CN102269734B - 铁磁性缆索金属截面积损失检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁磁性缆索金属截面积损失检测方法及其装置。其方法是将与直流电源连接的电缆绕制在被测缆索上作为直流磁化线圈，沿缆索圆周方向布置衔铁组和磁敏元件；开通直流电源，缆索将被直流线圈磁化，并与衔铁组形成磁回路，放置在该磁回路中的磁敏元件能测量回路中磁感应强度值，并以电压的形式输出；通过比较插入标准试样前后的磁敏元件输出的电压变化，获取测量系数，从而实现缆索金属截面积损失的检测。该装置包括磁敏元件、磁化线圈、数据处理器以及一个或多个衔铁组，衔铁组由两个对称的“┌”型衔铁块组成。本发明采用磁源内置方式，磁化线圈产生的磁场直接作用在被测缆索上，从而使得检测方法所需的磁系统体积小，重量轻，调节方便。

Description

铁磁性缆索金属截面积损失检测方法及其装置

技术领域

本发明属于无损检测技术，涉及一种铁磁性缆索金属截面积损失检测方法及其装置，用于对钢丝绳、斜拉索等铁磁性缆索磨损、腐蚀状态的检测。

背景技术

铁磁性缆索包括钢丝绳、桥梁缆索、游乐设施拉索等，作为一种关键承载部件，广泛应用于煤矿、冶金、建筑、交通、旅游等行业，在使用过程中，由于缆索与传动部件接触会产生磨损，或者由于外界环境因素引起缆索腐蚀，上述两种情况都会引起缆索金属截面积减少，从而降低缆索的有效承载截面积，对设备的安全运营产生危害。因此，必须采取有效方法对缆索截面积损失进行检测，保证设备安全运营。

目前，对于缆索金属截面积损失检测的方法，主要有磁通方法、磁桥路检测方法，磁通方法是采用直流或永久磁铁方式将缆索磁化到饱和，当缆索中由于磨损、腐蚀引起其金属截面积发生变化，则磁路状态会发生变化，若通过绕制线圈直接测量缆索中磁通量，则称为主磁通法，若在回路中测量磁通量，则称为回磁通法(杨叔子，康宜华.钢丝绳断丝定量检测原理与技术.北京：国防工业出版社，1995)。磁桥路方法则是通过在整个磁回路外部构建磁桥路进行测量(武新军，康宜华，谢月云.三峡升船机钢丝绳断丝与磨损检测原理及实现.高技术通讯.1998，5，44-47)。在上述检测方法中，磁通检测方法由于磁源外置，即永久磁铁或直流线圈产生的磁场并未直接作用在被测缆索上，而是通过一定的磁路设计将磁通导入到缆索中，由于漏磁通的存在，必然会造成磁能损失，为满足检测方法的磁化要求，必然要提高磁化能量，从而使整个磁化系统体积增大，重量增加，并且在主磁通检测方法中，由于只能采用线圈方式感应磁场变化，从而受检测速度影响较大；磁桥路方法由于采用多个磁路之间相互整合，为达到磁路的线性工作点，整个磁路的调整复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对上述检测方法的不足，提供一种铁磁性缆索金属截面积损失检测方法，该方法简易有效，易于实现；本发明还提供了实现该方法的装置，该装置具有体积小、重量轻的特点。

本发明提供的一种铁磁性缆索金属截面积损失检测方法，包括下述步骤：

第1步在被测缆索上选择一段已知金属截面积为S₀的初始区域，将与直流电源连接的电缆缠绕其上作为直流磁化线圈；

第2步沿缆索圆周方向布置一个或多个衔铁组，每个衔铁组由两个对称的

型衔铁块组成，每个衔铁组均横跨磁化线圈；

第3步在每个衔铁组的两个对称布置的

型衔铁块间预留的空隙处布置一个磁敏元件或者在衔铁组端部与缆索间的间隙处布置一个磁敏元件；

第4步将直流电通入磁化线圈时，获取磁敏元件的输出电压信号U₀；

第5步将一已知截面积为S_a，材料特性与被测缆索相同、长度大于衔铁长度的标样钢丝放入磁化线圈内，放入时使标样钢丝轴线平行被测缆索轴线，标样钢丝和被测缆索都被磁化，放入钢丝后得到磁敏元件的输出电压信号U_a；

第6步根据下式计算得到检测系数

$P=\left(\frac{U_a-U_0}{U_a}\right)/\left(\frac{S_a-S_0}{S_a}\right)$

第7步取出标样钢丝，开始检测，当检测某一截面积为S_i的待检测区域时，磁敏元件输出信号U_i；

第8步根据下式得到每一待检测区域的截面积S_i相对于初始区域截面积S₀的金属截面积损失量：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{Sp}}_i=\frac{1}{P}\·\frac{U_0-U_i}{U_0}$

并得到该检测区域的截面积S_i为：

S_i＝(1-ΔSp_i)·S₀。

实现上述方法的装置，其特征在于，该装置包括磁敏元件、磁化线圈、数据处理器以及一个或多个衔铁组，每个衔铁组由两个对称的

型衔铁块组成；使用时，每个衔铁组均横跨磁化线圈，磁敏元件与衔铁组数量相同，放置在每个衔铁组的两个

型衔铁块间预留的空隙处或者在衔铁组端部与缆索间的间隙处；磁化线圈由与直流电源连接的电缆绕制在被测缆索上构成；数据处理器与磁敏元件相连，对磁敏元件的输出值进行处理后得到所需的结果。

采用本发明所述的方法及其装置进行缆索金属截面积损失检测时，由于直流线圈产生的磁场直接作用在被测缆索上，不存在由于磁路设计引起的磁能损失，磁化效率高，从而使磁化系统体积变小，重量降低；另一方面，由于采用直流磁化方式，可通过调节磁化电流从而方便调节磁路工作点，调整方便。因此，采用本发明所述的方法可方便的实现铁磁性缆索金属截面积损失的检测。

附图说明

图1是本发明提供的金属截面积损失检测方法及装置结构示意图；

图2是本发明提供的金属截面积损失检测方法的原理图；

图3是本发明提供的金属截面积损失检测方法的等效磁路模型。

具体实施方式

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图1所示，将与直流电源连接的电缆绕制在被测缆索1上作为直流磁化线圈2，沿缆索1圆周方向布置一个或多个衔铁组3(衔铁组的数量可以为1～32个)，每个衔铁组3由两个对称布置的

型衔铁块组成，每个衔铁组3均横跨磁化线圈2，在每个衔铁组3的两个对称布置的

型衔铁块间预留的空隙处布置一个磁敏元件4或者在衔铁组3端部与缆索1间的间隙处布置一个磁敏元件4’；开通直流电源，缆索1将被直流线圈2磁化，在衔铁组3及衔铁组3横跨的缆索段间形成磁回路，位于该磁回路中磁敏元件4或磁敏元件4’能测量回路中其所处位置的磁感应强度值，并以电压的形式输出，数据处理器5与磁敏元件4或磁敏元件4’相连，对磁敏元件的输出值进行处理后得到所需的结果。

当缆索的截面积发生变化时，磁回路中的磁通量会发生改变，导致回路中磁敏元件4或磁敏元件4’所处位置磁感应强度值发生相应变化，因此磁敏元件4或磁敏元件4’输出电压的变化可以反映出缆索截面积的变化，该方法可以实现缆索截面积损失的检测，其具体的实现原理如下。

图2为本发明提供的金属截面积损失检测方法的原理图，其等效磁路模型如图3所示。图中各参数的含义为：F——磁化线圈提供的磁动势；R_a——磁化线圈内空气的磁阻；R_c——缆索的磁阻；R_g——衔铁组与缆索间空气隙的磁阻；R_l——衔铁组的磁阻；R_b——磁敏元件测量间隙处的磁阻；Φ_a——磁化线圈内空气的磁通量；Φ_c——缆索内的磁通量；Φ_t——磁化线圈内磁通量总和；Φ_b——磁敏元件测量间隙处的磁通量；

分析图3所示的磁路模型，可得如下4个等式：

$\left\{\begin{array}{c}(2R_g+2R_l)\·{\mathrm{\Φ}}_t+R_b{\mathrm{\Φ}}_b+R_c{\mathrm{\Φ}}_c=F\left(1\right)\\ {\mathrm{\Φ}}_b={\mathrm{\Φ}}_t\left(2\right)\\ {\mathrm{\Φ}}_t={\mathrm{\Φ}}_a+{\mathrm{\Φ}}_c\left(3\right)\\ R_a{\mathrm{\Φ}}_a=R_c{\mathrm{\Φ}}_c\left(4\right)\end{array}\right.$

将式(2)、(3)、(4)代入式(1)并化简得

$(2R_g+2R_l)\·{\mathrm{\Φ}}_b+R_b{\mathrm{\Φ}}_b+\frac{R_c{R}_a}{R_c+R_a}{\mathrm{\Φ}}_b=F---\left(5\right)$

磁化线圈内空气的磁阻式中L_a、μ_a、S_a分别为磁化线圈内空气磁化段的长度、空气的磁导率和磁化线圈内空气的截面积；缆索的磁阻

式中L_c、μ_c、S_c分别为缆索被磁化段的长度、缆索的磁导率和缆索的截面积；由于L_a和L_c大小相当，S_a和S_c大小相当，而μ_a＜＜μ_c，所以R_a＞＞R_c，得

式(5)可简化为：

(2R_g+2R_l+R_b+R_c)·Φ_b＝F

令R_s＝2R_g+2R_l+R_b，有

对于两段相同材料(材料的磁导率为μ_c)、相同长度(其平均磁化长度为L_c)而截面积分别为S_c1、S_c2的缆索C₁、C₂有：

${\mathrm{\Φ}}_{b1}=\frac{F}{R_s+R_{c1}}---\left(6\right)$

${\mathrm{\Φ}}_{b2}=\frac{F}{R_s+R_{c2}}---\left(7\right)$

式(6)、(7)中Φ_b1、Φ_b2为分别检测缆索C₁、C₂时，磁敏元件测量间隙处的磁通量；R_c1、R_c2为分别缆索C₁、C₂的磁阻；式(7)除以式(6)得：

$\frac{{\mathrm{\Φ}}_{b2}}{{\mathrm{\Φ}}_{b1}}=\frac{R_s+R_{c1}}{R_s+R_{c2}}$

变换，得 $\frac{{\mathrm{\Φ}}_{b2}-{\mathrm{\Φ}}_{b1}}{{\mathrm{\Φ}}_{b1}}=\frac{R_{c1}-R_{c2}}{R_s+R_{c2}}$

因R_s＞＞R_c2，R_s≈R_s+R_c2

所以：

$\frac{{\mathrm{\Φ}}_{b2}-{\mathrm{\Φ}}_{b1}}{{\mathrm{\Φ}}_{b1}}=\frac{R_{c1}-R_{c2}}{R_s}---\left(8\right)$

将Φ_b1＝B_b1S_b，Φ_b2＝B_b2S_b，

代入式(8)得：

$\frac{B_{b2}-B_{b1}}{B_{b1}}=\frac{1}{R_s}(\frac{L_c}{{\mathrm{\μ}}_c{S}_{c1}}-\frac{L_c}{{\mathrm{\μ}}_c{S}_{c2}})=\frac{L_c}{{\mathrm{\μ}}_c{R}_s}(\frac{1}{S_{c1}}-\frac{1}{S_{c2}})$

上述B_b1、B_b2为分别检测缆索C₁、C₂时，磁敏元件测量间隙处的磁感应强度；S_b——磁敏元件测量间隙处的磁路的截面积。对缆索金属截面积损失进行检测时，不妨设缆索金属截面积变化率为

则

$\frac{B_{b2}-B_{b1}}{B_{b1}}=\frac{L_c}{{\mathrm{\μ}}_c{R}_s}(\frac{1}{S_{c1}}-\frac{1}{(1-\mathrm{\ΔSp})S_{c1}})=\frac{L_c}{{\mathrm{\μ}}_c{R}_s{S}_{c1}}(1-\frac{1}{(1-\mathrm{\ΔSp})})$

对式

按ΔSp在ΔSp＝0处进行二阶泰勒展开

$\frac{1}{1-\mathrm{\ΔSp}}=1+\mathrm{\ΔSp}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Sp}}^2+o\left(\mathrm{\ΔSp}\right)$

$\frac{B_{b2}-B_{b1}}{B_{b1}}=-\frac{L_c}{{\mathrm{\μ}}_c{R}_s{S}_{c1}}(\mathrm{\ΔSp}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Sp}}^2)$

$\frac{B_{b1}-B_{b2}}{B_{b1}}=\frac{L_c}{{\mathrm{\μ}}_c{R}_s{S}_{c1}}(\frac{S_{c1}-S_{c2}}{S_{c1}}+{\left(\frac{S_{c1}-S_{c2}}{S_{c1}}\right)}^2)$

记 $\mathrm{\ΔBp}=\frac{B_{b1}-B_{b2}}{B_{b1}},$ $P=\frac{L_c}{{\mathrm{\μ}}_c{R}_c{S}_{c1}}---\left(9\right)$

则ΔBp＝P(ΔSp+ΔSp²)    (10)。

磁敏元件(如霍尔元件)在其正常工作量程内输出电压值U与测量处磁感应强度B成正比，即：

U＝K_H·B

式中K_H为霍尔元件的灵敏度系数。相应有：

ΔUp＝ΔBp＝P(ΔSp+ΔSp²)    (11)

式中ΔUp为霍尔元件输出电压值的变化率。

式(10)表示的是磁敏元件测量处磁感应强度变化率与缆索截面积变化率之间的关系。当缆索金属截面积变化率较小时，即ΔSp较小时，磁敏元件测量处磁感应强度变化率ΔBp与缆索金属截面积变化率ΔSp成正比；当缆索金属截面积变化率继续增大时，磁感应强度变化率ΔBp与ΔSp+ΔSp²或更高阶的ΔSp成正比。对于在役缆索而言，其金属截面积变化率通常较小，因此缆索金属截面积变化率ΔSp大致与磁敏元件测量处磁感应强度变化率ΔBp成正比，通过在测量断口处设置磁敏元件即可检测缆索金属截面积损失率，如磁敏元件为霍尔元件则霍尔元件输出电压变化率ΔUp与缆索金属截面积变化率ΔSp成正比，如式(11)所表达的关系。

在式(9)中，需已知L_c、μ_c、R_s、S_c1的数值才能得到参数P值，而L_c、μ_c、R_s的具体数值较难准确得到，但对于确定缆索金属截面积损失检测传感器和拉索而言，L_c、μ_c、R_s是定值，因此可以通过采用一段截面积已知，材料特性与被测缆索相同、长度大于衔铁长度的标样钢丝来标定参数P值，具体方法如下述步骤1)～6)。

实际使用该方法时，依次采取以下步骤：

1)如图1所示，在被测缆索1上选择一段已知金属截面积为S₀的初始区域，将与直流电源连接的电缆缠绕其上作为直流磁化线圈2；

2)沿缆索1圆周方向布置一个或多个衔铁组3(衔铁组的数量可以为1～32个)，每个衔铁组3由两个对称布置的

型衔铁块组成，每个衔铁组3均横跨磁化线圈2；

3)在每个衔铁组3的两个对称布置的

型衔铁块间预留的空隙处布置一个磁敏元件4或者在衔铁组3端部与缆索1间的间隙处布置一个磁敏元件4’；

4)将直流电通入磁化线圈2时，获取磁敏元件4或磁敏元件4’的输出电压信号U₀；

5)将一已知截面积为S_a，材料特性与被测缆索相同、长度大于衔铁长度的标样钢丝放入磁化线圈2内，放入时使标样钢丝轴线平行被测缆索轴线，标样钢丝和被测缆索都被磁化，放入钢丝后得到磁敏元件的输出电压信号U_a；

6)根据下式计算得到检测系数

$P=\left(\frac{U_a-U_0}{U_a}\right)/\left(\frac{S_a-S_0}{S_a}\right)$

7)取出标样钢丝，开始检测，当检测某一截面积为S_i的待检测区域时，磁敏元件输出信号U_i；

8)根据下式可得到每一待检测区域的截面积S_i相对于初始区域截面积S₀的金属截面积损失量：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{Sp}}_i=\frac{1}{P}\·\frac{U_0-U_i}{U_0}$

并可得该检测区域的截面积S_i为：

S_i＝(1-ΔSp_i)·S₀

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种铁磁性缆索金属截面积损失检测方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步在被测缆索上选择一段已知金属截面积为S₀的初始区域，将与直流电源连接的电缆缠绕其上作为直流磁化线圈；

第2步沿缆索圆周方向布置一个或多个衔铁组，每个衔铁组由两个对称的

型衔铁块组成，每个衔铁组均横跨磁化线圈；

第3步在每个衔铁组的两个对称布置的

型衔铁块间预留的空隙处布置一个磁敏元件或者在衔铁组端部与缆索间的间隙处布置一个磁敏元件；

第4步将直流电通入磁化线圈时，获取磁敏元件的输出电压信号U₀；

第5步将一已知截面积为S_a，材料特性与被测缆索相同、长度大于衔铁长度的标样钢丝放入磁化线圈内，放入时使标样钢丝轴线平行被测缆索轴线，标样钢丝和被测缆索都被磁化，放入钢丝后得到磁敏元件的输出电压信号U_a；

第6步根据下式计算得到检测系数

$P=\left(\frac{U_a-U_0}{U_a}\right)/\left(\frac{S_a-S_0}{S_a}\right)$

第7步取出标样钢丝，开始检测，当检测某一截面积为S_i的待检测区域时，磁敏元件输出信号U_i；

第8步根据下式得到每一待检测区域的截面积S_i相对于初始区域截面积S₀的金属截面积损失量：

${\mathrm{\ΔSp}}_i=\frac{1}{P}\·\frac{U_0-U_i}{U_0}$

并得到该检测区域的截面积S_i为：

S_i＝(1-ΔSp_i)·S₀。

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