任旭虎，葛安鳳，馮 陽(yáng)，王智敏，趙雪陽(yáng)

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)海洋與空間信息學(xué)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(zhǎng)期應(yīng)用中，由于化學(xué)腐蝕、內(nèi)外壓力等原因，經(jīng)常出現(xiàn)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(duì)管道應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行早期診斷，及時(shí)排除應(yīng)力引起的缺陷，是工業(yè)領(lǐng)域亟需解決的問(wèn)題。

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

針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的缺陷，本文采用一種新型的應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)技術(shù)——基于矯頑力的應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)材料表面矯頑力的變化來(lái)反映構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，無(wú)放射性，不需要損壞被測(cè)試件，信號(hào)提取難度也比較低，是一種切實(shí)可行的應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

1 矯頑力檢測(cè)機(jī)理研究

1.1 磁滯回線與矯頑力關(guān)系

鐵磁材料磁滯回線是材料內(nèi)部特性的外在體現(xiàn)，反映了鐵磁材料的重要性能，磁滯回線產(chǎn)生的原因源于內(nèi)部磁疇的不可逆磁化[7]。鐵磁材料在制作或加工過(guò)程中會(huì)受到各種應(yīng)力作用，應(yīng)力導(dǎo)致其內(nèi)部磁晶體發(fā)生結(jié)構(gòu)性改變，磁疇的磁矩排列方向發(fā)生變化，進(jìn)而影響各種磁特性參數(shù)。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(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化關(guān)系[8]，磁滯回線上包含很多磁特性參數(shù)，如剩磁Br，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm，飽和磁化強(qiáng)度Hm，矯頑力Hc等。其中剩磁Br是指磁化結(jié)束后，外磁場(chǎng)歸零時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度值，矯頑力Hc是反磁化過(guò)程中退掉剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度值[9-10]。相比于其他磁特性參數(shù)，剩磁Br和矯頑力Hc隨著應(yīng)力的變化較明顯，信號(hào)提取難度較小，因此可以作為鐵磁材料應(yīng)力檢測(cè)的重要指標(biāo)。

1.2 矯頑力檢測(cè)原理

基于矯頑力的應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)量被測(cè)鐵磁材料的磁滯回線間接計(jì)算出材料矯頑力，系統(tǒng)使用升壓模塊對(duì)電容進(jìn)行儲(chǔ)能，主控單元控制儲(chǔ)能電容瞬間向螺線管(激勵(lì)線圈)放電，產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度使得被測(cè)鐵磁材料瞬時(shí)間達(dá)到飽和，放在U型探頭底部的雙路霍爾磁敏傳感器可檢測(cè)到回路磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，經(jīng)過(guò)濾波和積分運(yùn)算，可得到感應(yīng)信號(hào)與磁通密度的關(guān)系，最終AD采集芯片采集磁信號(hào)和激勵(lì)電流信號(hào)，得到被測(cè)鐵磁材料的磁滯回線。其系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 矯頑力檢測(cè)系統(tǒng)工作原理圖

2 裝置總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)矯頑力檢測(cè)研究機(jī)理，本文將對(duì)基于矯頑力的應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)部分主要包括充磁勵(lì)磁電路設(shè)計(jì)、檢測(cè)探頭電路設(shè)計(jì)、信號(hào)采集與調(diào)理電路設(shè)計(jì)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(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 總體設(shè)計(jì)框圖

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)裝置總體方案設(shè)計(jì)，首先對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件電路主要包括充磁勵(lì)磁模塊、檢測(cè)探頭模塊以及信號(hào)采集與調(diào)理模塊。充磁勵(lì)磁模塊利用儲(chǔ)能電容的瞬間放電使回路產(chǎn)生巨大的電流沖擊，從而使得被測(cè)鐵磁材料瞬間達(dá)到飽和。檢測(cè)探頭模塊是為了增加裝置的便攜性，通過(guò)探頭模塊的按鍵控制與主機(jī)之間的信號(hào)連接。信號(hào)采集與調(diào)理電路是對(duì)磁信號(hào)和電信號(hào)的采集，最終通過(guò)調(diào)理電路進(jìn)入AD采集芯片。

2.1.1 充磁勵(lì)磁電路設(shè)計(jì)

充磁勵(lì)磁電路模塊設(shè)計(jì)是硬件電路設(shè)計(jì)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(chǔ)能電容CC1和CC2中進(jìn)行儲(chǔ)能，可控單元接收到CPU總控單元的指令后，控制光耦開關(guān)連通可控硅使其導(dǎo)通勵(lì)磁回路，儲(chǔ)能電容CC1瞬間放電產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，使被測(cè)鐵磁材料達(dá)到飽和，完成對(duì)被測(cè)鐵磁材料的磁化。由于鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象，電容放電后被測(cè)鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度并沒有退回0，而是停留在剩磁點(diǎn)Br[11]，為了繪制出完整的磁滯回線，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，增設(shè)退磁回路，通過(guò)光耦控制繼電器的反轉(zhuǎn)，使流向磁軛的電流反向，利用退磁電容CC2的放電完成對(duì)被測(cè)鐵磁材料的退磁操作。電路設(shè)計(jì)圖如圖4。

圖4 充磁勵(lì)磁電路原理圖

2.1.2 檢測(cè)探頭電路設(shè)計(jì)

為了使裝置更加便攜，增加檢測(cè)探頭模塊，檢測(cè)探頭模塊包括探頭電路和U型檢測(cè)探頭，探頭使用1 m長(zhǎng)信號(hào)線與充磁勵(lì)磁模塊相連。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，按動(dòng)檢測(cè)探頭模塊的按鍵向充磁勵(lì)磁模塊發(fā)送指令，充磁勵(lì)磁模塊接收到指令后，進(jìn)行勵(lì)磁退磁，并將計(jì)算后得到的矯頑力通過(guò)串口通信返回給探頭模塊，探頭模塊接收到數(shù)據(jù)后驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極數(shù)碼管顯示最終矯頑力數(shù)值。探頭電路設(shè)計(jì)如圖5。

圖5 檢測(cè)探頭電路原理圖

2.1.3 信號(hào)采集與調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于磁滯回線中磁場(chǎng)強(qiáng)度與激勵(lì)回路的電流呈正比關(guān)系[12]，探頭底部的霍爾磁敏傳感器能檢測(cè)出回路磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。因此通過(guò)電流傳感器和磁敏傳感器可繪制出材料的磁滯回線。

信號(hào)采集與調(diào)理電路主要功能是將電流傳感器和霍爾效應(yīng)磁敏傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后接入AD最終進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算。如圖6是信號(hào)采集與調(diào)理電路功能流程圖。

圖6 信號(hào)采集與調(diào)理電路功能流程圖

本裝置采用電流傳感器ACS758測(cè)量回路中的電流信號(hào)，將此信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻分壓、電壓跟隨、RC濾波和同相加法器等調(diào)理電路使輸出的信號(hào)在AD的采集范圍之間，最后進(jìn)入ADC2通道采集信號(hào)，激勵(lì)電流信號(hào)調(diào)理電路見圖7。

圖7 激勵(lì)電流信號(hào)調(diào)理電路

裝置采用磁敏傳感器SS49E采集磁回路的磁感應(yīng)強(qiáng)度，將兩路傳感器放在U型探頭底部，利用霍爾效應(yīng)將回路的磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)[13]，此信號(hào)經(jīng)過(guò)跟隨、濾波等調(diào)理電路進(jìn)入ADC0和ADC1通道采集信號(hào)，電路原理圖如圖8。

圖8 磁感應(yīng)信號(hào)調(diào)理電路

2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)需求，基于矯頑力的應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)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(hào)。USART HMI串口屏程序主要作用是顯示磁特性參數(shù)、電池電壓和勵(lì)磁電壓等。圖9為系統(tǒng)軟件功能框圖。

圖9 系統(tǒng)軟件功能框圖

2.2.1 主控單元軟件設(shè)計(jì)

主控單元軟件程序的設(shè)計(jì)核心是對(duì)STM32F103RCT6的軟件開發(fā)，主要負(fù)責(zé)對(duì)外擴(kuò)ADC芯片ADS8684A上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，ADS8684A通過(guò)SPI總線與單片機(jī)連接[14]，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，儲(chǔ)能電容蓄能至400 V后等待中斷指令，當(dāng)探頭模塊給主控模塊發(fā)送啟動(dòng)指令后，主控模塊利用儲(chǔ)能電容的放電完成對(duì)被測(cè)鐵磁材料充分磁化和退磁?；魻柎琶魝鞲衅骱碗娏鱾鞲衅鲗⒉杉臄?shù)據(jù)上傳進(jìn)ADC芯片，單片機(jī)接收后再進(jìn)行分析處理，最終計(jì)算出矯頑力將結(jié)果發(fā)送至串口屏。系統(tǒng)控制流程見圖10。

圖10 軟件控制流程

2.2.2 數(shù)據(jù)分析與處理單元軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析和處理單元主要完成對(duì)激勵(lì)電流信號(hào)和磁感應(yīng)信號(hào)的采集、傳輸和處理等任務(wù)。在主控模塊完成勵(lì)磁和退磁過(guò)程后，數(shù)據(jù)分析和處理單元觸發(fā)中斷，AD采集芯片ADS8684A四個(gè)通道分別采集兩路霍爾磁敏傳感器電壓值、激勵(lì)回路電容電壓值、激勵(lì)回路電流傳感器電壓值。

A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，對(duì)采集到的4路信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算，最后將計(jì)算得到的矯頑力參數(shù)值和其他磁特性參數(shù)通過(guò)串口通信發(fā)送至串口屏，數(shù)據(jù)分析與處理軟件流程圖見圖11。

圖11 數(shù)據(jù)分析與處理軟件流程圖

2.2.3 USART HMI串口屏程序設(shè)計(jì)

本裝置利用USART HMI作為串口屏開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)與硬件電路的交互，裝置利用串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至串口屏界面顯示[15]，顯示的數(shù)據(jù)包括儲(chǔ)能電容實(shí)時(shí)電壓值、勵(lì)磁和退磁結(jié)束后兩路霍爾磁敏傳感器檢測(cè)到的磁信號(hào)、單片機(jī)計(jì)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(jī)交互主界面

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

將設(shè)備制作完畢以后進(jìn)行整體封裝，為了保證系統(tǒng)安全性以及穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)室搭建試驗(yàn)環(huán)境，對(duì)裝置進(jìn)行測(cè)試分析，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，使裝置最終能達(dá)到較好的測(cè)量精度，誤差控制在5%以內(nèi)，矯頑力測(cè)量精度達(dá)到0.2 A/m。

3.1 矯頑力與拉應(yīng)力關(guān)系

在實(shí)際工程中，鐵磁材料主要受拉應(yīng)力的影響，為了探究拉應(yīng)力對(duì)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(cè)試件，在彈性范圍內(nèi)使用拉力機(jī)對(duì)被測(cè)試件施加不同的拉應(yīng)力，以5 kN作為一次測(cè)量，施加85 kN的載荷，分別使用本文自研的矯頑力檢測(cè)裝置與KRC-M2矯頑力檢測(cè)裝置在被測(cè)材料的軸向和橫向方向上進(jìn)行測(cè)量，矯頑力與拉應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，軸向矯頑力檢測(cè)結(jié)果見圖13，橫向矯頑力檢測(cè)結(jié)果見圖14。

表1 矯頑力與拉應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖13 軸向矯頑力檢測(cè)結(jié)果

圖14 橫向矯頑力檢測(cè)結(jié)果

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

3.2 矯頑力與剩磁關(guān)系

剩磁是磁滯回線中磁場(chǎng)強(qiáng)度退回零時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的值。根據(jù)上節(jié)研究結(jié)果，矯頑力與拉應(yīng)力也具有線性關(guān)系。本節(jié)通過(guò)雙路霍爾磁敏傳感器采集的剩磁值與矯頑力值進(jìn)行比較，研究矯頑力與剩磁的關(guān)系。

主控模塊對(duì)被測(cè)鐵磁材料勵(lì)磁和退磁后，兩路霍爾磁敏傳感器采集回路的磁感應(yīng)信號(hào)，將信號(hào)進(jìn)行差模運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果與剩磁參數(shù)呈比例關(guān)系。對(duì)被測(cè)鐵磁材料施加不同大小的拉應(yīng)力，記錄霍爾磁敏傳感器和矯頑力的測(cè)量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(guān)系數(shù)據(jù)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(yīng)力的增大而增大，剩磁與矯頑力近似線性關(guān)系，因此剩磁也能反映出材料內(nèi)部所受應(yīng)力大小，可作為應(yīng)力檢測(cè)的依據(jù)。

4 結(jié)論

本文首先對(duì)磁滯回線和矯頑力的關(guān)系進(jìn)行研究，確定了通過(guò)測(cè)量矯頑力實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁材料所受應(yīng)力狀態(tài)評(píng)估的總體設(shè)計(jì)方案。完成了裝置硬件電路、嵌入式軟件和人機(jī)交互系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)鐵磁材料磁化至飽和狀態(tài)，采集磁感應(yīng)信號(hào)等功能。最后通過(guò)矯頑力與拉應(yīng)力關(guān)系實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了矯頑力與材料應(yīng)力存在線性關(guān)系，通過(guò)矯頑力與剩磁關(guān)系實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了剩磁與矯頑力均與所受拉應(yīng)力呈線性變化。實(shí)驗(yàn)中將課題自研矯頑力檢測(cè)裝置與國(guó)外烏克蘭SSE公司同類型產(chǎn)品在檢測(cè)性能進(jìn)行對(duì)比，課題自研設(shè)備精確度較高、穩(wěn)定性較好。