CN107271536A - 基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***及检测方法 - Google Patents

Abstract

基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***及检测方法，属于铁磁性材料电磁无损检测领域。包括被测铁磁性材料（4），其特征在于：设置有微处理器模块、模数转换模块、激励信号发生模块、采集周期控制模块、信号调理模块、功率放大模块、磁测探头模块以及采样电阻模块，以及如下步骤：步骤1，选取标准铁磁材料；步骤2，得到标准铁磁材料的磁滞回曲线；步骤3，得到被测铁磁性材料（4）的磁滞回曲线；步骤4，确定被测铁磁性材料（4）的内部应力程度。通过本基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***及检测方法，可以更为精确地对铁磁性材料的内部应力情况进行检测同时电路结构更为简洁。

Description

基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***及检测方法

技术领域

基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***及检测方法，属于铁磁性材料电磁无损检测领域。

背景技术

铁磁性材料作为一种重要的建筑材料，其广泛应用于石油化工生产等各个领域，如运输管线、存储罐体、锅炉等。由于材料制作时本身残余的内部应力与材料使用过程中受到的外加应力逐渐累积，会导致材料结构发生应力缺陷，导致安全事故的发生。因此，采用一种快速有效的方法对铁磁性材料的应力缺陷做出安全评价对于预防安全事故的发生有着重要的意义。

现阶段，铁磁性材料安全检测以无损检测方法为主，电磁无损检测以检测速度快、无害等优点被越来越广泛的使用。常用的电磁无损检测方法主要有涡流检测方法、金属磁记忆检测、巴克豪森检测方法等，但是现有技术中的上述检测方法均具备其各自的缺陷，具体而言：（1）涡流检测法已在实践中广泛应用，但仍在定量分析方面仍需进一步研究，受趋肤效应影响较大。（2）金属磁记忆检测方法相对于涡流检测方法，不需要磁化装置，铁磁性材料在地磁和交变载荷作用下，在铁磁性试件表面形成漏磁场，表面漏磁场“记忆”了部件的缺陷应力集中位置，达到应力检测的目的，但检测精度不够准确。（3）巴克豪森检测方法的检测原理是铁磁性材料在外部交变的磁场作用下，磁畴壁发生的非连续与跳跃式的运动，其产生电磁感应噪声可以反映铁磁性材料的受力状态。但是该方法受外界环境影响较大，信号隔离、提取难度较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可以结构更为简洁，同时可以更为精确地对铁磁性材料的内部应力情况进行检测的基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***及检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***，包括被测铁磁性材料，其特征在于：设置有微处理器模块、模数转换模块、激励信号发生模块、采集周期控制模块、信号调理模块、功率放大模块、磁测探头模块以及采样电阻模块；

微处理器的输出端与激励信号发生模块的输入端相连，激励信号发生模块的输出端同时与采集周期控制模块以及功率放大模块的输入端相连，采集周期控制模块的输出端与微处理器模块的输入端相连，功率放大模块的输出端与磁测探头模块的输入端相连，磁测探头模块的输出端同时与信号调理模块以及采样电阻模块的输入端相连，采样电阻模块的输出端与信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端与模数转换模块的输入端相连，模数转换模块的输出端与微处理模块的输入端相连，磁测探头模块与被测铁磁性材料紧密贴合。

优选的，所述的磁测探头模块包括磁芯，在磁芯上设置有与所述被测铁磁性材料贴合的磁测探头；在磁芯上缠绕有感应线圈和激励线圈，激励线圈一端连接所述的功率放大模块，另一端通过所述的采样电阻模块接地；感应线圈一端接地，另一端连接所述的信号调理模块。

优选的，所述的磁芯包括左、右两个竖直端以及垂直固定在两个竖直端上表面的一个水平段，两个竖直端的下表面形成所述的磁测探头；所述的感应线圈同时缠绕在左、右两个竖直端以及水平段上；激励线圈分别缠绕在磁芯的左、右两个竖直端上。

优选的，所述的感应线圈在磁芯的左、右两个竖直端以及水平段上同向缠绕并分别缠绕65圈；所述的激励线圈在磁芯的左、右两个竖直端上同向缠绕并分别缠绕60圈。

优选的，所述的采样电阻模块采用阻值为2Ω，功率大于100W的电阻。

优选的，所述的功率放大模块包括四组并联组成的不同放大倍数的功率放大器，在四组功率放大器的输入端设置有四位拨码开关，四位拨码开关分别与四组功率放大器相对应。

优选的，所述的信号调理模块包括信号放大电路、信号滤波电路和积分电路，磁测探头模块的输出端以及采样电阻模块的输出端分别经过放大电路和信号滤波电路和积分电路之后接入模数转换模块。

一种基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，选取与被测铁磁性材料材质相同且不存在内部应力的铁磁材料作为标准铁磁材料；

步骤2，以标准铁磁材料作为测试材料，通过电磁参数采集流程进行电磁参数的采集，并得到标准铁磁材料的磁滞回曲线；

步骤3，将标准铁磁材料替换为被测铁磁性材料，重复电磁参数采集流程得到被测铁磁性材料的磁滞回曲线；

步骤4，确定被测铁磁性材料的内部应力程度。

优选的，步骤2中所述的电磁参数采集流程，包括如下步骤：

步骤2-1，将磁测探头模块中的两个磁测探头与标准铁磁材料的测试面相贴合，并在结合面之间利用导磁胶进行填充；

步骤2-2，通过功率放大模块选择放大功率，然后通过微处理器模块使激励信号发生模块产生激励信号，激励信号被同时送入磁测探头模块和采集周期控制模块；

步骤2-3，微处理器模块根据采集周期控制模块送入的相邻两个上升沿信号控制模数转换模块采集的开始和结束，通过模数转换模块得到信号调理模块输出的同一时间段内的积分电路的积分电压信号、采样电阻模块的采样电压信号以及标准铁磁材料被激励后得到的感应信号电压；

步骤2-4，微处理器模块根据公式（1）计算得到标准铁磁材料的磁场强度，

（1）

其中：为采样电阻模块两端的电值；R ₁ 为采样电阻模块两端的电阻值；N ₁ 为激励线圈的匝数；L为被测磁路的平均长度；

步骤2-5，微处理器根据公式（2）计算得到标准铁磁材料的磁感应强度，

（2）

其中：为感应线圈中的感应信号电压，N ₂ 为感应线圈的匝数；S为磁路的截面积，即磁测探头与标准铁磁材料接触的面积。

优选的，步骤2-3中所述的激励信号的频率范围为20~100Hz，幅值小于±3.3V；

积分电路的时间特性t大于等于10倍的磁场激励信号脉冲宽度。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：1、通过本基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***及检测方法，可以更为精确地对铁磁性材料的内部应力情况进行检测同时电路结构更为简洁。

2、在本基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***中，通过设置采集周期控制模块，可以采集得到同意时间段内的积分电压信号、采样电阻电压信号以及标准铁磁材料被激励后得到的感应信号电压，因此得到对铁磁性材料矫顽力的检测更为精确，从而有助于对铁磁性材料的内部应力做出更精确的判断。

3、通过在功率放大模块中设置多组放大倍数不同的功率放大器，因此可以根据情况选择合适的放大倍数，应用范围更广。

4、将激励信号调整为低频信号，从而可以有效降低检测时被测铁磁性材料的趋肤效应。

5、通过在磁测探头与被测铁磁性材料之间利用导磁胶将进行填充，可以取得更好的导磁效果，提高检测的精度。

附图说明

图1为基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***原理方框图。

图2为基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***磁测探头模块结构示意图。

图3为基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***采集周期控制模块电路原理图。

图4为基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***采集周期控制模块波形图。

图5为磁感应强度随磁场强度变化曲线。

其中：1、磁芯 2、感应线圈 3、激励线圈 4、被测铁磁性材料 5、采样电阻。

具体实施方式

图1~5是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~5对本发明做进一步说明。

如图1所示，基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***，包括上位机、微处理器模块、模数转换模块、激励信号发生模块、采集周期控制模块、信号调理模块、功率放大模块、磁测探头模块以及采样电阻模块。

微处理器模块的输出端与上位机的输入端相连，微处理器的输出端与激励信号发生模块的输入端相连，激励信号发生模块的输出端同时与采集周期控制模块以及功率放大模块的输入端相连，采集周期控制模块的输出端与微处理器模块的输入端相连。功率放大模块的输出端与磁测探头模块的输入端相连，磁测探头模块的输出端同时与信号调理模块和采样电阻模块的输入端相连，采样电阻模块的输出端与信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端与模数转换模块的输入端相连，模数转换模块的输出端与微处理模块的输入端相连。

当需要对被测材料进行检测时，将铁磁探头模块的探头与被测材料的表面贴合，然后微处理器模块通过控制激励信号发生模块发出激励信号，激励信号送入功率放大模块内进行信号放大后送入磁测探头模块中，通过磁测探头将激励信号施加到被测材料中，并同时经过采样电阻模块接地，即从采样电阻模块中流过的电流即为激励信号的电流，激励信号的电流流经采样电阻模块之后得到采样电阻模块的采样电阻电压信号。

通过采样电阻模块得到的激励信号以及被测材料经激励信号激励后得到的感应信号被同时送入信号调理模块内，并经过信号调理模块进一步送入模数转换模块中，并经过模数转换模块对信号调理模块送入的信号进行同步采集后送入微处理器模块，微处理器模块再次将信号送入上位机中，由上位机对激励信号以及由被测材料得到的感应信号进行判断。

如图2所示，磁测探头模块包括磁芯1，磁芯1包括左、右两个竖直端以及固定在竖直端上表面的一个水平段，水平段同时与左右两个竖直端垂直形成倒置的“U”型状，磁芯1两个竖直端的下表面同时作为磁测探头同时与被测铁磁性材料4的表面贴合。磁芯1的高度为50mm，长度为70mm，宽度为20mm，从而在磁测探头处形成面积为4cm²的磁测面，磁芯1的两个磁测探头之间的间距为30mm。当磁测探头的磁测面与被测铁磁性材料4的接触面存在间隙时，可利用导磁胶将间隙进行填充。

在磁芯1上缠绕有两组线圈：感应线圈2（在图2中采用虚线表示）和激励线圈3（在图2中采用实线表示），其中感应线圈2依次在磁芯1的左侧竖直段、水平段以及右侧竖直段上进行缠绕，且感应线圈2在两个竖直段以及水平段上缠绕的圈数和方向相同，感应线圈2的两端一端接地，另一端接入上述的信号调理模块中，将感应线圈2中的感应信号（图2中的电压信号U1）同时送入信号调理模块和模数转换模块。激励线圈3依次缠绕在磁芯1的左侧竖直段和右侧竖直段上，缠绕圈数和方向相同。激励线圈3一端连接上述功率放大模块的输出端，另一端完成相应的缠绕之后与采样电阻5的一端相连，采样电阻5的另一端接地，采样电阻5上的电压信号（图2中的电压信号U2）同时接入信号调理模块和模数转换模块，采样电阻5即为上述的采样电阻模块。

激励线圈3采用直径为0.8mm的漆包线，激励线圈3在磁芯1的两个竖直段上分别缠绕60圈。感应线圈2采用直径为0.28mm的漆包线，感应线圈2在磁芯1的两个竖直段和水平段上分别缠绕65圈，采样电阻5采用阻值为2Ω，功率大于100W的电阻。

上述的微处理器采用具有32位处理能力的STM32F407ZGT6，微处理器模块与上位机的串口相连实现通讯。

激励信号发生模块由型号为AD9850的芯片实现，激励信号发生模块由微处理器模块进行***配置，微处理器模块发出不同的控制命令使得激励信号发生模块可产生不同频率、幅值的周期信号，信号形式有正弦波、三角波、方波等；频率范围在20~100Hz，幅值在±3.3V以内，将激励信号调整为低频信号，从而可以有效降低检测时被测铁磁性材料4的趋肤效应。

功率放大模块包括四组并联组成的不同放大倍数的功率放大器，采用型号为LM3886TF的功率放大器实现，在四组功率放大器的输入端设置有四位拨码开关，四位拨码开关分别与四组功率放大器相对应，通过拨动拨码开关实现不同放大功率的调节。

如图3~4所示，采集周期控制模块采用型号为LM293的集成运算放大器构成对零电压比较器电路，集成运算放大器的正向输入端连接激励信号发生模块的输出信号，反向输入端接地，利用激励信号每个周期初始与结束与零电压的比较各触发一次上升沿，微处理器模块根据采集周期控制模块上升信号沿控制采集周期的开始与结束；当第一次上升沿信号到来后控制模数转换模块开始采集信号，第二次上升沿信号到来后控制模数转换模块关闭采集。

信号调理模块包括信号放大电路、信号滤波电路和积分电路，感应线圈2中产生的感应信号U1以及采样电阻5的分压信号U2分别经过放大电路和信号滤波电路和积分电路之后送入模数转换模块。信号调理模块的积分电路的时间特性应满足t要大于等于10倍的磁场激励信号脉冲宽度。

具体操作步骤如下：

步骤1，选取与被测铁磁性材料4材质相同且不存在内部应力的铁磁材料作为标准铁磁材料；

步骤2，以标准铁磁材料作为测试材料进行电磁参数的采集，并得到标准铁磁材料的磁滞回曲线；

具体步骤如下：

步骤2-1，将磁芯1中的两个磁测探头与标准铁磁材料的测试面相贴合，并在结合面之间利用导磁胶进行填充；

步骤2-2，通过功率放大模块选择合适的放大功率，然后通过微处理器模块使激励信号发生模块产生激励信号，激励信号被同时送入磁测探头模块和采集周期控制模块；

步骤2-3，微处理器模块根据采集周期控制模块送入的相邻两个上升沿信号控制模数转换模块采集的开始和结束，通过模数转换模块得到信号调理模块输出的同一时间段内的积分电压信号、采样电阻5的电压信号以及标准铁磁材料被激励后得到的感应信号电压；

步骤2-4，微处理器模块根据公式（1）计算得到标准铁磁材料的磁场强度，

（1）

其中：为采样电阻5两端的电值；R ₁ 为采样电阻5两端的电阻值；N ₁ 为激励线圈3的匝数；L为被测磁路的平均长度。

步骤2-5，微处理器根据公式（2）计算得到标准铁磁材料的磁感应强度，

（2）

其中：为感应线圈2中的感应信号电压，N ₂ 为感应线圈2的匝数；S为磁路的截面积，即磁测探头与标准铁磁材料接触的面积。

步骤3，重复步骤2得到被测铁磁性材料4的磁滞回曲线；

如图5所示，其中实线为标准铁磁材料的磁滞回曲线，虚线为被测铁磁性材料4的磁滞回曲线，a点为标准铁磁材料的矫顽力，b点为被测铁磁性材料4的矫顽力。

步骤4，确定被测铁磁性材料4的内部应力程度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***，包括被测铁磁性材料（4），其特征在于：设置有微处理器模块、模数转换模块、激励信号发生模块、采集周期控制模块、信号调理模块、功率放大模块、磁测探头模块以及采样电阻模块；

微处理器的输出端与激励信号发生模块的输入端相连，激励信号发生模块的输出端同时与采集周期控制模块以及功率放大模块的输入端相连，采集周期控制模块的输出端与微处理器模块的输入端相连，功率放大模块的输出端与磁测探头模块的输入端相连，磁测探头模块的输出端同时与信号调理模块以及采样电阻模块的输入端相连，采样电阻模块的输出端与信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端与模数转换模块的输入端相连，模数转换模块的输出端与微处理模块的输入端相连，磁测探头模块与被测铁磁性材料（4）紧密贴合。

2.根据权利要求1所述的基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***，其特征在于：所述的磁测探头模块包括磁芯（1），在磁芯（1）上设置有与所述被测铁磁性材料（4）贴合的磁测探头；在磁芯（1）上缠绕有感应线圈（2）和激励线圈（3），激励线圈（3）一端连接所述的功率放大模块，另一端通过所述的采样电阻模块接地；感应线圈（2）一端接地，另一端连接所述的信号调理模块。

3.根据权利要求2所述的基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***，其特征在于：所述的磁芯（1）包括左、右两个竖直端以及垂直固定在两个竖直端上表面的一个水平段，两个竖直端的下表面形成所述的磁测探头；所述的感应线圈（2）同时缠绕在左、右两个竖直端以及水平段上；激励线圈（3）分别缠绕在磁芯（1）的左、右两个竖直端上。

4.根据权利要求3所述的基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***，其特征在于：所述的感应线圈（2）在磁芯（1）的左、右两个竖直端以及水平段上同向缠绕并分别缠绕65圈；所述的激励线圈（3）在磁芯（1）的左、右两个竖直端上同向缠绕并分别缠绕60圈。

5.根据权利要求1或2所述的基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***，其特征在于：所述的采样电阻模块采用阻值为2Ω，功率大于100W的电阻。

6.根据权利要求1所述的基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***，其特征在于：所述的功率放大模块包括四组并联组成的不同放大倍数的功率放大器，在四组功率放大器的输入端设置有四位拨码开关，四位拨码开关分别与四组功率放大器相对应。

7.根据权利要求1所述的基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***，其特征在于：所述的信号调理模块包括信号放大电路、信号滤波电路和积分电路，磁测探头模块的输出端以及采样电阻模块的输出端分别经过放大电路和信号滤波电路和积分电路之后接入模数转换模块。

8.利用权利要求1~7任一项所述的基于矫顽力的铁磁性材料电磁无损检测***实现的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，选取与被测铁磁性材料（4）材质相同且不存在内部应力的铁磁材料作为标准铁磁材料；

步骤2，以标准铁磁材料作为测试材料，通过电磁参数采集流程进行电磁参数的采集，并得到标准铁磁材料的磁滞回曲线；

步骤3，将标准铁磁材料替换为被测铁磁性材料（4），重复电磁参数采集流程得到被测铁磁性材料（4）的磁滞回曲线；

步骤4，确定被测铁磁性材料（4）的内部应力程度。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于：步骤2中所述的电磁参数采集流程，包括如下步骤：

步骤2-1，将磁测探头模块中的两个磁测探头与标准铁磁材料的测试面相贴合，并在结合面之间利用导磁胶进行填充；

步骤2-2，通过功率放大模块选择放大功率，然后通过微处理器模块使激励信号发生模块产生激励信号，激励信号被同时送入磁测探头模块和采集周期控制模块；

步骤2-3，微处理器模块根据采集周期控制模块送入的相邻两个上升沿信号控制模数转换模块采集的开始和结束，通过模数转换模块得到信号调理模块输出的同一时间段内的积分电路的积分电压信号、采样电阻模块的采样电压信号以及标准铁磁材料被激励后得到的感应信号电压；

步骤2-4，微处理器模块根据公式（1）计算得到标准铁磁材料的磁场强度，

（1）

其中：为采样电阻模块两端的电值；R ₁ 为采样电阻模块两端的电阻值；N ₁ 为激励线圈（3）的匝数；L为被测磁路的平均长度；

步骤2-5，微处理器根据公式（2）计算得到标准铁磁材料的磁感应强度，

（2）

其中：为感应线圈（2）中的感应信号电压，N ₂ 为感应线圈（2）的匝数；S为磁路的截面积，即磁测探头与标准铁磁材料接触的面积。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于：步骤2-3中所述的激励信号的频率范围为20~100Hz，幅值小于±3.3V；

积分电路的时间特性t大于等于10倍的磁场激励信号脉冲宽度。