用于瞬態(tài)電磁測(cè)試的脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)的研究

嚴(yán)來(lái)軍，高椿明，陳 霄，周 鷹，錢美興

(1. 電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院 成都 610054；2. 中國(guó)人民解放軍63610部隊(duì) 新疆 庫(kù)爾勒 841001)

用于瞬態(tài)電磁測(cè)試的脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)的研究

嚴(yán)來(lái)軍1，高椿明1，陳 霄1，周 鷹1，錢美興2

(1. 電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院 成都 610054；2. 中國(guó)人民解放軍63610部隊(duì) 新疆 庫(kù)爾勒 841001)

脈沖磁場(chǎng)作為一種優(yōu)秀的激勵(lì)源，可應(yīng)用于許多材料性質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，以提供瞬態(tài)電磁測(cè)試條件。在國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)項(xiàng)目中，為了測(cè)試實(shí)驗(yàn)包層模塊(TBM)材料的瞬態(tài)電磁性能，需要設(shè)計(jì)研制上升時(shí)間約為3 ms，磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)0.8 T的脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)。首先，理論分析了脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生的原理，依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件確定了系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)，使系統(tǒng)能達(dá)到該測(cè)試項(xiàng)目的要求。其次，搭建了脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)，包括充放電電路、螺線管、工控系統(tǒng)、磁場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。最后，對(duì)脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，并分析了影響系統(tǒng)的因素。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)，能夠滿足瞬態(tài)電磁測(cè)試項(xiàng)目的需要。

誤差分析; 無(wú)損檢測(cè); 脈沖磁場(chǎng); 瞬態(tài)電磁測(cè)試

脈沖磁場(chǎng)相比于穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)峰值更高，能夠滿足絕大部分科學(xué)研究的需要，因而得到各國(guó)科學(xué)家的廣泛重視[1]。脈沖磁場(chǎng)能提供瞬態(tài)電磁測(cè)試條件，其作為一種優(yōu)秀的激勵(lì)源，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、金屬以及生物材料性質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)中[2-12]。而在國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)項(xiàng)目中，包層材料瞬態(tài)電磁性能的仿真測(cè)試及實(shí)驗(yàn)測(cè)試尤為重要，關(guān)乎項(xiàng)目的安全；涉及實(shí)驗(yàn)包層模塊(TBM)材料的瞬態(tài)電磁性能模擬仿真[13-16]和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試項(xiàng)目，需要一個(gè)上升時(shí)間約為3 ms，磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)0.8 T的脈沖磁場(chǎng)。而目前的脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)是超強(qiáng)磁場(chǎng)或小微磁場(chǎng)[17]，不適用于該測(cè)試項(xiàng)目。因此，本文脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)的研究，首先能滿足該瞬態(tài)電磁測(cè)試項(xiàng)目的需要，其次還能擴(kuò)展其他基于脈沖磁場(chǎng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在較強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度下的應(yīng)用。

1 脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)平臺(tái)如圖1所示，包括電源控制系統(tǒng)、磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置、磁場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)。為了保證在強(qiáng)電環(huán)境下控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，電源控制系統(tǒng)采用抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高的西門子可編程邏輯控制器(PLC)作為控制器，配以西門子的工控機(jī)作為控制系統(tǒng)的上位機(jī)。電源控制系統(tǒng)控制充電和放電過(guò)程，在放電的過(guò)程中，磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電磁環(huán)境。

通過(guò)磁場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量所產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)，由數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)采集并做處理。為減少高壓電離和周圍環(huán)境的影響，整個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置放置于真空腔中，由真空系統(tǒng)控制。

2 產(chǎn)生磁場(chǎng)原理分析及參數(shù)設(shè)計(jì)

磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置主要是螺線管，放電過(guò)程中，螺線管內(nèi)電流急劇變化，從而導(dǎo)致脈沖磁場(chǎng)的產(chǎn)生。螺線管如圖2所示，為多層線圈。

在中軸線P(0,0,z)處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

式中，R1為螺線管內(nèi)徑；R2為螺線管外徑；r=(R1+R2)/2；2b為螺線管長(zhǎng)度；N為線圈總匝數(shù)；μ0=4π×10?7N/A2為真空磁導(dǎo)率；I(t)為通過(guò)螺線管的電流。

當(dāng)z=0，即螺線管中心處，得最大磁場(chǎng)為：

式中，I(t)由RLC放電回路決定，有：

式中，U為電容初始放電電壓；L為電感值；R為電阻值；C為電容值。

為使最大磁場(chǎng)強(qiáng)度能達(dá)到0.8 T，上升時(shí)間約為3 ms，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和元件參數(shù)，設(shè)計(jì)的各個(gè)參數(shù)為螺線管內(nèi)徑R1=5 cm，外徑R2=14 cm，螺線管長(zhǎng)度2b=40 cm，總匝數(shù)N=142，電感L=1.37 mH，電容C=4 400 μF，電阻R=0.5 Ω。按照以上實(shí)際參數(shù)，理論上螺線管中心處磁場(chǎng)為：

按照式(4)，當(dāng)初始放電電壓達(dá)到2 000 V，在t=3.04 ms時(shí)，螺線管中心處磁場(chǎng)可達(dá)最大0.821 7 T。因此，以上參數(shù)理論上可以使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 脈沖磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

實(shí)際磁場(chǎng)強(qiáng)度通過(guò)磁場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量得到。采用電磁感應(yīng)法，將感應(yīng)線圈放入螺線管中心處，當(dāng)螺線管中通過(guò)瞬間大電流時(shí)，感應(yīng)線圈里將會(huì)產(chǎn)生大小為ε(t)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，則實(shí)測(cè)螺線管中心處磁場(chǎng)為：

式中，n為感應(yīng)線圈的匝數(shù)；S為感應(yīng)線圈的橫截面積，均為常數(shù)；()tε由示波器實(shí)時(shí)測(cè)定。依據(jù)式(5)可以得到螺線管中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量值。

如圖3所示，在放電電壓為2 000 V時(shí)，螺線管中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)0.816 T，上升時(shí)間為3.20 ms。隨著放電電壓的增大，螺線管中心處的脈沖磁場(chǎng)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度也在增大，從圖中可看出兩者基本是線性關(guān)系。而比較磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量值與理論計(jì)算值，可看出兩者在磁場(chǎng)上升期比較吻合，但在下降期，理論負(fù)脈沖最小值為?0.176 T，實(shí)測(cè)負(fù)脈沖最小值為?0.115 T，有0.061 T的偏差。

4 誤差分析

4.1 續(xù)流回路對(duì)系統(tǒng)的影響

由于RLC放電回路的實(shí)際參數(shù)滿足欠阻尼條件，電容上的電壓會(huì)隨時(shí)間而變化，有：

電容上的電壓會(huì)在某一時(shí)刻改變方向，導(dǎo)致電容在某一時(shí)間段承受瞬間的反壓。若初始電壓U為2 000 V，則按照式(6)計(jì)算，反向電壓最大能達(dá)400 V。雖然電容沒有極性，但如果加在電容上的電壓方向改變，還是會(huì)對(duì)電容造成一定的傷害，降低電容的使用壽命。為了避免這一情況的出現(xiàn)，實(shí)際系統(tǒng)中RLC電路加了一個(gè)續(xù)流回路。

如圖4所示，在1 000 V初始電壓下的放電情況，有無(wú)續(xù)流回路對(duì)測(cè)量值的影響。從圖中可以看出，當(dāng)有續(xù)流回路時(shí)，測(cè)量值的負(fù)脈沖最小值為?0.05 T，無(wú)續(xù)流回路時(shí)為?0.11 T，負(fù)脈沖明顯減小。因此，圖3中磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量值與理論計(jì)算值在下降后期出現(xiàn)的差異主要是因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)中續(xù)流回路的影響。續(xù)流回路減小了反向電壓，這就會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)負(fù)脈沖強(qiáng)度的減小。

4.2 測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)所用示波器分辨率對(duì)測(cè)量值的影響

對(duì)電容初始電壓為1 000 V情況下產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度進(jìn)行了3次重復(fù)測(cè)量，示波器分辨率分別為50、100、200 mV/格，得到的測(cè)量值和理論值如圖5所示。從圖中可以看出，隨著示波器分辨率的降低，測(cè)量結(jié)果與理論值的差異依次為0.009、0.012和0.028 T，逐漸增大。所以示波器的分辨率在量程足夠的情況下應(yīng)盡量選高分辨率。

5 結(jié) 論

理論上分析了脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生原理，結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件及元件參數(shù)，確定了本文系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，理論上螺線管中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大可達(dá)0.8217 T，上升時(shí)間為3.04 ms。按照設(shè)計(jì)參數(shù)搭建了系統(tǒng)，實(shí)際測(cè)得螺線管中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大可達(dá)0.816 T，上升時(shí)間為3.20 ms。分析了續(xù)流回路對(duì)脈沖磁場(chǎng)的影響，以及示波器分辨率對(duì)測(cè)量帶來(lái)的誤差。結(jié)果表明本文脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)能滿足瞬態(tài)電磁測(cè)試項(xiàng)目的需要，通過(guò)了合作單位的驗(yàn)收。此外，本文系統(tǒng)還能擴(kuò)展其他基于脈沖磁場(chǎng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在較強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度下的應(yīng)用。

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編 輯 漆 蓉

Study of Pulsed Magnetic Field Generation System for Transient Electromagnetic Test

YAN Lai-jun1, GAO Chun-ming1, CHEN Xiao1, ZHOU Ying1, and QIAN Mei-xing2
(1. School of Opto-Electronic Information, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054；
2. The Unit 63610 of Chinese People Liberation Amy Kuerle Xinjiang 841001)

As a good excitation source to generate a transient electromagnetic testing condition, the pulsed magnetic field has been applied in many non-destructive testing techniques for property characteristic of varies materials. In International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) program, to test the transient electromagnetic property of test blanket module (TBM) material, a pulsed magnetic field generation system is needed, whose rise time is about 3 ms and magnetic induction can be up to 0.8 T. In this paper, the mechanism of the pulsed magnetic field generation system is theoretically analyzed. In the experiment, the parameters of the system were set to meet the demands of the test program and a pulsed magnetic field generation system was set up, which included a charge-discharge circuit, a solenoid, an industrial control system, magnetic field test system, a vacuum system, and a data sampling and processing system. The pulsed magnetic field generation system was tested and the factors affected the system were analyzed. The result shows that the system can generate a qualified pulsed magnetic field for the transient electromagnetic test program.

error analysis; non-destructive test; pulsed magnetic field; transient electromagnetic test

O441.4

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.03.024

2014 ? 03 ? 31；

2014 ? 11 ? 13

四川省青年基金人才培養(yǎng)計(jì)劃(2011JQ0025)

嚴(yán)來(lái)軍(1986 ? )，男，博士，主要從事光聲光熱技術(shù)及其在成像和物性檢測(cè)方面的研究.