金属磁记忆的索道钢丝绳无损检测方法研究

孙剑 林伟国

（1.黄山学院，安徽黄山 245021；2.北京化工大学，北京 100029）

金属磁记忆的索道钢丝绳无损检测方法研究

孙剑1林伟国2

（1.黄山学院，安徽黄山 245021；2.北京化工大学，北京 100029）

检测系统由霍尼韦尔HMC1021传感器、信号调理电路、单片机、4-20mA电流变送器、上位机构成。文章设计了新颖的检测装置结构，在软件中自动置位——复位设计可消除传感器上历史磁场的影响，提高了传感器的测量精度。实验表明：金属磁记忆检测方法可以有效检测钢丝绳的损伤，对于防止事故发生具有重要的现实意义。

金属磁记忆；钢丝绳；无损检测

1.引言

索道具备旅游、观光、交通运输功能，它以其地形适应能力强、运行安全、舒适快捷、经济环保的优点，在山岳型风景旅游区发挥着十分重要的作用。钢丝绳是索道承载和牵引的主要构件，一旦发生断裂将导致灾难性的设备与人身事故。因此，对钢丝绳进行无损检测，及时发现安全隐患是避免重大事故发生的有力手段。

目前钢丝绳的无损检测方法包括磁检测、声发射、电涡流、射线、光学及超声波等方法，其中只有磁检测法得到了实践和推广。磁检测方法有磁通门检测法[1]、磁致伸缩检测法[2]、磁感线圈检测法[3]和霍尔元件检测法[4]。

当前磁检测方法存在的不足是：1.需要利用专门的磁化激励设备，这增加了户外检测的难度；2.只能实现对已经存在损伤的钢丝绳进行探伤检测，无法对钢丝绳的疲劳损伤进行早期诊断。

针对钢丝绳无损检测这一课题，本文提出一种基于金属磁记忆无损检测技术的钢丝绳安全预警新方法。提供一种有效的钢丝绳应力状况检测手段，分析判断钢丝绳疲劳损伤状态，发现并及时更换疲劳破坏严重的钢丝绳，以防止事故的发生。

2.检测原理

2.1 金属磁记忆检测技术

金属磁记忆技术基本原理[5]为：处于工作负荷下的金属工件在地磁场的作用下，其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场HP变化。即磁场的切向分量HP（X）具有最大值，而法向分量HP（Y）改变符号且具有零值点，这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留。通过漏磁场法向分量以及相应的参数便可以准确地推断工件的应力集中区。磁记忆检测最重要的贡献在于只需要在地磁环境下通过铁制工件表面散射磁场法向量HP（Y）的测量就能确定工件上的应力集中区域。金属磁记忆检测的原理图1所示:

图1 磁记忆检测原理图

2.2 磁阻传感器工作原理

HMC1021Z型磁阻传感器是一维磁阻微电路集成芯片，是一种单边封装的磁场传感器，感应与管脚平行方向的磁场，其结构为惠斯登电桥。传感器供电电源为Vb，在电阻器中有电流流过。在电桥上施加一个偏置磁场H，使得两个相对放置的电阻器的磁化方向朝着电流方向转动，引起电阻阻值增大、另外两个相对放置的电阻器的磁化方向背向电流方向转动，引起电阻阻值减小。这样就将磁场转换成差动输出的电压，该输出电压Vout可以用下式表示为[6]：

其中R为薄膜电阻；△R/R为阻值的相对变化量；Vb为传感器的工作电压。

由于HMC1021Z磁阻传感器在内部设计了两条电流带，其产生的磁场对测量极弱磁场时产生的非线性进行补偿，使得传感器的线性工作范围从零开始，从而使得该传感器能够测量极弱磁场。在其线性输出范围内，传感器的输出和外加磁场成正比，可表示为：

其中VO为外磁场为零时传感器输出的电压（-2.5mV），S为传感器的灵敏度（1mV/V/Guass），H为测量到的磁场强度，Vb为传感器供电电压（5V）。

苏轼说：“古之立大事者，不惟有超世之才，亦必有坚忍不拔之志。”王守仁说：“志不立，天下无可成之事。”由此可见，立志的重要性对一个人来说可见一斑。作为新时代的青年，应当要培养奋斗精神，秉持理想坚定、信念执着、勇于开拓、顽强不息的精神。要视奋斗为幸福，因为幸福都是通过奋斗得来的。1939年5月，毛泽东同志在延安庆贺模范青年大会上说：“中国的青年运动有很好的革命传统，这个传统就是‘永久奋斗’。我们共产党是继承这个传统的，现在传下来了，以后更要继续传下去。”每个青年都应当珍惜当下伟大的时代，坚持共产党艰苦奋斗的优秀传统，继续发扬下去，做新时代的奋斗者。

3.检测系统组成

3.1 检测系统构成

检测系统组成如图2所示。磁场检测模块采用的是霍尼韦尔的HMC1021Z磁阻传感器，同时辅以其特有的复位电路，以及信号调理电路。单片机数据采集控制模块主要功能是:完成模拟信号采集并转换为数字信号；对采集的数据进行数字滤波预处理。

采用任务分割的方式实现信号检测，每个传感器-单片机为一变送模块，便于测量模块在检测装置环形内侧面的安装。由多片微处理器共同承担数据采集任务，每个数据采集模块负责采集若干个变送模块传送的电流信号。采用二线制环路供电，输出4-20mA电流信号，减少连接线。

图2 检测系统结构图

3.2 检测装置结构设计

检测装置如图3所示，左侧为整体结构，中间为侧视图，右侧为局部剖视图。其机械结构为采用铰链固定的两个半圆形的检测臂，另一端可以分合，这种设计便于钢丝绳能够从检测装置中间通过。从侧视图与局部剖视图可以看到：传感器模块依次错位叠接的方式安放，并保证传感器检测面始终垂直钢丝绳，使得采集的数据能够正确提取被测钢丝绳漏磁场法向分量和切向分量。以上独特的结构实现传感器组对钢丝绳径向截面的封闭检测。

图3 检测装置结构图

图4 系统工作流程图

3.3 系统软件设计

系统软件流程图如图4所示，实现的功能主要有：磁场信号采样、A/D转换、串行通讯、数据存储以及数据的算法分析等。系统软件的复位/置位编程，其主要作用是配合复位电路以实现消除传感器上历史磁场的影响，提高传感器的测量精度。

4.实验数据分析

本研究方法的可行性主要体现在HMC1021Z磁阻传感器可靠地、灵敏地检测到钢丝绳应力集中引发的疲劳损伤处的磁场信号。利用基于HMC1021Z磁阻传感器与AVR单片机的金属磁记忆检测模块，对有缺陷的钢丝绳进行检测。磁场信号的最大梯度值计算公式如下所示：公式中：

KN—应力集中区里磁场最大梯度值；

i—每个检测模块的检测点号；

j—检测模块号；

f—相邻检测模块之间j-M和(j+1)-M间区段号，

Likj—j检测模块检测点i和i-1之间的距离；

Likf—f区段上第i次检测时j—M和(j+1)-M通道之间的距离。

将检测到的磁场信号经MATLAB处理得到磁场梯度信号曲线如图5所示。

图5 磁记忆信号梯度值曲线

在测试点40-60处磁场信号梯度值的幅度正负相差达8000A/m2以上，这与钢丝绳应力损伤的实际位置是基本相符的。而不存在疲劳损伤处的梯度值幅度正负相差值小于5000A/m2。

5.结论

结果表明：磁阻传感器能够检测到钢丝绳磁场信号，信号在应力集中损伤位置具有过零点以及具有显著差异特征的最大梯度值的特征。按照位置的联合比照可以准确地实现钢丝绳疲劳损伤的定位。利用金属磁记忆技术检测钢丝绳损伤是可行的，以后将进一步对损伤定位精度方面进行研究。

［1］褚建新，顾伟.钢丝绳缺陷漏磁场的磁通门检测法[J].仪器仪表学报，1997，18（4）:437-440.

［2］杨书子，康宜华等.钢丝绳定量检测原理与技术[M].北京:国防工业出版社，2005.

［3］周强，陶德馨，顾必冲.钢丝绳疲劳损伤漏磁监测的试验研究[J].中国索道，2002，2（4）:30-32.

［4］Health and Safety Executive.Wire Rope Non-Destructive Testing.Survey of Instrument Manufacturers[R].2000.

［5］王丽，冯蒙丽，丁红胜等.金属磁记忆检测的原理和应用[J].物理测试，2007，25（2）:25-30.

［6］王国余，张欣，景亮.新型磁阻传感器在地磁场测量中的应用[J].传感器技术，2002，21（10）:43-45.

TP277

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：1672-0547（2010）02-0079-02

2010-01-09

孙剑（1975-），男，安徽黟县人，黄山学院讲师，工科硕士。

安徽省教育厅自然科学研究项目（编号：KJ2009B137），黄山学院科研基金资助（编号：2007xkj005），黄山学院教研基金资助（编号：2009JXYJ001）。