基于H 橋的磁性法應力檢測裝置設計與開發

葛安鳳，任旭虎，馮陽，劉松卓，王智敏

（中國石油大學（華東）海洋與空間信息學院，山東青島 266580）

在現代石油工業領域，鐵磁材料使用十分廣泛，常見的管道、罐體等均由鐵磁材料構成[1]。鐵磁材料在長期工作過程中不可避免會產生缺陷、損傷等問題，這些問題通常集中在應力聚集區域，長期積累可能會使應力集中區域發生形變，進而導致構件失效問題，引發安全事故[2-3]，因此對管道、罐體等鐵磁材料進行應力分析及評估至關重要。目前，常用的無損檢測方法包括巴克豪森效應法、金屬磁記憶法以及基于磁滯回線的應力檢測法[4]。其中，基于磁滯回線的應力檢測法不僅能夠探測出試件的宏觀缺陷，更能有效預測材料的應力集中區域，因此，該方法已經被越來越多的研究人員所重視，逐漸發展成主流的應力檢測法。

目前，基于磁滯回線的應力檢測法大多采用線性電源作為磁場供電電源，其效率非常低而且體積龐大，檢測現場不易攜帶，加上線性電源的輸入電壓范圍比較窄，通常為200～240 V[5-6]，因此在實際應用中有諸多限制。

針對上述問題，依據法拉第電磁感應定律，設計并開發了一套基于全橋逆變電路的磁性法應力檢測裝置。磁場激勵部分采用效率高、體積小且方便攜帶的開關電源。該裝置能夠準確測量出試件的磁滯回線并計算出矯頑力、剩磁等磁特性參數，從而對被測試件進行應力評估分析。

1 鐵磁性材料應力檢測原理

1.1 應力與磁滯回線的關系

磁滯回線能反映材料的性能以及各種磁特性參數，鐵磁性材料在制作加工或工程應用中受到各種應力的作用，導致材料內部的磁疇結構發生改變，從而改變了磁滯回線的形狀[7-8]。當材料受到拉應力作用時，磁滯回線會變長變細，矯頑力變小，如圖1 所示。基于應力對鐵磁性材料的影響，可通過測量材料磁滯回線間接測量材料應力集中區域，實現鐵磁性材料在應力狀態下的力學性能評估。

圖1 磁滯回線

1.2 磁滯回線檢測原理

實驗采用U 型探頭作為檢測探頭，探頭為硅鋼材質，一端纏繞激勵線圈，另一端纏繞感應線圈，與被測試件構成閉合回路。將大功率電流信號接入激勵線圈，對整個回路進行交流磁化，回路產生交變的磁場，由于閉合回路的電磁感應定律，感應線圈一端產生感應電動勢。經過理論分析，磁場強度與激勵電流強度成正比關系，回路的磁通量與感應電動勢的積分成正比關系[9]，因此采集激勵電流信號和感應電動勢積分后的信號即可繪制出完整的磁滯回線。

2 裝置總體方案設計

鐵磁性材料磁滯回線測量系統主要由硬件電路和軟件系統組成。硬件電路包括磁場激勵電路、感應信號調理電路，磁場激勵電路包括逆變電路和采樣電路。軟件系統主要基于STM32F103RCT6 的嵌入式程序開發和USART HMI 的串口屏開發。STM32F103RCT6 主控芯片的主要功能是波形產生、信號處理、通信交互等。USART HMI 的串口屏模塊主要功能為顯示和控制，包括磁滯回線和矯頑力的顯示、控制激勵信號輸出。系統總體設計框圖如圖2所示。

圖2 總體設計框圖

3 系統硬件電路設計

根據系統總體設計方案，系統主要分為硬件和軟件兩部分，首先是硬件電路的設計，硬件電路分為磁場激勵模塊和感應信號調理模塊。磁場激勵模塊是硬件電路的核心，由前述可知，測量材料的磁滯回線需要對試件進行磁化，對激勵線圈通入大功率電流信號，使閉合回路產生交變強磁場，達到對被測試件充分磁化的作用。文中提出了一種新型交流勵磁技術，利用全橋逆變電路，將直流電轉換成頻率和幅值都可任意調節的交流電，使被測試件達到充分飽和磁化。

3.1 逆變電路

磁場激勵模塊主要包括逆變電路、驅動電路和電流采樣電路。其中，逆變電路是整個信號激勵模塊的核心。逆變電路的基本原理是利用驅動電路輸出的SPWM 信號控制MOS 管的通和斷[10]。電路主要由四個功率開關管組成，結構如圖3 所示。當Q1 和Q4導通時，Q2 和Q5 關斷，流過線圈的電壓為正；當Q1和Q4 關斷時，Q2 和Q5 導通，流過線圈的電壓為負。Q1、Q4 和Q2、Q5 交替導通，從而在負載上實現將直流電源轉換成交流電源。逆變電路有全橋逆變結構和半橋逆變結構。相對于半橋電路，全橋電路輸出效率高、開關損耗小，更容易控制[11-12]，因此，設計采用全橋逆變的方式。

圖3 逆變電路設計圖

在逆變電路之后加LC 濾波電路。濾波電路的作用有兩個：一是還原大功率SPWM 信號，最終生成大功率正弦信號；二是逆變電路輸出的波形中包括很多高次諧波，LC 濾波電路可以濾除這些高次諧波信號。

3.2 全橋驅動電路

由于單片機的驅動能力有限，且帶負載能力極弱，輸出的SPWM 信號無法控制MOS 管的導通和關斷，因此，引入驅動電路對控制信號進行放大，使其驅動MOS 管[13]。全橋MOS 管的驅動電路如圖4 所示，采用IR2110 驅動芯片可以實現一組電源對MOS管上下兩端的控制，并對SPWM 信號進行放大，最終驅動MOS 管的通斷。MOSFET 的高壓區很容易通過驅動電路對單片機的控制電路形成干擾，所以在驅動電路與單片機的控制電路之間使用光耦隔離芯片HCPL-4504 進行隔離。

3.3 電流采樣電路

傳統的采樣電路是在激勵回路中添加采樣電阻，采集采樣電阻兩端的電壓信號，但是采樣電阻會消耗一部分有功功率，無法達到高效率輸出，因此該設計采用霍爾電流傳感器采集信號。經先導實驗測試，選用ACS724LLCTR-10AB 霍爾傳感器，傳感器采用+5 V 供電，原邊可測幅值為-10～+10 A 的電流，傳感器輸出的電壓信號與原邊電流信號成比例關系，靈敏度為200 mV/A[14]。傳感器利用霍爾效應將大功率電流信號轉換成小電壓信號，再經過RC 濾波和分壓最終信號在0～3.3 V 之間進入單片機的AD 部分，電路設計如圖5 所示。

圖4 驅動電路設計圖

圖5 電流采樣電路設計圖

3.4 感應信號調理電路

激勵電流在回路產生交變磁場后，感應線圈端會產生交變感應電動勢，感應電動勢與回路的磁感應強度呈積分關系。利用RC積分電路的特性，選取電阻R為100 kΩ，電容C為0.1 μF。感應電動勢經過RC電路輸出的信號剛好能產生90°相移并衰減接近20 倍，積分后的信號與磁感應強度信號成正比關系。將此信號經過跟隨器、加法器，再經過RC濾波后信號在0～3.3 V 之間進入單片機的AD 部分。電路設計如圖6 所示。

圖6 調理電路設計圖

4 系統軟件程序設計

根據系統的總體設計方案，基于H 橋的磁性法應力檢測裝置軟件控制系統主要由STM32 嵌入式控制程序和HMI 串口屏程序組成。基于STM32 嵌入式控制程序由KEIL 5 MDK 軟件編寫，主要實現SPWM波形產生、輸出電流電壓采樣、PI 控制算法以及信號計算處理等。HMI 串口屏由串口屏界面開發軟件USART HMI 實現，主要包括磁滯回線的顯示和控制激勵信號的輸出。

4.1 STM32嵌入式程序設計

基于STM32 嵌入式控制程序設計，主要功能是通過單片機完成對檢測裝置硬件系統的協調控制。具體的工作流程如圖7 所示。

系統上電后，首先對各個模塊進行初始化，包括I/O 口、中斷、串口等的初始化，單片機等待HMI 串口屏的指令。當單片機接收指令后，對定時器進行初始化并生成SPWM 參考波形，將SPWM 波接入逆變電路，生成大功率正弦信號對試件進行交流激勵。當單片機再次接收到來自串口屏的指令后，單片機內部兩路ADC 對電流信號和感應電壓信號進行同步采集，經過計算后在串口屏顯示被測試件的磁滯回線和矯頑力。

圖7 系統工作流程圖

4.1.1 SPWM中斷控制程序

SPWM 中斷程序是控制逆變電路實現的關鍵，主要根據反饋情況改變SPWM 波的參數，對逆變電路實現閉環控制。中斷控制流程如圖8 所示。在中斷子程序中，將查表法獲取的電流參考值和AD 采樣中斷程序獲取的實際值進行比較，對兩者誤差進行PI 運算，計算出調制比。根據PI 運算結果對SPWM信號占空比進行調節[15]，完成對比較寄存器值的更新，以此改變SPWM 波形，實現輸出恒流。

圖8 SPWM中斷程序流程圖

4.1.2 信號采樣與處理程序

基于H 橋的磁性法應力檢測裝置軟件控制系統為取得磁滯回線和矯頑力數值，利用單片機內部兩路ADC 通道完成對激勵電流信號和感應電壓信號的采集。以激勵電流信號作為橫坐標，感應電壓信號作為縱坐標，將數據發送到串口屏完成磁滯回線的顯示。磁滯回線中縱坐標為零時橫坐標的值，即矯頑力，將矯頑力通過串口通信發送到串口屏顯示。信號采樣與處理程序流程圖如圖9所示。

圖9 信號采樣與處理程序設計流程圖

4.2 HMI串口屏程序設計

該設計采用淘晶馳公司研發的TJC8048T070_011型號的串口屏作為人機交互設備，并利用USART HMI 軟件作為串口屏開發環境。設備封裝好底層功能以后，串口屏內部自帶處理器和通信模塊，通過串口與單片機進行交互[16]，主要在操作界面控制單片機SPWM 信號的輸出、顯示磁滯回線、矯頑力等。

5 系統測試與分析

為了驗證該設備的可靠性和準確性，根據系統的設計方案完成對各個模塊的設計，并在實驗室搭建實驗環境，對各個模塊進行測試與校準。測試完成后對模塊進行裝載封裝，最后進行整體調試。

5.1 輸出效率測試

為了比較該設備與線性電源的輸出效率，采用傳統的線性電源作為激勵源，利用不同阻值的電阻作負載。要求輸出信號頻率為30 Hz，有效值為3 A。計算負載的輸入功率和輸出功率，從而分析兩種電源的輸出效率。開關電源效率測試和線性電源效率測試結果分別如表1、2 所示。

表1 開關電源效率測試

從實驗數據可以看出，在不同阻值的負載下，開關電源的效率遠遠高于線性電源，這是因為在輸出較大工作電流時，線性電源調整管上損耗較大的功率，導致輸出效率低。而開關電源的功率器件工作在開關狀態，利用電感線圈臨時儲存能量，損耗小，效率高。基于該系統的設計需求，采用H 橋組成的開關電源更符合設計要求。

表2 線性電源效率測試

5.2 激勵參數的選定

為了使被測試件達到飽和時激勵信號的幅值和頻率，選用Q235 鋼作被測試件，其飽和磁感應強度約2.3 T。分別采用20、30、40、50 Hz 的電流頻率對被測試件進行交流激勵，繪制試件的磁滯回線如圖10 所示。

從圖10 可以看出，激勵信號頻率20 Hz 時，磁滯回線產生畸變，這是由于激勵信號頻率過低，感應電壓輸出的頻率也很小，調理電路無法對感應電壓進行完整的積分運算，感應信號發生了畸變。當激勵信號頻率越高時，磁滯回線趨于橢圓，這是由于材料在磁化過程中磁滯損耗和渦流損耗明顯增加，加上趨膚效應的影響，頻率過高會影響探測試件的精度和深度。綜合分析，最終選擇頻率30 Hz 作為激勵信號的頻率。

選定激勵信號頻率以后，計算能使被測試件達到飽和時的電流，分別采用1、2、3、4 A 的幅值電流對試件進行激勵，觀察試件的磁滯回線，如圖11 所示。由圖可知，當電流幅值為3 A 時，試件的磁感應強度已達到飽和，電流幅值再增加時，磁感應強度幾乎不再增加。經過多次測試，在輸出電流幅值為3 A，有效值為2.12 A 時，試件能充分達到飽和。最終通過調節SPWM 的占空比信號，確定最終激勵電流幅值為3 A，頻率為30 Hz。

5.3 實驗數據與結果分析

為了驗證該設備測量結果的準確性，分別使用文中自研的應力檢測裝置與烏克蘭SSE 公司生產的KRC-M2 矯頑力檢測裝置對試件進行磁化和測量。選擇兩塊不同材質的試件，接入該裝置，用該系統測量磁滯回線和矯頑力。將測量結果和KRC-M2 矯頑力檢測裝置的測量結果作對比，該裝置磁滯回線測量結果如圖12 所示，矯頑力測量結果如表3 所示。

由圖12 和表3 分析可得，該裝置能準確測量出試件的磁滯回線和矯頑力，實現了通過測量試件的磁滯回線反映試件的應力，具有一定的可行性。

圖10 不同頻率下的磁滯回線時域圖

圖11 不同幅值的磁滯回線時域圖

6 結論

圖12 試件1和試件2的磁滯回線

表3 矯頑力測量結果對比

為了研究鐵磁性材料受損傷時磁滯回線以及磁參數的變化，文中利用鐵磁性材料的磁化原理，開發了一套基于H 橋的磁性法應力檢測裝置。通過主控芯片STM32 產生載波頻率、占空比可調的SPWM 波，經過逆變電路產生大功率電流信號使被測試件達到飽和，并開發軟件控制程序實現了對信號的處理與分析。實驗結果表明，該設備能檢測被測試件的磁滯回線，獲得矯頑力等磁參數，經過優化處理可作為檢測材料早期損傷的依據。