基于磁力檢測法的磁滯回線檢測裝置開發★

呂廣源， 楊曉惠， 李鵬飛， 陳 龍

（西南石油大學機電工程學院， 四川 成都 610500）

0 引言

磁滯回線是描述材料磁感應強度和磁場強度關系的曲線，常用來反映鐵磁材料的磁物理屬性[1]。基于磁滯回線可以獲得矯頑力、剩磁、磁導率、飽和磁感應強度等磁特性參數，這些參數對于應力作用導致的材料內部結構和磁疇等微觀組織變化非常敏感，因此可利用這一特性對鐵磁材料的受力狀況進行評價。這一方法通常稱為磁力檢測法，受到了相關學者的廣泛關注[2-3]。例如：吳斌等[4]利用磁力檢測法對桿件受拉力的影響因素進行了相關性研究；任旭虎等[5]研究了鐵磁材料的矯頑力和剩磁隨拉應力的變化規律；李玉坤等[6]利用矯頑力來評價天然氣管道環焊縫及周邊的殘余應力分布。但是隨測試材料或加工工藝不同，不同學者研究的應力和磁特征參數之間的關系存在較大差異，且尚無統一定論，其物理機理尚不完全清晰，還存在許多問題需要深入探索和研究。因此，為了深入研究鐵磁材料的磁特性參數和應力以及外加激勵磁場的關系，本文設計開發了一套基于磁力檢測法的磁滯回線在線檢測裝置。

1 工作原理

磁滯回線檢測原理如圖1 所示，主要由信號發生器、功率放大器、U 形磁軛、激勵線圈、檢測線圈、采樣電阻、積分電路和示波器組成。首先在U 形磁軛的梁部和腿部分別纏繞上激勵線圈和檢測線圈，以制成檢測探頭；然后將U 形檢測探頭和被測試樣緊密貼合；接著，利用信號發生器輸出一定幅值、頻率和波形的電信號，經過功率放大器后輸出到激勵線圈中，利用示波器分別讀取采樣電阻和積分電容兩端的電壓信號，通過公式換算即可得到磁滯回線，進而提取出矯頑力、剩磁等磁特性參數。通過改變激勵電壓和頻率，可以研究磁特征參數隨外加激勵磁場的變化規律。將該裝置與萬能試驗機組合，可以測量不同應力狀態下材料的磁特性參數變化規律。

圖1 磁滯回線檢測原理

2 檢測裝置

2.1 信號發生器

信號發生器為整個回路提供多種頻率、波形和電壓的激勵信號。本檢測裝置選用的是AD9959 高速DDS 信號源模塊，具有成本低、體積小、易操作和便攜等特點。它可以進行頻率、相位或振幅調制，通過模式管腳應用數據來進行調制。串行I/O 接口具有很強的適應性，可以支持各種配置，具有很好的靈活性。

2.2 功率放大器

由于DDS 信號源模塊輸出的信號較弱，為了獲得足夠大的外加磁場使被測材料磁化，本裝置設置了OPA549 雙電源供電的功率放大器。DDS 信號源模塊的輸出信號經過功率放大器后，可輸出8 A 持續電流，最大電流可達10 A（電源供電±30 V 的情況下），滿足被測材料磁化的需求，確保在需要的磁化狀態下進行檢測。

2.3 U 形檢測探頭

檢測探頭由U 形磁芯纏繞激勵和檢測線圈制成。本裝置應用的場合為低頻電磁場，其信號頻率小于50 Hz，因此探頭磁芯選擇具有較高飽和磁感應強度和較好磁電性能的硅鋼片疊加而成。根據電磁學理論，磁場強度取決于線圈的匝數，結合所需的外加磁場大小和閉合回路的磁路長度可以得到所需的激勵線圈匝數，再根據激勵線圈和檢測線圈的比值來確定檢測線圈匝數。因此，選擇激勵線圈400 匝，纏繞在U形磁軛的兩部，感應線圈100 匝，纏繞在U 形磁軛的兩極。

2.4 采樣電阻

根據檢測回路原理，采樣電阻應具有較小的阻值和較大的功率。因為較小的電阻值可有效減小電阻的分壓，使激勵線圈獲得較大的電壓，以產生較強的激勵磁場；但為了避免過大電流燒壞元器件，故選用較大功率的電阻。本裝置選擇的采樣電阻阻值為10 Ω，功率為200 W。

2.5 積分電路

考慮到從感應線圈直接測量得到的信號里混雜有噪聲信號，不便于實驗后續的數據處理，因此在感應線圈輸出端串聯RC 積分電路。對于RC 積分電路的積分條件需要滿足：積分電路的時間常數需大于等于10 倍輸入波形的寬度；積分電路電阻與電容的大小關系需滿足積分電阻阻值，遠大于積分電容的容抗。本裝置選擇積分電阻阻值為35 kΩ，積分電容為3 μF。

2.6 示波器

本裝置采用的顯示器件為LOTO-OSC482 計算機虛擬示波器。該虛擬示波器具有帶寬量程20 MHz，實際檢測為50 Hz，量程滿足要求；電壓檢測范圍為0～40 V，電壓滿足要求；采樣率為50 MS/s，采樣精度滿足要求；價格低廉，體積小，數據采集及時，顯示直觀，方便簡化數據處理過程。

3 檢測試驗

3.1 實驗流程

將被測試樣安裝在WDW-100 電子式萬能試驗機上，設置一定大小的拉力對被測試樣進行拉伸，實驗裝置連接情況如圖2 所示。加載的拉力穩定后，打開測量裝置電源，利用信號源輸出的微小激勵信號經過功率放大器放大到需要的激勵電壓后，輸入激勵線圈中使其產生足夠大的外部磁場H，從而磁化被測試件。在激勵線圈一端串聯采樣電阻，用來測量激勵電壓U1的大小。檢測線圈產生的感應電壓信號U2，通過積分電容C 進行測量。

圖2 實驗裝置圖

3.2 結果分析

利用所建立的檢測裝置進行實驗，得到實驗檢測數據并繪制出磁滯回線，如圖3 所示。與傳統的飽和磁滯回線不同的是，該磁滯回線呈樹葉狀，屬于弱磁場下的瑞利磁滯回線。利用從該磁滯回線上提取的矯頑力Hc和剩磁Br，同樣可以判斷材料在不同磁化狀態下的磁特性。對同一被測試樣在相同條件下進行3次重復測量，矯頑力Hc和剩磁Br隨應力的變化趨勢如圖4 所示。結果表明三次測量結果的重復性較好，說明該檢測裝置具有較好的測量穩定性。因此，利用本裝置可以研究不同激勵磁場、不同應力狀態、不同材料的磁特性參數變化情況。

圖3 磁滯回線

圖4 磁特性參數變化曲線

4 結語

本文結合電磁感應定律開發了一套基于磁力檢測法的磁滯回線在線檢測裝置。通過對裝置工作原理的介紹，理論分析了檢測裝置的可行性；從功能性、經濟性和可操作性出發，對裝置的各組成元器件進行了選型分析；并在此基礎上，完成了整個裝置的搭建和性能測試。結果表明，該裝置可以測定在外加磁場激勵和應力狀態下，板狀試樣的磁滯回線，且測量數據重復性高，裝置檢測結果的穩定性好。本文的研究工作可為鐵磁材料磁特性參數的深入分析創造必要的條件，可為磁力檢測法的理論研究奠定基礎。