磁軛式磁粉探傷儀提升力檢測裝置的開發

馮雪峰，肖玉琴，亢 銳

（新疆維吾爾自治區計量測試研究院，新疆 烏魯木齊 830013）

0 引 言

磁軛式磁粉探傷儀是由磁化電源和磁軛組成，可用于檢測鋼鐵材料的裂紋、焊縫、鑄件、鍛件等表面缺陷。磁粉探傷是將鐵磁性物質在強磁場下磁化后，在工件的近表面有缺陷的地方磁力線發生變形，表面形成漏磁場，然后在工件表面上施加磁粉或磁懸液，磁粉就會吸附在缺陷處，這時就顯示出缺陷的位置、大小和形狀[1]。要想準確地探出工件缺陷，那磁軛式磁粉探傷儀的準確性尤為重要。而對于磁軛式磁粉探傷儀，設備的主要校驗指標之一是提升力。提升力是指磁鐵只借助其磁性吸力，可提升起某一重量鋼塊的能力[2]。

大部分國內外相關常用標準均對磁軛提升力提出了各自的指標，多數標準規定使用磁軛最大間距時，交流電磁軛至少應有45N的提升力，直流電磁軛至少應有177N的提升力，交叉磁軛至少應有118N的提升力。但是提升力的實際值是多少，一直以來是個懸而未解的問題。當提升力過大時會導致構件表面不應檢出的細微缺陷也被檢測出來，這對于實際磁粉探傷而言是不利的；因此，有必要測量出磁軛提升力的值。開發研制了磁軛式磁粉探傷儀檢測裝置，能夠為磁軛式磁粉探傷儀的廣泛使用提供技術支持，為技術監督機構、科研單位、檢測機構和機械加工制造企業開展對磁軛式磁粉探傷儀檢測與質量控制提供重要手段。

1 設計思路

磁軛提升力是磁鐵借助其磁性吸力，可提升某一重量為G的鋼塊的能力。如用符號F表示[3]，即

通常采用力的單位N。就工程實際而言，可以將磁軛提升力近似等同為磁軛的平均吸力。

一般來講，按磁軛磁粉探傷儀磁化過程中采用電流的性質，可分為直流磁化和交流磁化。

直流電磁軛工作時其磁場的大小和方向都是恒定不變的，當磁軛磁極吸附鋼板，在不產生重力加速度的情況下，施加反向向下的作用力FDC將鋼板與磁極脫離時，磁性吸力的大小剛好等于鋼板重力G和反向作用力FDC之和，即F=G+FDC，則此時磁性吸力的大小即為磁軛磁極的提升力大小。

交流電磁軛工作時產生的磁場是隨時間變化的量，當磁極吸附鋼板，或者鋼板相對于磁極有一定位移時，使用高速數據采集反向作用力FAC（t）隨時間變化的量，取某一位移時，反向作用力最大的那一組量的平均值（t）作為反向作用力，則磁性吸力的大小為F=G+（t），等同為磁軛磁極的提升力大小[4]。

根據上述分析，設計出磁軛式磁粉探傷儀提升力檢測裝置，如圖1所示。部分主要部件的說明如下：

（1）步進電機。以單片機驅動步進電機控制絲桿勻速轉動以產生反向拉力，并且能夠產生精確位移。

（2）拉力傳感器。得到步進電機反向作用力。

（3）數據采集。高速采集拉力傳感器的變送器發送的電信號。

圖1 提升力檢測裝置原理圖

該檢測裝置工作原理為：磁軛式磁粉探傷儀工作時，磁軛磁極產生磁場吸附鋼板，通過步進電機勻速轉動驅動絲桿，反向施加力，拉力傳感器輸出電壓信號，變送器將電壓信號輸出至數據采集卡，經處理和計算分析，顯示出提升力的值。

2 裝置設計

2.1 單片機步進電機控制

采用單片機來控制步進電機，實現軟件與硬件相結合的控制方法，達到了對步進電機的最佳控制。系統中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅動線路。控制按鈕作為一個外部中斷源，控制設置步進電機正轉、反轉、停止等功能，采用中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序，完成對步進電機的控制[5]。

控制系統原理框圖如圖2所示。

圖2 控制系統原理框圖

單片機選用AT89C51單片機，步進電機選用DM5654A[6]，單片機硬件如圖3所示。

圖3 單片機硬件圖

2.2 單片機的USB數據采集

基于USB傳輸的數據采集及處理系統硬件模塊主要由微控制器、A/D轉換器、USB通信接口芯片等模塊組成。系統按功能分為USB接口電路和數據采集電路兩部分。數據采集電路部分完成前端采樣信號即拉力傳感器信號的采集、模數轉換以及處理、采樣速率控制和傳輸控制；USB接口電路則完成單片機與PC機之間的通信[7]。

系統的A/D轉換、數字I/O的設計則根據采集的精度、速率、通道數等參數元素選擇合適的芯片。數據采集子系統的工作原理如圖4所示。

圖4 數據采集子系統原理圖

根據以上分析設計，由單片機控制步進電機，并采集拉力傳感器輸出的信號，通過數據處理，得到磁軛式磁粉探傷儀提升力的值，并顯示出結果，從而完成了整個檢測裝置的設計。

3 特點及技術參數

3.1 檢測裝置的特點

（1）能夠直接測量提升力數值，并直觀的以數字顯示；

（2）進行高速采集數據并進行分析處理，計算提升力，顯示和保存測量結果；

（3）自動檢測，自動記錄，工作可靠，操作簡便，測量值準確可靠。

3.2 檢測裝置的主要技術參數

拉力范圍在0～300N之間，覆蓋各種磁軛式磁粉探傷儀最大提升力的值，靜態測量準確度±0.1N。步進電機施加反向作用力時，最大行程能夠達到80mm。

4 結束語

經過不懈努力，磁軛式磁粉探傷儀檢測裝置已經開發成功，且已在實際檢測中得到了運用。實際測試結果表明，該檢測裝置很好地實現了設計要求，具有檢測效率高、測量精度高等優點，實際使用簡便、先進、可靠，結果簡單、直觀，有一定的實用價值和市場前景。

[1]林錫忠，鄒俊芬，林育.論電磁軛提升力[J].無損檢測，2000，22（10）：439-440.

[2]林錫忠.關于磁粉探傷標準中電磁軛提升力涵義的討論[J].無損檢測，2004，26（2）：101-102.

[3]姚力.關于磁軛提升力指標的討論[J].無損檢測，2002，24（2）：53-54.

[4]任吉林.電磁無損檢測[M].北京:航空工業出版社，1989.

[5]梅麗鳳，王艷秋.單片機原理及接口技術[M].北京：清華大學出版社，2009.

[6]鄭寶瑞，陸仲達.基于單片機的步進電機控制系統的研制[J].齊齊哈爾大學學報，2010，26（4）：46-47.

[7]洪新華，陳建峰，霍鵬飛.基于單片機的步進電機控制系統的設計[J].湛江師范學院學報，2010，31（6）：84-86.