钢丝绳探伤仪的原理介绍

一、 钢丝绳检测背景

     钢丝绳作为起重、运输、提升及承载设备中十分重要的关键构件，被广泛应用于煤炭、冶金、建筑、水利、旅游、港口码头、交通运输等国民经济各个部门。钢丝绳的使用与各个行业重大装备和重要设施的安全运行密切相关。为了保证钢丝绳的安全运行，各国的科学家就一直在钢丝绳的无损探伤方面进行着不懈的探索和研究。

     从1906年南非研制出世界*台钢丝绳探伤仪至今，已有整整100年的历史。世界范围内，围绕钢丝绳无损探伤而采用的各种检测技术原理已经几乎覆盖了近代物理学的各个分支学科，如具有代表性的声学检测、射线检测、机械检测、电涡流检测、超声波检测、振动检测、磁检测等技术原理。如果根据不同的技术细节或不同的技术单元组合，则可划分出上百种的检测技术和方法。习惯上通常将磁检测技术和非磁检测技术分列为钢丝绳无损探伤技术的两大分支：

（1） 非磁检测技术

     非磁检测技术一般是在特定的技术条件下采用的。由于涉及的检测媒质形成条件苛刻，技术复杂，设备费用和使用费用很高，所以只在学术成就方面受到一时的推崇，之后并未真正获得实际应用。

电涡流检测技术：1976年由法国人发明，其检测灵敏度很低，只能对钢丝绳外部断丝等缺陷进行定性检测；

• 声发射检测技术：1984年由英国人发明，利用声发射原理进行钢丝绳的定性检测，由于其只能用于深海等特殊环境检测而无法进行广泛推广；
• 光学检测技术：1987年由德国人发明，主要利用激光扫描和光传感器技术，通过测量绳股直径的变化定性地推定钢丝绳的损伤状况；
• 超声波检测技术：1988年由日本人发明，主要利用超声波的反射特征和超声波传感器技术进行定性的钢丝绳损伤检测，只能对*静止、悬吊用钢丝绳的局部缺陷进行一般性检测，也未能在工业现场广泛应用；
• 横向激励振动波检测技术：1988年由美国人发明，主要利用横向激励振动波和振动波传感器技术，对固定的钢丝绳进行定性检测。其工业应用情况与上述几种检测技术相似。

     非磁检测方法或因检测信号易受干扰，检测结果难以记录，或因设备费用太高，检测局限性太大，均未推广应用，至今还处于实验室研究阶段。

（2）磁检测技术

     磁检测技术有代表性的是上世纪初发明的感应线圈技术和上一世纪中期发明的霍尔元件技术，以及后来美国人将霍尔元件和感应线圈组合起来使用的技术。这几种磁检测技术均是在对钢丝绳某一点实施强磁激励的状态下完成检测的。强磁场激励下磁场过饱和的钢丝绳处在一个非常复杂的磁场环境之中，这些磁场既包括钢丝绳本身及其损伤的磁场，还包括有地磁场、电磁场等等，我们把钢丝绳中所有损伤的磁场信息称为“信号”，而其他各种磁场信息我们则称之为检测过程中的“噪声”。在检测中，受绳花、绳抖动、速度和外部磁场变化的影响，检测过程中伴随大量“股波”噪声，常有“野点”，也就是局部异常信号出现。

     因此，对钢丝绳检测设备zui基本、zui重要的要求就是在各种干扰之下灵敏地、准确无误地识别钢丝绳损伤的信号，排除各种噪声干扰，从而获得钢丝绳损伤的真实信息，并在此基础上对这些信息进行分析处理，形成对钢丝绳损伤的判断。而感应线圈和霍尔元件技术在此方面有先天性的致命缺陷。

     感应线圈和霍尔元件的传感器的灵敏度很低：一是无法灵敏地捕捉到相对微弱的损伤信号；二是无法消除各种外界“噪声”干扰；三是检测结果极不稳定。

     正是这些原因，造成这两种检测仪器目前都难以获得真实的钢丝绳损伤信息，而基于这些信息基础上的分析和判断，以及由此得出的结论也就难以令人信服。

     加拿大矿产及能源中心矿业研究实验室曾对采用强磁技术检测钢丝绳的探伤仪进行了评估，其结论是使用强磁检测技术的探伤仪得出的LF（局部损伤）和LMA（金属截面积损失）检测结论，以及由此估计的LBS（钢丝绳剩余强度）数据，大约30％有明显错误,并且发现存在的问题与人为因素有关。

     美国的钢丝绳检测专家H.R.Weischedel博士是在钢丝绳研究领域内有着很高威望的专家，他曾这样的发出感叹，认为对钢丝绳损伤进行准确的定量检测几乎是不可能的。

     直至21世纪初，钢丝绳检测技术仍然存在5大难题：

• 无法测知钢丝绳的剩余载荷和钢丝绳损伤之间的定量关系；
• 检测传感器的输出和钢丝绳周围的磁场信息不是一个概念，即使是准确的磁场信息也并不能*代表准确的损伤信息，因此要从传感器的输出定量地确定钢丝绳损伤是无损探伤面临的难题；
• 要实现LMA信号的可靠标定仍是难点。LMA标定是测量截面损失的关键环节；
• 研究中实验室模拟的损伤不能*代表使用现场的实际损伤；
• 无损检测设备的定量分辨率对定量检测有较大影响，探伤装置的定量分辨率（或平均长度、扫描长度）表示仪器能够准确测量的LMA的zui小长度，它是衡量探伤设备性能的重要的参数。

     总之，传统的强磁检测技术由于其原理的问题，其核心技术多年来没有实质性突破，远未达到成熟工业化使用的阶段，并且大部分强磁检测仪器都存在检测精度低、笨重和适应性差等重大缺陷，因而无法取得满意的检测效果。

     而同时，目前上也在不断有科研机构尝试新的检测技术和方法，但大部分尚处于实验室阶段，形成工业产品需要一定周期。以下是两种具有代表性的技术：

• 磁致伸缩法：磁致伸缩法由美国西南研究所提出，此法克服了传统方法中钢丝绳必须穿过传感器的缺点。磁致伸缩法目前还处于理论研究阶段，至今尚未有产品出现。
• 声发射-超声法：为了实现钢丝绳状态的在线检测，国外近几年又提出了声发射-超声法，此方法当前尚处于理论研究阶段。

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