基于霍尔开关的矿用钢丝绳漏磁数值模拟

矿用钢丝绳损伤检测目前仍是一个困扰着广大学者和科研人员的技术难题，也是一个急需攻克的重点问题。为提高基于霍尔开关的漏磁场检测法的准确性，文中提出了对基于霍尔开关的钢丝绳漏磁检测技术进行研究，研究钢丝绳多励磁磁化回路漏磁场特征，分析霍尔的布置规律，为提高钢丝绳探伤传感器灵敏度提供理论指导。

基于霍尔开关的钢丝绳检测原理

当在载流金属导体两端施加磁场时，由于洛仑兹力的作用在导体的两侧会有电压产生的现象，为“霍尔效应" ，其霍尔电压称：

式中    I_c——控制电路；

K——霍尔系数；

B——磁感应强度；

Θ——磁感应强度与金属导体表面切向的夹角。

在用霍尔测量钢丝绳漏磁场时，霍尔开关输出电压：

式中  B₁—— 磁化回路产生的磁感应强度，磁路设计完成后该磁感应强度为一个定值；

B₂——钢丝绳漏磁场产生的磁感应强度，其大小与钢丝绳损伤大小密切相关。

矿用钢丝绳漏磁场通常很小，实际应用中为获得较大的信号输出，如图1所示，采用霍尔串联和差分放大电路相结合的方法进行信号放大处理。

多励磁磁化回路的钢丝绳漏磁场数值模拟

传统的钢丝绳励磁磁化回路主要采用单磁化回路结构，单磁化回路结构简单，实现简单方便，对直径较小的钢丝绳有较好的磁化效果，矿用钢丝绳多为大直径钢丝绳，且绳股结构复杂，绳捻制紧密，表面光滑，采用单磁化回路不能使钢丝绳均匀磁化，因此，本文对矿用钢丝绳采用多励磁磁化方式。建立的基于多励磁磁化回路的钢丝绳漏磁场检测模型如图2所示。环形永磁体特性如表1所示，环形衔铁的磁特性曲线如图3所示。

式中    A、B、C——常数；

L——损伤的长度，mm；

d——损伤深度，mm；

a——损伤的表面倾角，（°）。

为对钢丝绳漏磁信号进行更详细的分析，本文基于有限元数值分析方法进行钢丝绳漏磁信号的轴向和径向分量波形求解。为得到更加符合实际情况的钢丝绳漏磁检测信号，采用多次静磁场建模分析求解的方法：模拟钢丝绳通过探测仪的过程，以损伤在励磁设备中心位置处为原点，左右两边移动损伤位置为y_m，0，-y_m(m=1，2，3，。。 ，m为整数)，0<y_m<L_w/2-L/2，L_w为钢丝绳长，L为损伤长度，依次求解一系列模型中励磁设备中心霍尔处的漏磁感应场强B_m，在此基础上，建立二维函数f(y，B)=(y_m，B_m)，其中，损伤位置变量y为函数横坐标，漏磁感应场强变量B为函数纵坐标，由此得到漏磁信号波形f(y，B)。

通过该方法求得的损伤长度为20mm，深度为6。3mm，表面倾角为90°，提离值为10mm处的钢丝绳漏磁信号波形如图5所示，比较钢丝绳轴向和径向分量波形可以发现，轴向分量波形峰值远大于径向分量波形峰值，由此可见，钢丝绳损伤漏磁场信号主要分布在轴向方向，径向方向漏磁很少，损伤信号绝大大部分信息集中在轴向分量中，因此，要获得较好的检测效果，霍尔开关感应面应该垂直于钢丝绳轴向方向布置。

矿用钢丝绳损伤检测通常需要采用多励磁磁路进行有效磁化，钢丝绳漏磁场主要分布在钢丝绳损伤附近，距损伤越近，漏磁场越大。要得到较大的霍尔开关感应电压信号，在一定条件下，霍尔应尽可能靠近钢丝绳布置；

钢丝绳损伤漏磁场信号主要分布在轴向方向，径向方向漏磁很少，损伤信号绝大大部分信息集中在轴向分量中，要获得较好的检测效果，霍尔开关感应面应该垂直于钢丝绳轴向方向布置。