圖 1斜拉橋索全截面缺陷檢測流程圖
斜拉橋索是橋梁結(jié)構(gòu)中用來支撐橋面板的斜拉鋼索，作為橋梁的重要受力部件，斜拉橋索的狀態(tài)關(guān)乎橋梁整體的安全。作為長期服役的部件，其容易因雨水滲入老化破損的護套表面而出現(xiàn)內(nèi)部腐蝕、斷絲等問題，給橋梁安全帶來隱患。
斜拉橋索直徑一般在50 mm以上，長度在100 m以上。如何對斜拉橋索進行缺陷檢測一直是橋梁運行維護中的工程技術(shù)難題。漏磁檢測法是斜拉橋索損傷檢測的有效手段。橋索在被磁化的過程中，缺陷位置與無缺陷位置鋼索的磁導(dǎo)率相差較大，使得磁力線在缺陷處發(fā)生泄漏形成漏磁場，通過磁敏元件對被測部位進行掃查即可獲取缺陷信息[1]。俄羅斯INTRON PLUS公司研發(fā)的鋼索無損檢測裝置[2]利用漏磁檢測原理，在檢測過程中，強磁體使鋼索磁飽和，然后通過霍爾元件檢測鋼索的斷絲和截面缺失缺陷。但大直徑鋼索檢測裝置的質(zhì)量可能高達200 kg，且強磁對鋼絲繩具有很強的吸附力，在檢測過程中移動阻力較大，易引入干擾信號。CHRISTEN等[3-4]設(shè)計了基于漏磁原理的斜拉橋索檢測儀器，并提出了一種基于偶極子模型的定位方法，利用該漏磁檢測儀對東南亞某大橋68根直徑為121~167 mm的斜拉橋索進行了檢測試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)橋索缺陷的軸向定位與缺陷在橫截面位置的定性分析。但該儀器采用的勵磁電流高達100 A，長時間通電情況下線圈發(fā)熱嚴(yán)重，難以應(yīng)用于實際工程檢測。
SINGH等[5]利用巨磁阻（GMR）開發(fā)了一款基于馬鞍形勵磁的12通道漏磁傳感器，對直徑64 mm鋼索表面軸向和周向斷絲型和截面缺失型缺陷均具有較好的檢測能力，但其單次掃查可覆蓋的周向角度有限。JOMDECH等[6]設(shè)計了多個小線圈串聯(lián)組成的線圈傳感器，用于檢測磁通在法向上的變化，最小可以檢測出寬度為1 mm，深度為2 mm的表面缺陷，但無法檢測內(nèi)部缺陷。LIU等[7]提出了一種偏置脈沖磁化新方法，基于漏磁原理研制了鋼索缺陷檢測傳感器，設(shè)計了柔性可拆裝的勵磁線圈，使用單個隧道磁阻和感應(yīng)線圈實現(xiàn)了鋼索索體表層缺陷與內(nèi)部3根以上斷絲缺陷的檢測。楊寧祥等[8]通過建立三維磁偶極子模型分析了斷絲缺陷的空間漏磁場分布，采用-6 dB閾值法確定了漏磁場的有效擴散角，進而確定了95 mm直徑鋼索環(huán)形陣列漏磁傳感器磁敏元件的最少數(shù)量，研制了適用于斜拉橋索表面斷絲缺陷檢測的漏磁陣列傳感器，在提離距離為8 mm的條件下實現(xiàn)了對鋼索的掃描成像和定位。ZHANG等[9]利用HMR2300型磁強計對直徑35 mm的平行鋼絲束進行了12條路徑的掃查檢測，每條路徑間隔30°，實現(xiàn)了對平行鋼絲束表面缺陷的軸向和周向定位。郭建美等[10]通過仿真和試驗發(fā)現(xiàn)平行鋼絲束的填充狀態(tài)對表層缺陷漏磁場具有弱化效應(yīng)。YAN等[11]研發(fā)了一款輕便型高能脈沖勵磁磁彈儀，磁彈儀利用大容量電容儲能，通過IGBT（絕緣柵雙極晶體管）實現(xiàn)快速充電和放電，該勵磁方式可用于漏磁檢測。
當(dāng)前斜拉橋索缺陷檢測普遍采用漏磁檢測方法，但橋索大多包覆HDPE（高密度聚乙烯）保護套，造成提離距離增大，缺陷更難檢出[12]。另外，護套破損可能引起磁敏元件提離波動，導(dǎo)致缺陷誤檢[13]。目前關(guān)于工程檢測中護套破損導(dǎo)致漏磁檢測信號變化的研究較少。由于平行鋼絲拉索的直徑較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于表面缺陷的傳感器檢測深度有限而無法檢測出內(nèi)部缺陷，適用于內(nèi)部缺陷的傳感器檢測效率較低、功耗大，故需要發(fā)展一種省時高效的檢測方法。文章設(shè)計了一款基于直流和脈沖勵磁的漏磁檢測傳感器并搭建了試驗平臺，試驗結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)既可實現(xiàn)表層缺陷的定位，也可實現(xiàn)內(nèi)部缺陷的檢出。
1. 橋索缺陷檢測系統(tǒng)
1.1 基于直流和脈沖勵磁的橋索漏磁檢測傳感器
鋼索的直徑較大（文章中使用的模擬橋索直徑為95 mm），且鋼索表面和內(nèi)部都可能出現(xiàn)缺陷。勵磁場強度是決定檢測深度的關(guān)鍵，表面缺陷的檢測采用常規(guī)的直流勵磁即可實現(xiàn)，但內(nèi)部缺陷的檢測依賴于較強的勵磁場。由于永磁體勵磁結(jié)構(gòu)笨重，現(xiàn)有鋼索漏磁檢測時以電流勵磁方式為主。但通常線圈激勵電流為幾安培，不足以對鋼索進行飽和磁化。若想通過直流線圈激勵強磁場，激勵電流需達到幾十甚至上百安培，但會導(dǎo)致線圈嚴(yán)重發(fā)熱。工程中發(fā)現(xiàn)斜拉橋索的內(nèi)部缺陷多集中在表面已有缺陷的附近，故可先利用小直流勵磁方式對鋼索表面鋼絲進行勵磁，配合高靈敏度的磁敏元件檢測平行鋼絲拉索的表面缺陷；再利用脈沖勵磁將鋼索瞬間磁化至近飽和階段，配合感應(yīng)線圈對表面存在缺陷的附近區(qū)域進行內(nèi)部缺陷檢測，其缺陷檢測流程圖如圖1所示。高壓脈沖具有產(chǎn)生瞬時超高能量的特點，可以使鋼索瞬時飽和，且相比持續(xù)工作的直流勵磁，脈沖勵磁能有效解決線圈發(fā)熱問題。
直流勵磁漏磁檢測原理如圖2所示，通過施加穩(wěn)定的1 A直流信號至勵磁線圈，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，勵磁線圈內(nèi)部會產(chǎn)生方向與斜拉橋索軸向平行的磁場，從而對橋索索體表層鋼絲進行磁化，再應(yīng)用霍爾元件等磁敏元件沿斜拉索掃查實現(xiàn)橋索表層缺陷的檢測。針對大直徑斜拉橋索需要較強勵磁場的特點，采用線性區(qū)間較大的EQ-730L型霍爾元件（線性工作范圍為±15 mT，靈敏度為130 V/T），能夠在保證檢測靈敏度的同時適應(yīng)更廣范圍的磁場區(qū)間。由于在8 mm提離距離下單個霍爾元件的有效檢測角度為11.3°，陣列式漏磁傳感器周向至少需要布置32個霍爾元件。半環(huán)形霍爾陣列結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，其由16個霍爾元件、FPC柔性電路板與骨架組成。將兩個半環(huán)結(jié)構(gòu)對稱安裝于陣列式漏磁傳感器內(nèi)，可實現(xiàn)橋索表層缺陷的周向覆蓋檢測。
圖 2直流勵磁漏磁檢測原理示意
圖 3半環(huán)形霍爾陣列結(jié)構(gòu)示意
對于斜拉橋索內(nèi)部缺陷，布置在橋索表面的磁敏元件距離缺陷較遠，同時外層鋼絲對內(nèi)部缺陷處產(chǎn)生的漏磁場具有屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致磁敏元件難以對內(nèi)部缺陷漏磁場進行探測。為解決該問題，需要施加更強的勵磁場，增強內(nèi)部缺陷的漏磁場強度，才有可能利用橋索表面的磁敏元件檢測到更深層的缺陷。脈沖磁化作為一種新型勵磁方式，其檢測原理如圖4所示，與直流勵磁的不同之處在于其施加在勵磁線圈上的是幅值與頻率可調(diào)的脈沖信號，能夠在瞬時產(chǎn)生超高能量而將索體飽和磁化。在無缺陷處，索體的磁導(dǎo)率是均勻的，而存在內(nèi)部缺陷的索體處的磁導(dǎo)率與磁阻會發(fā)生變化。采用脈沖激勵時，利用感應(yīng)線圈即可檢測索體主磁通量變化，從而判斷是否存在內(nèi)部缺陷。
圖 4脈沖勵磁漏磁檢測原理示意
橋索內(nèi)部缺陷采用多個感應(yīng)線圈組成圓周陣列的形式進行檢測，感應(yīng)線圈能夠?qū)⒚}沖磁化時的磁感應(yīng)強度轉(zhuǎn)化為電壓信號。每個通道感應(yīng)線圈由多個矩形單元線圈串聯(lián)而成，能夠?qū)S向、徑向與切向三個方向的磁通分量進行測量，單元線圈內(nèi)部固定放置了一根鐵芯以增加感應(yīng)磁場強度。每通道感應(yīng)線圈輸出信號幅值與經(jīng)過單元線圈的磁通密度呈正相關(guān)，而單元線圈的陣元數(shù)量需要兼顧內(nèi)部缺陷檢出能力與圓周方向的分辨率，減少其數(shù)量能夠提升周向分辨率，但同時感應(yīng)電壓幅值將會減小，對缺陷檢出能力與檢測深度產(chǎn)生影響。綜合考慮選用由8個矩形單元線圈串聯(lián)而成的通道，其中每個單元包含800匝密繞線圈和鐵芯，感應(yīng)線圈陣列布置如圖5所示。
圖 5感應(yīng)線圈陣列布置示意
用于斜拉橋索檢測的漏磁傳感器由霍爾陣列、感應(yīng)線圈陣列、骨架、勵磁線圈、導(dǎo)輪機構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)組成（見圖6）。傳感器勵磁線圈采用帶狀柔性扁平排線繞制而成，由平行雙環(huán)通過連接器并聯(lián)構(gòu)成類亥姆霍茲線圈，排線寬度為50 mm，繞制層數(shù)為15層，通過線圈的電流方向一致，能夠在橋索中心處產(chǎn)生相對較為均勻的磁場。
圖 6陣列式漏磁傳感器結(jié)構(gòu)示意
1.2 橋索缺陷檢測試驗平臺搭建
漏磁檢測試驗平臺主要由“工”字型掃描架、步進電機、陣列式漏磁傳感器、示波器等組成。掃描架上位機軟件采用LabVIEW軟件編寫，包含步進距離與運動速度設(shè)置窗口以及電機旋轉(zhuǎn)方向選擇按鈕，能夠?qū)崿F(xiàn)掃描架雙向不同速度、距離的運動控制。控制箱內(nèi)的運動控制核心為Arduino UNO單片機，上位機通過VISA串口與單片機通信，通過電機驅(qū)動器實現(xiàn)掃描架導(dǎo)軌末端的8線步進電機旋轉(zhuǎn)方向、速度與步進距離的控制，掃描架搭載陣列式漏磁傳感器能夠進行勻速直線運動，進而實現(xiàn)對模擬橋索試件的檢測。漏磁檢測試驗平臺結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖 7漏磁檢測試驗平臺結(jié)構(gòu)示意
2. 橋索缺陷漏磁檢測試驗
2.1 提離波動條件下的漏磁檢測試驗
在研究提離波動對缺陷漏磁檢測信號的影響之前，在無干擾因素下進行索體缺陷的檢測試驗以提供參考基準(zhǔn)。首先在直徑7 mm的單根鋼絲試件上，利用線切割加工技術(shù)在鋼絲表面加工具有不同尺寸的凹槽缺陷（見圖8）。共設(shè)置5處凹槽寬度均為1 mm的缺陷，對其編號為A~E，深度從1~5 mm（步長為1 mm）逐漸增大，缺陷之間的距離設(shè)置為200 mm。試驗中，采用帶圓孔的有機玻璃模具，在其內(nèi)部放置57根鋼絲（材料為15#鋼），將缺陷鋼絲置于索體表層。掃查過程中將單個霍爾元件放置于距離缺陷正上方10 mm的位置處，勵磁電流大小設(shè)定為0.8 A。使用所搭建的試驗平臺對上述缺陷鋼絲進行掃查試驗，設(shè)置檢測速度為0.04 m·s-1，采集并存儲檢測信號。
圖 8凹槽缺陷鋼絲放置位置示意
斷面缺陷與護套內(nèi)凹結(jié)構(gòu)錯位布置，將深度分別為1，2，3，4 mm的護套內(nèi)凹結(jié)構(gòu)依次放置于4 mm深度與3 mm深度缺陷之間（見圖9），設(shè)置完成后，采用陣列式漏磁傳感器對其進行檢測。另外，對于外凸型護套破損，將高度分別為0.5~3 mm（步長為0.5 mm）的護套外凸結(jié)構(gòu)依次放置于深度為4 mm和3 mm的缺陷之間，使用漏磁檢測試驗平臺以0.04 m·s-1的速度對其進行勻速掃查。
圖 9護套內(nèi)凹結(jié)構(gòu)示意
2.2 橋索全截面缺陷檢測試驗
在平行鋼絲拉索的表面加工寬度為1 mm，深度為2，3，4，5 mm和寬度為2 mm，深度為2，3，4，5 mm的兩根缺陷鋼絲，為模擬內(nèi)部缺陷出現(xiàn)在表面缺陷附近，在同一截面設(shè)計了表面和內(nèi)部缺陷。在深度分別為5，4，3 mm的三個表層缺陷截面上設(shè)置不同類型的內(nèi)部斷絲缺陷，缺陷位置如圖10所示。1#缺陷為位于15°和195°方向，深度為5 mm的表層缺陷及位于135°和315°方向的多根斷絲，2#缺陷為位于15°和195°方向，深度為4 mm的表層缺陷和位于橋索中心的多根斷絲缺陷，3#缺陷為位于15°和195°方向，深度為3 mm的表層缺陷以及位于90°和270°橋索第二層的單根斷絲缺陷，利用上文提到的漏磁掃查系統(tǒng)對鋼索全斷面缺陷進行掃查檢測。
圖 10平行鋼絲拉索全截面缺陷位置示意
首先，利用直流激勵，激勵電流設(shè)為1 A，掃描平臺搭載32通道霍爾陣列漏磁傳感器對鋼索進行掃查，掃查速度設(shè)為0.07 m·s-1，采樣頻率設(shè)為1 kHz。對表面缺陷進行分析后，再利用脈沖激勵方式檢測表面缺陷附近的內(nèi)部缺陷。激勵電壓設(shè)為400 V，用4通道線圈陣列傳感器對鋼索進行定點檢測，在鋼索表面每隔5 mm設(shè)立一個定點，共設(shè)置45個掃查點。
3. 試驗結(jié)果與討論
3.1 提離波動對漏磁信號的影響
鋼絲表層相同寬度不同深度缺陷的漏磁檢測結(jié)果如圖11所示，可以看出：陣列式漏磁傳感器相對缺陷鋼絲移動時，由（B~E）4個缺陷引起的漏磁信號能被檢出，呈現(xiàn)為4個單極性的信號波形；而深度為1 mm的A缺陷引起的漏磁信號未被檢出；缺陷（B~E）引起的漏磁信號峰值隨深度的增加而增大。
圖 11鋼絲表層相同寬度不同深度缺陷的漏磁檢測結(jié)果
不同深度護套內(nèi)凹處的漏磁檢測信號如圖12所示，可見，隨著內(nèi)凹深度的增加，特征信號幅值呈逐漸增大趨勢。這是由于陣列式漏磁傳感器經(jīng)過護套內(nèi)凹結(jié)構(gòu)時，霍爾元件相對索體發(fā)生了提離距離的變化，從而出現(xiàn)類似于缺陷漏磁信號的干擾信號。圖13所示為不同高度護套外凸結(jié)構(gòu)處的漏磁檢測信號，可以看到外凸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的霍爾信號與內(nèi)凹型處的相反，且其信號谷值隨著外凸高度的增加呈逐漸增大趨勢，但由于該信號與缺陷信號幅值方向相反， 故在檢測時能夠及時識別出護套外凸結(jié)構(gòu)引起的干擾。
圖 12不同深度護套內(nèi)凹處漏磁檢測信號
圖 13不同高度護套外凸結(jié)構(gòu)處的漏磁檢測信號
由于內(nèi)凹型護套缺陷對漏磁檢測信號會造成干擾，引起誤檢，故需要對其進行識別或抑制。通過加裝視覺檢測模塊能夠較好地識別護套破損從而減少誤檢率。另外，由于外凸高度與干擾信號的幅值呈正相關(guān)關(guān)系，通過測距的方式可以較為精確地評估干擾信號的位置和大小，從而為缺陷和護套破損重疊型信號提供解耦方法。
3.2 缺陷檢測結(jié)果分析
霍爾陣列傳感器掃查橋索全斷面缺陷的結(jié)果如圖14所示，可以發(fā)現(xiàn)霍爾陣列傳感器能檢出表面凹槽缺陷，說明直流激勵的勵磁深度有限，僅表層鋼絲缺陷的漏磁場能夠被霍爾陣列傳感器接收到，而內(nèi)部鋼絲磁化強度不夠，導(dǎo)致缺陷的漏磁場被外層鋼絲屏蔽而無法被檢測到。護套內(nèi)凹結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了與缺陷漏磁信號類似的干擾信號，測距模塊在相應(yīng)位置同樣產(chǎn)生脈沖信號，兩類信號出現(xiàn)在同一位置表明該處的霍爾信號變化由護套破損引起，應(yīng)當(dāng)剔除。
圖 14霍爾陣列傳感器掃查橋索全截面缺陷的結(jié)果
線圈陣列傳感器的檢測結(jié)果如圖15所示，線圈陣列傳感器的信號在三個缺陷截面位置有明顯增加。在1#缺陷位置，線圈傳感器4個通道信號都有增加，其中通道A和通道D的信號大致相同，且比通道B和通道C的幅值大，表明通道A和通道D之間即315°方向可能存在位于2，3層的多根斷絲，而通道B和通道C檢測到的是位于135°方向上的多根斷絲且數(shù)量小于315°方向的，由于通道B比通道C檢測到的信號幅值更大，推斷缺陷更偏向通道B一側(cè)。
圖 15全截面缺陷線圈陣列傳感器檢測結(jié)果
在2#缺陷位置，4個通道信號都有增加，幅值大小接近且均大于單根斷絲幅值，可以推斷出缺陷應(yīng)為距離表面較遠的中心斷絲，且斷絲數(shù)量較多。
在3#缺陷位置，有B和D兩個通道的信號有明顯增加，說明內(nèi)部缺陷存在于線圈傳感器B和D兩個通道下方即90°和270°方向，且斷絲缺陷可能存在于橋索的第二層或第三層，綜合1#缺陷信號來看，其為第二層單根斷絲的可能性較大。但在以上三個截面的表層凹槽缺陷位置，線圈傳感器各通道的信號均無明顯增加，說明線圈傳感器對于表面凹槽這種小缺陷不敏感。
4. 結(jié)論
文章針對斜拉橋用平行鋼絲拉索缺陷檢測的工程問題，設(shè)計了基于直流和脈沖勵磁的漏磁掃查平臺，研究了護套損傷引起的信號干擾問題，針對橋索全斷面缺陷掃查及檢測定位難題進行試驗，得到的主要結(jié)論如下。
（1）直流勵磁適用于檢測平行鋼絲拉索表面缺陷的快速檢測，脈沖勵磁能對鋼索進行瞬間飽和磁化從而達到檢測內(nèi)部缺陷的目的。根據(jù)鋼索缺陷的分布特點不同，先利用直流勵磁對鋼索表面缺陷進行快速掃查，在出現(xiàn)表面缺陷的截面位置附近進行脈沖定點掃查，檢測鋼索的內(nèi)部缺陷，這是一種省時有效的檢測方式。
（2）護套內(nèi)凹結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致霍爾元件輸出與缺陷漏磁信號幅值、頻率相近的脈沖信號，而護套外凸結(jié)構(gòu)與之相反。利用視覺模塊識別護套缺陷，結(jié)合測距模塊測量護套周向變形，可以幫助識別干擾，減少護套破損引起的誤檢。
（3）霍爾陣列傳感器能夠較好地識別橋索表面缺陷的大小和位置，但難以檢出橋索的內(nèi)部缺陷；線圈傳感器也可以清楚地分辨不同類型的內(nèi)部多處斷絲缺陷，但對于表面凹槽的小缺陷并不敏感。利用雙環(huán)配合的陣列傳感器可以對表面小缺陷和內(nèi)部缺陷進行分辨，并可以確定缺陷沿圓周方向的區(qū)域位置。
文章來源——材料與測試網(wǎng)