磁性无损检测技术在役拉索的研究现状

磁性检测法应用于钢丝束类产品的检测，针对缺陷的不同特征，可分为两类方法：其一为通过检测钢丝束类产品表面局部缺陷漏磁信号，获取如断丝、局部形状异常等缺陷信息，简称LF型检测法（Localized Fault Method）；其二为通过检测磁路磁通量的变化，获取因腐蚀、断丝、磨损等缺陷而产生的钢丝束金属截面积变化信息，简称LMA型检测法（loss of metallic area method）。钢丝绳LF检测法采用了感应线圈、霍尔元件、磁通门技术、基于多元件组合的检测、基于聚磁技术的检测等漏磁检测方法来克服因钢丝绳结构给检测带来的干扰，提高缺陷漏磁检测灵敏度，防止漏检；在LMA方法中，通过选择检测元件的布置位置，来提高LMA信号的灵敏度和定性、定量分辨力。

LMA型检测法中根据磁敏检测元件在磁回路中设置部位的不同，分为LMA主磁通检测法和LMA回磁通检测法，其中主磁通和回磁通分别指图6-25中进入钢丝束的主磁通Φ_m和流经励磁回路的回磁通Φ_r。

图6-25 LMA型检测法

a）LMA主磁通检测法 b）LMA回磁通检测法

LMA主、回磁通检测法的原理是将钢丝束磁化至一定程度，钢丝束上的任何由腐蚀、断丝、磨损等缺陷引起的金属截面积变化，都会导致钢丝束的主磁通Φ_m及回磁通Φ_r相应地发生变化。当将一个同心线圈缠绕在钢丝束上时，变化的磁通量Φ_m会使线圈产生相应的感应电动势，当在磁回路中放置霍尔元件等磁敏传感器时，变化的磁通量Φ_r也会使霍尔元件输出电动势相应地产生变化，通过测量线圈和霍尔元件输出电动势的变化量即可获知钢丝束金属截面积的变化量。LMA回磁通检测法由于仪器体积大、检测精度低，已逐步被淘汰。LMA主磁通检测法在测量缺陷时轴向分辨率高，并能检测部分LF型缺陷，因此得到了广泛应用，但其检测结果受钢丝束与线圈之间的相对速度变化影响很大，影响了其检测精度。另外一种LMA型检测法是磁桥路检测法，通过搭建磁桥路避免回磁通检测法中霍尔元件易超量程的弊端，但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，整个磁路的调整较复杂。

磁性无损检测方法的基本过程包括磁化被检测构件、采集包含缺陷信息的磁场信号、处理缺陷磁信号、分析缺陷参数和缺陷磁信号之间的关系以及缺陷参数的反演等。对构件被磁化后的磁场分布、缺陷磁信号特征进行深入研究，有助于剖析其检测原理，提高检测效果。该研究主要采用三种方法：解析法、数值计算分析法和实验法。

采用解析法了解磁场分布和磁信号特征，主要是应用毕奥-萨伐尔定律、安培环路定理、法拉第电磁感应定律等电磁场的基本规律建立磁路模型，求解相应的方程组，得到以函数形式表示的结果。以简化磁阻模型法为代表的近似解析法通常可用于复杂电磁检测问题。

对LMA检测法的研究多用简化磁阻模型法。简化磁阻模型法通过采用与电路计算类似的方式，对磁路进行计算来获取磁路中各磁参数。精确磁路计算时应考虑漏磁通的影响，但在简化磁阻模型中，认为铁磁材料的磁导率远远大于空气等非铁磁材料的磁导率而忽略漏磁通，只计算主磁通。虽然忽略漏磁通会对磁路计算结果造成一定误差，但并不影响对一些磁性检测原理的定性分析，并且如果能正确地修正漏磁通的影响，是能够将误差控制在可接受范围之内的。(www.xing528.com)

对LF检测法的研究多用磁荷法。磁荷法的基本原理是以假想的磁荷代替缺陷处的铁磁材料，从而建立相应的磁偶极子模型，并将铁磁材料磁特性的非线性近似为线性。磁荷法的这种线性近似与实际状况存在较大差异，使结果误差较大，因此只能对检测问题进行定性的解释。磁荷法在钢丝绳断丝、钢管和钢板裂纹的漏磁检测研究中得到了广泛应用。

在相当长的一段时间内，由于易于被理解和掌握，基于简化磁阻模型法的磁路计算及基于磁偶极子模型的磁荷法等解析法是被较多采用的磁场分析计算方法之一。

数值计算分析法能解决解析法无法胜任的复杂电磁检测问题。它还可以方便地模拟各种实验条件，修改实验参数，制作各种复杂形状缺陷，比实验法有更好的便捷性。W.Lord和J.H.Hwang指出，对于非线性和复杂形状缺陷漏磁场问题的求解，数值计算是唯一可行的方法。数值计算分析法在检测技术中的应用加深了研究者对各种检测机理的认识，加快了检测技术的发展。

数值计算分析方法分为微分方程法和积分方程法两大类。微分方程法主要包括有限差分法和有限元法，其中有限元法是应用最广泛的非线性领域数值算法之一；积分方程法主要包括体积分方程法和边界元法。近些年，已有许多有限元方法成功应用于钢丝绳、钢板、钢管、拉索等无损检测研究中的案例，如王桂兰等人用有限元方法分析钢丝绳捻制中的力学特性，Jiang W.G.和Anne Nawrocki用有限元方法研究单捻钢丝绳的力学特性。虽然有限元方法已成功应用于磁性无损检测中，但也有其局限性。首先，采用有限元法的计算结果与实际问题的符合程度取决于研究人员在建模技巧、结果判别等方面的研究水平；其次，当电磁模型较复杂时，计算时间过长，特别是应用于三维模型的动态计算问题。

实验法一直是磁性无损检测的主要研究方法。通过大量有计划的实验，测量不同缺陷参数下的磁场分布，可以获取缺陷参数和磁场间的统计关系。实验法的优点是可以获得最直接的现实结果，也是最值得相信的结果。实验法的缺点首先是制作模拟缺陷困难，特别是制作构件内部缺陷；其次，实验结果受实验设备、操作人员的影响，存在一定的实验误差，且实验结果的可重复性难以保证；此外，实验需要花费大量的人力、物力、时间，因此实验的成本较大、研究周期较长。采用实验法进行磁性无损检测研究的相关文献有周强等人对钢丝绳漏磁通应力效应的研究，E.Kalwa等人对钢丝绳检测中的感应线圈和霍尔效应传感器的研究。

在缺陷反演方面，应用较多的一种反演方法为基于模型法。该方法的基本思想是首先通过某种方式建立正问题模型，然后采用各种优化算法通过不断修改缺陷的相关参数并求解对应正问题，直至找到与检测信号相符的解，该组缺陷参数即为所求的解。正问题的求解模型有磁阻模型、磁偶极子模型和有限元数值模型等。有研究采用最小范数法、最小二乘法作为优化方法进行缺陷反演。还有采用磁偶极子模型研究三维复杂轮廓的漏磁场分布，再由漏磁场的测量值并采用优化计算反演三维表面缺陷的轮廓。基于模型法反演中常用的优化算法包括变尺度法、松弛法、共轭梯度法、最速下降法、模拟退火算法及遗传算法等。

基于人工神经网络的反演方法，可以克服基于有限元数值模型法的正问题计算量大、计算时间长的问题。人工神经网络最大的问题在于对输入的数据有严格的要求，对训练样本数量有强烈的依赖性。