波去噪預(yù)處理后，將獲取到的信號峰峰值和峰峰寬作為特征量，結(jié)合表1的補(bǔ)償系數(shù)代入式（2）進(jìn)行計算，求得截面積損失值。基于每根鋼絲的直徑均等，繼而可將截面損失值折算成斷絲數(shù)量（根），測試結(jié)果如表2所示。
| 鋼絲繩 | 缺陷編號 | 斷絲根數(shù)/根 | 缺陷寬度/mm | 截面積損失真值/% | 實測損失均值/% | 實測斷絲數(shù)量/根 | 損失誤差絕對值/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2# | 1 | 3 | 1.5 | 1.35 | 1.57 | 3.50 | 0.22 |
| 2# | 2 | 7 | 1.5 | 3.15 | 2.29 | 5.08 | 0.86 |
| 2# | 3 | 5 | 25.0 | 2.25 | 2.31 | 5.13 | 0.06 |
| 2# | 4 | 5 | 50.0 | 2.25 | 1.57 | 3.49 | 0.68 |
| 2# | 5 | 45 | 25.0 | 20.25 | 21.20 | 47.12 | 0.95 |
| 2# | 6 | 8 | 6.0 | 3.60 | 3.21 | 7.13 | 0.39 |
| 2# | 7 | 16 | 6.0 | 7.20 | 6.48 | 14.39 | 0.72 |
| 2# | 8 | 8 | 25.0 | 3.60 | 3.75 | 8.34 | 0.15 |
| 2# | 9 | 36 | 25.0 | 16.20 | 15.82 | 35.16 | 0.38 |
| 3# | 1 | 16 | 2.0 | 7.20 | 8.11 | 18.02 | 0.91 |
| 3# | 2 | 8 | 15.0 | 3.60 | 3.64 | 8.09 | 0.04 |
| 3# | 3 | 8 | 25.0 | 3.60 | 4.42 | 9.82 | 0.82 |
| 3# | 4 | 25 | 25.0 | 11.25 | 11.45 | 25.45 | 0.20 |
| 3# | 5 | 8 | 7.0 | 3.60 | 2.77 | 6.16 | 0.83 |
| 3# | 6 | 12 | 4.0 | 5.40 | 3.89 | 8.64 | 1.51 |
綜上可知，該鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)裝置所采集信號與定量計算橫截面積損失絕對誤差為0.58%，精度較高。
4. 無損檢測掛證網(wǎng)結(jié)語
以漏磁檢測原理為基礎(chǔ)，基于TMR陣列傳感器合并線圈設(shè)計了鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)。首先，通過COMSOL軟件對鋼絲繩損傷進(jìn)行有限元仿真，得到了軸向磁通變化量與橫截面損失和缺陷軸向?qū)挾鹊年P(guān)系。為消除軸向?qū)挾取⒐刹ā⒄駝拥确矫娴挠绊懀瑱z測系統(tǒng)建立了缺陷寬度補(bǔ)償?shù)匿摻z繩截面損失定量計算模型，對采集到的漏磁信號進(jìn)行分析和處理，得到了較為準(zhǔn)確的鋼絲繩橫截面損失和斷絲數(shù)量的損傷情況，達(dá)到了對鋼絲繩損傷進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定性和定量的目標(biāo)。
