基于矯頑力的應力無損檢測裝置設計與開發(fā)

任旭虎，葛安鳳，馮 陽，王智敏，趙雪陽

(中國石油大學(華東)海洋與空間信息學院，山東青島 266580)

0 引言

常見的石油、天然氣管道等鐵磁材料在長期應用中，由于化學腐蝕、內外壓力等原因，經常出現變形、腐蝕裂紋等缺陷[1-2]，影響石油、天然氣管道的安全輸送，因此，為了保證管線的正常使用，對管道應力集中區(qū)域進行早期診斷，及時排除應力引起的缺陷，是工業(yè)領域亟需解決的問題。

常用的無損檢測方法有射線檢測法、電磁渦流檢測法、超聲波檢測法等[3]，但是這些檢測方法都存在一定的局限性，射線檢測法需要專業(yè)人員進行操作，難度較大且對人體有一定的危害。電磁渦流檢測法無法檢測內部的缺陷，信號容易受到干擾[4-5]。超聲波檢測法要求試件表面光滑，在實際操作中很難對缺陷進行定性和定量分析[6]。

針對傳統無損檢測技術的缺陷，本文采用一種新型的應力無損檢測技術——基于矯頑力的應力無損檢測技術，該技術是通過檢測被測材料表面矯頑力的變化來反映構件內部的應力應變狀態(tài)，無放射性，不需要損壞被測試件，信號提取難度也比較低，是一種切實可行的應力無損檢測技術。

1 矯頑力檢測機理研究

1.1 磁滯回線與矯頑力關系

鐵磁材料磁滯回線是材料內部特性的外在體現，反映了鐵磁材料的重要性能，磁滯回線產生的原因源于內部磁疇的不可逆磁化[7]。鐵磁材料在制作或加工過程中會受到各種應力作用，應力導致其內部磁晶體發(fā)生結構性改變，磁疇的磁矩排列方向發(fā)生變化，進而影響各種磁特性參數。圖1為鐵磁材料的磁滯回線圖。

圖1 鐵磁材料的磁滯回線

磁滯回線反映了磁場強度與磁感應強度的變化關系[8]，磁滯回線上包含很多磁特性參數，如剩磁Br，飽和磁感應強度Bm，飽和磁化強度Hm，矯頑力Hc等。其中剩磁Br是指磁化結束后，外磁場歸零時磁感應強度值，矯頑力Hc是反磁化過程中退掉剩余磁感應強度所需的磁場強度值[9-10]。相比于其他磁特性參數，剩磁Br和矯頑力Hc隨著應力的變化較明顯，信號提取難度較小，因此可以作為鐵磁材料應力檢測的重要指標。

1.2 矯頑力檢測原理

基于矯頑力的應力無損檢測系統是通過測量被測鐵磁材料的磁滯回線間接計算出材料矯頑力，系統使用升壓模塊對電容進行儲能，主控單元控制儲能電容瞬間向螺線管(激勵線圈)放電，產生的激勵磁場強度使得被測鐵磁材料瞬時間達到飽和，放在U型探頭底部的雙路霍爾磁敏傳感器可檢測到回路磁感應強度的變化，經過濾波和積分運算，可得到感應信號與磁通密度的關系，最終AD采集芯片采集磁信號和激勵電流信號，得到被測鐵磁材料的磁滯回線。其系統原理圖如圖2所示。

圖2 矯頑力檢測系統工作原理圖

2 裝置總體方案設計

根據矯頑力檢測研究機理，本文將對基于矯頑力的應力無損檢測裝置進行設計與開發(fā)。裝置主要包括硬件和軟件兩部分，其中硬件電路設計部分主要包括充磁勵磁電路設計、檢測探頭電路設計、信號采集與調理電路設計等，軟件部分主要基于STM32F103RCT6的嵌入式程序開發(fā)以及采用USART HMI的串口屏程序開發(fā)。系統的總體設計框圖如圖3所示。

圖3 總體設計框圖

2.1 硬件電路設計

根據裝置總體方案設計，首先對硬件電路進行設計，硬件電路主要包括充磁勵磁模塊、檢測探頭模塊以及信號采集與調理模塊。充磁勵磁模塊利用儲能電容的瞬間放電使回路產生巨大的電流沖擊，從而使得被測鐵磁材料瞬間達到飽和。檢測探頭模塊是為了增加裝置的便攜性，通過探頭模塊的按鍵控制與主機之間的信號連接。信號采集與調理電路是對磁信號和電信號的采集，最終通過調理電路進入AD采集芯片。

2.1.1 充磁勵磁電路設計

充磁勵磁電路模塊設計是硬件電路設計的核心部分，DC-DC升壓模塊將12 V輸入電源升至400 V并在儲能電容CC1和CC2中進行儲能，可控單元接收到CPU總控單元的指令后，控制光耦開關連通可控硅使其導通勵磁回路，儲能電容CC1瞬間放電產生強磁場，使被測鐵磁材料達到飽和，完成對被測鐵磁材料的磁化。由于鐵磁材料的磁滯現象，電容放電后被測鐵磁材料的磁感應強度并沒有退回0，而是停留在剩磁點Br[11]，為了繪制出完整的磁滯回線，使測量結果更加準確，增設退磁回路，通過光耦控制繼電器的反轉，使流向磁軛的電流反向，利用退磁電容CC2的放電完成對被測鐵磁材料的退磁操作。電路設計圖如圖4。

圖4 充磁勵磁電路原理圖

2.1.2 檢測探頭電路設計

為了使裝置更加便攜，增加檢測探頭模塊，檢測探頭模塊包括探頭電路和U型檢測探頭，探頭使用1 m長信號線與充磁勵磁模塊相連。在實際測量過程中，按動檢測探頭模塊的按鍵向充磁勵磁模塊發(fā)送指令，充磁勵磁模塊接收到指令后，進行勵磁退磁，并將計算后得到的矯頑力通過串口通信返回給探頭模塊，探頭模塊接收到數據后驅動共陽極數碼管顯示最終矯頑力數值。探頭電路設計如圖5。

圖5 檢測探頭電路原理圖

2.1.3 信號采集與調理電路設計

由于磁滯回線中磁場強度與激勵回路的電流呈正比關系[12]，探頭底部的霍爾磁敏傳感器能檢測出回路磁感應強度的變化。因此通過電流傳感器和磁敏傳感器可繪制出材料的磁滯回線。

信號采集與調理電路主要功能是將電流傳感器和霍爾效應磁敏傳感器采集到的信號經過調理電路后接入AD最終進入單片機進行處理計算。如圖6是信號采集與調理電路功能流程圖。

圖6 信號采集與調理電路功能流程圖

本裝置采用電流傳感器ACS758測量回路中的電流信號，將此信號經過電阻分壓、電壓跟隨、RC濾波和同相加法器等調理電路使輸出的信號在AD的采集范圍之間，最后進入ADC2通道采集信號，激勵電流信號調理電路見圖7。

圖7 激勵電流信號調理電路

裝置采用磁敏傳感器SS49E采集磁回路的磁感應強度，將兩路傳感器放在U型探頭底部，利用霍爾效應將回路的磁感應強度轉換成電壓信號[13]，此信號經過跟隨、濾波等調理電路進入ADC0和ADC1通道采集信號，電路原理圖如圖8。

圖8 磁感應信號調理電路

2.2 軟件程序設計

根據系統總體設計需求，基于矯頑力的應力無損檢測系統軟件程序設計主要由STM32嵌入式主控程序和USART HMI串口屏程序組成?；赟TM32嵌入式主控程序主要功能是發(fā)送控制指令和分析處理信號。USART HMI串口屏程序主要作用是顯示磁特性參數、電池電壓和勵磁電壓等。圖9為系統軟件功能框圖。

圖9 系統軟件功能框圖

2.2.1 主控單元軟件設計

主控單元軟件程序的設計核心是對STM32F103RCT6的軟件開發(fā)，主要負責對外擴ADC芯片ADS8684A上傳的數據進行分析，ADS8684A通過SPI總線與單片機連接[14]，系統上電后，首先進行系統初始化，儲能電容蓄能至400 V后等待中斷指令，當探頭模塊給主控模塊發(fā)送啟動指令后，主控模塊利用儲能電容的放電完成對被測鐵磁材料充分磁化和退磁。霍爾磁敏傳感器和電流傳感器將采集的數據上傳進ADC芯片，單片機接收后再進行分析處理，最終計算出矯頑力將結果發(fā)送至串口屏。系統控制流程見圖10。

圖10 軟件控制流程

2.2.2 數據分析與處理單元軟件設計

數據分析和處理單元主要完成對激勵電流信號和磁感應信號的采集、傳輸和處理等任務。在主控模塊完成勵磁和退磁過程后，數據分析和處理單元觸發(fā)中斷，AD采集芯片ADS8684A四個通道分別采集兩路霍爾磁敏傳感器電壓值、激勵回路電容電壓值、激勵回路電流傳感器電壓值。

A/D轉換結束后，轉入相應的中斷服務程序，對采集到的4路信號進行分析和計算，最后將計算得到的矯頑力參數值和其他磁特性參數通過串口通信發(fā)送至串口屏，數據分析與處理軟件流程圖見圖11。

圖11 數據分析與處理軟件流程圖

2.2.3 USART HMI串口屏程序設計

本裝置利用USART HMI作為串口屏開發(fā)環(huán)境，實現與硬件電路的交互，裝置利用串口通信將數據發(fā)送至串口屏界面顯示[15]，顯示的數據包括儲能電容實時電壓值、勵磁和退磁結束后兩路霍爾磁敏傳感器檢測到的磁信號、單片機計算后得到的矯頑力值、電池電壓值等。串口屏主界面見圖12。

圖12 人機交互主界面

3 實驗測試與數據分析

將設備制作完畢以后進行整體封裝，為了保證系統安全性以及穩(wěn)定性，在實驗室搭建試驗環(huán)境，對裝置進行測試分析，通過調整系統參數，使裝置最終能達到較好的測量精度，誤差控制在5%以內，矯頑力測量精度達到0.2 A/m。

3.1 矯頑力與拉應力關系

在實際工程中，鐵磁材料主要受拉應力的影響，為了探究拉應力對試件矯頑力的影響，選擇工程中常見的管道材料Q235作為被測試件，在彈性范圍內使用拉力機對被測試件施加不同的拉應力，以5 kN作為一次測量，施加85 kN的載荷，分別使用本文自研的矯頑力檢測裝置與KRC-M2矯頑力檢測裝置在被測材料的軸向和橫向方向上進行測量，矯頑力與拉應力試驗數據見表1，軸向矯頑力檢測結果見圖13，橫向矯頑力檢測結果見圖14。

表1 矯頑力與拉應力實驗數據表

圖13 軸向矯頑力檢測結果

圖14 橫向矯頑力檢測結果

從圖13和圖14中可以看出，在低碳鋼Q235的彈性范圍內，不同拉應力下軸向和橫向矯頑力檢測結果明顯不同，軸向矯頑力隨著拉應力的增大而減小，橫向矯頑力隨著拉應力的增大而增大。這是由于當試件受到單向拉應力時，橫向產生正應變，軸向產生負應變，材料內部的磁疇磁矩方向趨于應變的方向，彈性勢能逐漸達到最小值，材料磁化后容易恢復到原來狀態(tài)，當沿著拉力方向測量時，矯頑力逐漸減小。而垂直于拉應力方向上，隨著拉應力增大磁化取向和軸向偏離程度增大，磁化后很難恢復到原來狀態(tài)，矯頑力也隨之增大。

3.2 矯頑力與剩磁關系

剩磁是磁滯回線中磁場強度退回零時磁感應強度的值。根據上節(jié)研究結果，矯頑力與拉應力也具有線性關系。本節(jié)通過雙路霍爾磁敏傳感器采集的剩磁值與矯頑力值進行比較，研究矯頑力與剩磁的關系。

主控模塊對被測鐵磁材料勵磁和退磁后，兩路霍爾磁敏傳感器采集回路的磁感應信號，將信號進行差模運算，計算結果與剩磁參數呈比例關系。對被測鐵磁材料施加不同大小的拉應力，記錄霍爾磁敏傳感器和矯頑力的測量結果，實驗數據如表2所示。剩磁與矯頑力的線性度如圖15所示。

圖15 剩磁與矯頑力線性度

表2 剩磁與矯頑力關系數據表

由表2和圖15可以看出，剩磁與矯頑力均隨著試件所受拉應力的增大而增大，剩磁與矯頑力近似線性關系，因此剩磁也能反映出材料內部所受應力大小，可作為應力檢測的依據。

4 結論

本文首先對磁滯回線和矯頑力的關系進行研究，確定了通過測量矯頑力實現對鐵磁材料所受應力狀態(tài)評估的總體設計方案。完成了裝置硬件電路、嵌入式軟件和人機交互系統的開發(fā)，實現了對被測鐵磁材料磁化至飽和狀態(tài)，采集磁感應信號等功能。最后通過矯頑力與拉應力關系實驗說明了矯頑力與材料應力存在線性關系，通過矯頑力與剩磁關系實驗驗證了剩磁與矯頑力均與所受拉應力呈線性變化。實驗中將課題自研矯頑力檢測裝置與國外烏克蘭SSE公司同類型產品在檢測性能進行對比，課題自研設備精確度較高、穩(wěn)定性較好。