基于磁力效應的鐵磁性材料無損檢測實驗裝置開發(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，在承壓設備中被廣泛使用。但長時間在高溫、高壓、腐蝕性的惡劣環(huán)境中使用，易造成材料的腐蝕、疲勞和應力變形等問題，進而造成設備失效，存在安全隱患可能造成巨大的經濟損失，嚴重時會引發(fā)重大安全事故。因此，針對鐵磁性材料的損傷需進行檢測預判。

目前，常采用無損檢測的方法判斷鐵磁性材料的缺陷。無損檢測法無需破壞零部件，僅需在其表面施加磁、聲、電等外加場，當零部件中存在缺陷時，其磁、聲、電等特性會發(fā)生相應變化，根據(jù)變化規(guī)律即可反映出零件內部缺陷的位置和大小，從而判斷零部件使用性能。常用的無損檢測法有磁粉檢測法、X射線測量法、超聲波測量法和磁特性參數(shù)檢測法，其中基于磁特性參數(shù)的變化進行無損檢測被稱為磁無損檢測技術，常用方法為磁巴克豪森效應法、金屬磁記憶法、漏磁檢測法和磁力效應法。研究發(fā)現(xiàn)，通過磁力效應法可獲得反映試件磁特性的磁滯回線，用于反映材料內部的微觀結構情況，由此反映試件是否有損傷。但是，目前缺少基于磁力效應開發(fā)的磁特性材料無損檢測實驗裝置，因此阻礙了采用該方法在無損檢測領域的科學研究。本研究團隊前期開發(fā)了一款基于LabVIEW的鐵磁性材料無損檢測系統(tǒng)，通過檢測樣塊的磁滯回線，驗證了該理論在鐵磁性材料無損檢測中的有效性。但是，該系統(tǒng)缺少退磁部分，剩磁的存在影響了被檢測對象磁滯回線的測量精度而基于LabVIEW開發(fā)的操作界面功能單一，軟件設計也待進一步完善。

鑒于此，本文開發(fā)了基于磁力效應法的鐵磁性材料無損檢測實驗裝置。以鐵磁性材料的磁特性變化規(guī)律為理論基礎，通過軟件和硬件系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)對鐵磁性材料磁滯回線的檢測，獲得其磁特性參數(shù)并經過實踐驗證了系統(tǒng)的有效性。

1 鐵磁性材料無損檢測裝置開發(fā)

1.1 裝置的總體設計

在鐵磁性材料外部施加變化磁場后，磁感應強度的變化曲線叫做磁滯回線，它能反映材料的基本磁特性。本研究團隊前期研究表明，材料內部存在缺陷時，磁感線穿過材料內部時強度和路徑等會發(fā)生變化，進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]。

在上述裝置的基礎上，進行鐵磁性材料無損檢測裝置的開發(fā)研究。如圖1所示，裝置總體設計包括硬件和軟件兩部分，二者通過數(shù)據(jù)采集卡進行通信。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的上位機應用程序。磁化電流源提供勵磁信號，磁傳感器獲取感應信號，通過數(shù)據(jù)采集卡采集這兩路信號發(fā)送給上位機。通過上位機應用程序進行數(shù)據(jù)處理，獲取材料磁感應強度和磁場強度在對應時間的變化規(guī)律，將零件的磁滯回線顯示在界面后計算得到相應的矯頑力、剩磁、磁滯損耗以及最大微分磁導率等參數(shù)。

1.2 硬件設計

1.2.1 磁化電流源電路設計

將電磁鐵作為磁化裝置，用基于大電容放電的方法產生脈沖激勵電流，由此產生感應磁場并磁化材料。為了獲得完整的磁滯回線，需要由不同方向的脈沖電流產生激勵磁場，如圖2所示，采用兩組大電容通過單片機控制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 磁傳感器設計

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

1.2.3 退磁電路設計

為保證工件在被檢測時保持磁中性的狀態(tài)，設計了退磁電路。利用消磁電阻在退磁線圈中產生衰減電流，進而產生一個不斷衰減的磁場。在磁場反復磁化作用下，材料場強衰減到零。此時，材料中剩余磁場強度也衰減到零，由此實現(xiàn)消磁。

1.3 軟件系統(tǒng)設計及裝置集成

采用LabVIEW開發(fā)了上位機應用程序，主要實現(xiàn)在操作界面中顯示獲取的數(shù)據(jù)和計算得到的參數(shù)。通過該程序完成設置、存儲、數(shù)據(jù)庫訪問和生成報表等操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和分析計算等功能。

2 結語

為了實現(xiàn)對鐵磁性材料損傷的檢測，本文以鐵磁性材料的磁特性變化規(guī)律為理論基礎，開發(fā)了一種基于磁力效應的鐵磁性材料無損檢測實驗裝置，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進行了上位機應用程序的編寫。實驗結果表明，通過該實驗裝置檢測鐵磁性材料磁滯回線，可以獲得其磁特性參數(shù)，經過分析將其作為判斷鐵磁性材料損傷的依據(jù)，由此驗證了裝置的有效性。該實驗裝置可為鐵磁材料的無損探傷研究提供硬件支撐，同時對預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例應用研究。