基于H 橋的磁性法應(yīng)力檢測裝置設(shè)計與開發(fā)

葛安鳳，任旭虎，馮陽，劉松卓，王智敏

（中國石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東青島 266580）

在現(xiàn)代石油工業(yè)領(lǐng)域，鐵磁材料使用十分廣泛，常見的管道、罐體等均由鐵磁材料構(gòu)成[1]。鐵磁材料在長期工作過程中不可避免會產(chǎn)生缺陷、損傷等問題，這些問題通常集中在應(yīng)力聚集區(qū)域，長期積累可能會使應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生形變，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件失效問題，引發(fā)安全事故[2-3]，因此對管道、罐體等鐵磁材料進(jìn)行應(yīng)力分析及評估至關(guān)重要。目前，常用的無損檢測方法包括巴克豪森效應(yīng)法、金屬磁記憶法以及基于磁滯回線的應(yīng)力檢測法[4]。其中，基于磁滯回線的應(yīng)力檢測法不僅能夠探測出試件的宏觀缺陷，更能有效預(yù)測材料的應(yīng)力集中區(qū)域，因此，該方法已經(jīng)被越來越多的研究人員所重視，逐漸發(fā)展成主流的應(yīng)力檢測法。

目前，基于磁滯回線的應(yīng)力檢測法大多采用線性電源作為磁場供電電源，其效率非常低而且體積龐大，檢測現(xiàn)場不易攜帶，加上線性電源的輸入電壓范圍比較窄，通常為200～240 V[5-6]，因此在實際應(yīng)用中有諸多限制。

針對上述問題，依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，設(shè)計并開發(fā)了一套基于全橋逆變電路的磁性法應(yīng)力檢測裝置。磁場激勵部分采用效率高、體積小且方便攜帶的開關(guān)電源。該裝置能夠準(zhǔn)確測量出試件的磁滯回線并計算出矯頑力、剩磁等磁特性參數(shù)，從而對被測試件進(jìn)行應(yīng)力評估分析。

1 鐵磁性材料應(yīng)力檢測原理

1.1 應(yīng)力與磁滯回線的關(guān)系

磁滯回線能反映材料的性能以及各種磁特性參數(shù)，鐵磁性材料在制作加工或工程應(yīng)用中受到各種應(yīng)力的作用，導(dǎo)致材料內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而改變了磁滯回線的形狀[7-8]。當(dāng)材料受到拉應(yīng)力作用時，磁滯回線會變長變細(xì)，矯頑力變小，如圖1 所示。基于應(yīng)力對鐵磁性材料的影響，可通過測量材料磁滯回線間接測量材料應(yīng)力集中區(qū)域，實現(xiàn)鐵磁性材料在應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能評估。

圖1 磁滯回線

1.2 磁滯回線檢測原理

實驗采用U 型探頭作為檢測探頭，探頭為硅鋼材質(zhì)，一端纏繞激勵線圈，另一端纏繞感應(yīng)線圈，與被測試件構(gòu)成閉合回路。將大功率電流信號接入激勵線圈，對整個回路進(jìn)行交流磁化，回路產(chǎn)生交變的磁場，由于閉合回路的電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)線圈一端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。經(jīng)過理論分析，磁場強(qiáng)度與激勵電流強(qiáng)度成正比關(guān)系，回路的磁通量與感應(yīng)電動勢的積分成正比關(guān)系[9]，因此采集激勵電流信號和感應(yīng)電動勢積分后的信號即可繪制出完整的磁滯回線。

2 裝置總體方案設(shè)計

鐵磁性材料磁滯回線測量系統(tǒng)主要由硬件電路和軟件系統(tǒng)組成。硬件電路包括磁場激勵電路、感應(yīng)信號調(diào)理電路，磁場激勵電路包括逆變電路和采樣電路。軟件系統(tǒng)主要基于STM32F103RCT6 的嵌入式程序開發(fā)和USART HMI 的串口屏開發(fā)。STM32F103RCT6 主控芯片的主要功能是波形產(chǎn)生、信號處理、通信交互等。USART HMI 的串口屏模塊主要功能為顯示和控制，包括磁滯回線和矯頑力的顯示、控制激勵信號輸出。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計框圖

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計方案，系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩部分，首先是硬件電路的設(shè)計，硬件電路分為磁場激勵模塊和感應(yīng)信號調(diào)理模塊。磁場激勵模塊是硬件電路的核心，由前述可知，測量材料的磁滯回線需要對試件進(jìn)行磁化，對激勵線圈通入大功率電流信號，使閉合回路產(chǎn)生交變強(qiáng)磁場，達(dá)到對被測試件充分磁化的作用。文中提出了一種新型交流勵磁技術(shù)，利用全橋逆變電路，將直流電轉(zhuǎn)換成頻率和幅值都可任意調(diào)節(jié)的交流電，使被測試件達(dá)到充分飽和磁化。

3.1 逆變電路

磁場激勵模塊主要包括逆變電路、驅(qū)動電路和電流采樣電路。其中，逆變電路是整個信號激勵模塊的核心。逆變電路的基本原理是利用驅(qū)動電路輸出的SPWM 信號控制MOS 管的通和斷[10]。電路主要由四個功率開關(guān)管組成，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。當(dāng)Q1 和Q4導(dǎo)通時，Q2 和Q5 關(guān)斷，流過線圈的電壓為正；當(dāng)Q1和Q4 關(guān)斷時，Q2 和Q5 導(dǎo)通，流過線圈的電壓為負(fù)。Q1、Q4 和Q2、Q5 交替導(dǎo)通，從而在負(fù)載上實現(xiàn)將直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源。逆變電路有全橋逆變結(jié)構(gòu)和半橋逆變結(jié)構(gòu)。相對于半橋電路，全橋電路輸出效率高、開關(guān)損耗小，更容易控制[11-12]，因此，設(shè)計采用全橋逆變的方式。

圖3 逆變電路設(shè)計圖

在逆變電路之后加LC 濾波電路。濾波電路的作用有兩個：一是還原大功率SPWM 信號，最終生成大功率正弦信號；二是逆變電路輸出的波形中包括很多高次諧波，LC 濾波電路可以濾除這些高次諧波信號。

3.2 全橋驅(qū)動電路

由于單片機(jī)的驅(qū)動能力有限，且?guī)ж?fù)載能力極弱，輸出的SPWM 信號無法控制MOS 管的導(dǎo)通和關(guān)斷，因此，引入驅(qū)動電路對控制信號進(jìn)行放大，使其驅(qū)動MOS 管[13]。全橋MOS 管的驅(qū)動電路如圖4 所示，采用IR2110 驅(qū)動芯片可以實現(xiàn)一組電源對MOS管上下兩端的控制，并對SPWM 信號進(jìn)行放大，最終驅(qū)動MOS 管的通斷。MOSFET 的高壓區(qū)很容易通過驅(qū)動電路對單片機(jī)的控制電路形成干擾，所以在驅(qū)動電路與單片機(jī)的控制電路之間使用光耦隔離芯片HCPL-4504 進(jìn)行隔離。

3.3 電流采樣電路

傳統(tǒng)的采樣電路是在激勵回路中添加采樣電阻，采集采樣電阻兩端的電壓信號，但是采樣電阻會消耗一部分有功功率，無法達(dá)到高效率輸出，因此該設(shè)計采用霍爾電流傳感器采集信號。經(jīng)先導(dǎo)實驗測試，選用ACS724LLCTR-10AB 霍爾傳感器，傳感器采用+5 V 供電，原邊可測幅值為-10～+10 A 的電流，傳感器輸出的電壓信號與原邊電流信號成比例關(guān)系，靈敏度為200 mV/A[14]。傳感器利用霍爾效應(yīng)將大功率電流信號轉(zhuǎn)換成小電壓信號，再經(jīng)過RC 濾波和分壓最終信號在0～3.3 V 之間進(jìn)入單片機(jī)的AD 部分，電路設(shè)計如圖5 所示。

圖4 驅(qū)動電路設(shè)計圖

圖5 電流采樣電路設(shè)計圖

3.4 感應(yīng)信號調(diào)理電路

激勵電流在回路產(chǎn)生交變磁場后，感應(yīng)線圈端會產(chǎn)生交變感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢與回路的磁感應(yīng)強(qiáng)度呈積分關(guān)系。利用RC積分電路的特性，選取電阻R為100 kΩ，電容C為0.1 μF。感應(yīng)電動勢經(jīng)過RC電路輸出的信號剛好能產(chǎn)生90°相移并衰減接近20 倍，積分后的信號與磁感應(yīng)強(qiáng)度信號成正比關(guān)系。將此信號經(jīng)過跟隨器、加法器，再經(jīng)過RC濾波后信號在0～3.3 V 之間進(jìn)入單片機(jī)的AD 部分。電路設(shè)計如圖6 所示。

圖6 調(diào)理電路設(shè)計圖

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，基于H 橋的磁性法應(yīng)力檢測裝置軟件控制系統(tǒng)主要由STM32 嵌入式控制程序和HMI 串口屏程序組成?；赟TM32 嵌入式控制程序由KEIL 5 MDK 軟件編寫，主要實現(xiàn)SPWM波形產(chǎn)生、輸出電流電壓采樣、PI 控制算法以及信號計算處理等。HMI 串口屏由串口屏界面開發(fā)軟件USART HMI 實現(xiàn)，主要包括磁滯回線的顯示和控制激勵信號的輸出。

4.1 STM32嵌入式程序設(shè)計

基于STM32 嵌入式控制程序設(shè)計，主要功能是通過單片機(jī)完成對檢測裝置硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。具體的工作流程如圖7 所示。

系統(tǒng)上電后，首先對各個模塊進(jìn)行初始化，包括I/O 口、中斷、串口等的初始化，單片機(jī)等待HMI 串口屏的指令。當(dāng)單片機(jī)接收指令后，對定時器進(jìn)行初始化并生成SPWM 參考波形，將SPWM 波接入逆變電路，生成大功率正弦信號對試件進(jìn)行交流激勵。當(dāng)單片機(jī)再次接收到來自串口屏的指令后，單片機(jī)內(nèi)部兩路ADC 對電流信號和感應(yīng)電壓信號進(jìn)行同步采集，經(jīng)過計算后在串口屏顯示被測試件的磁滯回線和矯頑力。

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

4.1.1 SPWM中斷控制程序

SPWM 中斷程序是控制逆變電路實現(xiàn)的關(guān)鍵，主要根據(jù)反饋情況改變SPWM 波的參數(shù)，對逆變電路實現(xiàn)閉環(huán)控制。中斷控制流程如圖8 所示。在中斷子程序中，將查表法獲取的電流參考值和AD 采樣中斷程序獲取的實際值進(jìn)行比較，對兩者誤差進(jìn)行PI 運算，計算出調(diào)制比。根據(jù)PI 運算結(jié)果對SPWM信號占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)[15]，完成對比較寄存器值的更新，以此改變SPWM 波形，實現(xiàn)輸出恒流。

圖8 SPWM中斷程序流程圖

4.1.2 信號采樣與處理程序

基于H 橋的磁性法應(yīng)力檢測裝置軟件控制系統(tǒng)為取得磁滯回線和矯頑力數(shù)值，利用單片機(jī)內(nèi)部兩路ADC 通道完成對激勵電流信號和感應(yīng)電壓信號的采集。以激勵電流信號作為橫坐標(biāo)，感應(yīng)電壓信號作為縱坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到串口屏完成磁滯回線的顯示。磁滯回線中縱坐標(biāo)為零時橫坐標(biāo)的值，即矯頑力，將矯頑力通過串口通信發(fā)送到串口屏顯示。信號采樣與處理程序流程圖如圖9所示。

圖9 信號采樣與處理程序設(shè)計流程圖

4.2 HMI串口屏程序設(shè)計

該設(shè)計采用淘晶馳公司研發(fā)的TJC8048T070_011型號的串口屏作為人機(jī)交互設(shè)備，并利用USART HMI 軟件作為串口屏開發(fā)環(huán)境。設(shè)備封裝好底層功能以后，串口屏內(nèi)部自帶處理器和通信模塊，通過串口與單片機(jī)進(jìn)行交互[16]，主要在操作界面控制單片機(jī)SPWM 信號的輸出、顯示磁滯回線、矯頑力等。

5 系統(tǒng)測試與分析

為了驗證該設(shè)備的可靠性和準(zhǔn)確性，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計方案完成對各個模塊的設(shè)計，并在實驗室搭建實驗環(huán)境，對各個模塊進(jìn)行測試與校準(zhǔn)。測試完成后對模塊進(jìn)行裝載封裝，最后進(jìn)行整體調(diào)試。

5.1 輸出效率測試

為了比較該設(shè)備與線性電源的輸出效率，采用傳統(tǒng)的線性電源作為激勵源，利用不同阻值的電阻作負(fù)載。要求輸出信號頻率為30 Hz，有效值為3 A。計算負(fù)載的輸入功率和輸出功率，從而分析兩種電源的輸出效率。開關(guān)電源效率測試和線性電源效率測試結(jié)果分別如表1、2 所示。

表1 開關(guān)電源效率測試

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，在不同阻值的負(fù)載下，開關(guān)電源的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于線性電源，這是因為在輸出較大工作電流時，線性電源調(diào)整管上損耗較大的功率，導(dǎo)致輸出效率低。而開關(guān)電源的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，利用電感線圈臨時儲存能量，損耗小，效率高。基于該系統(tǒng)的設(shè)計需求，采用H 橋組成的開關(guān)電源更符合設(shè)計要求。

表2 線性電源效率測試

5.2 激勵參數(shù)的選定

為了使被測試件達(dá)到飽和時激勵信號的幅值和頻率，選用Q235 鋼作被測試件，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約2.3 T。分別采用20、30、40、50 Hz 的電流頻率對被測試件進(jìn)行交流激勵，繪制試件的磁滯回線如圖10 所示。

從圖10 可以看出，激勵信號頻率20 Hz 時，磁滯回線產(chǎn)生畸變，這是由于激勵信號頻率過低，感應(yīng)電壓輸出的頻率也很小，調(diào)理電路無法對感應(yīng)電壓進(jìn)行完整的積分運算，感應(yīng)信號發(fā)生了畸變。當(dāng)激勵信號頻率越高時，磁滯回線趨于橢圓，這是由于材料在磁化過程中磁滯損耗和渦流損耗明顯增加，加上趨膚效應(yīng)的影響，頻率過高會影響探測試件的精度和深度。綜合分析，最終選擇頻率30 Hz 作為激勵信號的頻率。

選定激勵信號頻率以后，計算能使被測試件達(dá)到飽和時的電流，分別采用1、2、3、4 A 的幅值電流對試件進(jìn)行激勵，觀察試件的磁滯回線，如圖11 所示。由圖可知，當(dāng)電流幅值為3 A 時，試件的磁感應(yīng)強(qiáng)度已達(dá)到飽和，電流幅值再增加時，磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎不再增加。經(jīng)過多次測試，在輸出電流幅值為3 A，有效值為2.12 A 時，試件能充分達(dá)到飽和。最終通過調(diào)節(jié)SPWM 的占空比信號，確定最終激勵電流幅值為3 A，頻率為30 Hz。

5.3 實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

為了驗證該設(shè)備測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別使用文中自研的應(yīng)力檢測裝置與烏克蘭SSE 公司生產(chǎn)的KRC-M2 矯頑力檢測裝置對試件進(jìn)行磁化和測量。選擇兩塊不同材質(zhì)的試件，接入該裝置，用該系統(tǒng)測量磁滯回線和矯頑力。將測量結(jié)果和KRC-M2 矯頑力檢測裝置的測量結(jié)果作對比，該裝置磁滯回線測量結(jié)果如圖12 所示，矯頑力測量結(jié)果如表3 所示。

由圖12 和表3 分析可得，該裝置能準(zhǔn)確測量出試件的磁滯回線和矯頑力，實現(xiàn)了通過測量試件的磁滯回線反映試件的應(yīng)力，具有一定的可行性。

圖10 不同頻率下的磁滯回線時域圖

圖11 不同幅值的磁滯回線時域圖

6 結(jié)論

圖12 試件1和試件2的磁滯回線

表3 矯頑力測量結(jié)果對比

為了研究鐵磁性材料受損傷時磁滯回線以及磁參數(shù)的變化，文中利用鐵磁性材料的磁化原理，開發(fā)了一套基于H 橋的磁性法應(yīng)力檢測裝置。通過主控芯片STM32 產(chǎn)生載波頻率、占空比可調(diào)的SPWM 波，經(jīng)過逆變電路產(chǎn)生大功率電流信號使被測試件達(dá)到飽和，并開發(fā)軟件控制程序?qū)崿F(xiàn)了對信號的處理與分析。實驗結(jié)果表明，該設(shè)備能檢測被測試件的磁滯回線，獲得矯頑力等磁參數(shù)，經(jīng)過優(yōu)化處理可作為檢測材料早期損傷的依據(jù)。