隧道磁电阻传感器在钢丝绳无损检测中的应用

隧道磁电阻传感器在钢丝绳无损检测中的应用文轩，杨生胜，郑阔海，黄一凡，李存惠，庄建宏，赵琳（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）摘要：基于隧道磁电阻（TMR）传感器的钢丝绳无损检测设计，利用TMR传感器高敏感度、高信噪比的优点，对与钢丝绳材料和结构相似的缺陷钢棒进行检测，通过TMR传感器不同的布局方式对缺陷钢棒的漏磁场进行实验，确定出漏磁场的最佳检测方向和最优提离距离；对实验结果进行理论模型分析，然后利用得到的最优方案对不同直径、存在内外部不同损伤缺陷的钢丝绳进行实例检测，验证TMR传感器对钢丝绳缺陷的识别能力和在钢丝绳无损检测应用中的优势，为钢丝绳无损检测提供一种新的检测技术方法。关键词：无损检测；钢丝绳；漏磁场；隧道磁电阻传感器中图分类号：O441；TG806文献标志码：A文章编号：1006-7086（2016）02-0104-07DOI：10.3969/j.issn.1006-7086.2016.02.009THEAPPLICATIONOFTMRSENSORINNONDESTRUCTIVETESTINGOFWIREROPEWENXuan，YANGSheng-sheng，ZHENGKuo-hai，HAUNGYi-fan，LICun-hui，ZHUANGJian-hong，ZHAOLin（ScienceandTechnologyonVacuumTechnologyandPhysicsLaboratory，LanzhouInstituteofPhysics，Lanzhou730000，China）Abstract：ThispaperisbasedonthedesignoftheTMRsensorinnondestructivetestingofwireropes，andmakesuseoftheadvantagesofthehighsensitivityandthehighsignal-to-noiseratio，andteststhesteelbarwhichissimilarwiththewireropeinmaterialandstructure.ByusingtheTMRsensorindifferentdistributionstoexperimentontheleakagestrayfieldofthesteelbardefects，thebestmeasuringdirectionintheleakagemagneticfieldsandtheperfectlift-offdistancearedetermined.Thispaperalsoanalysestheresultsofthetests，thenmakesuseofthebestwayfromtheexperimenttotestthesteelwireropeindifferentdiameteranddamagedlevels.Finally，weverifytherecognitioncapabilityoftheTMRofsteelwireropeandtheadvantagesofTMRsensorinnondestructivewireropetests，andweprovideanewmethodofthelaternondestructivewireropetests.Keywords：nondestructivetesting；steelwirerope；leakagemagneticfield；theTMRsensor0引言钢丝绳由多股钢丝螺旋形捻制而成，在输送机中作为牵引构件，承担全部牵引力，因而钢丝绳的使用寿命直接影响到生产成本、人员安全及设备安全[1]。根据生产现场统计，约有20%的钢丝绳，其强度下降30％却仍在使用，约有70%的钢丝绳，其强度损失很少甚至没有损伤却被强制更换[2]，因此为了满足生产安全需求，提高经济效益，钢丝绳无损检测应用而生。理论上探讨过的钢丝绳无损检测方法很多，目前只有电磁检测法得到了实践和推广，其基本原理是：用一磁场沿钢丝绳轴向磁化钢丝绳，当钢丝绳通过这一磁场时，一旦钢丝绳中存在缺陷（断丝、磨损、锈蚀、畸变等），则会在钢丝绳表面产生变异的漏磁场或引起检测磁路内的磁通变化，采用磁敏感元件检测这些磁场的畸变即可获得有关钢丝绳缺陷的信息[3]。在钢丝绳的缺陷检测和诊断实践中，通常根据钢丝绳上缺陷的不同性质和状况将钢丝绳损伤分为两大类：横截面积损失型（LMA型）和局部缺陷型收稿日期：2015-12-09作者简介：文轩（1991-），男，硕士研究生，甘肃定西人，从事钢丝绳无损检测和空间环境效应评价及防护技术研究。E-mail：[e-mail]。真空与低温Vacuum&Cryogenics第22卷第2期2016年4月104（LF型）[4]，相应的检测传感器以感应线圈和霍尔元件为主。感应线圈法测试成本低廉且易于实现，是最早使用的通过检测漏磁场来实现无损检测的方法，但是该方法最大的缺点是检测速度的不均匀性会造成传感器输出信号发生畸变[5]，该方法已经逐渐被基于同样检测机理的霍尔元件检测法所替代。霍尔传感器的最大优点是输出信号不受相对速度变化的影响，且具有不需耦合剂、快速、高可靠性且成本相对低廉的优点[6]。需要注意的是霍尔元件传感器通常需要使用聚磁环结构来放大磁场，以提高霍尔输出灵敏度，但是该结构会导致传感器较大的体积和重量，同时霍尔元件本身具有功耗大、温度稳定性差的缺陷[7]，在实际检测过程中存在的问题有：（1）钢丝绳本身存在股波，而且检测环境复杂多变，漏磁信号很容易被其他信号淹没而导致缺陷不被识别；（2）传感器灵敏度不高、信噪比低，不易对漏磁信号进行识别，自身产生噪声与漏磁信号相互干扰，造成漏判和误判。针对以上问题，采用隧道磁电阻效应传感器，对被磁化钢丝绳的缺陷漏磁信号不易识别检测的问题进行探究。通过对比实验，对传感器测试方法进行优化，分别获得TMR传感器对与钢丝绳材料结构相似的钢棒漏磁场的最佳测试方向以及最优提离距离进行选择，并且将优化后的实验方案分别应用于8mm、16mm两种直径钢丝绳，检测钢丝绳不同损伤程度的外部及内部损伤。实验结果表明TMR传感器超高灵敏度、高信噪比的优点，可应用于大量的微弱磁场探测场合[8]，而且具有抗干扰能力强，能够在油污、灰尘、等恶劣环境中工作的特点，使其能为钢丝绳无损检测提供理论支持和数据保障。1实验部分1.1基本原理钢丝绳属于铁磁性材料，利用钕铁硼永磁铁对钢丝绳进行励磁至磁饱和，励磁过程中会在永磁铁、工业纯铁、空气间隙和待测钢丝绳段中形成一个磁回路，如果材料材质连续、均匀，那么磁感应线将几乎都通过铁磁性材料；若材料存在缺陷，由于缺陷磁导率小、磁阻大，则缺陷附近的磁感应线分布发生变化，铁磁材料表面将会形成漏磁场，利用TMR传感器对漏磁场进行检测，如图1所示。图1实验基本原理图1.2实验方案在实验中，通过滑动TMR传感器与励磁装置组成的探头来对实验对象进行励磁及检测，通过Lab⁃VIEW软件对TMR输出磁信号进行采样，分析TMR输出信号在不同时刻信号幅值按空间位置的分布特征，通过信号幅值变化的特征位置和幅值变化的程度可以实现缺陷深度和边缘轮廓的评估。图2为本实验方案流程图，由于TMR传感器为磁性隧道结多层膜结构，是一种矢量传感器，存在着单一敏感轴，磁性隧道结有一个特殊的方向作为其敏感方向[9]，因此TMR传感器能够对特定方向的磁场或者磁场在某个方向的分量做出感应，针对这种特性，将TMR传感器的敏感轴分别与钢丝绳横截面平行方向摆放和与钢丝绳中心轴平行方向摆放，分别测试这两种布局模式下的漏磁场分量信息，在文中将这两种摆放方式依次称为“径向”、“轴向”磁场分量，与轴向和径向垂直方向称为“周向”磁场分量，在这三个分量中，轴向分量和径向分量的幅值文轩等：隧道磁电阻传感器在钢丝绳无损检测中的应用105远大于周向分量[10]，因此文中只对轴向和径向磁场分量的实验结果进行对比，进而选择漏磁场的最佳测量方向。图2实验流程图由于磁场为矢量场，检测的位置及方向对结果影响很大[11]，因此需要确定传感器合适的提离距离（即检测传感器与被测材料表面的距离，亦传感器的数据读取位置）。实验分别在提离距离为1mm、3mm、5mm的情况下对材料进行测量，依据试验结果选取最佳提离距离。最后将实验结果作为最优方案应用于钢丝绳无损检测的实例实验中。为了精确的表现TMR无损检测的测试精度，实验中将2种直径的钢丝绳作为实验对象，利用TMR传感器的输出结果来表征钢丝绳表面及内部预先设计的不同宽度的缺陷。1.3实验过程1.3.1最优测量方向实验选取直径为13mm的实芯钢棒作为实验对象，将TMR传感器分别按照实验方案的两种模式（轴向、径向）进行缺陷检测，并记录数据。实验对钢棒表面进行不同深度、宽度的缺陷布局作为TMR传感器测试对象，从左到右依次为：深1mm、长2mm；深1mm、长1mm；深1mm、长3mm；深1mm、长4mm的四种缺陷。1.3.2最佳提离距离实验将TMR传感器布局为测量钢棒轴向磁场分量的方式，将传感器与钢棒之间的提离距离依次设置为1mm、3mm、5mm，分别对钢棒进行检测，并记录数据。钢棒的缺陷分布从左到右依次为：深1mm长、2mm；深1mm、长1mm；深1mm、长3mm；深1mm、长4mm。1.3.3钢丝绳无损检测实例选取以上两种实验中对钢棒缺陷检测得到的最佳结果作为实验的最优实验方案，对存在缺陷的钢丝绳进行检测。实际应用中钢丝绳的断丝缺陷一般分为外部断丝和内部断丝两种类型，为了模拟钢丝绳实际断裂情况，实验中需要设计这两种缺陷：在钢丝绳外部直接剪断设计的根数、宽度作为表面缺陷分布；解开钢丝绳，剪断内部一定根数、宽度后重新缠绕复原钢丝绳作为内部缺陷布局。同时，以8mm、16mm两种直径的钢丝绳为实验对象。首先对8mm麻芯缺陷钢丝绳的轴向磁场分量进行了测量，试验中对钢丝绳从左至右设计的缺陷依次为：断2根长1mm、断1根长1mm、断3根长2mm、断5根长2mm、断4根长4mm。然后对直径为16mm的麻芯缺陷钢丝绳的轴向磁场分量进行了测量，对直径为16mm麻芯钢丝绳缺陷从左至右依次为：断2根长1mm、断3根长5mm、断2根长5mm、断1根长10mm（内部缺陷）、断2.5根长1mm、断1根长1mm。2结果与讨论2.1对最优测量方向的实验结果讨论图3为TMR传感器对钢棒轴向磁场分量和径向磁场分量测试的实验数据，其中幅值变化较大的线表示TMR传感器在轴向方向测得的磁场分量，幅值变化较小的线表示TMR传感器在径向方向上测得的磁场分量。首先从总的波形上看，与钢棒模拟图对应，轴向方向测量结果的缺陷特征波形比径向更加明显；其次从缺陷处的波形宽度上看，随着缺陷宽度的增加，轴向方向的测量结果能更好的与缺陷宽度相对应；最后，从波峰上看，在径向方向对缺陷处测量的最小波峰值与未损伤部位相比仅有3mV的差值，而轴向方向上缺陷处最小波峰值与未损伤部位能相差10mV，这说明在轴向方向的测量结果能够更加清晰的反映出钢棒的缺陷信息。总之，在轴向方向上的测量结果要优于在径向方向的测量结果。图3TMR传感器对缺陷钢棒轴向和径向磁场分量的测量结果曲线图真空与低温第22卷第2期1062.2对最佳提离距离实验的结果讨论图4为TMR传感器在不同提离距离下对钢棒轴向磁场分量测量的实验数据，由上到下，依次为TMR传感器在提离距离为1mm、3mm、5mm时测得的钢棒轴向磁场分量。总体来看，与图中钢棒模拟图相对应，三组波形都能够对缺陷进行识别，且随着提离距离的增大，缺陷信号特征幅值出现明显的减小，缺陷处的波形宽度变宽；当提离距离为1mm时，缺陷位置处的峰值很高，缺陷处的最小波峰值与未损伤部位相差60mV左右，缺陷信号特征非常明显，但是波宽很窄，波形非常锐利，而且出现了如图4所示的分叉现象，得到了一些实验不期望的毛刺尖峰，一般来说，提离值大于等于缺陷宽度2倍时，测得的信号不会出现分叉现象[12]；当提离距离为5m