基于磁力效應(yīng)的鐵磁性材料無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)

張光平

杭州之江磁業(yè)有限公司 浙江杭州 311200

鐵磁性材料因其綜合性能良好且成本低，在承壓設(shè)備中被廣泛使用。但長(zhǎng)時(shí)間在高溫、高壓、腐蝕性的惡劣環(huán)境中使用，易造成材料的腐蝕、疲勞和應(yīng)力變形等問題，進(jìn)而造成設(shè)備失效，存在安全隱患可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)重大安全事故。因此，針對(duì)鐵磁性材料的損傷需進(jìn)行檢測(cè)預(yù)判。

目前，常采用無損檢測(cè)的方法判斷鐵磁性材料的缺陷。無損檢測(cè)法無需破壞零部件，僅需在其表面施加磁、聲、電等外加場(chǎng)，當(dāng)零部件中存在缺陷時(shí)，其磁、聲、電等特性會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，根據(jù)變化規(guī)律即可反映出零件內(nèi)部缺陷的位置和大小，從而判斷零部件使用性能。常用的無損檢測(cè)法有磁粉檢測(cè)法、X射線測(cè)量法、超聲波測(cè)量法和磁特性參數(shù)檢測(cè)法，其中基于磁特性參數(shù)的變化進(jìn)行無損檢測(cè)被稱為磁無損檢測(cè)技術(shù)，常用方法為磁巴克豪森效應(yīng)法、金屬磁記憶法、漏磁檢測(cè)法和磁力效應(yīng)法。研究發(fā)現(xiàn)，通過磁力效應(yīng)法可獲得反映試件磁特性的磁滯回線，用于反映材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)情況，由此反映試件是否有損傷。但是，目前缺少基于磁力效應(yīng)開發(fā)的磁特性材料無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，因此阻礙了采用該方法在無損檢測(cè)領(lǐng)域的科學(xué)研究。本研究團(tuán)隊(duì)前期開發(fā)了一款基于LabVIEW的鐵磁性材料無損檢測(cè)系統(tǒng)，通過檢測(cè)樣塊的磁滯回線，驗(yàn)證了該理論在鐵磁性材料無損檢測(cè)中的有效性。但是，該系統(tǒng)缺少退磁部分，剩磁的存在影響了被檢測(cè)對(duì)象磁滯回線的測(cè)量精度而基于LabVIEW開發(fā)的操作界面功能單一，軟件設(shè)計(jì)也待進(jìn)一步完善。

鑒于此，本文開發(fā)了基于磁力效應(yīng)法的鐵磁性材料無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置。以鐵磁性材料的磁特性變化規(guī)律為理論基礎(chǔ)，通過軟件和硬件系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁性材料磁滯回線的檢測(cè)，獲得其磁特性參數(shù)并經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

1 鐵磁性材料無損檢測(cè)裝置開發(fā)

1.1 裝置的總體設(shè)計(jì)

在鐵磁性材料外部施加變化磁場(chǎng)后，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線叫做磁滯回線，它能反映材料的基本磁特性。本研究團(tuán)隊(duì)前期研究表明，材料內(nèi)部存在缺陷時(shí)，磁感線穿過材料內(nèi)部時(shí)強(qiáng)度和路徑等會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而造成材料磁滯回線的變化。因此可以通過獲取磁滯回線后，分析其形狀和磁特性參數(shù)的大小變化，判斷材料的損傷情況[2]。

在上述裝置的基礎(chǔ)上，進(jìn)行鐵磁性材料無損檢測(cè)裝置的開發(fā)研究。如圖1所示，裝置總體設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分，二者通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行通信。硬件部分包括磁化電流源電路、退磁電路、磁傳感器和數(shù)據(jù)采集卡；軟件部分為基于LabVIEW的上位機(jī)應(yīng)用程序。磁化電流源提供勵(lì)磁信號(hào)，磁傳感器獲取感應(yīng)信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集卡采集這兩路信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)。通過上位機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取材料磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度在對(duì)應(yīng)時(shí)間的變化規(guī)律，將零件的磁滯回線顯示在界面后計(jì)算得到相應(yīng)的矯頑力、剩磁、磁滯損耗以及最大微分磁導(dǎo)率等參數(shù)。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 磁化電流源電路設(shè)計(jì)

將電磁鐵作為磁化裝置，用基于大電容放電的方法產(chǎn)生脈沖激勵(lì)電流，由此產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)并磁化材料。為了獲得完整的磁滯回線，需要由不同方向的脈沖電流產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，如圖2所示，采用兩組大電容通過單片機(jī)控制IGBT來控制兩組電容的充放電順序，以保證磁滯回線的完整性[1]。

1.2.2 磁傳感器設(shè)計(jì)

磁傳感器主要包含感應(yīng)線圈、探頭、退磁線圈和勵(lì)磁線圈。選擇U型探頭，材料使用鐵氧體，把感應(yīng)線圈和勵(lì)磁線圈有序緊密貼合地纏在U型探頭上。勵(lì)磁線圈由磁化電流源電路驅(qū)動(dòng)；感應(yīng)線圈連接數(shù)據(jù)采集卡，用于傳遞感應(yīng)信號(hào)；退磁線圈由退磁電路驅(qū)動(dòng)，用于消除剩磁干擾。

1.2.3 退磁電路設(shè)計(jì)

為保證工件在被檢測(cè)時(shí)保持磁中性的狀態(tài)，設(shè)計(jì)了退磁電路。利用消磁電阻在退磁線圈中產(chǎn)生衰減電流，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)不斷衰減的磁場(chǎng)。在磁場(chǎng)反復(fù)磁化作用下，材料場(chǎng)強(qiáng)衰減到零。此時(shí)，材料中剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度也衰減到零，由此實(shí)現(xiàn)消磁。

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及裝置集成

采用LabVIEW開發(fā)了上位機(jī)應(yīng)用程序，主要實(shí)現(xiàn)在操作界面中顯示獲取的數(shù)據(jù)和計(jì)算得到的參數(shù)。通過該程序完成設(shè)置、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問和生成報(bào)表等操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和分析計(jì)算等功能。

2 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁性材料損傷的檢測(cè)，本文以鐵磁性材料的磁特性變化規(guī)律為理論基礎(chǔ)，開發(fā)了一種基于磁力效應(yīng)的鐵磁性材料無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，裝置由磁化電流源電路、退磁電路和磁傳感器三部分組成[3]。并基于LabVIEW進(jìn)行了上位機(jī)應(yīng)用程序的編寫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過該實(shí)驗(yàn)裝置檢測(cè)鐵磁性材料磁滯回線，可以獲得其磁特性參數(shù)，經(jīng)過分析將其作為判斷鐵磁性材料損傷的依據(jù)，由此驗(yàn)證了裝置的有效性。該實(shí)驗(yàn)裝置可為鐵磁材料的無損探傷研究提供硬件支撐，同時(shí)對(duì)預(yù)防安全事故具有一定意義，下一步將采用該裝置開展更多的工程實(shí)例應(yīng)用研究。