葛安鳳，任旭虎，馮陽(yáng)，劉松卓，王智敏

（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）

在現(xiàn)代石油工業(yè)領(lǐng)域，鐵磁材料使用十分廣泛，常見(jiàn)的管道、罐體等均由鐵磁材料構(gòu)成[1]。鐵磁材料在長(zhǎng)期工作過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生缺陷、損傷等問(wèn)題，這些問(wèn)題通常集中在應(yīng)力聚集區(qū)域，長(zhǎng)期積累可能會(huì)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(wèn)題，引發(fā)安全事故[2-3]，因此對(duì)管道、罐體等鐵磁材料進(jìn)行應(yīng)力分析及評(píng)估至關(guān)重要。目前，常用的無(wú)損檢測(cè)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(cè)法[4]。其中，基于磁滯回線的應(yīng)力檢測(cè)法不僅能夠探測(cè)出試件的宏觀缺陷，更能有效預(yù)測(cè)材料的應(yīng)力集中區(qū)域，因此，該方法已經(jīng)被越來(lái)越多的研究人員所重視，逐漸發(fā)展成主流的應(yīng)力檢測(cè)法。

目前，基于磁滯回線的應(yīng)力檢測(cè)法大多采用線性電源作為磁場(chǎng)供電電源，其效率非常低而且體積龐大，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)際應(yīng)用中有諸多限制。

針對(duì)上述問(wèn)題，依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套基于全橋逆變電路的磁性法應(yīng)力檢測(cè)裝置。磁場(chǎng)激勵(lì)部分采用效率高、體積小且方便攜帶的開(kāi)關(guān)電源。該裝置能夠準(zhǔn)確測(cè)量出試件的磁滯回線并計(jì)算出矯頑力、剩磁等磁特性參數(shù)，從而對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行應(yīng)力評(píng)估分析。

1 鐵磁性材料應(yīng)力檢測(cè)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(shí)，磁滯回線會(huì)變長(zhǎng)變細(xì)，矯頑力變小，如圖1 所示?；趹?yīng)力對(duì)鐵磁性材料的影響，可通過(guò)測(cè)量材料磁滯回線間接測(cè)量材料應(yīng)力集中區(qū)域，實(shí)現(xiàn)鐵磁性材料在應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能評(píng)估。

圖1 磁滯回線

1.2 磁滯回線檢測(cè)原理

實(shí)驗(yàn)采用U 型探頭作為檢測(cè)探頭，探頭為硅鋼材質(zhì)，一端纏繞激勵(lì)線圈，另一端纏繞感應(yīng)線圈，與被測(cè)試件構(gòu)成閉合回路。將大功率電流信號(hào)接入激勵(lì)線圈，對(duì)整個(gè)回路進(jìn)行交流磁化，回路產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，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(dòng)勢(shì)。經(jīng)過(guò)理論分析，磁場(chǎng)強(qiáng)度與激勵(lì)電流強(qiáng)度成正比關(guān)系，回路的磁通量與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的積分成正比關(guān)系[9]，因此采集激勵(lì)電流信號(hào)和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)積分后的信號(hào)即可繪制出完整的磁滯回線。

2 裝置總體方案設(shè)計(jì)

鐵磁性材料磁滯回線測(cè)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(chǎng)激勵(lì)電路、感應(yīng)信號(hào)調(diào)理電路，磁場(chǎng)激勵(lì)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(kāi)發(fā)和USART HMI 的串口屏開(kāi)發(fā)。STM32F103RCT6 主控芯片的主要功能是波形產(chǎn)生、信號(hào)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(lì)信號(hào)輸出。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)框圖

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(jì)，硬件電路分為磁場(chǎng)激勵(lì)模塊和感應(yīng)信號(hào)調(diào)理模塊。磁場(chǎng)激勵(lì)模塊是硬件電路的核心，由前述可知，測(cè)量材料的磁滯回線需要對(duì)試件進(jìn)行磁化，對(duì)激勵(lì)線圈通入大功率電流信號(hào)，使閉合回路產(chǎn)生交變強(qiáng)磁場(chǎng)，達(dá)到對(duì)被測(cè)試件充分磁化的作用。文中提出了一種新型交流勵(lì)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(cè)試件達(dá)到充分飽和磁化。

3.1 逆變電路

磁場(chǎng)激勵(lì)模塊主要包括逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路和電流采樣電路。其中，逆變電路是整個(gè)信號(hào)激勵(lì)模塊的核心。逆變電路的基本原理是利用驅(qū)動(dòng)電路輸出的SPWM 信號(hào)控制MOS 管的通和斷[10]。電路主要由四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管組成，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。當(dāng)Q1 和Q4導(dǎo)通時(shí)，Q2 和Q5 關(guān)斷，流過(guò)線圈的電壓為正；當(dāng)Q1和Q4 關(guān)斷時(shí)，Q2 和Q5 導(dǎo)通，流過(guò)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(shí)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(duì)于半橋電路，全橋電路輸出效率高、開(kāi)關(guān)損耗小，更容易控制[11-12]，因此，設(shè)計(jì)采用全橋逆變的方式。

圖3 逆變電路設(shè)計(jì)圖

在逆變電路之后加LC 濾波電路。濾波電路的作用有兩個(gè)：一是還原大功率SPWM 信號(hào)，最終生成大功率正弦信號(hào)；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(hào)。

3.2 全橋驅(qū)動(dòng)電路

由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力有限，且?guī)ж?fù)載能力極弱，輸出的SPWM 信號(hào)無(wú)法控制MOS 管的導(dǎo)通和關(guān)斷，因此，引入驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大，使其驅(qū)動(dòng)MOS 管[13]。全橋MOS 管的驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示，采用IR2110 驅(qū)動(dòng)芯片可以實(shí)現(xiàn)一組電源對(duì)MOS管上下兩端的控制，并對(duì)SPWM 信號(hào)進(jìn)行放大，最終驅(qū)動(dòng)MOS 管的通斷。MOSFET 的高壓區(qū)很容易通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)單片機(jī)的控制電路形成干擾，所以在驅(qū)動(dòng)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(lì)回路中添加采樣電阻，采集采樣電阻兩端的電壓信號(hào)，但是采樣電阻會(huì)消耗一部分有功功率，無(wú)法達(dá)到高效率輸出，因此該設(shè)計(jì)采用霍爾電流傳感器采集信號(hào)。經(jīng)先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，選用ACS724LLCTR-10AB 霍爾傳感器，傳感器采用+5 V 供電，原邊可測(cè)幅值為-10～+10 A 的電流，傳感器輸出的電壓信號(hào)與原邊電流信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)RC 濾波和分壓最終信號(hào)在0～3.3 V 之間進(jìn)入單片機(jī)的AD 部分，電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

圖5 電流采樣電路設(shè)計(jì)圖

3.4 感應(yīng)信號(hào)調(diào)理電路

激勵(lì)電流在回路產(chǎn)生交變磁場(chǎng)后，感應(yīng)線圈端會(huì)產(chǎn)生交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)RC電路輸出的信號(hào)剛好能產(chǎn)生90°相移并衰減接近20 倍，積分后的信號(hào)與磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)成正比關(guān)系。將此信號(hào)經(jīng)過(guò)跟隨器、加法器，再經(jīng)過(guò)RC濾波后信號(hào)在0～3.3 V 之間進(jìn)入單片機(jī)的AD 部分。電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 調(diào)理電路設(shè)計(jì)圖

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，基于H 橋的磁性法應(yīng)力檢測(cè)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。基于STM32 嵌入式控制程序由KEIL 5 MDK 軟件編寫，主要實(shí)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(hào)計(jì)算處理等。HMI 串口屏由串口屏界面開(kāi)發(fā)軟件USART HMI 實(shí)現(xiàn)，主要包括磁滯回線的顯示和控制激勵(lì)信號(hào)的輸出。

4.1 STM32嵌入式程序設(shè)計(jì)

基于STM32 嵌入式控制程序設(shè)計(jì)，主要功能是通過(guò)單片機(jī)完成對(duì)檢測(cè)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(duì)各個(gè)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(duì)定時(shí)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(hào)對(duì)試件進(jìn)行交流激勵(lì)。當(dāng)單片機(jī)再次接收到來(lái)自串口屏的指令后，單片機(jī)內(nèi)部?jī)陕稟DC 對(duì)電流信號(hào)和感應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行同步采集，經(jīng)過(guò)計(jì)算后在串口屏顯示被測(cè)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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，主要根據(jù)反饋情況改變SPWM 波的參數(shù)，對(duì)逆變電路實(shí)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(shí)際值進(jìn)行比較，對(duì)兩者誤差進(jìn)行PI 運(yùn)算，計(jì)算出調(diào)制比。根據(jù)PI 運(yùn)算結(jié)果對(duì)SPWM信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)[15]，完成對(duì)比較寄存器值的更新，以此改變SPWM 波形，實(shí)現(xiàn)輸出恒流。

圖8 SPWM中斷程序流程圖

4.1.2 信號(hào)采樣與處理程序

基于H 橋的磁性法應(yīng)力檢測(cè)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?jī)陕稟DC 通道完成對(duì)激勵(lì)電流信號(hào)和感應(yīng)電壓信號(hào)的采集。以激勵(lì)電流信號(hào)作為橫坐標(biāo)，感應(yīng)電壓信號(hào)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(shí)橫坐標(biāo)的值，即矯頑力，將矯頑力通過(guò)串口通信發(fā)送到串口屏顯示。信號(hào)采樣與處理程序流程圖如圖9所示。

圖9 信號(hào)采樣與處理程序設(shè)計(jì)流程圖

4.2 HMI串口屏程序設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用淘晶馳公司研發(fā)的TJC8048T070_011型號(hào)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(kāi)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(guò)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(hào)的輸出、顯示磁滯回線、矯頑力等。

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證該設(shè)備的可靠性和準(zhǔn)確性，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案完成對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試與校準(zhǔn)。測(cè)試完成后對(duì)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(cè)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(lì)源，利用不同阻值的電阻作負(fù)載。要求輸出信號(hào)頻率為30 Hz，有效值為3 A。計(jì)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(kāi)關(guān)電源效率測(cè)試和線性電源效率測(cè)試結(jié)果分別如表1、2 所示。

表1 開(kāi)關(guān)電源效率測(cè)試

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在不同阻值的負(fù)載下，開(kāi)關(guān)電源的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于線性電源，這是因?yàn)樵谳敵鲚^大工作電流時(shí)，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(kāi)關(guān)電源的功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，利用電感線圈臨時(shí)儲(chǔ)存能量，損耗小，效率高。基于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，采用H 橋組成的開(kāi)關(guān)電源更符合設(shè)計(jì)要求。

表2 線性電源效率測(cè)試

5.2 激勵(lì)參數(shù)的選定

為了使被測(cè)試件達(dá)到飽和時(shí)激勵(lì)信號(hào)的幅值和頻率，選用Q235 鋼作被測(cè)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(duì)被測(cè)試件進(jìn)行交流激勵(lì)，繪制試件的磁滯回線如圖10 所示。

從圖10 可以看出，激勵(lì)信號(hào)頻率20 Hz 時(shí)，磁滯回線產(chǎn)生畸變，這是由于激勵(lì)信號(hào)頻率過(guò)低，感應(yīng)電壓輸出的頻率也很小，調(diào)理電路無(wú)法對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行完整的積分運(yùn)算，感應(yīng)信號(hào)發(fā)生了畸變。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率越高時(shí)，磁滯回線趨于橢圓，這是由于材料在磁化過(guò)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(guò)高會(huì)影響探測(cè)試件的精度和深度。綜合分析，最終選擇頻率30 Hz 作為激勵(lì)信號(hào)的頻率。

選定激勵(lì)信號(hào)頻率以后，計(jì)算能使被測(cè)試件達(dá)到飽和時(shí)的電流，分別采用1、2、3、4 A 的幅值電流對(duì)試件進(jìn)行激勵(lì)，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(shí)，試件的磁感應(yīng)強(qiáng)度已達(dá)到飽和，電流幅值再增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎不再增加。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，在輸出電流幅值為3 A，有效值為2.12 A 時(shí)，試件能充分達(dá)到飽和。最終通過(guò)調(diào)節(jié)SPWM 的占空比信號(hào)，確定最終激勵(lì)電流幅值為3 A，頻率為30 Hz。

5.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該設(shè)備測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別使用文中自研的應(yīng)力檢測(cè)裝置與烏克蘭SSE 公司生產(chǎn)的KRC-M2 矯頑力檢測(cè)裝置對(duì)試件進(jìn)行磁化和測(cè)量。選擇兩塊不同材質(zhì)的試件，接入該裝置，用該系統(tǒng)測(cè)量磁滯回線和矯頑力。將測(cè)量結(jié)果和KRC-M2 矯頑力檢測(cè)裝置的測(cè)量結(jié)果作對(duì)比，該裝置磁滯回線測(cè)量結(jié)果如圖12 所示，矯頑力測(cè)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(cè)量出試件的磁滯回線和矯頑力，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)測(cè)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(shí)域圖

圖11 不同幅值的磁滯回線時(shí)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(cè)量結(jié)果對(duì)比

為了研究鐵磁性材料受損傷時(shí)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(kāi)發(fā)了一套基于H 橋的磁性法應(yīng)力檢測(cè)裝置。通過(guò)主控芯片STM32 產(chǎn)生載波頻率、占空比可調(diào)的SPWM 波，經(jīng)過(guò)逆變電路產(chǎn)生大功率電流信號(hào)使被測(cè)試件達(dá)到飽和，并開(kāi)發(fā)軟件控制程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)信號(hào)的處理與分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備能檢測(cè)被測(cè)試件的磁滯回線，獲得矯頑力等磁參數(shù)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理可作為檢測(cè)材料早期損傷的依據(jù)。