摘要：基于铁磁材料的剩磁现象，建立了桥梁缆索断丝缺陷漏磁场分析有限元模型，分析了断口处钢丝表面及空气中的漏磁场分布规律，计算了空气层中漏磁场的强度，为微磁探伤技术的应用提供了理论依据;搭建了基于微磁原理的缆索断丝检测试验平台，采用三维磁阻式传感器对缺陷缆索的模拟试件进行了探伤实验，试验结果证实了缆索钢丝中剩磁场的存在及断丝处漏磁场的可检性，分析了不同断丝数量及不同断丝位置的漏磁信号特征，验证了理论分析的正确性及微磁检测方法的可行性;基于微磁原理的缆索断丝无损检测系统，可省略笨重的激磁单元，为实现检测装置的节能化与轻量化设计提供了科学依据。
关键词：微磁检测技术；桥梁缆索探伤；漏磁场分析；磁阻式传感器
中图分类号TD532
引言
缆索技术广泛应用于大跨度桥梁和大型建筑领域。我国的行业标准规定，当缆索内已断裂的钢丝面积超过拉索钢丝总面积的2%、或钢丝腐蚀造成该拉索钢丝总面积损失超过10%时，必须换索［1］。可见缆索中钢丝的破坏将极大地影响着缆索的安全，为及时发现缆索中的缺陷，必须定期对缆索进行“体检”，或进行在线监测。缆索断丝检测最常用的方法是漏磁通检测［2-3］。漏磁检测分为强磁、弱磁及微磁检测技术，目前缆索断丝检测主要采用强磁检测系统，即采用强磁场将缆索磁化到饱和，通过霍尔元件检测到的漏磁变化发现断丝。由于缆索直径较大，因此其励磁系统质量大，导致检测仪器笨重，增加了携带检测系统的爬索机器人的设计难度。为此，探索一种节能、轻便，具有“绿色仪器”理念的检测手段是缆索内部金属探伤的重要课题。由材料的微观磁特性可知，金属构件缺陷的存在，就一定会产生磁畴固定结点，形成内部磁场，由于这种磁场十分微弱，按微磁学原理称其为微磁点，其检测技术称为微磁检测［4］。微磁检测是一种全新的无损检测方法，其核心技术是采用高灵敏度的磁敏检测元件，记录与分析铁磁性材料在自身剩余磁场作用下缺陷处漏磁场的分布规律，以此来判定其是否存在损伤和缺陷的一种检测手段［5］。其优点是检测装置不需要励磁系统，实现了仪器的轻量化及节能化，非常适合桥梁缆索、运载钢丝绳等高空作业现场的探伤及仪器的远距离携带。本文依据微磁检测理论，对缆索内部断丝的磁场分布进行了有限元模拟及实验研究，研究成果为缆索微磁探伤技术的应用提供了科学依据。
1缆索磁场有限元分析
缆索是由近百根钢丝组成的实体，缆索内部磁场分布十分复杂，既有铁磁材料自身的剩磁场，也有钢丝相互间的漏磁场，还有由断口缺陷引起的漏磁场，而对于这种复杂漏磁场的分析，有限元法是有力的工具［6］。本文采用Ansys中的workbench模块，对含缺陷的缆索磁场进行磁场分析。
1.1模型的建立
本算例涉及的缆索由96根直径7mm的热镀锌钢丝组成，外部由PE防护套包裹，由于PE材料为非导磁材料，因此建模时忽略其影响。钢丝的间隙及外部全部由空气填充，空气层厚30mm。计算模型如图1所示。
1.2基本假设
(1)假设钢丝各方向上的磁导率相同;(2)假设钢丝中的剩磁量相等;(3)钢丝之间的间隙由0.1mm厚的空气层填充;(4)空气层各方向上的磁导率相同。
1.3边界条件
钢丝中的剩余磁场主要指其加工过程产生的磁场及在缆索拉力作用下产生的磁场，约为520A/m，钢丝的导磁率为1000［7］，空气的导磁率为1。
1.4结果分析
1.4.1钢丝束的磁感应强度分布图2为具有断口的钢丝束磁感应强度分布云图，在本算例中断丝数量为1根，断口宽度为10mm。由图可见，在钢丝断口处磁感应强度急剧减小，小于0.002mT，说明断口处的大部分磁力线已经泄漏到空气层中。1.4.2空气层中的磁感应强度分布图3为距离钢筋束表面15mm处空气层中径向(x方向)与轴向(z方向)的磁感应强度分布图。由图可见，在断口处，径向与轴向漏磁场变化明显，与单钢丝断口处磁场变化理论分析结果基本一致。本算例中，x、z方向的漏磁变化幅值可达0.0276mT、0.056mT。若在该处放置能够感受该磁场变化的磁敏感元件，则可检测到该处漏磁场的变化。
2缆索缺陷微磁检测技术的实验研究
2.1测试系统的搭建
为了验证缆索微磁检测的可行性，在燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室搭建了缆索缺陷微磁检测实验平台，该台架主要包括:缺陷缆索试件、高灵敏度磁阻传感器、数采卡、笔记本电脑等，其主要参数见表1。图4为缺陷缆索模拟试件与传感器，试验在自然环境下进行，测试系统中无任何激磁单元，但传感器会受到地磁场与环境磁场的干扰。对于桥梁缆索用热镀锌钢丝，其母材为热轧高碳盘条的深加工产品，镀锌层厚度约为20μm～80μm。为了使实验结果具有可比性，参照文献［8］，自制的缺陷缆索模拟试件由96根7mm，长2m的平直钢丝排列而成，钢丝材料为经矫直处理的高碳钢丝，外部为厚度2mm的80mmPE套管，在试件内部放置了1—2根含断口的7mm钢丝。由于镀层为非导磁材料，导磁率接近于1，可将其视为厚度非常小的空气层，其影响可转化为传感器提离高度的变化。传感器位于试件下方，距PE套管表面10mm。支撑试件的滑动轮上安装有编码器，编码器在模拟试件的带动下旋转，从而实现断丝位置的跟踪。本实验采用MR02型磁阻传感器［9］，该传感器具有x、y、z三个方向的磁敏感元件，可以检测(－65000～+65000)nT的空间磁场，编码器的分辨率为2000P/R。实验设备型号情况见表1。
2.2测试结果分析
2.2.1钢筋中的剩磁为了证明缆索微磁探伤的可行性，必须验证组成缆索的钢丝自身是否存在剩磁场，传感器是否能检测到该磁场的变化。为此，首先对钢丝的剩磁情况进行了检测。图5为组成缆索的单根钢筋3次接近传感器时，传感器输出的时域波形。由图可见，当钢筋靠近传感器后，x、y方向均产生明显的幅值变化，当钢筋离开传感器时，信号回到初始位置。实验结果充分证实了钢筋中剩磁场的存在，以及MR02传感器对钢筋中剩磁场的敏感性，验证了微磁检测的可行性。2.2.2缆索断丝检测(1)断丝数量按照模拟试件的具体尺寸，在96根钢丝中，若出现两根断丝就达到换索要求。为此，本文制作了含有1根断丝和2根断丝的缺陷缆索试件，并对其进行了探伤实验。图6为缆索试件无断丝、含1根断丝、2根断丝的漏磁变化实测波形。其中，图6a为无断丝状态。图6b为存在一根断丝的状态，3个方向的时域波形幅值变化明显。图6c为2根断丝情况，比较图6b与图6c可见，1根断丝缺陷与2根断丝缺陷的时域波形具有明显差别，两根断丝时，不但信号幅值增加，而且，波形的时间历程也增加。可见，时域信号波形与断丝数量具有对应关系，可依据波形特点，对断丝数量作出判断。(2)断丝位置由于缆索直径大，其断丝缺陷可能位于缆索横截面的任意位置，为了验证传感器对缆索中任意位置断丝的检出能力，将断丝分别置于缆索横截面的四个位置，见图7a，传感器则位于缆索横截面的c点下方，提离高度为10mm。图7b—图7f为断丝在不同位置的实测波形，其中图7b为断丝位于缆索上表面a点处时的信号波形，此时传感器距离断丝最远。图7c为断丝位于c点时的实测波形，此时传感器距离断丝最近。图7d、图7e分别为断丝位于缆索横截面左右两点d、b点的漏磁信号。而图7f则为断丝位于缆索中心点处的实测漏磁信号。比较图7b—图7f可见，传感器经过断丝时，信号波形均有比较明显的变化，而且信号波形与断丝位置有关系，例如，当缺陷位于缆索中心时，由于断丝处于其他钢丝的完全包围之中，断口处的漏磁场被屏蔽了一部分，虽然信号幅值较小，但仍具有较明显的断丝缺陷特征。总之，由x、y、z，3个敏感元件组成的3维磁阻式传感器，对缆索断丝产生的漏磁场变化敏感，可检测到缆索直径区域任意位置的断丝，因此该传感器可以用于缆索断丝的无损检测。
3结论
通过对缆索断丝缺陷漏磁场的理论分析与实验研究得出如下结论:1)缆索内部钢丝断口处的漏磁现象明显，断口周围空气中的漏磁感应强度明显增加，可为断丝检测提供信号源。2)具有x、y、z，3个敏感元件的MR02型微磁传感器，对缆索内部钢丝断丝反应灵敏，能够分辨断丝数量与断丝位置。3)理论分析与实测结果证明了缆索微磁探伤的可行性，为节能型及轻便型测试系统的设计提供了科学依据。
作者：史荣 李立伟 王劲东 单位：燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室 中国科学院国家空间科学中心