劉　鵬，史思涵，張淑玲，孫亞娟，高　貴

(1.天津工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，天津 300387；

2.寧夏大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

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CoFeSiB非晶絲鋼板缺陷檢測(cè)儀

劉鵬1，史思涵1，張淑玲2，孫亞娟1，高貴1

(1.天津工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，天津 300387；

2.寧夏大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

摘要：以Co68Fe4.5Si15B12.5非晶絲為敏感器件，采用STM32微處理器為信號(hào)處理系統(tǒng)，研制了鋼板缺陷檢測(cè)儀. 介紹了該儀器的檢測(cè)原理、信號(hào)處理電路、檢測(cè)儀器的標(biāo)定方法. 利用該儀器測(cè)試了具有縫隙的45號(hào)鋼樣品，測(cè)得縫深大于3.4 mm、縫寬大于0.05 mm、縫長(zhǎng)大于10 mm.

關(guān)鍵詞：Co基非晶絲；巨磁阻抗效應(yīng)；漏磁檢測(cè)；鋼板缺陷

資助項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(No.201410058029)

指導(dǎo)教師：孫亞娟(1978-)，女，吉林洮南人，天津工業(yè)大學(xué)理學(xué)院副教授，博士，從事非晶態(tài)材料及應(yīng)用方面的研究.

鋼板在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，鋼板在長(zhǎng)期使用中，常會(huì)產(chǎn)生裂紋等缺陷，為此精確檢測(cè)這些缺陷，顯得尤為重要. 近年來(lái)，各國(guó)工程人員在對(duì)鋼板缺陷檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了大量研究. 鋼板裂紋檢測(cè)的方法主要有：超聲波法、渦流探傷法、電磁超聲檢測(cè)法、中子衍射法、X射線(xiàn)法等[1-2]. 然而，上述方法存在著檢測(cè)設(shè)備龐大、反應(yīng)不靈敏、不能隨身攜帶等不足. 因此，利用Co68Fe4.5Si15B12.5非晶絲，采用漏磁檢測(cè)技術(shù)，基于STM32微處理系統(tǒng)，研制了非晶絲鋼板缺陷檢測(cè)儀. 該儀器體積小、便于攜帶、反應(yīng)靈敏，可準(zhǔn)確探測(cè)鋼板表面的缺陷.

1CoFeSiB非晶絲鋼板缺陷檢測(cè)儀設(shè)計(jì)的基本理論

1.1CoFeSiB非晶絲的特性

本文采用非晶絲的成分為Co68Fe4.5Si15B12.5，直徑約為45 μm，SEM形貌如圖1所示. 其制備是將熔融的母合金快速冷卻凝固而成，在凝固過(guò)程中原子來(lái)不及按周期排列，故形成了無(wú)序的非晶態(tài)結(jié)構(gòu).

Co基非晶絲屬于軟磁材料，同時(shí)具有巨磁阻抗效應(yīng)(GMI)[3-4]. 將非晶絲通入高頻電流，在巨磁阻抗效應(yīng)的影響下，阻抗變化率為[4]：

式中，Z(Hex)為外加磁場(chǎng)為Hex時(shí)材料的阻抗，Z(0)表示未外加磁場(chǎng)時(shí)的阻抗. 由于巨磁阻抗效應(yīng)具有靈敏度高、反應(yīng)快和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，所以其在傳感器技術(shù)和磁記錄技術(shù)中具有巨大的應(yīng)用潛能.

1.2　漏磁檢測(cè)技術(shù)及其特點(diǎn)

漏磁檢測(cè)是指鐵磁材料被磁化后，因試件表面或近表面的缺陷而在其表面形成漏磁場(chǎng)，為此可以通過(guò)檢測(cè)漏磁場(chǎng)的變化進(jìn)而發(fā)現(xiàn)缺陷[5]. 漏磁檢測(cè)技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)被檢測(cè)鋼板進(jìn)行勵(lì)磁，如鋼板表面平滑沒(méi)有缺陷，則磁感線(xiàn)將從鋼板內(nèi)部通過(guò)；如鋼板存在裂縫，磁感線(xiàn)會(huì)繞過(guò)裂縫，因此一部分磁感線(xiàn)就會(huì)在鋼板外，產(chǎn)生漏磁，這種漏磁被稱(chēng)為擴(kuò)散漏磁，如圖2所示，而鋼板裂縫越深，產(chǎn)生的擴(kuò)散漏磁強(qiáng)度越大. 漏磁檢測(cè)技術(shù)就是對(duì)通過(guò)檢測(cè)到的擴(kuò)散漏磁強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)鋼板的裂縫進(jìn)行測(cè)量. 漏磁檢測(cè)具有以下特點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，由傳感器接收信號(hào)，軟件判斷有無(wú)缺陷，適合于組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；有較高的可靠性，從傳感器到計(jì)算機(jī)處理，降低了人為因素影響引起的誤差，具有較高的檢測(cè)可靠性；可以實(shí)現(xiàn)缺陷的初步量化，該量化不僅可實(shí)現(xiàn)缺陷的有無(wú)判斷，還可以對(duì)缺陷的危害程度進(jìn)行初步評(píng)估.

圖2　漏磁檢測(cè)技術(shù)原理圖

2非晶絲鋼板缺陷檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)

2.1　傳感器探頭設(shè)計(jì)和工作原理

傳感器探頭采用雙繞組合探頭結(jié)構(gòu)，利用非晶絲與0.035 mm的漆包線(xiàn)纏繞而成，并采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)連接，有效地避免外界環(huán)境和電流熱效應(yīng)對(duì)探頭的影響. 將穿有非晶絲的雙繞組合線(xiàn)圈的末端與多諧振蕩電路相連接，當(dāng)有磁場(chǎng)影響到非晶絲時(shí)，它產(chǎn)生的阻抗會(huì)影響到多諧振蕩電路的振蕩周期，通過(guò)測(cè)定多諧振蕩電路周期的變化程度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)漏磁場(chǎng)的標(biāo)定.

2.2　多諧振蕩電路

為實(shí)現(xiàn)對(duì)敏感元件Co基非晶絲的勵(lì)磁，搭建了如圖3所示的多諧振蕩電路. 多諧振蕩電路由2部分組成，前一周期Q1導(dǎo)通Q2截止，所以L(fǎng)1中的電流增加到最大，L2中的電流減為零，下一周期，Q2導(dǎo)通Q1截止，變化與前一周期相反，周而復(fù)始在線(xiàn)圈中產(chǎn)生交變的電流，此時(shí)當(dāng)外磁場(chǎng)變化時(shí)由于Co基非晶絲的GMI效應(yīng)，其交流阻抗對(duì)外磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化相當(dāng)敏感，進(jìn)而完成對(duì)非晶絲的勵(lì)磁.

圖3　多諧振蕩電路原理圖

圖4　信號(hào)放大電路

2.3　信號(hào)放大電路

由于多諧振蕩電路輸出波形的幅值過(guò)小，無(wú)法用于后期處理，所以在多諧振蕩電路后加入了放大電路. 如圖4所示，運(yùn)用OPA658P高新能運(yùn)放芯片，將得到的微弱信號(hào)輸入U(xiǎn)1，通過(guò)R1調(diào)節(jié)OPA的參考電壓從而進(jìn)行放大，但經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出的信號(hào)并未放大到理想效果，因此通過(guò)U2進(jìn)行再次放大，經(jīng)過(guò)C1，C2和C3的濾波后，得出較為理想的方波信號(hào).

2.4　電源電路

非晶絲鋼板缺陷檢測(cè)儀的電源電路主要由芯片LM2576D2T和LM1117IMP組成，具體電路圖5所示. 電源電壓為12 V，先由LM2576降至5 V，這里使用SS34、電感、電容輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出的電能再向系統(tǒng)部分原件供電，保證系統(tǒng)正常運(yùn)作的同時(shí)，另一部分通過(guò)LM1117，將電壓降到3.3 V后，來(lái)對(duì)探頭進(jìn)行供電.

(a) 12 V-5 V降壓

(b) 5 V-3.3 V降壓圖5　電源降壓電路圖

3非晶絲鋼板缺陷檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)

非晶絲鋼板缺陷檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)是基于STM32F103ZET6(STM32)的庫(kù)開(kāi)發(fā)方式[6]，具體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖6所示. 首先利用STM32中定時(shí)器對(duì)輸入信號(hào)通過(guò)輸入捕獲的方式得出輸入信號(hào)的周期，經(jīng)過(guò)計(jì)算頻率測(cè)算誤差為10-4，將結(jié)果代入擬合出的裂縫與周期的關(guān)系式從而得出裂縫的測(cè)算結(jié)果，同時(shí)將周期與系統(tǒng)內(nèi)的生成尖峰的波形公式進(jìn)行處理，將結(jié)果發(fā)送到LCD屏. 通過(guò)EXTI外部中斷對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行終端操作，在終端中既可對(duì)系統(tǒng)閥值進(jìn)行修改，以適應(yīng)不同的工藝要求，還可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行暫停處理，以便數(shù)據(jù)記錄.

圖6　軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)

4非晶絲鋼板缺陷檢測(cè)儀的性能測(cè)試

被測(cè)試件選用45號(hào)鋼制作，在試件上做出寬1.2 mm， 深2~21 mm的縫隙， 勵(lì)磁裝置緊貼試件，以避免勵(lì)磁裝置與試件之間漏磁對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾. 從裂縫左側(cè)向裂縫右側(cè)移動(dòng)，得出如圖7所示探頭距裂縫的距離與波形周期的關(guān)系. 當(dāng)探頭距離裂縫最深處越近，漏磁對(duì)探頭的影響就越大，從而多諧振蕩電路產(chǎn)生的方波的周期的變化量就越大，當(dāng)探頭到達(dá)裂分最深處時(shí)，方波周期的變化量將產(chǎn)生峰值，因此可通過(guò)測(cè)得峰值來(lái)計(jì)算出裂縫的深度.

經(jīng)多次試驗(yàn)對(duì)非晶絲鋼板缺陷檢測(cè)儀進(jìn)行了標(biāo)定：

1) 測(cè)量裂縫的深度大于3.4 mm，寬度大于0.05 mm，長(zhǎng)度大于10 mm；

2) 功率為9.17 W；

3) 最大掃查速度為1.35×10-1mm/s.

圖7　探頭距裂縫的距離與波形周期的關(guān)系

5結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于Co基非晶絲以及STM32微處理器的鋼板缺陷檢測(cè)儀. 該儀器利用Co基非晶絲的巨磁阻抗效應(yīng)，采用多諧振蕩電路產(chǎn)生周期可隨磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化的方波信號(hào)，進(jìn)一步通過(guò)STM32微處理系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和后臺(tái)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)裂縫檢測(cè). 該儀器具有低功耗、靈敏度高、便于攜帶的特點(diǎn)，同時(shí)利用STM32微處理器進(jìn)行信號(hào)處理，有利于該檢測(cè)儀添加外設(shè)和系統(tǒng)升級(jí).

致謝：哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院孫劍飛教授課題組為我們提供非晶絲材料.

參考文獻(xiàn)：

[1]張忠遠(yuǎn). 基于交直流復(fù)合磁化的儲(chǔ)罐鋼板漏磁檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué), 2014：18-20.

[2]Kenzo M. Recent advancement of electro-magnetic nondestructive inspection technology [J]. IEEE Transaction on Magnetics, 2002,38(2):321-326.

[3]Jiang Yanwei, Fang Jiancheng, Wang Sansheng. A sensitive magnetic field sensor utilizing the giant magneto-impedance effect in field-annealed Co-based amorphous ribbons [J]. Sensor Letters, 2010,8(2):314-319.

[4]Rheem Y W, Kim C G, Kim C O, et al. Current sensor application of asymmetric giant magneto impedance in amorphous materials [J]. Sensors and Actuators A, 2003,106:19-21.

[5]解源,鄭軍,康宜華,等. 用漏磁探傷法在線(xiàn)檢測(cè)鋼管管縫信號(hào)[J]. 鋼管,1993(1):11-14.

[6]孫書(shū)鷹,陳志佳,寇超. 新一代嵌入式微處理器STM32F103開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J]. 微計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2010(12):59-63.

[責(zé)任編輯：郭偉]

Steel plate defect detector with

CoFeSiB based amorphous wire

LIU Peng1， SHI Si-han1， ZHANG Shu-ling2， SUN Ya-juan1， GAO Gui1

(1. School of Science, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China；

2. School of Mechanical Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Abstract:Using Co68Fe4.5Si15B12.5as the sensitive device and STM32 as the signal processing system, a steel plate defect detection instrument was made. The detection principle, signal processing circuit and the calibration method of the instrument were introduced. The surface defects of the steel plate were measured by this steel plate defect detection instrument. The results were measured, the seam depth was greater than 3.4 mm, the seam width was greater than 0.05 mm, the seam length was greater than 10 mm.

Key words:Co-based amorphous wire; giant magneto impedance effect; magnetic flux leakage detection; steel plate defect

作者簡(jiǎn)介：劉鵬(1994-)，男，天津人，天津工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)專(zhuān)業(yè)2012級(jí)本科生.

收稿日期：2015-10-29；修改日期：2015-11-12

中圖分類(lèi)號(hào)：TM937.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)02-0033-04