ACSM钢丝绳损伤诊断关键技术研究*

林彦宏 ， 高联学 ， 刘子硕

（滨州学院电气工程学院，山东 滨州 256600）

0 绪论

当前，我国市场经济发展迅速，各行各业中使用钢丝绳的现象越来越普遍，因此，钢丝绳的安全性能就越来越受到人们的高度重视。然而，钢丝绳在工作过程中，容易受到多种不确定载荷和恶劣环境因素的影响，导致钢丝绳强度与疲劳寿命等受到影响，钢丝绳断裂、磨损、腐蚀等现象经常发生。由于钢丝绳工作条件复杂、钢丝绳类型与损伤形式多样，造成的绳损伤也多种多样，现有的钢丝绳检测仪难以完全解决此类问题。如此，寻求新的智能高效的钢丝绳断丝损伤诊断技术和仪器，已成为目前亟待解决的问题。课题组主要基于交变电磁场应力检测信息技术（简称ACSM）设计了钢丝绳断丝损伤检测管理系统，重点发展研究了交变电磁场应力检测、基于交变电磁场应力检测分析钢丝绳磁畴与应力的相互影响；采用基于相关理论基础知识的定量风险识别处理方法，研究并设计了钢丝绳断丝损伤定量识别网络系统[1]。

目前，对于钢丝绳安全状况的磁场检测法主要进行两方面检测：一方面，通过检测钢丝绳损伤引起的漏磁场识别钢丝绳的损伤量；另一方面，根据检测钢丝绳磨损导致截面积损伤引起的磁通变化，识别钢丝绳截面积减小损伤量。国内磁场检测的主要研究成果有以下四类：磁粉检测、金属磁记忆检测、涡流检测、脉冲检测[2-3]。磁粉检测是以磁粉作为显示介质对铁磁体材料缺陷进行观察的方法，对磁化后的铁磁体材料件进行检测，如果材料表面存在裂纹，裂纹附近就会存在漏磁场，漏磁场会产生磁极，磁粉受磁极的影响沿裂纹曲线分布。在合适的光照下，凭借肉眼可以观察到磁痕，从而确定材料裂纹位置与损伤情况。国内金属磁记忆法检测研究的兴起则可以追溯到1999年，金属磁记忆法检测是通过铁磁性材料表面存在应力集中，集中位置形成磁畴钉扎点，此磁畴钉扎点附近磁场与外磁场的大小、方向皆不同。即便去除外磁场，磁畴钉扎点附近的局部磁场也不会消失。依据检测材料表面局部磁场位置和大小，确定其应力集中程度及位置。涡流检测和脉冲检测原理相同，区别仅在于励磁电流形式。当励磁线圈产生磁场，磁场被封闭在被测试件形成的磁回路中。若被测试件表面有裂纹，会在裂纹处产生漏磁场，从而减小整个回路中的磁场强度。通过感应线圈检测漏磁场的变化，得到试件的损伤程度大小。

ACSM技术的原理是交变电流产生交变磁场，交变磁场在金属绳中感应出均匀交变电流，此交变电流的产生会影响感应磁场。当工件受到外界因素作用力时，工件的磁畴改变，磁导率改变，电导率也变化。因此，测得的感应磁场作用强度随着其与外界相互作用力的改变，而发生相应的变化。由于企业主要将该技术应用于钢丝绳，进行无损检测时可以同时建立一个清晰的数学学习模型，使得它可以与中国许多先进的其他信息技术相融合，实现更优检测的功能[4-6]。为了研究钢丝绳损伤诊断的关键技术，本课题组以交变电磁场为基础，研究钢丝绳铁磁性材料的磁畴应力检测，探讨了铁磁性材料与应力的关系，同时设计了基于外部激励磁场的应力检测系统，以此来检测钢丝绳的应力分布。

1 交变电磁场应力检测理论基础

一般来说，物质放在不均匀的磁场中会受到磁力的作用，这称为物质的磁性。根据各类物质的磁化难易程度，将物质大致分为以下五类：抗磁性物质、顺磁性物质、铁磁性物质、反铁磁性物质和亚铁磁性物质。而普通钢丝绳的金属组成材料大部分属于铁磁性物质，所以铁磁性物质便成为本次研究交变电磁场应力的主要方向。

铁磁材料的磁化率是正的，因为磁矩排列在同一方向，铁磁材料很容易被磁化。铁磁性材料可以分为金属铁磁性材料和非金属铁磁性材料。金属铁磁性材料主要是以铁、钴、镍三种金属为基础，再加入其他元素，通过高温冶炼、机械加工而制成。由于这类铁磁性物质在高温、低频、大功率等条件下能够稳定地输出工作，因而被广泛应用于工业生产和生活中。因此，探究组成钢丝绳的铁磁性物质特性，展开铁磁性物质基于交变电磁场应力检测研究，应属于讨论的重点方向[7-8]。

1.1 磁畴及磁畴壁

组成钢丝绳的铁磁体材料在自发磁化的过程中，为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域，每个区域内部包含大量原子，钢丝绳会分化成不同方向的小磁化区。这些小区域称为磁畴。每个磁畴都由大量原子组成，每个原子内的磁矩都排列得十分整齐。但哪怕在相邻的磁畴区域之间，这两个磁畴内原子磁矩的方向仍然有很大程度的不同。磁畴与磁畴之间的交界面区域称为磁畴壁，畴壁具有厚度。施加外部激励磁场后，磁畴的磁化方向也随之发生改变。钢丝绳中各磁畴的自发磁化方向虽然清楚，但具有一定的磁性。在外部激励磁场的影响下，磁畴的磁化方向会因此发生变化，同时净磁矩与磁化矢量也会增高至饱和，此时磁畴中磁场强度和磁畴的体积都发生改变，宏观上便表现出铁磁性材料的磁性。各类铁磁性物质磁性截然不同，影响因素有很多种。其中磁畴的形状尺寸、磁畴壁的类型与其厚度被合称为磁畴结构。同一种铁磁性材料，如果磁畴的结构不同，则其磁化行为和程度也大不相同，所以磁畴结构的不同是铁磁性物质磁性截然不同的原因之一。

铁磁性物质自发磁化的根源是原子磁矩，而在原子磁矩中起主要作用的是电子自旋磁矩。与原子顺磁性一样，在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。因此铁磁性材料不受外磁场磁化时，整体铁磁性不明显。然而，施加一个外加激励磁场时，那些自发磁化方向和外磁场方向成小角度的磁畴，其体积随着外加激励磁场的增大而扩大并使自发磁化方向与外加激励磁场的角度扩大，磁畴的磁化方向进一步转向外磁场方向，同时磁畴体积也增加。然而，磁畴的自发磁化方向与外加磁场方向成很大的角度。随着外加激励磁场的增大，那些自发磁化方向和外磁场方向成大角度的磁畴体积也逐渐减小。所有磁畴都沿外磁场排列达到饱和，单元磁矩排列整齐，铁磁性材料磁化并具有宏观磁性。

1.2 应力对磁畴的影响

当磁畴内部存在应力影响时，磁体的各向异性能和磁弹性应力能将逐渐减小到最小值，从而影响自发磁化的分布。应力的不同和分布不均都将使钢丝绳中磁弹性应力能发生改变，改变应力的同时也将改变其自发磁化的方向，从而在钢丝绳中产生磁场。磁畴可以减小磁场的影响，但也会因此随之发生改变。

当磁畴在可控且安全状态下受到均匀应力检测时，如果磁畴的磁弹性应力能大于磁晶各向异性能，磁弹性应力将会独自决定自发磁化强度的方向；当磁畴的磁弹性应力能小于磁晶各向异性能且达到最低值时，磁畴壁与应力发展方向应呈现平行关系。由此可以得出，磁畴因为内应力的存在，其内部会自行发生应变，磁畴和磁畴壁也会因此改变，进而引起磁导率的改变。由上述分析可知，钢丝绳绳丝的磁畴内部存在应力的作用，会产生磁弹性应力能，磁化强度发展方向随应力不断发生变化，磁畴和磁畴壁也因此发生改变。

2 钢丝绳损伤检测系统结构与功能

该探伤装置由断丝检测传感器、信号预处理器、模拟数字转换器、等距脉冲编码器组成。在检测过程中，将普通钢丝绳相对于检测传感器移动，信号预处理器将来自传感器的钢丝绳绳丝检测信号进行放大和过滤，并将其发送到A/D转换器；位移测量编码器固定在传感器上，将测得的数据等间隔编码，脉冲信号以相等的间隔输出。该装置处理遵循安全规则，根据测试结果判断应力对钢丝绳损伤的诊断。

2.1 信号预处理

在应用霍尔元件设计时，由于霍尔元件受温度影响特性和输出电位的偏差，设计电路时要注意解决温度补偿和不相等电位补偿的问题。因此，运用霍尔元件检测时，环境温度的变化可能会影响元件的阻值，从而使工作输出的电流I发生变化，最终造成电源电势V的不稳定，可以采用流源补偿的补偿方法减小温度的影响。当霍尔元件的内阻随温度变化时，确保输出电路R的变化是相对较小的。同时，不等位电源电势V的补偿，采用霍尔元件不等位电势补偿原理的电路来实现。

2.2 嵌入式处理器

本系统拟用ARM处理器Intel PCA架构系列的StrongARM嵌入式微处理器。该嵌入式处理器以其体积小、速度快、功耗低的特点，外设接口丰富的高性能的16/32位双指令集微处理器，常应用在掌上电脑PDA等嵌入式便携设备中。

2.3 存储器

本系统准备选用Intel公司的StrongARM芯片SA1110，其可以满足便携式、嵌入式应用的要求，作为32位StrongARM RISC处理器，其最高运行速度可达206 MHz；其内部有强大的指令操作能力、高速缓冲能力、寄存器管理能力、读写缓冲器能力。

2.4 A/D转换器

选用双积分式A/D转换器将检测到的模拟量信号输出成ARM处理器能接收的数字量信号，使用普通RAM作为其缓冲器，积分器的输出将取其平均值，从而起到了滤波的作用。虽然实验时间长，但是抗干扰能力强，实验结果可靠。

2.5 LCD显示器

在电场的作用下，利用液晶分子的排列方向发生变化，使外光源透光率改变，完成电—光变换，再利用R、G、B三基色信号的不同激励，通过红、绿、蓝三基色滤光膜，达到使人机互动环节简洁明了，同时实时显示钢丝绳的受损情况分析等。

2.6 报警器

报警电路使用常见的LED灯和一个大功率压电蜂鸣器，其作用是告诉测试者测试的钢丝绳在某一处的损伤程度比标准范围的损伤程度大，以帮助用户了解钢丝绳在该条件下的损伤程度。

2.7 等距脉冲编码器

等距脉冲编码器可以把模拟量信号变成脉冲信号，对钢丝绳的损伤程度测试数据进行采集，同时不受钢丝绳转速的影响，保证了实验测量结果的准确性。

3 结语

本研究引入定频外加交变电磁场激励源，重点发展探索了有源激励下应力作用导致的钢丝绳电磁特性发生变化影响规律，探究在外加电磁场激励下，应力响应时间信号主要分布规律，设计并开发企业基于钢丝绳检测技术系统管理结构与功能，开展钢丝绳应力检测学生实验教学研究，实现了钢丝绳应力分布情况检测。