隧道磁电阻传感器在钢丝绳检测系统中的应用

万舟 单阳 魏健雄

摘 要：在电梯钢丝绳检测系统中，通过励磁装置、磁场检测装置、数据采集、数据处理、监控显示、报警系统对钢丝绳进行检测。为实现对钢丝绳LF缺陷的检测，建立单丝磁偶极子模型进行仿真，根据隧道磁电阻传感器（Tunnel Magneto Resistance 简称TMR）的原理和特性，对TMR传感器进行对称环绕分层式排列，减小检测过程中的信号干扰，通过仿真选择合适的提离高度，使检测系统满足对缺陷的检测要求。结果表明，TMR磁传感器可以减轻装置重量，并且可以达到LF检测标准。

关键词：钢丝绳；励磁结构；TMR磁传感器；环绕分层式

DOI：10.11907/rjdk.172613

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）004-0171-04

Abstract：The excitation device， the magnetic field detection device， the data acquisition， the data processing， the monitoring display and the alarm system are tested in the nondestructive testing system of the elevator steel wire rope.In order to test the LF defects of steel wire rope， the single dipole model is established for simulation. According to the principle and properties of tunnel magneto resistance （TMR） sensor， the TMR sensors are in the ambient and layered arrangement to reduce signal interference in detection. Proper lift-off height is obtained from simulation so that the detection system can meet the requirements of defect detection. It is shown that the TMR magnetic can reduce the device weight and meet the LF detection standards.

Key Words：steel wire rope； excitation structure； TMR magnetic sensor； ambient and layered arrangement

0 引言

钢丝绳作为电梯、提升机、塔桥、吊索等设备的重要组成部分，在日常工作中起到很关键的作用。所以，钢丝绳维护与检测是非常重要的环节。钢丝绳制作材料繁多，性能非常优越，但是制作结构复杂，带来的缺陷同样也很多，有的出现在外表面而有的出现在内表面，加上油污灰尘等杂质影响，给人工目测带来了极大困难。强度损失很少甚至没有损伤的有时却被强制更换，造成了巨大的资源浪费。为了满足生产安全要求，提高经济效益，钢丝绳的无损检测应运而生。

无损检测是在不损坏钢丝绳的情况下对钢丝绳的性能进行检测，而电磁检测法的优点是成本相对较低、操作简单方便、精确度高等。霍尔传感器输出信号稳定、不需耦合剂且快速可靠、成本低，但是电磁检测法需要高灵敏度，就需要用聚磁环放大磁场以提高灵敏度[1]，造成励磁装置体积和质量增加。而TMR 磁传感器芯片具有体型小、成本低、功耗低、集成度高、响应频率高和灵敏度高等特性，可以提高检测精度[2]。合理安排TMR磁传感器的排列方式，可以及時准确地检测钢丝绳。

1 系统结构

钢丝绳检测装置包括以下几个部分：励磁装置、磁场检测装置、数据采集、数据处理、监控显示、报警系统。

检测系统结构如图1所示。励磁装置首先将需要检测的钢丝绳磁化，如果钢丝绳有问题，磁场检测装置中的TMR磁传感器检测到磁场中的漏磁信号，将采集到的信号发送给数据采集部分，由等距离脉冲发生器将等距离采样信号发送给数据处理装置，同时记录下被检测钢丝绳的位置，发送给数据采集部分的等距离采样信号和漏磁信号经过A/D转换器转换成编码信号，编码信号由S3C24W处理器进行数据处理，经由报警系统装置进行警示。为了更直观地了解钢丝绳的检测结果且储存数据，可以上接PC系统进行显示。

构成励磁器的励磁磁路主要由永磁体、工业纯铁、空气气隙和待测段形成。钢丝绳的缺陷一般包括内部和外部损伤腐蚀。若被检测的钢丝绳段没有缺陷，则不会产生漏磁场，若材料存在问题，则磁传感器就会检测到励磁装置产生的漏磁信号。在励磁器的励磁回路设计中，为了降低对漏磁信号的干扰，应保证合理磁化钢丝绳段，钢丝绳由多股绳捻接而成，本身就存在干扰信号。两块永磁铁周围是磁导率很高的软磁材料，不仅可以令钢丝绳均匀地磁化，同时也可以提高被检测信号的强度，更好地进行漏磁检测。为了检测漏磁信号，需要用到磁传感器（见图2）。

2 实验过程

由于钢丝绳结构相对比较复杂，所产生的漏磁场也会复杂，为了方便进行理论探讨，需要建立数学模型，所以会对钢丝绳的结构进行简化。根据漏磁场的对称性和其它分量的特点，采用磁偶极子模型对漏磁场建立数学模型。

建立X-Y坐标轴，2b为钢丝绳断丝的宽度，O为断丝口的中心点，P1和P2为磁荷，P点为漏磁场的任意一点，r、r1、r2分别为P点到两个磁荷O、P1和P2的距离，2l为磁荷之间的距离。根据磁荷分布原理和磁场叠加理论可得，P点的磁场强度B为P1点的磁场强度B1与P2点磁场强度B2的矢量叠加，即：

2.1 实验分析

利用Matlab对钢丝绳的断口宽度和提离距离影响因素进行分析，B=0.85T，μ=4π×10-7。

2.1.1 斷口宽度

传感器对于钢丝绳断口的提离高度为3mm，钢丝绳d=3mm，b的值分别取0.25，0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5mm，根据式（8）-式（10），轴向漏磁强度和径向漏磁强度如图4所示。

从图4中可以看出，不同宽度断口的漏磁场的径向磁场变化中，当0

从图5中可以看出，不同宽度断口漏磁场轴向磁场变化中，当0

综上所述，b的取值宜在1～2mm之间。

2.1.2 提离高度

传感器对于钢丝绳断口宽度2b=4mm，钢丝绳提离高度y的值分别取1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5mm，根据式（8）-式（10），轴向漏磁强度和径向漏磁强度如图6所示。

由图6曲线变化可知，断口漏磁场径向磁场的大小随着提离高度的增加变化非常明显。但是，在轴向磁场的变化图7中，随着提离距离的变小，磁场的强度变化特别明显，但是漏磁场的“山峰”形态也趋于明显。

综上所述，y的取值宜在2～3mm之间。

2.2 TMR磁传感器分布

为了能够全方位检测钢丝绳，根据TMR磁传感器的敏感感应方向，将传感器放置在与钢丝绳中心轴成180°方向和中心轴成90°方向。其结构如图8所示。

为了尽可能检测到钢丝绳上所有的缺陷与损伤，减少传感器排列不均造成的干扰信号，传感器的数量N应满足：

式（11）中：R为检测环半径；L1、L2为轴向和径向TMR传感器的检测长度。

3 应用效果

利用TMR磁传感器设计的系统对一根有缺陷的客梯钢丝绳进行检测，提离高度为3mm，断口宽度取1mm和2mm。检测上海三菱公司生产的菱云系列电梯，额定速度是1～2.5m/s，额定载重量是630～2 500kg，标准最大提升高度是120m，实验钢丝绳采用直径16mm。

如图9所示钢丝绳的断丝检测状况。很明显，存在5处比较明显的波峰波谷，除上述5处变化外，其余波形都稳定在一定范围内，其幅值稳定在0.758～0.801，这是因为钢丝绳受股波和钢丝绳波动因素影响。图中5处为检测到断丝一根、断口宽度1mm的波形变化，峰顶为0.758V，峰谷为0.731V，是最小损伤状况的电压值。图中2处为检测到断丝4根断口宽度2mm的波形变化，峰顶为0.799V，峰谷为0.709V，峰值差为0.090V。

表2显示，利用TMR磁传感器检测系统检测钢丝绳的准确度，没有检测出的断丝一般都是钢丝绳的内里断丝和钢丝绳的锈蚀断丝。在以往所有的无损检测中，霍尔传感器对于钢丝绳的缺陷检测较为普遍，但是信号的放大处理造成了装置笨拙和成本增加，而TMR 磁传感器可以简化信号处理这一步骤，减轻装置重量。

4 结语

基于TMR磁传感器的钢丝绳无损检测系统，可以同时实现轴向和径向缺陷的双重检测，采用S3C24W处理器提高集成性，充分保证检测结果的准确性。钢丝绳结构不尽相同，所造成的缺陷也有很大差异，只有保证数据结果的准确性，在建立钢丝绳数据库的时才更有参考价值。

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（责任编辑：何 丽）