基于弱磁的钢丝绳探伤技术研究

史 荣， 郭 鹏， 王劲东， 王 雷

（1.燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室，河北秦皇岛 066004；2.中国科学院国家空间科学中心，北京 100190）

基于弱磁的钢丝绳探伤技术研究

史 荣1， 郭 鹏1， 王劲东2， 王 雷1

（1.燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室，河北秦皇岛 066004；2.中国科学院国家空间科学中心，北京 100190）

依据磁荷分析理论，建立了钢丝绳断丝磁偶极子模型，计算了单丝断口处漏磁场的分布规律。采用正交设计方法对激磁回路参数进行了实验研究，确定了弱磁磁化系统的基本结构与基本参数，实现了磁化与检测的一体化设计。依据弱磁激励情况下钢丝绳缺欠处的漏磁场强度，选择了高灵敏度MR01型磁阻式传感器；给出了多种断丝形态的实测曲线。实验结果表明，基于MR01型磁阻式传感器的钢丝绳磁检测系统，不仅能够实现对小尺寸断口缺陷的有效检测，而且可用于剩磁检测，为钢丝绳探伤技术的发展提供了有价值的科学依据。

计量学；钢丝绳探伤；弱磁检测；微磁检测；磁阻式传感器

1 引 言

自1906年南非学者发明第一台钢丝绳探伤仪以来，历经一个多世纪的研究，各种检测技术层出不穷。目前提出的比较具有代表性的检测方法有超声波检测法、声发射检测法、磁致伸缩检测法、射线检测法、涡流检测法及电磁检测法等。其中，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技术。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磁性钢丝绳检测仪等。而弱磁检测系统由于钢丝绳的磁化强度低、永久磁铁矫顽力小，实现了激磁系统与检测装置一体化的仪器设计，且检测装置质量小、重量轻、携带方便；传感器灵敏度高，允许传感器与钢丝绳表面有较大间隙，信号噪声低。因此，弱磁检测是钢丝绳探伤领域的新技术之一［3］。

2 钢丝绳钢丝断口处的漏磁场分布

钢丝绳是由多股钢丝绕制而成的，断丝是钢丝绳的主要缺陷。图1显示了钢丝绳只有1根断丝时的磁偶极子模型，利用磁场分布理论可以对断口处漏磁场分布进行计算［4］。

图1 钢丝断口的磁偶极子模型

假设断口P1（－L，0）点和P2（L，0）点处分别具有点磁荷－Q和Q，根据磁荷分析理论和磁场矢量叠加原理，P（x，y）处的磁感应强度B应等于磁荷－Q和＋Q在该点产生磁场强度的矢量和。P点的磁场强度在x、y方向上的分量分别为：

式中，x为沿钢丝绳轴向，y为沿钢丝绳径向。

设：钢丝绳的钢丝直径为d，则：断口距离为2L－d，断口处的磁荷量Q可表示为：

式中，Bg为钢丝绳中的磁感应强度（T）。

依据上述理论，利用matlab软件编程，可计算出金属丝断口处的漏磁场分布如图2（a）所示。其中，钢丝直径d为3 mm，断口距离2L－d为4 mm。在弱磁磁化状态下，钢丝绳中的磁感应强度Bg≤ 10－4T。

图2（b）是断口处漏磁场的实测结果，x、y方向漏磁场分布规律与理论计算结果基本一致，证明了在钢丝断口处漏磁场确实存在较明显的变化，为钢丝绳断丝检测提供了理论依据。

图2 钢丝断口处x、y方向漏磁场的分布规律

3 基于弱磁场的检测元件

钢丝绳无损探伤常用的磁场检测元件主要有感应线圈和霍尔元件。感应线圈的优点是成本低、易实现，但是在检测过程中对钢丝绳运行速度的稳定性有严格要求，而且精度较低，现已逐渐被淘汰。霍尔元件的优点是体积较小，可实现集成，在现有的国内外钢丝绳探伤仪中应用比较广泛［5］。

然而，由图2的计算与实验结果可见，在弱磁磁化状态下，φ3 mm钢丝断口处的漏磁场最大值为± 5×10－5T，而商用霍尔传感器的灵敏度指标≥10－4T［6］，霍尔元件的灵敏度小于漏磁场的磁感应强度，对于断丝根数少、断口长度小的钢丝绳缺陷的有效检出率欠佳。因此，选择更灵敏的磁场检测元件是实现弱磁探伤检测的关键环节。

MR01型磁阻式传感器，是在航天领域深空探测所研制的高精度磁强计基础上开发的一种磁场检测元件，具有x、y、z三个方向的探头，测量范围为± 6.5×10－5T［7］。图2（b）为使用该传感器检测到的断丝处漏磁场分布，其波形清晰，幅值变化明显。因此，本文将研究基于MR01型磁阻式传感器的钢丝绳缺欠弱磁检测的系统。

4 激磁回路设计

钢丝绳磁化器磁路的主要形式有单回路与多回路磁路，由于MR01型传感器具有足够高的灵敏度，首先设计了单激磁回路进行弱磁探伤技术的实验研究［8］。

单激磁回路原理如图3所示，主要包括：1、钢丝绳；2、极靴；3、传感器；4、衔铁；5、永久磁铁。主要参数包括铁磁材料的磁性能，相关尺寸h1，h2，h4及传感器安装方式等。

图3 单激磁回路示意图

4.1 磁性材料的选择

磁路系统中主要有两种磁性材料，一是激磁源的永磁材料，二是用来改善磁路导磁状态的软磁材料。对于弱磁探伤，由于磁场强度不高，在实验研究中，首先选用普通的铁氧体磁铁或钕铁硼磁铁等对钢丝绳进行磁化。图4为磁路中采用的普通磁铁。

为了减小磁路中的磁阻，改变磁力线的分布，增大气隙中的磁场强度，选择DT4工业纯铁作为励磁回路中的软磁材料。

图4 永磁材料

4.2 磁路参数的确定

为了探讨单激磁回路的基本参数，本文采用正交法设计了以研究传感器到钢丝绳表面距离h4，磁极间距L2及铁磁材料的剩磁为主要指标，以考核MR01型磁阻式传感器的工作特性、断丝信号的分辨率与幅值特性、缺陷信号的稳定性与重复性等为目标的正交实验表，表1为实验因素与水平。表中磁铁的尺寸分别为：C1：24 mm×4 mm，C2：10 mm×10 mm×3 mm，C3：10 mm×10 mm× 1.5 mm，C4：20 mm×10 mm×1.5 mm。

表1 L16（45）正交表

由正交实验确定的单回路磁路系统基本参数见表2。

表2 磁路基本参数mm

按照上述参数所设计的弱磁检测系统如图5所示。其中：1是钢丝绳；2是磁靴；3是传感器；4是传感器与钢丝绳间距离（h4）的调制机构，当被测钢丝绳直径变化时，通过调整h4，使钢丝绳与传感器之间保持最佳距离，减少噪声干扰；5是永久磁铁；6是磁靴距离调整机构，极靴内侧间距L2的调整是为了形成一段均匀磁化的区域，使得传感器的输出受外界干扰最小，有利于对钢丝绳上的微小缺陷进行检测。

图5 磁路和检测的一体化设计

由图5可见，该磁路的显著特点是，结构简单。由于弱磁激励，磁路系统质量小，将传感器与磁路集成在一个系统内，实现了磁化与检测的一体结构，易于实现检测设备的轻型化设计，这是对传统分体式钢丝绳探伤检测装置的一大革新，也是弱磁探伤的最大特点之一。

5 单回路磁路系统的实验验证

为了验证钢丝绳弱磁探伤技术的可行性，采用图5所示的磁路系统，在燕山大学机械电子工程河北省重点实验室进行了大量的实验研究。缺陷钢丝绳的标样制作方法见文献［9］。

5.1 小直径钢丝绳断丝缺陷检测实例

图6 小直径钢丝绳断丝检测结果

图6为φ8 mm钢丝绳断丝缺陷探伤实例，钢丝直径为φ0.5 mm，材料为高碳钢。其断丝缺陷如图6（a），缺陷1、2为2根断丝，缺陷3为3根断丝。实验中采用的磁路参数为：磁极间距160 mm，传感器距钢丝绳表面8 mm。磁化器为N35钕铁硼（C2）永久磁铁。

图6中，（b）、（c）为缺陷漏磁场沿钢丝绳轴向x方向分布。其中，（b）为缺陷部位相对于检测装置往返运动1次所测得的缺陷波形，即1-2-3为正行程，3-2-1为返回状态。由图可见，正返行程波形基本一致，由于返行程速度大于正行程的速度，3-2-1的波形比1-2-3的波形历时较短。（c）为3号缺陷反复6次通过检测系统后的实测波形曲线，曲线的幅值基本一致。且（b）与（c）幅值的绝对值基本一致，对其零线位置的波动，可通过数据处理技术解决。

由实测波形可见，MR01传感器与磁路参数配置具有较好的协调性，缺陷处波形清晰，幅值明显，重复性好，为信号后处理提供了良好的基础数据。

5.2 大直径钢丝绳断丝缺陷检测实例

实验中采用的大直径钢丝绳如图7所示，钢丝绳直径为φ30 mm，其型号为6X19S＋SF，外层股钢丝为φ3 mm，其缺陷形态如图7中的（a）、（b）、（c）所示。其中（a）为2根断丝，（b）为3根断丝，且断丝距离极端，（c）为1根断丝。其磁路参数为：磁极间距200 mm，传感器距钢丝绳表面10 mm，永久磁铁为C4。

图7 钢丝绳断丝缺陷形态图

图8为缺陷处轴向漏磁场分布，其中（a）为传感器依次通过图7中a、b、c三处缺陷的实测波形，（b）为传感器对b、c缺陷往复一次的采样结果。

由图8可见，传感器对缺陷响应十分明显，波形幅值与断口形态、断丝数量对应。即断丝数量增加，波形幅值增大。在钢丝绳匀速运动前提下，波形断口宽，信号波形的时间历程就长。因此，通过缺陷波形分析，可实现钢丝绳断丝缺陷的量化，为精确预报钢丝绳断丝状态提供可靠的依据。

依据钢丝绳报废准则GB 5972－86［10］，对于规格为6X19S＋SF钢丝绳，当6倍于钢丝绳直径长度范围内断丝根数达到5根，或10倍于钢丝绳直径长度范围内断丝根数达到10根时，该钢丝绳应报废，而本系统对于断丝根数为1，断口距离很短的缺陷能够实现有效的检测。因此，基于MR01型磁阻式传感器的磁路参数设计完全能满足工业应用要求。

5.3 剩磁探伤检测实施案例

图8 大直径钢丝绳断丝缺陷实测波形

图9为直接利用钢丝绳剩磁进行探伤检测的实例。钢丝绳直径为φ25.4 mm，钢丝直径为φ2 mm，试件来自煤码头刚刚报废的钢丝绳。图9（1）为钢丝绳的断丝形态，该缺陷属于疲劳断丝，其中1处有3根断丝，且断口长度为5 mm。2处为由于腐蚀引起的点状断丝，断口长度极小。图9（2）是基于钢丝绳剩磁的实测缺陷波形，由图可见，在未对钢丝绳进行磁化的情况下，实测波形真实地反应了钢丝绳缺陷形态，且波形清晰，分辨率高。

图9 钢丝绳的剩磁探伤实例

上述实验结果充分证实，采用MR01型磁阻式传感器，可实现对具有一定剩磁的钢丝绳直接进行探伤检测，为钢丝绳无损探伤提供了更简捷的方法。

6 结 论

（1）依据磁偶极子模型，分析了钢丝绳断丝情况下的漏磁强度与漏磁分布规律；

（2）设计了基于弱磁检测的钢丝绳缺陷无损探伤系统，确定了传感器的基本形式及灵敏度指标，采用正交实验法，确定了磁路的基本参数，实现了磁化与检测的一体化设计，为简约化、轻量化的钢丝绳探伤检测装置设计提供了科学依据；

（3）实验结果表明，基于弱磁的钢丝绳缺陷无损探伤系统具有很高的灵敏度，可实现微小断丝的有效检测，对于钢丝绳断丝缺陷的早期发现具有重要意义；

（4）实验结果表明，MR01型磁阻式传感器不但可用于钢丝绳的弱磁探伤，而且可实现钢丝绳的剩磁探伤，该传感器在工业生产中将具有良好的应用前景。

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

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［3］ 陶德馨，艾丽斯佳.基于弱磁探伤的钢丝绳无损检测技术［J］.中国工程机械学报，2009，7（1）：96－99.

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W ire Rope Inspection Technology Research Based on Weak Magnetic

SHIRong1， GUO Peng1， WANG Jin-dong2， WANG Lei1
（1.Parallel Robot and Mechatronic System Laboratory of Hebei Province，YanShan University，Qinhuangdao，
Hebei066004，China； 2.National Space Science Center CAS，Beijing 100190，China）

Based on magnetic charge analysis theory，the broken wire rope magnetic dipolemodel was established，and the calculation of the single fracture leakagemagnetic field in the distribution law.The excitation circuit parametersare experimentally studied through the orthogonal designmethod，the basic structure and basic parameters of theweakmagnetic magnetization system are determined，and the integration design of the magnetization and the detection is achieved.According to the leakagemagnetic field strength atwire rope defects in the case of weak magnetic incentives，the MR01 typemagnetoresistive sensor with high sensitivity is chosen.Themeasured curves of a variety of broken wires in form is also described.The experimental results show that the wire rope magnetic detection system based on the MR01 type magnetoresistive sensors is not only able to achieve the effective detection of the fracture in small size but also for the remanence detection.It is a valuable research for the development of the wire rope inspection technique.

Metrology；Wire rope flaw detection；Weak magnetic detection；Micromagnetic detection； Magnetoresistive sensor

TB972

A

1000-1158（2014）01-0078-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．01．16

2012-06-20；

2012-11-17

国家高技术研究发展计划（863）项目（2008AA12A206）

史荣（1949－），女，燕山大学机械学院教授，主要从事机械工程测试技术研究。shingrong＠ysu.edu.cn