鋼絲繩具有強度高、韌性好、自重輕等優良特性,常應用于煤炭開采運輸中。由于工況條件復雜，鋼絲繩在使用過程中容易出現各種損傷，這些損傷會使得鋼絲繩強度降低甚至斷裂，危及工作人員生命及生產安全，所以定期對鋼絲繩進行損傷檢測至關重要[1-2]。目前，常用的鋼絲繩損傷檢測技術有電磁檢測法、渦流檢測法、光學檢測法、計算機視覺檢測法、射線檢測法和聲發射檢測法等[3-6]。其中，電磁檢測法是鋼絲繩最有效的無損檢測方法之一[7]，其一般使用霍爾傳感器作為磁信號探測傳感器，但霍爾傳感器易受溫度和電磁干擾等因素影響，而TMR（隧道磁阻）傳感器因其本身的高靈敏度和低量程特性鮮有人使用。文章提出一種基于TMR的漏磁檢測系統，其既能保證鋼絲繩有穩定的磁場信號，又能充分發揮TMR高靈敏度的優勢。

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1. 漏磁檢測原理

漏磁檢測原理示意如圖1所示。由于鋼絲繩具有良好的導磁性，永磁體將鋼絲繩進行均勻磁化至飽和狀態后，銜鐵、永磁體、空氣隙和鋼絲繩間會形成閉合回路。當鋼絲繩無缺陷時，內部的磁力線平行且均勻通過，基本沒有磁力線從鋼絲繩表面泄漏；當鋼絲繩表面出現損傷時，空氣磁導率遠小于鋼絲的磁導率,導致磁路中的磁力線發生改變，磁力線除了通過鋼絲繩內部和缺陷部分外，還有一部分會泄漏到鋼絲繩附近的空氣中，通過空氣繞過缺陷再重新進入鋼絲繩，從而在缺陷處形成漏磁場。漏磁檢測時，利用漏磁傳感器對漏磁信號進行采集，再傳輸至計算機端進行分析處理，即可得出鋼絲繩損傷的信息[7-8]。

2. 檢測系統設計

檢測系統整體結構示意如圖2所示。基于TMR傳感器的鋼絲繩無損檢測系統主要由3部分組成：永磁勵磁組件、漏磁傳感器、數據采集系統。量程編碼器自帶膠輪且與鋼絲繩緊密貼合，當鋼絲繩的檢測系統與鋼絲繩發生相對運動時，量程編碼器自帶的膠輪將隨之發生連續運動，同時產生連續的等間距脈沖，觸發數據采集系統控制漏磁傳感器采集漏磁信號，所有采集信號都會傳輸到數據采集系統，最后傳輸到計算機端進行分析和處理，進而獲得鋼絲繩缺陷位置的損傷信息。

圖 2檢測系統整體結構示意

2.1 勵磁組件

對鋼絲繩進行無損檢測的首要條件是要將其磁化至飽和狀態。為保證磁化效果的穩定性，現通常使用高磁能永磁體的勵磁方式。為便于工程制作和使用，采用可分離式結構。永磁勵磁裝置采用多回路周向勵磁的方法,多塊永磁體呈環形放置在勵磁器兩端，銜鐵做成管狀以最大限度地減少漏磁。

永磁勵磁組件的結構設計和尺寸參數對損傷檢測有重要影響。依據漏磁原理可知，當鋼絲繩內部磁化至飽和時，鋼絲繩出現損傷才能產生較多的漏磁。現利用COMSOL有限元軟件的建模功能對永磁勵磁組件進行建模，永磁體材料采用釹鐵硼N40，銜鐵材料選擇磁導率、飽和磁導密度都較高的DT4（電磁純鐵）[7]。

此次仿真以直徑為52 mm的鋼絲繩為檢測對象，永磁體呈扇形塊狀，以輻射形分布，銜鐵與極性相反的兩塊永磁鐵成組配套使用。當鋼絲繩達到磁化飽和時，因TMR傳感器的高靈敏度和低量程特性，而需要增加軟磁材料屏蔽罩將漏磁處的背底磁場強度調整至其量程范圍內，材料仍選用DT4，仿真模型如圖3所示。

圖 3永磁勵磁組件仿真模型

經過多輪仿真計算最終得到，當鋼絲繩最小磁場強度為1.8 T時，鋼絲繩磁化達到飽和狀態，軟磁環內部可滿足TMR傳感器的漏磁檢測要求。采用了8個內N外S，8個內S外N和8個銜鐵，外加上下2組軟磁環組成了勵磁組件。

2.2 漏磁傳感器

文章所使用的漏磁傳感器是以TMR為主，線圈為輔的組合傳感器。漏磁場信號包含鋼絲繩軸向、周向和徑向3個方向的分量[9]。通過分析3個方向的分量特征發現，軸向分量在缺陷的定位及定量檢測上優于周向和徑向分量，因而在設計TMR傳感器陣列時，需要保證各TMR傳感器的布置方向與鋼絲繩表面垂直。

由于TMR傳感器的尺寸及勵磁裝置的空間限制，TMR陣列傳感器共采用了48個TMR傳感器均勻分布在鋼絲繩的周向上，并使其緊靠鋼絲繩的表面，以減小提離距離。TMR陣列傳感器的結構是兩個半環，測量時,兩個半環對扣到一起；安裝TMR陣列傳感器時，需保證兩個半環上的48個TMR傳感器在鋼絲繩的同一個橫截面上。傳統線圈在繞制過程中不可避免地會產生軸向跨度。因此，寬度平均效應會導致傳統線圈對損傷寬度小于其軸向跨度的損傷不敏感，而 PCB（印刷電路板）線圈幾乎不存在軸向跨度，可應用于檢測小尺寸損傷[9]。為節省空間，現將線圈布置于PCB線圈內部，從而可以檢測鋼絲繩LMA類損傷，并能夠根據信號峰值判斷損傷大小。TMR陣列傳感器實物如圖4所示，線圈布置于PCB線圈外圈，內部布置TMR傳感器。

圖 4TMR陣列傳感器實物

2.3 數據采集系統

數據采集系統主要由STM32H750型主控芯片,模擬開關芯片等組成，用來完成漏磁信號的采集與傳輸。由于漏磁傳感器內部使用了48路TMR傳感器陣列和線圈，故需采用多通道技術來采集和傳輸漏磁信號[10]。漏磁傳感器中TMR陣列和線圈輸出為模擬信號，通過模擬開關芯片依次選擇對應通路的傳感器信號，每一路信號經過STM32H750型單片機內的A/D（模/數）轉換,傳輸到計算機端。電路板各接口實物如圖5所示。

圖 5電路板各接口實物

當檢測系統相對鋼絲繩做相對運動時，每發生0.2 mm位移，量程編碼器將發送一個脈沖信號到數據采集系統，觸發控制線圈和TMR陣列傳感器對鋼絲繩的漏磁信號進行采集，再將模擬信號傳輸至數據采集系統進行處理，最后通過USB2.0接口傳輸至計算機端進行信號處理。數據采集系統的框圖如圖6所示。

圖 6數據采集系統框圖

3. 漏磁信號分析和處理

3.1 漏磁信號仿真建模

根據電磁感應和等效磁偶極子相關理論，缺陷的寬度和截面損失量是影響軸向磁通檢測結果的主要因素。在提離值固定的前提下，通過COMSOL軟件對鋼絲繩損傷進行有限元仿真來研究軸向磁通變化量分別與橫截面損失和缺陷軸向寬度的關系。以6*37-FC規格（6股鋼絲，每股含37根細絲，FC表示纖維繩芯）、?52 mm鋼絲繩作為仿真模型。

3.1.1 軸向磁通變化量與橫截面損失的關系仿真

在典型的軸向缺陷寬度0~45 mm（不包括0 mm）內，間隔5 mm，進行仿真，結果如圖7所示，可知該區間內軸向寬度固定時，磁通變化量與橫截面損失近似呈正比線性關系。

圖 7軸向磁通變化量和橫截面損失的關系曲線

3.1.2 軸向磁通變化量與缺陷寬度的關系仿真

固定缺陷橫截面損失為2%，選取寬度分別為2，5，8，10，12，15，18，20，30 mm的缺陷進行仿真，結果如圖8所示，可知橫截面損失固定時，磁通量變化量的值仍然會受到缺陷寬度變化的影響。

圖 8軸向磁通變化量與缺陷寬度的關系曲線

由圖8可知，當寬度缺陷寬度小于40 mm時，軸向磁通變化量隨著寬度的增大呈現先增后減的趨勢；當缺陷不小于40 mm時，隨著寬度增大，磁通變化量趨于穩定。

3.2 漏磁信號的處理

為了消除缺陷寬度對磁通量變化量的影響，通過磁通量變化量計算獲得橫截面損失，在數據處理上建立了缺陷寬度補償的鋼絲繩截面損失定量計算模型。缺陷寬度補償的鋼絲繩截面損失定量計算公式為

式中：Δ?ex為漏磁場產生的磁通量；Bwirenod為無缺陷時鋼絲繩內部的軸向磁感應強度；Saird1為缺陷處的橫截面積；Baird2為缺陷處的磁感應強度；Δ?為有無缺陷時的磁通量變化量；S為鋼絲繩截面積；Saird2為有缺陷時封閉線圈與鋼絲繩間的軸向磁感應強度。

Δ?與Baird2可分別對應線圈與TMR所測得的磁通量變化量以及磁感應強度值，以40 mm寬度為界限，可通過最小二乘法分別求得缺陷寬度補償系數的最優解，擬合準則是使預期值與實際值的距離平方和最小。

基于事先構建的鋼絲繩缺陷數據集，通過式（1）和式（2）的超定方程最小二乘法求解，可得到?47.5 mm鋼絲繩和?52.0 mm鋼絲繩的補償系數，如表1所示。

通過裝置獲得漏磁信號后，首先要進行信號的預處理。一方面要去除鋼絲繩檢測過程中摻雜的股波噪聲、振動噪聲以及其他的環境噪聲。另一方面由于TMR元器件的基準電壓不一致，在使用過程中也會出現不同程度的信號漂移，因此在處理時，需要對通道進行均衡標準化。采集到的多通道漏磁信號經由融合處理后的TMR信號及線圈軸向磁通變化量所產生的信號如圖9，10所示。

圖 9TMR所有通道融合后的信號

圖 10線圈采集到的信號

在檢測階段，通過不同小波函數和層數的小波分解對比，最終選取db8小波函數的3層分解。通過小波去噪預處理后，將獲取到的信號峰峰值和峰峰寬作為特征量，結合表1的補償系數代入式（2）進行計算，求得截面積損失值。基于每根鋼絲的直徑均等，繼而可將截面損失值折算成斷絲數量（根），測試結果如表2所示。

綜上可知，該鋼絲繩無損檢測系統裝置所采集信號與定量計算橫截面積損失絕對誤差為0.58%，精度較高。

4. 無損檢測掛證網結語

以漏磁檢測原理為基礎，基于TMR陣列傳感器合并線圈設計了鋼絲繩無損檢測系統。首先，通過COMSOL軟件對鋼絲繩損傷進行有限元仿真，得到了軸向磁通變化量與橫截面損失和缺陷軸向寬度的關系。為消除軸向寬度、股波、振動等方面的影響，檢測系統建立了缺陷寬度補償的鋼絲繩截面損失定量計算模型，對采集到的漏磁信號進行分析和處理，得到了較為準確的鋼絲繩橫截面損失和斷絲數量的損傷情況，達到了對鋼絲繩損傷進行較為準確的定性和定量的目標。