基于MR01型磁阻式传感器的钢丝绳探伤技术

王劲东，郭 鹏，王 雷

(1．中国科学院国家空间科学中心，北京 100190；2．燕山大学机械学院，河北秦皇岛 066004；3．徐州工程机械集团有限公司，江苏徐州 221004)

0 引言

自1906年第一台钢丝绳探伤仪问世以来，历经一个多世纪的研究，各种检测技术层出不穷，而电磁检测法是目前国际上公认的比较可靠的探伤方法之一[1-2]。

钢丝绳电磁检测分为强磁检测与弱磁检测[3]，目前工程实践中应用的主要是强磁检测，其主流机型为磁化与检测系统分开的分离式检测系统，如俄罗斯的INTROS磁性钢丝绳检测仪。而借助MR01型磁阻式传感器的高灵敏度特点所开发的钢丝绳弱磁检测技术，实现了激磁与检测于一体的探伤装置设计；运用LabVIEW软件平台，开发了数据采集、信号分析及实验报告生成的一体化集成操作界面，既能实现测试过程的实时观察与分析，又可实现离线数据处理，极大地方便了用户。

1 钢丝绳弱磁探伤技术的实现

1．1钢丝绳缺陷及报废准则

钢丝绳的主要缺陷表现为断丝、磨损、锈蚀、缩径等。国家对报废有严格规定，如起重机械用钢丝绳检验和报废使用规范(GB5972—86)国标中规定，钢丝绳是否报废，主要由断丝的数量和性质、断丝的局部聚集、断丝的增加率、绳股断裂、绳径减小、弹性减小、外部及内部磨损、腐蚀、变形和由于其他原因造成的损坏等来判定在役钢丝绳的安全程度，判断其是否应该报废[3-4]。

1．2弱磁探伤技术的实现

基于虚拟仪器的钢丝绳弱磁探伤系统，主要由支架、行走机构、探伤检测装置、数据采集与分析系统等组成。其中，检测装置由屏蔽罩、弱磁激磁及检测元件、导向与测速装置等部分组成。v轮夹持钢丝绳，减少由于钢丝绳摆动而引起的测量误差，同时给出检测装置的位移信号。采用USB数据接口，通过LabVIEW程序开发环境[5]，实现了信号采集、数据分析及形成检测报告单的多项操作。

图1为Φ30 mm外层股钢丝直径为3 mm的钢丝绳断丝缺陷测试结果，缺陷b为3根断丝，缺陷c为1根断丝，传感器距离钢丝绳表面10 mm，激磁永久磁铁表面磁场强度≤0．15 T，图示波形为钢丝绳缺陷处的轴向漏磁分布。

图1 钢丝绳断丝缺陷及实测波形

试验结果证明：基于高灵敏度MR01型磁阻传感器，及依据钢丝绳磁化理论而设计的弱磁磁路系统，具有较高的信噪比，对各种直径钢丝绳的微小断丝缺欠，及沾满污垢人的视觉无法察觉的钢丝绳断丝缺陷，均可实现有效检测[6]。

2 基于LabVIEW的钢丝绳探伤人机界面设计

图2为基于虚拟仪器的钢丝绳无损探伤人机界面[7-8]。

该界面主要包括数据采集、信号分析与钢丝绳报废判断，形成试验报告、打印试验结果等功能，实现了钢丝绳探伤过程的一体化操作。

通过定义信号幅值门限及融入钢丝绳报废准则，实现了缺陷信号的自动提取及试验报告的自动生成。

2．1数据采集子程序

数据采集是探伤系统的基本环节，其功能是实现数据采集及存储，采集系统程序界面如图3所示。主要包括物理通道、采样率、采样数、滤波器截止频率的设置。窗口显示了传感器输出的x、y、z三个方向漏磁通电压信号波形。通过程序的起制动操作按钮，可方便地实现信号采集与终止操作。

图3 数据采集界面

2．2信号分析子程序

【大意】耳朵、眼睛这类器官不会思考，所以会被外物所蒙蔽。当与外界事物接触时，耳朵、眼睛便容易被“引入歧途”。而心这个器官是会思考的，思考了就会有所得，不思考就一无所获。这是上天赋予我们人类的（能力）。

信号分析是钢丝绳探伤系统的核心，该程序包括：数据导入、缺陷疑似数据提取、数据处理、缺陷判断及形成试验报告等多个子程序。

2．2．1 数据的导入及缺陷疑似数据段的截取

利用数据读取功能，可随时调出采集过程中所存储的数据文件，供研究与分析。通过设定数据门限，程序可将测试数据自动与门限值进行比较，判断缺陷类型并截取可疑数据段。通过后续程序对可疑段的数据进行处理与分析，大大降低了测试结果数据处理的工作量，避免了数据提取过程中的人为因素，提高了分析判断的准确度。

数据分析中的门限值是一个非常重要的参数，门限值设置过大或过小，均会影响检测结果判断的准确性。因此门限值应该依据钢丝绳的使用场合、设备的安全裕度要求及报废准则，设定缺陷波形的门限，然后通过样品采集及反复修改，建立钢丝绳缺陷门限数据库作为判断依据。图4为按照超门限原理提取的数据段，其门限值是以6X19+SF钢丝绳两根断丝处漏磁信号波形的峰峰值为判断依据，等于或高于此值则自动提取可疑数据段。即：

(1)

式中：Ta为幅值门限；y(i)为序列。

通过设置幅值超门限y(i) 位置前后的时间段，确定读取的可疑数据段的长度，若某数据段上连续出现幅值超门限的y(i)，则连续提取该段数据。

图4 幅值门限设置

2．2．2 基于小波分析的信号降噪处理

在数据采集过程中，由于钢丝绳摆动以及外界磁场等因素的影响，使得检测信号受到噪声污染，在所提取的数据中存在干扰，不利于缺陷的分析判断。为此必须对数据进行降噪处理，提高信噪比。

由于小波分析具有良好的去噪效果，通过小波分解后，所得到的低频系数主要反应信号的信息[9-10]。因此，采用‘db4’小波对提取的可疑信号进行六层分解，信号的噪声主要集中在高频系数d1、d2、d3、d4之中，采用强制去噪法，将d1、d2、d3、d4的系数置为零，利用d5、d6、a6进行信号的重构即可得到良好的去噪效果，实现缺陷段数据的有效提取。

图5为基于Matlab的小波分析程序，通过在LabVIEW中调用Matlab节点来实现小波分析程序在LabVIEW环境下的运行。

图5 小波分析降噪程序图

图6为缺陷信号的小波分解结果，其中d6已经很好地反应缺陷的存在，完全可用于钢丝绳缺陷的定量分析。再结合钢丝绳的报废准则，即可判断钢丝绳能否继续使用。

图6 多层小波分析结果

2．2．3 形成试验报告

对于上述分析结果，采用在LabVIEW中调用excel的方法生成试验报告文档，实现检测结果的发布。通过操作图2所示的操作界面，按下试验报告输出按钮，即可实现对试验报告的显示与打印。

钢丝绳探伤结果的试验报告主要包括使用单位信息、钢丝绳信息、检测部门信息；可植入缺陷图片与实测的缺陷波形，更直观地给出了缺陷形态，便于进一步分析损伤原因；试验报告正文给出钢丝绳断缺陷类型及距离某一指定位置的距离；最后是依据国标给出是否报废的判断。

3 实施案例

该案例为在煤炭装卸现场使用的钢丝绳，其直径为25．4 mm，由于现场环境恶劣、钢丝绳表面被煤粉包裹，用人工目测法及人工挂丝检验法很难发现该缺陷。

应用基于MR01型磁阻式传感器的钢丝绳探伤系统，检测到该钢丝绳的缺陷如图7所示。并自动生成检测报告，给出断丝位置及断丝数量，并对是否需要对钢丝绳进行更换提出建议。

图7实施案例

综上所述，基于虚拟仪器的钢丝绳断丝弱磁检测系统具有质量轻、灵敏度高、功能齐全、操作方便等优点，可有效地检测钢丝绳微小的不易发现的断丝缺陷，为钢丝绳的安全使用提供了保障。

参考文献：

[1]袁方，胡斌梁，周知进．在役钢丝绳缺陷检测方法的研究现状与展望．机械设计与制造，2010(2)：260-262．

[2]JOMDECHA C，PRATEEPASEN A．Design of modified electromagnetic main-flux for steel wire rope inspection．NDT&E Internation．2009(42)：77-83．

[3]陶德馨，艾丽斯佳．基于弱磁探伤的钢丝绳无损检测技术．中国工程机械学报，2009(1)：96-99．

[4]国家标准局．起重机用钢丝绳检验和报废实用规范．1986：3-4．

[5]DING J J，SUN C．Design of multi-channel signal acquisition system of the torsion spring Based on LabVIEW．Procedia Engineering，2011，15：426-430．

[6]郭鹏．基于弱磁探伤的钢丝绳无损检测技术试验研究：[学位论文]．秦皇岛：燕山大学，2011：44-59．

[7]KIS P，KUCZMANNA M，IVáNYI J A．Hysteresis measurement in LabView．Physica B，2004，343：357-363．

[8]ARPAIA P，BOTTURA L，INGLESE V，et al．On-field validation of the new platform for magnetic measurements at CERN，Measurement，2009，42(1)：97-106．

[9]MANGANIELLO L，VEGA C，RIOS A，et al．Use of wavelet transform to enhance piezoelectric signals for analytical purposes．Analytica Chimica Acta 2002，456：93-103．

[10]HAASE M，WIDJAJAKUSUMA J，Damage identi?cation based on ridges and maxima lines of the wavelet transform．International Journal of Engineering Science，2003，1：1423-1443．

作者简介：王劲东(1978-)，研究员，博士生导师，主要研究方向：磁场探测理论与实践。