基于矫顽力的应力无损检测装置设计与开发

任旭虎，葛安凤，冯 阳，王智敏，赵雪阳

(中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院，山东青岛 266580)

常见的石油、天然气管道等铁磁材料在长期应用中，由于化学腐蚀、内外压力等原因，经常出现变形、腐蚀裂纹等缺陷[1-2]，影响石油、天然气管道的安全输送，因此，为了保证管线的正常使用，对管道应力集中区域进行早期诊断，及时排除应力引起的缺陷，是工业领域亟需解决的问题。

常用的无损检测方法有射线检测法、电磁涡流检测法、超声波检测法等[3]，但是这些检测方法都存在一定的局限性，射线检测法需要专业人员进行操作，难度较大且对人体有一定的危害。电磁涡流检测法无法检测内部的缺陷，信号容易受到干扰[4-5]。超声波检测法要求试件表面光滑，在实际操作中很难对缺陷进行定性和定量分析[6]。

针对传统无损检测技术的缺陷，本文采用一种新型的应力无损检测技术——基于矫顽力的应力无损检测技术，该技术是通过检测被测材料表面矫顽力的变化来反映构件内部的应力应变状态，无放射性，不需要损坏被测试件，信号提取难度也比较低，是一种切实可行的应力无损检测技术。

1.1 磁滞回线与矫顽力关系

铁磁材料磁滞回线是材料内部特性的外在体现，反映了铁磁材料的重要性能，磁滞回线产生的原因源于内部磁畴的不可逆磁化[7]。铁磁材料在制作或加工过程中会受到各种应力作用，应力导致其内部磁晶体发生结构性改变，磁畴的磁矩排列方向发生变化，进而影响各种磁特性参数。图1为铁磁材料的磁滞回线图。

图1 铁磁材料的磁滞回线

磁滞回线反映了磁场强度与磁感应强度的变化关系[8]，磁滞回线上包含很多磁特性参数，如剩磁Br，饱和磁感应强度Bm，饱和磁化强度Hm，矫顽力Hc等。其中剩磁Br是指磁化结束后，外磁场归零时磁感应强度值，矫顽力Hc是反磁化过程中退掉剩余磁感应强度所需的磁场强度值[9-10]。相比于其他磁特性参数，剩磁Br和矫顽力Hc随着应力的变化较明显，信号提取难度较小，因此可以作为铁磁材料应力检测的重要指标。

1.2 矫顽力检测原理

基于矫顽力的应力无损检测系统是通过测量被测铁磁材料的磁滞回线间接计算出材料矫顽力，系统使用升压模块对电容进行储能，主控单元控制储能电容瞬间向螺线管(激励线圈)放电，产生的激励磁场强度使得被测铁磁材料瞬时间达到饱和，放在U型探头底部的双路霍尔磁敏传感器可检测到回路磁感应强度的变化，经过滤波和积分运算，可得到感应信号与磁通密度的关系，最终AD采集芯片采集磁信号和激励电流信号，得到被测铁磁材料的磁滞回线。其系统原理图如图2所示。

图2 矫顽力检测系统工作原理图

根据矫顽力检测研究机理，本文将对基于矫顽力的应力无损检测装置进行设计与开发。装置主要包括硬件和软件两部分，其中硬件电路设计部分主要包括充磁励磁电路设计、检测探头电路设计、信号采集与调理电路设计等，软件部分主要基于STM32F103RCT6的嵌入式程序开发以及采用USART HMI的串口屏程序开发。系统的总体设计框图如图3所示。

图3 总体设计框图

2.1 硬件电路设计

根据装置总体方案设计，首先对硬件电路进行设计，硬件电路主要包括充磁励磁模块、检测探头模块以及信号采集与调理模块。充磁励磁模块利用储能电容的瞬间放电使回路产生巨大的电流冲击，从而使得被测铁磁材料瞬间达到饱和。检测探头模块是为了增加装置的便携性，通过探头模块的按键控制与主机之间的信号连接。信号采集与调理电路是对磁信号和电信号的采集，最终通过调理电路进入AD采集芯片。

2.1.1 充磁励磁电路设计

充磁励磁电路模块设计是硬件电路设计的核心部分，DC-DC升压模块将12 V输入电源升至400 V并在储能电容CC1和CC2中进行储能，可控单元接收到CPU总控单元的指令后，控制光耦开关连通可控硅使其导通励磁回路，储能电容CC1瞬间放电产生强磁场，使被测铁磁材料达到饱和，完成对被测铁磁材料的磁化。由于铁磁材料的磁滞现象，电容放电后被测铁磁材料的磁感应强度并没有退回0，而是停留在剩磁点Br[11]，为了绘制出完整的磁滞回线，使测量结果更加准确，增设退磁回路，通过光耦控制继电器的反转，使流向磁轭的电流反向，利用退磁电容CC2的放电完成对被测铁磁材料的退磁操作。电路设计图如图4。

图4 充磁励磁电路原理图

2.1.2 检测探头电路设计

为了使装置更加便携，增加检测探头模块，检测探头模块包括探头电路和U型检测探头，探头使用1 m长信号线与充磁励磁模块相连。在实际测量过程中，按动检测探头模块的按键向充磁励磁模块发送指令，充磁励磁模块接收到指令后，进行励磁退磁，并将计算后得到的矫顽力通过串口通信返回给探头模块，探头模块接收到数据后驱动共阳极数码管显示最终矫顽力数值。探头电路设计如图5。

图5 检测探头电路原理图

2.1.3 信号采集与调理电路设计

由于磁滞回线中磁场强度与激励回路的电流呈正比关系[12]，探头底部的霍尔磁敏传感器能检测出回路磁感应强度的变化。因此通过电流传感器和磁敏传感器可绘制出材料的磁滞回线。

信号采集与调理电路主要功能是将电流传感器和霍尔效应磁敏传感器采集到的信号经过调理电路后接入AD最终进入单片机进行处理计算。如图6是信号采集与调理电路功能流程图。

图6 信号采集与调理电路功能流程图

本装置采用电流传感器ACS758测量回路中的电流信号，将此信号经过电阻分压、电压跟随、RC滤波和同相加法器等调理电路使输出的信号在AD的采集范围之间，最后进入ADC2通道采集信号，激励电流信号调理电路见图7。

图7 激励电流信号调理电路

装置采用磁敏传感器SS49E采集磁回路的磁感应强度，将两路传感器放在U型探头底部，利用霍尔效应将回路的磁感应强度转换成电压信号[13]，此信号经过跟随、滤波等调理电路进入ADC0和ADC1通道采集信号，电路原理图如图8。

图8 磁感应信号调理电路

2.2 软件程序设计

根据系统总体设计需求，基于矫顽力的应力无损检测系统软件程序设计主要由STM32嵌入式主控程序和USART HMI串口屏程序组成。基于STM32嵌入式主控程序主要功能是发送控制指令和分析处理信号。USART HMI串口屏程序主要作用是显示磁特性参数、电池电压和励磁电压等。图9为系统软件功能框图。

图9 系统软件功能框图

2.2.1 主控单元软件设计

主控单元软件程序的设计核心是对STM32F103RCT6的软件开发，主要负责对外扩ADC芯片ADS8684A上传的数据进行分析，ADS8684A通过SPI总线与单片机连接[14]，系统上电后，首先进行系统初始化，储能电容蓄能至400 V后等待中断指令，当探头模块给主控模块发送启动指令后，主控模块利用储能电容的放电完成对被测铁磁材料充分磁化和退磁。霍尔磁敏传感器和电流传感器将采集的数据上传进ADC芯片，单片机接收后再进行分析处理，最终计算出矫顽力将结果发送至串口屏。系统控制流程见图10。

图10 软件控制流程

2.2.2 数据分析与处理单元软件设计

数据分析和处理单元主要完成对激励电流信号和磁感应信号的采集、传输和处理等任务。在主控模块完成励磁和退磁过程后，数据分析和处理单元触发中断，AD采集芯片ADS8684A四个通道分别采集两路霍尔磁敏传感器电压值、激励回路电容电压值、激励回路电流传感器电压值。

A/D转换结束后，转入相应的中断服务程序，对采集到的4路信号进行分析和计算，最后将计算得到的矫顽力参数值和其他磁特性参数通过串口通信发送至串口屏，数据分析与处理软件流程图见图11。

图11 数据分析与处理软件流程图

2.2.3 USART HMI串口屏程序设计

本装置利用USART HMI作为串口屏开发环境，实现与硬件电路的交互，装置利用串口通信将数据发送至串口屏界面显示[15]，显示的数据包括储能电容实时电压值、励磁和退磁结束后两路霍尔磁敏传感器检测到的磁信号、单片机计算后得到的矫顽力值、电池电压值等。串口屏主界面见图12。

图12 人机交互主界面

将设备制作完毕以后进行整体封装，为了保证系统安全性以及稳定性，在实验室搭建试验环境，对装置进行测试分析，通过调整系统参数，使装置最终能达到较好的测量精度，误差控制在5%以内，矫顽力测量精度达到0.2 A/m。

3.1 矫顽力与拉应力关系

在实际工程中，铁磁材料主要受拉应力的影响，为了探究拉应力对试件矫顽力的影响，选择工程中常见的管道材料Q235作为被测试件，在弹性范围内使用拉力机对被测试件施加不同的拉应力，以5 kN作为一次测量，施加85 kN的载荷，分别使用本文自研的矫顽力检测装置与KRC-M2矫顽力检测装置在被测材料的轴向和横向方向上进行测量，矫顽力与拉应力试验数据见表1，轴向矫顽力检测结果见图13，横向矫顽力检测结果见图14。

表1 矫顽力与拉应力实验数据表

图13 轴向矫顽力检测结果

图14 横向矫顽力检测结果

从图13和图14中可以看出，在低碳钢Q235的弹性范围内，不同拉应力下轴向和横向矫顽力检测结果明显不同，轴向矫顽力随着拉应力的增大而减小，横向矫顽力随着拉应力的增大而增大。这是由于当试件受到单向拉应力时，横向产生正应变，轴向产生负应变，材料内部的磁畴磁矩方向趋于应变的方向，弹性势能逐渐达到最小值，材料磁化后容易恢复到原来状态，当沿着拉力方向测量时，矫顽力逐渐减小。而垂直于拉应力方向上，随着拉应力增大磁化取向和轴向偏离程度增大，磁化后很难恢复到原来状态，矫顽力也随之增大。

3.2 矫顽力与剩磁关系

剩磁是磁滞回线中磁场强度退回零时磁感应强度的值。根据上节研究结果，矫顽力与拉应力也具有线性关系。本节通过双路霍尔磁敏传感器采集的剩磁值与矫顽力值进行比较，研究矫顽力与剩磁的关系。

主控模块对被测铁磁材料励磁和退磁后，两路霍尔磁敏传感器采集回路的磁感应信号，将信号进行差模运算，计算结果与剩磁参数呈比例关系。对被测铁磁材料施加不同大小的拉应力，记录霍尔磁敏传感器和矫顽力的测量结果，实验数据如表2所示。剩磁与矫顽力的线性度如图15所示。

图15 剩磁与矫顽力线性度

表2 剩磁与矫顽力关系数据表

由表2和图15可以看出，剩磁与矫顽力均随着试件所受拉应力的增大而增大，剩磁与矫顽力近似线性关系，因此剩磁也能反映出材料内部所受应力大小，可作为应力检测的依据。

本文首先对磁滞回线和矫顽力的关系进行研究，确定了通过测量矫顽力实现对铁磁材料所受应力状态评估的总体设计方案。完成了装置硬件电路、嵌入式软件和人机交互系统的开发，实现了对被测铁磁材料磁化至饱和状态，采集磁感应信号等功能。最后通过矫顽力与拉应力关系实验说明了矫顽力与材料应力存在线性关系，通过矫顽力与剩磁关系实验验证了剩磁与矫顽力均与所受拉应力呈线性变化。实验中将课题自研矫顽力检测装置与国外乌克兰SSE公司同类型产品在检测性能进行对比，课题自研设备精确度较高、稳定性较好。

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