基于磁力效应的铁磁性材料无损检测实验装置开发

张光平

杭州之江磁业有限公司 浙江杭州 311200

铁磁性材料因其综合性能良好且成本低，在承压设备中被广泛使用。但长时间在高温、高压、腐蚀性的恶劣环境中使用，易造成材料的腐蚀、疲劳和应力变形等问题，进而造成设备失效，存在安全隐患可能造成巨大的经济损失，严重时会引发重大安全事故。因此，针对铁磁性材料的损伤需进行检测预判。

目前，常采用无损检测的方法判断铁磁性材料的缺陷。无损检测法无需破坏零部件，仅需在其表面施加磁、声、电等外加场，当零部件中存在缺陷时，其磁、声、电等特性会发生相应变化，根据变化规律即可反映出零件内部缺陷的位置和大小，从而判断零部件使用性能。常用的无损检测法有磁粉检测法、X射线测量法、超声波测量法和磁特性参数检测法，其中基于磁特性参数的变化进行无损检测被称为磁无损检测技术，常用方法为磁巴克豪森效应法、金属磁记忆法、漏磁检测法和磁力效应法。研究发现，通过磁力效应法可获得反映试件磁特性的磁滞回线，用于反映材料内部的微观结构情况，由此反映试件是否有损伤。但是，目前缺少基于磁力效应开发的磁特性材料无损检测实验装置，因此阻碍了采用该方法在无损检测领域的科学研究。本研究团队前期开发了一款基于LabVIEW的铁磁性材料无损检测系统，通过检测样块的磁滞回线，验证了该理论在铁磁性材料无损检测中的有效性。但是，该系统缺少退磁部分，剩磁的存在影响了被检测对象磁滞回线的测量精度而基于LabVIEW开发的操作界面功能单一，软件设计也待进一步完善。

鉴于此，本文开发了基于磁力效应法的铁磁性材料无损检测实验装置。以铁磁性材料的磁特性变化规律为理论基础，通过软件和硬件系统的开发，实现对铁磁性材料磁滞回线的检测，获得其磁特性参数并经过实践验证了系统的有效性。

1 铁磁性材料无损检测装置开发

1.1 装置的总体设计

在铁磁性材料外部施加变化磁场后，磁感应强度的变化曲线叫做磁滞回线，它能反映材料的基本磁特性。本研究团队前期研究表明，材料内部存在缺陷时，磁感线穿过材料内部时强度和路径等会发生变化，进而造成材料磁滞回线的变化。因此可以通过获取磁滞回线后，分析其形状和磁特性参数的大小变化，判断材料的损伤情况[2]。

在上述装置的基础上，进行铁磁性材料无损检测装置的开发研究。如图1所示，装置总体设计包括硬件和软件两部分，二者通过数据采集卡进行通信。硬件部分包括磁化电流源电路、退磁电路、磁传感器和数据采集卡；软件部分为基于LabVIEW的上位机应用程序。磁化电流源提供励磁信号，磁传感器获取感应信号，通过数据采集卡采集这两路信号发送给上位机。通过上位机应用程序进行数据处理，获取材料磁感应强度和磁场强度在对应时间的变化规律，将零件的磁滞回线显示在界面后计算得到相应的矫顽力、剩磁、磁滞损耗以及最大微分磁导率等参数。

1.2 硬件设计

1.2.1 磁化电流源电路设计

将电磁铁作为磁化装置，用基于大电容放电的方法产生脉冲激励电流，由此产生感应磁场并磁化材料。为了获得完整的磁滞回线，需要由不同方向的脉冲电流产生激励磁场，如图2所示，采用两组大电容通过单片机控制IGBT来控制两组电容的充放电顺序，以保证磁滞回线的完整性[1]。

1.2.2 磁传感器设计

磁传感器主要包含感应线圈、探头、退磁线圈和励磁线圈。选择U型探头，材料使用铁氧体，把感应线圈和励磁线圈有序紧密贴合地缠在U型探头上。励磁线圈由磁化电流源电路驱动；感应线圈连接数据采集卡，用于传递感应信号；退磁线圈由退磁电路驱动，用于消除剩磁干扰。

1.2.3 退磁电路设计

为保证工件在被检测时保持磁中性的状态，设计了退磁电路。利用消磁电阻在退磁线圈中产生衰减电流，进而产生一个不断衰减的磁场。在磁场反复磁化作用下，材料场强衰减到零。此时，材料中剩余磁场强度也衰减到零，由此实现消磁。

1.3 软件系统设计及装置集成

采用LabVIEW开发了上位机应用程序，主要实现在操作界面中显示获取的数据和计算得到的参数。通过该程序完成设置、存储、数据库访问和生成报表等操作，实现数据采集、处理和分析计算等功能。

2 结语

为了实现对铁磁性材料损伤的检测，本文以铁磁性材料的磁特性变化规律为理论基础，开发了一种基于磁力效应的铁磁性材料无损检测实验装置，装置由磁化电流源电路、退磁电路和磁传感器三部分组成[3]。并基于LabVIEW进行了上位机应用程序的编写。实验结果表明，通过该实验装置检测铁磁性材料磁滞回线，可以获得其磁特性参数，经过分析将其作为判断铁磁性材料损伤的依据，由此验证了装置的有效性。该实验装置可为铁磁材料的无损探伤研究提供硬件支撑，同时对预防安全事故具有一定意义，下一步将采用该装置开展更多的工程实例应用研究。