林彥宏 ， 高聯(lián)學(xué) ， 劉子碩

（濱州學(xué)院電氣工程學(xué)院，山東 濱州 256600）

0 緒論

當(dāng)前，我國市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，各行各業(yè)中使用鋼絲繩的現(xiàn)象越來越普遍，因此，鋼絲繩的安全性能就越來越受到人們的高度重視。然而，鋼絲繩在工作過程中，容易受到多種不確定載荷和惡劣環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致鋼絲繩強(qiáng)度與疲勞壽命等受到影響，鋼絲繩斷裂、磨損、腐蝕等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。由于鋼絲繩工作條件復(fù)雜、鋼絲繩類型與損傷形式多樣，造成的繩損傷也多種多樣，現(xiàn)有的鋼絲繩檢測儀難以完全解決此類問題。如此，尋求新的智能高效的鋼絲繩斷絲損傷診斷技術(shù)和儀器，已成為目前亟待解決的問題。課題組主要基于交變電磁場應(yīng)力檢測信息技術(shù)（簡稱ACSM）設(shè)計(jì)了鋼絲繩斷絲損傷檢測管理系統(tǒng)，重點(diǎn)發(fā)展研究了交變電磁場應(yīng)力檢測、基于交變電磁場應(yīng)力檢測分析鋼絲繩磁疇與應(yīng)力的相互影響；采用基于相關(guān)理論基礎(chǔ)知識(shí)的定量風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別處理方法，研究并設(shè)計(jì)了鋼絲繩斷絲損傷定量識(shí)別網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。

目前，對于鋼絲繩安全狀況的磁場檢測法主要進(jìn)行兩方面檢測：一方面，通過檢測鋼絲繩損傷引起的漏磁場識(shí)別鋼絲繩的損傷量；另一方面，根據(jù)檢測鋼絲繩磨損導(dǎo)致截面積損傷引起的磁通變化，識(shí)別鋼絲繩截面積減小損傷量。國內(nèi)磁場檢測的主要研究成果有以下四類：磁粉檢測、金屬磁記憶檢測、渦流檢測、脈沖檢測[2-3]。磁粉檢測是以磁粉作為顯示介質(zhì)對鐵磁體材料缺陷進(jìn)行觀察的方法，對磁化后的鐵磁體材料件進(jìn)行檢測，如果材料表面存在裂紋，裂紋附近就會(huì)存在漏磁場，漏磁場會(huì)產(chǎn)生磁極，磁粉受磁極的影響沿裂紋曲線分布。在合適的光照下，憑借肉眼可以觀察到磁痕，從而確定材料裂紋位置與損傷情況。國內(nèi)金屬磁記憶法檢測研究的興起則可以追溯到1999年，金屬磁記憶法檢測是通過鐵磁性材料表面存在應(yīng)力集中，集中位置形成磁疇釘扎點(diǎn)，此磁疇釘扎點(diǎn)附近磁場與外磁場的大小、方向皆不同。即便去除外磁場，磁疇釘扎點(diǎn)附近的局部磁場也不會(huì)消失。依據(jù)檢測材料表面局部磁場位置和大小，確定其應(yīng)力集中程度及位置。渦流檢測和脈沖檢測原理相同，區(qū)別僅在于勵(lì)磁電流形式。當(dāng)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁場，磁場被封閉在被測試件形成的磁回路中。若被測試件表面有裂紋，會(huì)在裂紋處產(chǎn)生漏磁場，從而減小整個(gè)回路中的磁場強(qiáng)度。通過感應(yīng)線圈檢測漏磁場的變化，得到試件的損傷程度大小。

ACSM技術(shù)的原理是交變電流產(chǎn)生交變磁場，交變磁場在金屬繩中感應(yīng)出均勻交變電流，此交變電流的產(chǎn)生會(huì)影響感應(yīng)磁場。當(dāng)工件受到外界因素作用力時(shí)，工件的磁疇改變，磁導(dǎo)率改變，電導(dǎo)率也變化。因此，測得的感應(yīng)磁場作用強(qiáng)度隨著其與外界相互作用力的改變，而發(fā)生相應(yīng)的變化。由于企業(yè)主要將該技術(shù)應(yīng)用于鋼絲繩，進(jìn)行無損檢測時(shí)可以同時(shí)建立一個(gè)清晰的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)模型，使得它可以與中國許多先進(jìn)的其他信息技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)檢測的功能[4-6]。為了研究鋼絲繩損傷診斷的關(guān)鍵技術(shù)，本課題組以交變電磁場為基礎(chǔ)，研究鋼絲繩鐵磁性材料的磁疇?wèi)?yīng)力檢測，探討了鐵磁性材料與應(yīng)力的關(guān)系，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于外部激勵(lì)磁場的應(yīng)力檢測系統(tǒng)，以此來檢測鋼絲繩的應(yīng)力分布。

1 交變電磁場應(yīng)力檢測理論基礎(chǔ)

一般來說，物質(zhì)放在不均勻的磁場中會(huì)受到磁力的作用，這稱為物質(zhì)的磁性。根據(jù)各類物質(zhì)的磁化難易程度，將物質(zhì)大致分為以下五類：抗磁性物質(zhì)、順磁性物質(zhì)、鐵磁性物質(zhì)、反鐵磁性物質(zhì)和亞鐵磁性物質(zhì)。而普通鋼絲繩的金屬組成材料大部分屬于鐵磁性物質(zhì)，所以鐵磁性物質(zhì)便成為本次研究交變電磁場應(yīng)力的主要方向。

鐵磁材料的磁化率是正的，因?yàn)榇啪嘏帕性谕环较?，鐵磁材料很容易被磁化。鐵磁性材料可以分為金屬鐵磁性材料和非金屬鐵磁性材料。金屬鐵磁性材料主要是以鐵、鈷、鎳三種金屬為基礎(chǔ)，再加入其他元素，通過高溫冶煉、機(jī)械加工而制成。由于這類鐵磁性物質(zhì)在高溫、低頻、大功率等條件下能夠穩(wěn)定地輸出工作，因而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和生活中。因此，探究組成鋼絲繩的鐵磁性物質(zhì)特性，展開鐵磁性物質(zhì)基于交變電磁場應(yīng)力檢測研究，應(yīng)屬于討論的重點(diǎn)方向[7-8]。

1.1 磁疇及磁疇壁

組成鋼絲繩的鐵磁體材料在自發(fā)磁化的過程中，為降低靜磁能而產(chǎn)生分化的方向各異的小型磁化區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，鋼絲繩會(huì)分化成不同方向的小磁化區(qū)。這些小區(qū)域稱為磁疇。每個(gè)磁疇都由大量原子組成，每個(gè)原子內(nèi)的磁矩都排列得十分整齊。但哪怕在相鄰的磁疇區(qū)域之間，這兩個(gè)磁疇內(nèi)原子磁矩的方向仍然有很大程度的不同。磁疇與磁疇之間的交界面區(qū)域稱為磁疇壁，疇壁具有厚度。施加外部激勵(lì)磁場后，磁疇的磁化方向也隨之發(fā)生改變。鋼絲繩中各磁疇的自發(fā)磁化方向雖然清楚，但具有一定的磁性。在外部激勵(lì)磁場的影響下，磁疇的磁化方向會(huì)因此發(fā)生變化，同時(shí)凈磁矩與磁化矢量也會(huì)增高至飽和，此時(shí)磁疇中磁場強(qiáng)度和磁疇的體積都發(fā)生改變，宏觀上便表現(xiàn)出鐵磁性材料的磁性。各類鐵磁性物質(zhì)磁性截然不同，影響因素有很多種。其中磁疇的形狀尺寸、磁疇壁的類型與其厚度被合稱為磁疇結(jié)構(gòu)。同一種鐵磁性材料，如果磁疇的結(jié)構(gòu)不同，則其磁化行為和程度也大不相同，所以磁疇結(jié)構(gòu)的不同是鐵磁性物質(zhì)磁性截然不同的原因之一。

鐵磁性物質(zhì)自發(fā)磁化的根源是原子磁矩，而在原子磁矩中起主要作用的是電子自旋磁矩。與原子順磁性一樣，在原子的電子殼層中存在沒有被電子填滿的狀態(tài)是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件。因此鐵磁性材料不受外磁場磁化時(shí)，整體鐵磁性不明顯。然而，施加一個(gè)外加激勵(lì)磁場時(shí)，那些自發(fā)磁化方向和外磁場方向成小角度的磁疇，其體積隨著外加激勵(lì)磁場的增大而擴(kuò)大并使自發(fā)磁化方向與外加激勵(lì)磁場的角度擴(kuò)大，磁疇的磁化方向進(jìn)一步轉(zhuǎn)向外磁場方向，同時(shí)磁疇體積也增加。然而，磁疇的自發(fā)磁化方向與外加磁場方向成很大的角度。隨著外加激勵(lì)磁場的增大，那些自發(fā)磁化方向和外磁場方向成大角度的磁疇體積也逐漸減小。所有磁疇都沿外磁場排列達(dá)到飽和，單元磁矩排列整齊，鐵磁性材料磁化并具有宏觀磁性。

1.2 應(yīng)力對磁疇的影響

當(dāng)磁疇內(nèi)部存在應(yīng)力影響時(shí)，磁體的各向異性能和磁彈性應(yīng)力能將逐漸減小到最小值，從而影響自發(fā)磁化的分布。應(yīng)力的不同和分布不均都將使鋼絲繩中磁彈性應(yīng)力能發(fā)生改變，改變應(yīng)力的同時(shí)也將改變其自發(fā)磁化的方向，從而在鋼絲繩中產(chǎn)生磁場。磁疇可以減小磁場的影響，但也會(huì)因此隨之發(fā)生改變。

當(dāng)磁疇在可控且安全狀態(tài)下受到均勻應(yīng)力檢測時(shí)，如果磁疇的磁彈性應(yīng)力能大于磁晶各向異性能，磁彈性應(yīng)力將會(huì)獨(dú)自決定自發(fā)磁化強(qiáng)度的方向；當(dāng)磁疇的磁彈性應(yīng)力能小于磁晶各向異性能且達(dá)到最低值時(shí)，磁疇壁與應(yīng)力發(fā)展方向應(yīng)呈現(xiàn)平行關(guān)系。由此可以得出，磁疇因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力的存在，其內(nèi)部會(huì)自行發(fā)生應(yīng)變，磁疇和磁疇壁也會(huì)因此改變，進(jìn)而引起磁導(dǎo)率的改變。由上述分析可知，鋼絲繩繩絲的磁疇內(nèi)部存在應(yīng)力的作用，會(huì)產(chǎn)生磁彈性應(yīng)力能，磁化強(qiáng)度發(fā)展方向隨應(yīng)力不斷發(fā)生變化，磁疇和磁疇壁也因此發(fā)生改變。

2 鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

該探傷裝置由斷絲檢測傳感器、信號(hào)預(yù)處理器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、等距脈沖編碼器組成。在檢測過程中，將普通鋼絲繩相對于檢測傳感器移動(dòng)，信號(hào)預(yù)處理器將來自傳感器的鋼絲繩繩絲檢測信號(hào)進(jìn)行放大和過濾，并將其發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換器；位移測量編碼器固定在傳感器上，將測得的數(shù)據(jù)等間隔編碼，脈沖信號(hào)以相等的間隔輸出。該裝置處理遵循安全規(guī)則，根據(jù)測試結(jié)果判斷應(yīng)力對鋼絲繩損傷的診斷。

2.1 信號(hào)預(yù)處理

在應(yīng)用霍爾元件設(shè)計(jì)時(shí)，由于霍爾元件受溫度影響特性和輸出電位的偏差，設(shè)計(jì)電路時(shí)要注意解決溫度補(bǔ)償和不相等電位補(bǔ)償?shù)膯栴}。因此，運(yùn)用霍爾元件檢測時(shí)，環(huán)境溫度的變化可能會(huì)影響元件的阻值，從而使工作輸出的電流I發(fā)生變化，最終造成電源電勢V的不穩(wěn)定，可以采用流源補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償方法減小溫度的影響。當(dāng)霍爾元件的內(nèi)阻隨溫度變化時(shí)，確保輸出電路R的變化是相對較小的。同時(shí)，不等位電源電勢V的補(bǔ)償，采用霍爾元件不等位電勢補(bǔ)償原理的電路來實(shí)現(xiàn)。

2.2 嵌入式處理器

本系統(tǒng)擬用ARM處理器Intel PCA架構(gòu)系列的StrongARM嵌入式微處理器。該嵌入式處理器以其體積小、速度快、功耗低的特點(diǎn)，外設(shè)接口豐富的高性能的16/32位雙指令集微處理器，常應(yīng)用在掌上電腦PDA等嵌入式便攜設(shè)備中。

2.3 存儲(chǔ)器

本系統(tǒng)準(zhǔn)備選用Intel公司的StrongARM芯片SA1110，其可以滿足便攜式、嵌入式應(yīng)用的要求，作為32位StrongARM RISC處理器，其最高運(yùn)行速度可達(dá)206 MHz；其內(nèi)部有強(qiáng)大的指令操作能力、高速緩沖能力、寄存器管理能力、讀寫緩沖器能力。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換器

選用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器將檢測到的模擬量信號(hào)輸出成ARM處理器能接收的數(shù)字量信號(hào)，使用普通RAM作為其緩沖器，積分器的輸出將取其平均值，從而起到了濾波的作用。雖然實(shí)驗(yàn)時(shí)間長，但是抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。

2.5 LCD顯示器

在電場的作用下，利用液晶分子的排列方向發(fā)生變化，使外光源透光率改變，完成電—光變換，再利用R、G、B三基色信號(hào)的不同激勵(lì)，通過紅、綠、藍(lán)三基色濾光膜，達(dá)到使人機(jī)互動(dòng)環(huán)節(jié)簡潔明了，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示鋼絲繩的受損情況分析等。

2.6 報(bào)警器

報(bào)警電路使用常見的LED燈和一個(gè)大功率壓電蜂鳴器，其作用是告訴測試者測試的鋼絲繩在某一處的損傷程度比標(biāo)準(zhǔn)范圍的損傷程度大，以幫助用戶了解鋼絲繩在該條件下的損傷程度。

2.7 等距脈沖編碼器

等距脈沖編碼器可以把模擬量信號(hào)變成脈沖信號(hào)，對鋼絲繩的損傷程度測試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)不受鋼絲繩轉(zhuǎn)速的影響，保證了實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

本研究引入定頻外加交變電磁場激勵(lì)源，重點(diǎn)發(fā)展探索了有源激勵(lì)下應(yīng)力作用導(dǎo)致的鋼絲繩電磁特性發(fā)生變化影響規(guī)律，探究在外加電磁場激勵(lì)下，應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間信號(hào)主要分布規(guī)律，設(shè)計(jì)并開發(fā)企業(yè)基于鋼絲繩檢測技術(shù)系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)與功能，開展鋼絲繩應(yīng)力檢測學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩應(yīng)力分布情況檢測。