基于環形陣列的三維磁場檢測研究

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(1.山東職業學院，山東 濟南 250104；2.天津工業大學機械工程學院， 天津 300387；3.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071 )

0 引言

磁場測量是研究與磁有關物理現象的重要手段[1-2]，尤其是弱磁場的測量，在電機設計、無損檢測等領域已經得到了廣泛的應用[3-4]。

傳統的三維磁場測量方法，多采用單維霍爾傳感器的在各個維度獨立測量后進行數據融合[5]。國防科技大學陳棣湘等[6]分析了霍爾元件的粘貼角度偏差、傳感器的體積對三維磁場測量精度的影響,并對誤差進行了估算；哈爾濱工業大學王臣等[7]采用ARM微處理器來控制步進電機在所需范圍內移動，通過3個一維霍爾傳感器對三維磁場進行測量，并繪制了磁感應強度矢量云圖。單維傳感器測量融合形成三維磁場的方法會引入較多誤差，精度有待提高。

隨著超小型、集成化的三維磁傳感器芯片的出現，三維磁場檢測的精度也逐步提高[8-9]。本文提出了一種基于環形陣列對三維磁場進行測量的方法，該方法以高精度的三維磁傳感器為檢測元件，采樣三維磁傳感器組成環形陣列結構，實現了永磁體周邊三維磁力線的測繪，并擬合了遠離永磁體的過程中三維磁場的變化趨勢。將環形陣列測量三維磁場的方法應用于鋼板凹坑的漏磁檢測實驗，為環形陣列在三維磁場檢測中的應用提供了一種新的思路。

1 單個三維磁傳感器測試

測試平臺的數據采集系統如圖1所示，三維磁傳感器為邁來芯公司生產的16位精度的MLX90393，輸出分辨率最高可達0.16 μT/LSB。三維磁傳感器與ARM單片機采用I2C協議通信，檢測到的數據實時顯示到觸摸屏，并保存至TF內存卡。

圖1 數據采集系統框圖

釹鐵硼稀土永磁體具有體積小，磁能積大等優點，測試平臺選用釹鐵硼材質的圓柱形磁鋼，如圖2a所示。永磁體中間安裝方形軛鐵，從而增大磁場強度，如圖2b所示。

圖2 圓柱形釹鐵硼永磁體

以磁鋼所在的水平面為三維磁傳感器的XZ向平面，沿磁鋼向上的方向為Y軸正方向。三維磁傳感器在位置不變、溫度不變的情況下，距離圓柱形磁鋼4 mm處，間隔1 s，連續讀取30組數據。

經測試，X向磁場強度的均值約為 -0.97 mT，方差約為0.58 mT；Y向磁場強度的均值為-2.99 mT，方差約為0.47 mT；Z向磁場強度的均值約為-103.43 mT，方差約為0.31 mT。傳感器工作狀態較為穩定，能夠滿足檢測要求。

將傳感器順時針沿永磁體旋轉，每次旋轉30°，一直到回到原位置為止，X、Y、Z向磁場變化如圖3所示。

圖3 旋轉過程中X、Y、Z向磁場變化

由圖3可知，在勵磁源等距的四周，由于磁鋼自身的原因，磁場分布并不完全均勻對稱，Z軸變化區間為[-106.0，-98.1]；Y軸變化區間為[-5.0，3.8]；X軸變化區間為[-1.9，1.3]。

沿Z軸方向遠離永磁體，每次移動1 mm，測試結果如圖4所示。

圖4 磁場強度與磁鋼距離關系測試

隨著距離變大，Z向磁場強度近似線性降低，X、Y向磁場強度在震蕩中緩慢到零。

對Z向磁場強度與磁源的距離進行擬合，擬合二次項公式為

BZ=-176.3+8.6d-0.13d2

(1)

擬合系數可達到0.999 09，標準差約為1.032。

2 環形陣列繪制三維磁力線

在磁鋼周邊均勻地布置12個三維磁傳感器的環形陣列，為避免干擾，固定傳感器所用的螺栓等裝置均采用銅或者鋁材質[10]，測試裝置如圖5所示。

圖5 測試裝置

定義1號傳感器的X、Y、Z軸方向與絕對坐標系一致，需要將其他傳感器檢測到的數據轉換到絕對坐標系下，如圖6所示。

圖6 坐標系轉換

各傳感器的Y軸方向一致，不需要進行轉換，X、Z軸轉換公式為：

(2)

(3)

表1 測量原始數據 mT

續表

表2 轉換后數據 mT

根據表1和表2中的數據，繪制磁鋼周圍的三維磁力線，如圖7所示。

圖7 三維磁力線

圖7中，X、Y、Z三軸分別代表距離磁鋼中心的空間距離，單位為mm，每個測量點的矢量方向代表磁場方向，長度代表磁場強度。由圖7可以看出，磁鋼周圍磁場強度基本一致，磁力線方向總體為環形走向。

3 環形陣列用于漏磁檢測

對帶有凹坑的鋼板進行勵磁，在凹坑處將會產生漏磁場[11]。勵磁方式如圖8所示。

圖8 缺陷勵磁方式

圖8中，勵磁裝置由永磁體、軛鐵組成，永磁體為釹鐵硼N52材質，長度為60 mm，厚度為18 mm。軛鐵為Q235碳素鋼材質。鋼刷可減小勵磁回路的氣隙，從而減小磁阻。被測鋼板厚度為10 mm，材質為Q235碳素鋼。

相對于傳統的單一傳感器“點”的檢測[12]，采用環形陣列能夠實現“面”的檢測，環形陣列安裝在鋁制底座上，固定在被測鋼板上方1 mm的高度，布置方式如圖9所示。

圖9 環形陣列

由小車搭載勵磁裝置，從深度為6 mm，直徑為12 mm的圓形凹坑缺陷上方經過，環形陣列的3號和7號傳感器的中心連線與小車行進方向一致。測得X向、Y向、Z向漏磁信號如圖10所示。

圖10 漏磁場的X向、Y向、Z向實測數據曲線

圖11 漏磁信號變化率

4 結束語

三維磁傳感器能夠提高磁場檢測精度，能夠檢測永磁體周邊磁場在各個維度的變化規律，從而能夠實現三維磁力線的繪制，為三維磁場的可視化提供了新的方法。

環形陣列應用于漏磁檢測，可以有效地抑制共模干擾。在下一步的研究中挖掘更多的隱含特征值，從而提高缺陷量化精度。