钢丝绳应力集中和疲劳损伤的电磁无损检测技术分析

范伟 李兵 陈冰华 任尚坤

摘要：随着钢丝绳在工业技术中应用的快速发展，钢丝绳运行安全和高效经济的问题日益引起人们的广泛关注。鉴于此，阐述了与钢丝拉索无损检测技术相关的基础问题，分析了钢丝绳无损检测技术在国内外的发展演变历程;研究评述了钢丝绳无损检测技术最新研究成果的优点和缺点;重点分析讨论了检测传感器设计、信号处理方法、定性分析和定量识别技术、寿命预测方法等方面的研究进展，并指出了钢丝绳电磁检测技术目前所面临的问题及今后的研究发展方向，为深入研究电磁无损检测技术应用于钢丝绳损伤检测和质量评价提供了借鉴。

关键词：无损检测;电磁检测;应力集中;疲劳损伤;钢丝绳检测

0    引言

钢丝绳作为人或物的承载和运输部件，广泛应用于电梯、吊桥、索道、起重机、矿井等领域，是工业领域的“生命线”。钢丝绳在使用过程中会出现疲劳、锈蚀、磨损、断丝甚至断裂等现象，导致其承载能力及可靠性下降，这直接关系着人民生命财产安全，对该问题的研究已引起广大科技人员的广泛关注。

1    钢丝绳电磁检测技术在国内外的发展演变历程

钢丝绳的电磁检测最早开始于1906年[1]，南非科学家以交流励磁和线圈检测的方式研制了基于电磁检测方法的钢丝绳损伤检测仪器，该仪器的缺点是易受涡流效应和集肤效应的影响。

1925年，德国科学家H. Chappuzeau设计了依据检测钢丝绳的漏磁场来检测钢丝绳的电磁检测仪器，当时钢丝绳的励磁方式采用了直流励磁[2]，其检测原理为：被磁化的钢丝绳在缺陷处会产生漏磁场，通过检测漏磁场的大小和分布特征进而实现对损伤状况的判断;其缺点为体积大且操作繁琐。

1976年，加拿大科学家F. Kitzinger与G. A. Wint[3]提出以霍尔元件代替传统的检测线圈来对钢丝绳的截面积和局部缺陷进行检测，霍尔元件的使用明显减小了检测装置的体积，使信号拾取技术上了个新台阶。

1985年，加拿大的F. G. Tomaiuolo与J. G. Lang[4]将磁通门技术应用到漏磁场的检测中，进一步提高了检测灵敏度。

1987年，H. R. Weischedel[5]博士提出将积分电路与检测线圈串联起来，进一步减少了噪声对检测信号的干扰，可更加准确地提取到钢丝绳上磁通的检测信号，新的检测方法不仅可以对钢丝绳损伤缺陷进行定性分析，还可以进行一定程度的定量识别。

1995年，以计算机技术为核心的MagnographⅡ型钢丝绳检测仪诞生[6]，其特点是把计算机新技术应用到钢丝绳的电磁无损检测领域。

1996年，Hkuwn对磁致伸缩效应进行了研究，并将该原理应用到钢丝绳损伤检测技术中，在检测结果上取得了一定程度的成功[7]。

由于钢丝绳在工业中的应用日益增多，研究钢丝绳无损检测的文献也明显增多，继而出现了霍尔元件空间结构新型环形阵列传感器。无损检测技术与现代电子技术的最新研究成果相结合成为大势所趋。信号处理技术发展日新月异，把小波变换方法应用于漏磁检测的去噪和自适应滤波中已成为新的研究发展方向;同时基于径向基函数神经网络的方法也日益受到人们的重视，可用于漏磁检测的三维缺陷成像重建研究。

20世纪80年代，国内才开始出现钢丝绳电磁检测技术的研究[1]。抚顺煤矿分院于1986年从英国Becorit公司买了一台LMA-250型钢丝绳探伤仪，由此开始进入对钢丝绳损伤仪器研究应用的时代。后来又与哈尔滨工业大学合作开发，研制了基于单片机的TGS型探伤仪[8]。

从1985年开始，华中科技大学的杨叔子团队一直致力于钢丝绳无损检测方法的基础理论和仪器装置研究，在钢丝绳的励磁、电磁检测、损伤识别、量化检测、漏磁成像等方面都颇有建树，获得业内的一致认可[9]。

河南洛阳矿冶机电研究所开发了GXT型钢丝绳损伤在线检测系统，该系统采用自行开发的动态线圈作为传感器进行探伤，在检测钢丝绳局部缺陷时效果较为理想，在国内产生了较大的影响[10]。

上海海事大学的磁通门传感器技术国内领先，其首次将磁通门技术运用到钢丝绳损伤的检测中去，并且取得了较好的成绩[11]。

窦氏高灵敏度传感器和空间矢量合成原理对钢丝绳检测技术的发展贡献很大。

青岛理工大学的井陆阳将小波变换应用于钢丝绳损伤信号处理与特征提取中，并应用BP神经网络和支持向量机的方法对钢丝绳缺陷信号进行定量识别。

中国矿业大学的孙佳胜将DSP技术应用于钢丝绳损伤检测装置的信号采集系统，增强了钢丝绳漏磁场缺陷信号采集的时效性和精确性。

青岛理工大学的谭继文课题组[12]、哈尔滨工业大学的张东来课题组[13]以及华中科技大学的康宜华课题组[14]等都对钢丝绳损伤的检测与评价做了大量工作。

2    钢丝绳检测基础问题的有限元仿真研究

陈征宇和叶玉龙采用ANSYS仿真的方法对电梯钢丝绳的损伤检测进行了研究，发现钢丝绳的应力集中发生在钢丝绳与滚轮接触的地方的权重值较大，且拉动电梯的一侧比配重的一侧更为严重[15]。应力集中容易导致钢丝绳磨损，磨损变细又会进一步加剧钢丝绳的应力集中，直至导致断丝、断裂。

对检测传感器的励磁线圈和检测线圈的磁场分布分析也很关键，王方帅等人对不同结构形式的激励检测装置产生的磁场分布进行了仿真研究[16]，发现钢丝绳磁感应强度的分布特征与结构有关，励磁装置中空气气隙大小、励磁线圈截面长宽比、激励电流、导磁体等参数对磁感应强度分布都有影响，都是不可忽视的影响因素。

杨玉杰等人基于ANSYS仿真软件进行了力-磁耦合分析[17]，通过研究钢丝绳张力与磁特性参数之间的关系，设计了两种结构的闭路磁弹性传感器。通过建模仿真分析，提出了聚磁环旁路式磁弹性传感器的设计思想，对设计的闭合磁回路传感器的参数进行了优化;从励磁环路计算、感应信号处理以及实用性方面对聚磁环旁路式磁弹性传感器的结构进行了优化，产生了較好的检测试验效果。

张义清等人采用有限元仿真方法，通过三维建模方式，分析了永磁励磁装置中励磁回路的方式、永久磁铁的位置对励磁场分布的影响[18]，通过有限元仿真和等效磁路计算两种方法对激励磁场特征分布进行了分析。研究结果表明：如果将永久磁铁放在永磁励磁装置的两端，则在励磁装置中部形成的磁场较均匀，激励效果较好;如果采用多回路周向励磁磁路，则设计的磁化场更均匀，且磁感应强度更强，更容易将钢丝绳磁化到饱和状态。

任明月等人利用Ansoft Maxwell软件建模仿真分析了励磁装置的励磁效果，设计了基于多线圈周向磁化的钢丝绳损伤检测磁场激励装置[19]。通过对周向布置多个激励线圈的磁场仿真分布分析，设定安匝数为2 000。研究发现，1个或2个励磁线圈磁化强度都较弱，磁化效果较差;3个或4个激励线圈都能把钢丝绳磁化至饱和，但磁化效果区别不大。综合考虑和研究励磁装置的结构布局，设计偶数个线圈较为理想。

3    钢丝绳检测传感器的设计研究

3.1    钢丝绳的励磁结构及方式

励磁结构与产生的磁场形式有关。根据产生磁场形式的不同，磁化源可分为线圈磁化源和永磁体磁化源两种结构形式。电流线圈磁化方式又分为交流电流磁化方式和直流电流磁化方式。根据磁化装置的空间结构不同可分为单回路磁化结构、双回路磁化结构和多回路磁化结构。

单回路磁化结构为由磁化源、磁轭、钢丝绳构成闭合磁路，但该种励磁方式磁化不均匀，靠近磁化源部分磁场强，远离磁化源部分磁场较弱，并且磁化差异随钢丝绳直径的增加而增大。

双回路磁化结构是在单回路磁化结构的基础上改进的，在单回路磁化结构的相对另一侧再增加一组单回路磁路，构成两组单回路磁化结构。双回路磁化结构可以改善单回路磁化结构的磁化不均匀现象。

多回路励磁结构是在钢丝绳表面周向设置多组单回路磁路，可以实现周向多个位置均匀磁化，对大直径钢丝绳有较好的磁化效果。

3.2    钢丝绳的传感器结构及信号拾取方式

根据传感器的工作原理和结构不同，检测信号拾取方式也不同，大致可分为感应线圈检测法、磁阻元件检测法、磁通门技术检测法及基于磁致伸缩原理的检测法。

（1）感应线圈检测法。对于交流磁化源的情况，漏磁信号是交变信号，感应线圈检测法很方便。对于永磁体磁化激励源，其将钢丝绳沿轴向磁化，由于感应线圈只能感应变化的磁场，所以检测输出信号与检测速度有关，检测速度不均匀时会造成误判。

（2）磁阻元件检测法。随着磁阻传感技术的发展，检测灵敏度很高的磁阻传感器AMR、TMR、GMR相继出现，极大地丰富了磁阻传感器家族和磁阻传感器的选项。磁阻传感器与感应线圈相比，输出信号与速度无关、元件体积小、空间分辨率高、灵敏度高。但由于磁阻传感器一般为半导体材料，其对温度比较敏感。

（3）磁通门检测法。磁通门器件检测磁感应强度，灵敏度和分辨率都很高，可以检测静态磁场。

（4）磁致伸缩法。磁致伸缩检测法对检测大区域的损伤和疲劳比较灵敏，其基本检测原理为：铁磁拉索在外磁场的作用下会沿磁场方向变长或缩短，称为磁致伸缩效应;反过来，当钢丝绳被拉长或压缩时，在长度变化方向上也会产生磁化现象，称为逆磁致伸缩效应。

姜宵园等人[20]为提高对钢丝绳不同类型损伤的识别能力，提出了周向积分磁化的钢丝绳检测传感器的构想，该设计还可解决钢丝绳的饱和磁化磁轭体积过大的问题。

王兵对电磁场和结构进行分析后，采用差动变压器结构设计一传感器[21]，也实现了对钢丝绳的断丝损伤检测。

彭婷婷等人设计研制了一螺线管式磁感应钢丝绳断丝检测传感器[22]，设计原理为：当钢丝绳出现断丝时，磁导率会相应降低，磁阻变大，导致线圈产生感应电动势，根据该感应电动势的大小可判断出钢丝绳断丝的状况。针对多股钢丝绳在工作中存在高速、多姿态等在线检测技术难点，采用感应线圈进行差分并优化布局，可最大限度地消除钢丝绳股波信号。

鲍泽富、张曦曦[23]为了提高检测效率和检测准确度，成功设计了阵列传感器励磁装置，研制了基于TMR传感器和柔性印刷电路板的传感器阵列，优化了相关技术参数，形成了一套完整的包括硬件模块和软件模块两部分的钢丝绳缺陷检测系统。

雷高阳等人设计了一种颗粒阻尼减振传感器[24]，其基本原理为：把一些小钢珠放入传感器的空腔结构中，活塞杆的推动引起颗粒阻尼效应。其阻尼方式是通过钢珠之间及钢珠与容器壁之间的碰撞、摩擦、阻尼耗能，有效耗散钢丝绳耦合振动引起的载荷冲击，可明显滤除钢丝绳张力信号中的噪声。

杨玉杰等人[17]对基于磁弹性理论的钢丝绳张力检测方法进行了分析，设计研制了聚磁环旁路式钢丝绳损伤检测装置，并通过仿真对设计进行了验证。该方法的特点如下：检测精度高、响应速度快、与钢丝绳非接触。

钢丝绳张力与磁特性参数之间的关系很复杂，表现为非线性关系，磁弹性传感器结构和参数的设定标准仍是目前研究的难点。

4    信号处理方法、定量识别、寿命预测研究

研究新的信号处理方法是钢丝绳无损检测技术重要的发展方向。检测信号中的杂波信号主要包括环境信号、工频信号、钢丝绳螺旋状结构产生的交错气隙信号、传感器口径与被检钢丝绳之间的直径差信号、钢丝绳运行过程中存在的振动信号、钢丝绳污染物信号等，杂波信号是造成误判的主要原因[25]。

小波分析技术是一种聚集到信号不同细节上的处理方法，其正日益引起人们的关注。该技术主要是通过检查不同的尺度来研究信号特征，非常适合处理检测钢丝绳局部损伤产生的信号[26]。钢丝绳损伤，造成检测信号对应的小波变换明显增大，通过奇异值分解，可对小波变换系数进行处理分析和研究。经过小波变换和奇异值分解处理，检测信号可以表示为小波变换系数矩阵的形式。由于钢丝绳无损伤时的特征值要远小于损伤降质处的对应奇异点特征值，据此可实现对钢丝损伤状况的检测。小波分析是近年来发展起来的一种新的时频分析处理方法，其优点是具有多分辨率分析功能，可克服传统傅立叶变换的单分辨率分析缺陷。基于小波多分辨率分析方法，对损伤信号进行分解与重构处理，可有效去除工频干扰和其他众多噪声[27]。该方法可很好地保留钢丝绳漏磁检测信号中的较小奇异信号，明显增强了检测信号的抗干扰能力，并且该方法计算量较小，与传统低通或带通滤波器滤波的方法相比，具有明顯的优势。

钢丝绳断丝故障检测信噪比极低，故障信号往往淹没在基线漂移和脉冲噪声中。杨宁霞等人借鉴传统小波去噪的思想，探讨了基于数学形态和提升小波分析算法的钢丝绳断丝检测方法[28]。首先采用数学形态方法进行滤波预处理，去除断丝检测信号中基线漂移和脉冲噪声，再利用提升小波进行二次滤波。该方法与传统的小波变换相比去噪效果更好，并且运算速度更快，不需要附加额外的内存。

针对小波阈值算法在钢丝绳损伤检测信号去噪中的应用，赵洁等人在Donoho的软、硬阈值去噪方法的基础上[29]，对小波阈值算法进行了研究。该改进的算法可以解决硬阈值去噪效果不佳与软阈值过度光滑导致信号失真的难题，完整地保留了信号中的小奇异信号，去噪效果与传统的阈值去噪法相比效果较好。郑鹏博[30]针对部分信号和噪声频率很接近而出现信号损失的现象，提出了基于集总经验模态分解的小波降噪算法，较好地解决了检测信号损失的问题。

在集总经验模态分解的过程中添加了正态白噪声，并且分离出的模态数量不可控，针对此问题又提出了基于变分模态分解的小波降噪算法。通过比较，基于变分模态分解的小波降噪算法效果较好。伪彩色图像增强算法，也可实现借助颜色来描述缺陷的特征。小波超分辨率图像重构算法也是一种值得深入研究的方法，其可使缺陷图像的分辨率加倍提升，达到一个新的台阶。

钢丝绳电磁检测信号是一种与时间及缺陷位置相关的时空域信号，曹青松等人采用虚拟无限多探头技术，依据Dirac delta函数，研究建立了传感器探头信号的时空域数学模型[31]，依据离散型周期信号频谱分析的方法，对时空域信号的频谱特性进行研究分析，依据多采样率原理，探索了探头运动速度对输出信号频谱特征的影响，获取了空域信号的空域固有频率，得到了很好的处理结果。

张守新利用检测信号的4种特征量（峰峰值、差分超限数、信号波宽、峰峰波宽比）相结合，研究对钢丝绳拉索损伤特征及严重程度进行定量识别的方法，评价钢丝绳断丝的位置和损伤严重程度，并试图对内外断丝情况进行分辨[32]。信号的峰峰值表示的是检测信号的波峰與波谷的幅值之差;差分超限数表示差分绝对值超过某一确定门限域值的数值;波宽是表示断丝信号空间分布的最重要的特征量之一，它可以准确地描述断丝缺陷口宽度。如果信号峰值较高但波宽较窄，则表示钢丝绳外部表面断丝;如果信号峰值较低但波宽较宽，则表示钢丝绳内部断丝。

针对多霍尔元件阵列组合检测法以及漏磁信号的特征，张楠运用小波变换理论对缺陷信号进行分解与重构，提取缺陷信号特征值，并针对缺陷信号特征进行了定量识别研究[33]。

朱良等人将极限学习机理论引入到了钢丝绳断丝损伤的定量识别研究中[34]，采用距离可分离性判据度量比较峰值、波宽、波形下面积、功率谱熵、小波奇异值熵的区分效果，并选取区分效果最优的3个特征参数融合成为识别模型的输入特征向量。结果表明：峰值、功率谱熵、小波奇异值熵的区分效果明显，优于波宽和波形下面积。

基于极限学习的断丝损伤检测模型也日益受到人们的重视，初步的研究结果表明，该方法对钢丝绳断丝损伤的识别具有较好的效果。

5    钢丝绳电磁检测技术目前面临的问题及研究发展方向

目前开发研制的钢丝绳损伤检测设备，由于受各种干扰因素的影响，适用性、准确性、灵敏度还不能完全满足实际应用的需要，因而仅被少数部门当作辅助测试设备，这就导致目前超过一半钢丝绳使用部门依旧采用人工肉眼观察法检测钢丝绳。这种检测方法不仅效率低，而且与检测人员的经验素质直接相关，检测结果的可靠性难以保证，无法实现定量检测。在工业应用中，被定期强制更换的大多数钢丝绳未发现损伤或者损伤程度未达到报废标准，造成了资源的巨大浪费，因此开展钢丝绳安全性评估的研究，实现缺陷的定量化、自动化和智能化检测具有重要意义。在理论上需要建立科学的评价指标，在应用设备上需要实现对钢丝绳进行实时、有效和稳定的损伤检测。

（1）钢丝绳损伤检测信号的处理方法和识别技术还有待提高和创新。钢丝绳损伤缺陷相对于钢丝绳本身是十分微小的，加之钢丝绳的股波存在，给微弱漏磁信号的提取和识别带来了干扰。由于各钢丝间、各绳股间排列紧密，面对邻近钢丝绳缺陷信号的干扰叠加，加之检测传感器、采集电路本身存在的干扰信号，进一步研究信号提取方法和缺陷特征识别技术十分必要。由于钢丝绳损伤、断丝的种类很多，如剪切断丝、扭结断丝、锈蚀断丝，要正确识别断丝特征具有很高的特征识别要求。钢丝绳实际工作环境很复杂，环境中的噪声、振动、磁场等对测量结果的精度影响很大，对检测结果存在明显影响。总之，现有钢丝绳漏磁信号的处理方法，还不能满足对不同缺陷类型故障特征的准确提取。目前通用的滤波、消噪算法还不能满足现代检测的需要，缺乏自适应性。要研究新的数字信号提取和特征识别技术，如小波变换、希尔伯特变换等，实现损伤特征的自动和高准确度识别。

（2）各种损伤方式的形成机理和发展规律有待深入研究。钢丝绳损伤形式多种多样，揭示各损伤因素对钢丝绳寿命影响的主次关系，研究各种损伤形式对钢丝绳力学特性的影响规律和在不同负载状态下的力学特性，对提高检测灵敏度和检测效率具有重要意义。

（3）磨损后的钢丝绳仍然可保留一定的机械性能，要充分利用磨损钢丝绳剩余承载能力，以有效减少钢丝绳浪费。要深入开展对钢丝绳剩余寿命的预测研究，制定科学的钢丝绳损伤报废标准，研究不同磨损对使用强度和断裂失效机理的影响具有一定经济效益。

（4）检测传感器结构有待进一步创新。励磁装置可以为拉索磁化提供磁源，是钢丝绳电磁无损检测系统设计中的关键部分。目前的现状：交流励磁方式存在趋附效应和涡流效应的影响，直流电流磁化方式存在体积过大和发热的问题，退磁现象和磁化不均匀是永磁励磁方式存在的问题和不足。需要对励磁结构进一步研究和创新，研制出综合性能优越、能自动调节其最佳状态的励磁设备。

（5）目前对于磁弹效应这一现象的机理研究还很少，对于应力对磁化影响的研究还停留在定性方向，力-磁理论模型的建立仍没有统一的定论，目前运用较多且认同度也很高的一种J-A磁滞模型是建立在规则的金属材料研究中。对于钢丝绳这种结构和受力情况复杂的构件来说，磁化研究存在较大的困难，对于这种高度非线性的问题，目前仍没有一种准确的理论模型可以解释实验钢丝绳的磁弹效应现象。应加强对磁弹效应这一现象机理的研究，建立系统的力-磁理论检测模型。

（6）研究构建复合励磁回路的磁化方式，增强磁化强度及均匀性。在检测钢丝绳时，可以探索研究多回路轴向励磁结构，通过运用一定数量的永久磁铁与电流线圈磁化相结合，获得更好的检测结果。

（7）在建立并完善钢丝绳检测标准数据库方面还有许多工作要做。要求绳索检测的专业队伍、有关部门相互合作、相互配合，把各种不同类型、不同品牌的钢丝绳检测数据统一分类、整理、归纳，并输入到相应软件中，建立完整的数据库。在需要检测时，只要核对钢丝绳的类型、编号，将检测获得的数据同数据库中的数据进行比较，就可得到待评价钢丝绳的质量状况。

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收稿日期：2020-02-27

作者简介：范伟（1986—），女，河北张家口人，硕士，工程师，研究方向：电磁无损检测技术。

通信作者：任尚坤（1963—），男，河南太康人，博士，教授，主要从事电磁无损检测技术方面的教学与研究工作。