基于磁力检测法的磁滞回线检测装置开发★

吕广源， 杨晓惠， 李鹏飞， 陈 龙

（西南石油大学机电工程学院， 四川 成都 610500）

0 引言

磁滞回线是描述材料磁感应强度和磁场强度关系的曲线，常用来反映铁磁材料的磁物理属性[1]。基于磁滞回线可以获得矫顽力、剩磁、磁导率、饱和磁感应强度等磁特性参数，这些参数对于应力作用导致的材料内部结构和磁畴等微观组织变化非常敏感，因此可利用这一特性对铁磁材料的受力状况进行评价。这一方法通常称为磁力检测法，受到了相关学者的广泛关注[2-3]。例如：吴斌等[4]利用磁力检测法对杆件受拉力的影响因素进行了相关性研究；任旭虎等[5]研究了铁磁材料的矫顽力和剩磁随拉应力的变化规律；李玉坤等[6]利用矫顽力来评价天然气管道环焊缝及周边的残余应力分布。但是随测试材料或加工工艺不同，不同学者研究的应力和磁特征参数之间的关系存在较大差异，且尚无统一定论，其物理机理尚不完全清晰，还存在许多问题需要深入探索和研究。因此，为了深入研究铁磁材料的磁特性参数和应力以及外加激励磁场的关系，本文设计开发了一套基于磁力检测法的磁滞回线在线检测装置。

1 工作原理

磁滞回线检测原理如图1 所示，主要由信号发生器、功率放大器、U 形磁轭、激励线圈、检测线圈、采样电阻、积分电路和示波器组成。首先在U 形磁轭的梁部和腿部分别缠绕上激励线圈和检测线圈，以制成检测探头；然后将U 形检测探头和被测试样紧密贴合；接着，利用信号发生器输出一定幅值、频率和波形的电信号，经过功率放大器后输出到激励线圈中，利用示波器分别读取采样电阻和积分电容两端的电压信号，通过公式换算即可得到磁滞回线，进而提取出矫顽力、剩磁等磁特性参数。通过改变激励电压和频率，可以研究磁特征参数随外加激励磁场的变化规律。将该装置与万能试验机组合，可以测量不同应力状态下材料的磁特性参数变化规律。

图1 磁滞回线检测原理

2 检测装置

2.1 信号发生器

信号发生器为整个回路提供多种频率、波形和电压的激励信号。本检测装置选用的是AD9959 高速DDS 信号源模块，具有成本低、体积小、易操作和便携等特点。它可以进行频率、相位或振幅调制，通过模式管脚应用数据来进行调制。串行I/O 接口具有很强的适应性，可以支持各种配置，具有很好的灵活性。

2.2 功率放大器

由于DDS 信号源模块输出的信号较弱，为了获得足够大的外加磁场使被测材料磁化，本装置设置了OPA549 双电源供电的功率放大器。DDS 信号源模块的输出信号经过功率放大器后，可输出8 A 持续电流，最大电流可达10 A（电源供电±30 V 的情况下），满足被测材料磁化的需求，确保在需要的磁化状态下进行检测。

2.3 U 形检测探头

检测探头由U 形磁芯缠绕激励和检测线圈制成。本装置应用的场合为低频电磁场，其信号频率小于50 Hz，因此探头磁芯选择具有较高饱和磁感应强度和较好磁电性能的硅钢片叠加而成。根据电磁学理论，磁场强度取决于线圈的匝数，结合所需的外加磁场大小和闭合回路的磁路长度可以得到所需的激励线圈匝数，再根据激励线圈和检测线圈的比值来确定检测线圈匝数。因此，选择激励线圈400 匝，缠绕在U形磁轭的两部，感应线圈100 匝，缠绕在U 形磁轭的两极。

2.4 采样电阻

根据检测回路原理，采样电阻应具有较小的阻值和较大的功率。因为较小的电阻值可有效减小电阻的分压，使激励线圈获得较大的电压，以产生较强的激励磁场；但为了避免过大电流烧坏元器件，故选用较大功率的电阻。本装置选择的采样电阻阻值为10 Ω，功率为200 W。

2.5 积分电路

考虑到从感应线圈直接测量得到的信号里混杂有噪声信号，不便于实验后续的数据处理，因此在感应线圈输出端串联RC 积分电路。对于RC 积分电路的积分条件需要满足：积分电路的时间常数需大于等于10 倍输入波形的宽度；积分电路电阻与电容的大小关系需满足积分电阻阻值，远大于积分电容的容抗。本装置选择积分电阻阻值为35 kΩ，积分电容为3 μF。

2.6 示波器

本装置采用的显示器件为LOTO-OSC482 计算机虚拟示波器。该虚拟示波器具有带宽量程20 MHz，实际检测为50 Hz，量程满足要求；电压检测范围为0～40 V，电压满足要求；采样率为50 MS/s，采样精度满足要求；价格低廉，体积小，数据采集及时，显示直观，方便简化数据处理过程。

3 检测试验

3.1 实验流程

将被测试样安装在WDW-100 电子式万能试验机上，设置一定大小的拉力对被测试样进行拉伸，实验装置连接情况如图2 所示。加载的拉力稳定后，打开测量装置电源，利用信号源输出的微小激励信号经过功率放大器放大到需要的激励电压后，输入激励线圈中使其产生足够大的外部磁场H，从而磁化被测试件。在激励线圈一端串联采样电阻，用来测量激励电压U1的大小。检测线圈产生的感应电压信号U2，通过积分电容C 进行测量。

图2 实验装置图

3.2 结果分析

利用所建立的检测装置进行实验，得到实验检测数据并绘制出磁滞回线，如图3 所示。与传统的饱和磁滞回线不同的是，该磁滞回线呈树叶状，属于弱磁场下的瑞利磁滞回线。利用从该磁滞回线上提取的矫顽力Hc和剩磁Br，同样可以判断材料在不同磁化状态下的磁特性。对同一被测试样在相同条件下进行3次重复测量，矫顽力Hc和剩磁Br随应力的变化趋势如图4 所示。结果表明三次测量结果的重复性较好，说明该检测装置具有较好的测量稳定性。因此，利用本装置可以研究不同激励磁场、不同应力状态、不同材料的磁特性参数变化情况。

图3 磁滞回线

图4 磁特性参数变化曲线

4 结语

本文结合电磁感应定律开发了一套基于磁力检测法的磁滞回线在线检测装置。通过对装置工作原理的介绍，理论分析了检测装置的可行性；从功能性、经济性和可操作性出发，对装置的各组成元器件进行了选型分析；并在此基础上，完成了整个装置的搭建和性能测试。结果表明，该装置可以测定在外加磁场激励和应力状态下，板状试样的磁滞回线，且测量数据重复性高，装置检测结果的稳定性好。本文的研究工作可为铁磁材料磁特性参数的深入分析创造必要的条件，可为磁力检测法的理论研究奠定基础。