劉　鵬，史思涵，張淑玲，孫亞娟，高　貴

(1.天津工業(yè)大學 理學院，天津 300387；

2.寧夏大學 機械學院，寧夏 銀川 750021)

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CoFeSiB非晶絲鋼板缺陷檢測儀

劉鵬1，史思涵1，張淑玲2，孫亞娟1，高貴1

(1.天津工業(yè)大學 理學院，天津 300387；

2.寧夏大學 機械學院，寧夏 銀川 750021)

摘要：以Co68Fe4.5Si15B12.5非晶絲為敏感器件，采用STM32微處理器為信號處理系統(tǒng)，研制了鋼板缺陷檢測儀. 介紹了該儀器的檢測原理、信號處理電路、檢測儀器的標定方法. 利用該儀器測試了具有縫隙的45號鋼樣品，測得縫深大于3.4 mm、縫寬大于0.05 mm、縫長大于10 mm.

關(guān)鍵詞：Co基非晶絲；巨磁阻抗效應；漏磁檢測；鋼板缺陷

資助項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃(No.201410058029)

指導教師：孫亞娟(1978-)，女，吉林洮南人，天津工業(yè)大學理學院副教授，博士，從事非晶態(tài)材料及應用方面的研究.

鋼板在工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛，鋼板在長期使用中，常會產(chǎn)生裂紋等缺陷，為此精確檢測這些缺陷，顯得尤為重要. 近年來，各國工程人員在對鋼板缺陷檢測問題進行了大量研究. 鋼板裂紋檢測的方法主要有：超聲波法、渦流探傷法、電磁超聲檢測法、中子衍射法、X射線法等[1-2]. 然而，上述方法存在著檢測設(shè)備龐大、反應不靈敏、不能隨身攜帶等不足. 因此，利用Co68Fe4.5Si15B12.5非晶絲，采用漏磁檢測技術(shù)，基于STM32微處理系統(tǒng)，研制了非晶絲鋼板缺陷檢測儀. 該儀器體積小、便于攜帶、反應靈敏，可準確探測鋼板表面的缺陷.

1CoFeSiB非晶絲鋼板缺陷檢測儀設(shè)計的基本理論

1.1CoFeSiB非晶絲的特性

本文采用非晶絲的成分為Co68Fe4.5Si15B12.5，直徑約為45 μm，SEM形貌如圖1所示. 其制備是將熔融的母合金快速冷卻凝固而成，在凝固過程中原子來不及按周期排列，故形成了無序的非晶態(tài)結(jié)構(gòu).

Co基非晶絲屬于軟磁材料，同時具有巨磁阻抗效應(GMI)[3-4]. 將非晶絲通入高頻電流，在巨磁阻抗效應的影響下，阻抗變化率為[4]：

式中，Z(Hex)為外加磁場為Hex時材料的阻抗，Z(0)表示未外加磁場時的阻抗. 由于巨磁阻抗效應具有靈敏度高、反應快和穩(wěn)定性好等特點，所以其在傳感器技術(shù)和磁記錄技術(shù)中具有巨大的應用潛能.

1.2　漏磁檢測技術(shù)及其特點

漏磁檢測是指鐵磁材料被磁化后，因試件表面或近表面的缺陷而在其表面形成漏磁場，為此可以通過檢測漏磁場的變化進而發(fā)現(xiàn)缺陷[5]. 漏磁檢測技術(shù)主要是通過對被檢測鋼板進行勵磁，如鋼板表面平滑沒有缺陷，則磁感線將從鋼板內(nèi)部通過；如鋼板存在裂縫，磁感線會繞過裂縫，因此一部分磁感線就會在鋼板外，產(chǎn)生漏磁，這種漏磁被稱為擴散漏磁，如圖2所示，而鋼板裂縫越深，產(chǎn)生的擴散漏磁強度越大. 漏磁檢測技術(shù)就是對通過檢測到的擴散漏磁強度進行計算，從而對鋼板的裂縫進行測量. 漏磁檢測具有以下特點：容易實現(xiàn)自動化，由傳感器接收信號，軟件判斷有無缺陷，適合于組成自動檢測系統(tǒng)；有較高的可靠性，從傳感器到計算機處理，降低了人為因素影響引起的誤差，具有較高的檢測可靠性；可以實現(xiàn)缺陷的初步量化，該量化不僅可實現(xiàn)缺陷的有無判斷，還可以對缺陷的危害程度進行初步評估.

圖2　漏磁檢測技術(shù)原理圖

2非晶絲鋼板缺陷檢測儀的硬件設(shè)計

2.1　傳感器探頭設(shè)計和工作原理

傳感器探頭采用雙繞組合探頭結(jié)構(gòu)，利用非晶絲與0.035 mm的漆包線纏繞而成，并采用差動結(jié)構(gòu)連接，有效地避免外界環(huán)境和電流熱效應對探頭的影響. 將穿有非晶絲的雙繞組合線圈的末端與多諧振蕩電路相連接，當有磁場影響到非晶絲時，它產(chǎn)生的阻抗會影響到多諧振蕩電路的振蕩周期，通過測定多諧振蕩電路周期的變化程度來實現(xiàn)對漏磁場的標定.

2.2　多諧振蕩電路

為實現(xiàn)對敏感元件Co基非晶絲的勵磁，搭建了如圖3所示的多諧振蕩電路. 多諧振蕩電路由2部分組成，前一周期Q1導通Q2截止，所以L1中的電流增加到最大，L2中的電流減為零，下一周期，Q2導通Q1截止，變化與前一周期相反，周而復始在線圈中產(chǎn)生交變的電流，此時當外磁場變化時由于Co基非晶絲的GMI效應，其交流阻抗對外磁場強度的變化相當敏感，進而完成對非晶絲的勵磁.

圖3　多諧振蕩電路原理圖

圖4　信號放大電路

2.3　信號放大電路

由于多諧振蕩電路輸出波形的幅值過小，無法用于后期處理，所以在多諧振蕩電路后加入了放大電路. 如圖4所示，運用OPA658P高新能運放芯片，將得到的微弱信號輸入U1，通過R1調(diào)節(jié)OPA的參考電壓從而進行放大，但經(jīng)實驗得出的信號并未放大到理想效果，因此通過U2進行再次放大，經(jīng)過C1，C2和C3的濾波后，得出較為理想的方波信號.

2.4　電源電路

非晶絲鋼板缺陷檢測儀的電源電路主要由芯片LM2576D2T和LM1117IMP組成，具體電路圖5所示. 電源電壓為12 V，先由LM2576降至5 V，這里使用SS34、電感、電容輸出電壓進行穩(wěn)壓，輸出的電能再向系統(tǒng)部分原件供電，保證系統(tǒng)正常運作的同時，另一部分通過LM1117，將電壓降到3.3 V后，來對探頭進行供電.

(a) 12 V-5 V降壓

(b) 5 V-3.3 V降壓圖5　電源降壓電路圖

3非晶絲鋼板缺陷檢測儀的軟件設(shè)計

非晶絲鋼板缺陷檢測儀的軟件設(shè)計是基于STM32F103ZET6(STM32)的庫開發(fā)方式[6]，具體設(shè)計架構(gòu)如圖6所示. 首先利用STM32中定時器對輸入信號通過輸入捕獲的方式得出輸入信號的周期，經(jīng)過計算頻率測算誤差為10-4，將結(jié)果代入擬合出的裂縫與周期的關(guān)系式從而得出裂縫的測算結(jié)果，同時將周期與系統(tǒng)內(nèi)的生成尖峰的波形公式進行處理，將結(jié)果發(fā)送到LCD屏. 通過EXTI外部中斷對系統(tǒng)進行終端操作，在終端中既可對系統(tǒng)閥值進行修改，以適應不同的工藝要求，還可對系統(tǒng)進行暫停處理，以便數(shù)據(jù)記錄.

圖6　軟件設(shè)計架構(gòu)

4非晶絲鋼板缺陷檢測儀的性能測試

被測試件選用45號鋼制作，在試件上做出寬1.2 mm， 深2~21 mm的縫隙， 勵磁裝置緊貼試件，以避免勵磁裝置與試件之間漏磁對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾. 從裂縫左側(cè)向裂縫右側(cè)移動，得出如圖7所示探頭距裂縫的距離與波形周期的關(guān)系. 當探頭距離裂縫最深處越近，漏磁對探頭的影響就越大，從而多諧振蕩電路產(chǎn)生的方波的周期的變化量就越大，當探頭到達裂分最深處時，方波周期的變化量將產(chǎn)生峰值，因此可通過測得峰值來計算出裂縫的深度.

經(jīng)多次試驗對非晶絲鋼板缺陷檢測儀進行了標定：

1) 測量裂縫的深度大于3.4 mm，寬度大于0.05 mm，長度大于10 mm；

2) 功率為9.17 W；

3) 最大掃查速度為1.35×10-1mm/s.

圖7　探頭距裂縫的距離與波形周期的關(guān)系

5結(jié)束語

設(shè)計了基于Co基非晶絲以及STM32微處理器的鋼板缺陷檢測儀. 該儀器利用Co基非晶絲的巨磁阻抗效應，采用多諧振蕩電路產(chǎn)生周期可隨磁場強弱變化的方波信號，進一步通過STM32微處理系統(tǒng)對信號進行處理和后臺計算，從而實現(xiàn)裂縫檢測. 該儀器具有低功耗、靈敏度高、便于攜帶的特點，同時利用STM32微處理器進行信號處理，有利于該檢測儀添加外設(shè)和系統(tǒng)升級.

致謝：哈爾濱工業(yè)大學材料學院孫劍飛教授課題組為我們提供非晶絲材料.

參考文獻：

[1]張忠遠. 基于交直流復合磁化的儲罐鋼板漏磁檢測技術(shù)研究[D]. 廈門：廈門大學, 2014：18-20.

[2]Kenzo M. Recent advancement of electro-magnetic nondestructive inspection technology [J]. IEEE Transaction on Magnetics, 2002,38(2):321-326.

[3]Jiang Yanwei, Fang Jiancheng, Wang Sansheng. A sensitive magnetic field sensor utilizing the giant magneto-impedance effect in field-annealed Co-based amorphous ribbons [J]. Sensor Letters, 2010,8(2):314-319.

[4]Rheem Y W, Kim C G, Kim C O, et al. Current sensor application of asymmetric giant magneto impedance in amorphous materials [J]. Sensors and Actuators A, 2003,106:19-21.

[5]解源,鄭軍,康宜華,等. 用漏磁探傷法在線檢測鋼管管縫信號[J]. 鋼管,1993(1):11-14.

[6]孫書鷹,陳志佳,寇超. 新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應用[J]. 微計算機應用, 2010(12):59-63.

[責任編輯：郭偉]

Steel plate defect detector with

CoFeSiB based amorphous wire

LIU Peng1， SHI Si-han1， ZHANG Shu-ling2， SUN Ya-juan1， GAO Gui1

(1. School of Science, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China；

2. School of Mechanical Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Abstract:Using Co68Fe4.5Si15B12.5as the sensitive device and STM32 as the signal processing system, a steel plate defect detection instrument was made. The detection principle, signal processing circuit and the calibration method of the instrument were introduced. The surface defects of the steel plate were measured by this steel plate defect detection instrument. The results were measured, the seam depth was greater than 3.4 mm, the seam width was greater than 0.05 mm, the seam length was greater than 10 mm.

Key words:Co-based amorphous wire; giant magneto impedance effect; magnetic flux leakage detection; steel plate defect

作者簡介：劉鵬(1994-)，男，天津人，天津工業(yè)大學理學院應用物理學專業(yè)2012級本科生.

收稿日期：2015-10-29；修改日期：2015-11-12

中圖分類號：TM937.1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)02-0033-04