磁轭式磁粉探伤仪提升力检测装置的开发

冯雪峰，肖玉琴，亢 锐

（新疆维吾尔自治区计量测试研究院，新疆 乌鲁木齐 830013）

0 引 言

磁轭式磁粉探伤仪是由磁化电源和磁轭组成，可用于检测钢铁材料的裂纹、焊缝、铸件、锻件等表面缺陷。磁粉探伤是将铁磁性物质在强磁场下磁化后，在工件的近表面有缺陷的地方磁力线发生变形，表面形成漏磁场，然后在工件表面上施加磁粉或磁悬液，磁粉就会吸附在缺陷处，这时就显示出缺陷的位置、大小和形状[1]。要想准确地探出工件缺陷，那磁轭式磁粉探伤仪的准确性尤为重要。而对于磁轭式磁粉探伤仪，设备的主要校验指标之一是提升力。提升力是指磁铁只借助其磁性吸力，可提升起某一重量钢块的能力[2]。

大部分国内外相关常用标准均对磁轭提升力提出了各自的指标，多数标准规定使用磁轭最大间距时，交流电磁轭至少应有45N的提升力，直流电磁轭至少应有177N的提升力，交叉磁轭至少应有118N的提升力。但是提升力的实际值是多少，一直以来是个悬而未解的问题。当提升力过大时会导致构件表面不应检出的细微缺陷也被检测出来，这对于实际磁粉探伤而言是不利的；因此，有必要测量出磁轭提升力的值。开发研制了磁轭式磁粉探伤仪检测装置，能够为磁轭式磁粉探伤仪的广泛使用提供技术支持，为技术监督机构、科研单位、检测机构和机械加工制造企业开展对磁轭式磁粉探伤仪检测与质量控制提供重要手段。

1 设计思路

磁轭提升力是磁铁借助其磁性吸力，可提升某一重量为G的钢块的能力。如用符号F表示[3]，即

通常采用力的单位N。就工程实际而言，可以将磁轭提升力近似等同为磁轭的平均吸力。

一般来讲，按磁轭磁粉探伤仪磁化过程中采用电流的性质，可分为直流磁化和交流磁化。

直流电磁轭工作时其磁场的大小和方向都是恒定不变的，当磁轭磁极吸附钢板，在不产生重力加速度的情况下，施加反向向下的作用力FDC将钢板与磁极脱离时，磁性吸力的大小刚好等于钢板重力G和反向作用力FDC之和，即F=G+FDC，则此时磁性吸力的大小即为磁轭磁极的提升力大小。

交流电磁轭工作时产生的磁场是随时间变化的量，当磁极吸附钢板，或者钢板相对于磁极有一定位移时，使用高速数据采集反向作用力FAC（t）随时间变化的量，取某一位移时，反向作用力最大的那一组量的平均值（t）作为反向作用力，则磁性吸力的大小为F=G+（t），等同为磁轭磁极的提升力大小[4]。

根据上述分析，设计出磁轭式磁粉探伤仪提升力检测装置，如图1所示。部分主要部件的说明如下：

（1）步进电机。以单片机驱动步进电机控制丝杆匀速转动以产生反向拉力，并且能够产生精确位移。

（2）拉力传感器。得到步进电机反向作用力。

（3）数据采集。高速采集拉力传感器的变送器发送的电信号。

图1 提升力检测装置原理图

该检测装置工作原理为：磁轭式磁粉探伤仪工作时，磁轭磁极产生磁场吸附钢板，通过步进电机匀速转动驱动丝杆，反向施加力，拉力传感器输出电压信号，变送器将电压信号输出至数据采集卡，经处理和计算分析，显示出提升力的值。

2 装置设计

2.1 单片机步进电机控制

采用单片机来控制步进电机，实现软件与硬件相结合的控制方法，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。控制按钮作为一个外部中断源，控制设置步进电机正转、反转、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的控制[5]。

控制系统原理框图如图2所示。

图2 控制系统原理框图

单片机选用AT89C51单片机，步进电机选用DM5654A[6]，单片机硬件如图3所示。

图3 单片机硬件图

2.2 单片机的USB数据采集

基于USB传输的数据采集及处理系统硬件模块主要由微控制器、A/D转换器、USB通信接口芯片等模块组成。系统按功能分为USB接口电路和数据采集电路两部分。数据采集电路部分完成前端采样信号即拉力传感器信号的采集、模数转换以及处理、采样速率控制和传输控制；USB接口电路则完成单片机与PC机之间的通信[7]。

系统的A/D转换、数字I/O的设计则根据采集的精度、速率、通道数等参数元素选择合适的芯片。数据采集子系统的工作原理如图4所示。

图4 数据采集子系统原理图

根据以上分析设计，由单片机控制步进电机，并采集拉力传感器输出的信号，通过数据处理，得到磁轭式磁粉探伤仪提升力的值，并显示出结果，从而完成了整个检测装置的设计。

3 特点及技术参数

3.1 检测装置的特点

（1）能够直接测量提升力数值，并直观的以数字显示；

（2）进行高速采集数据并进行分析处理，计算提升力，显示和保存测量结果；

（3）自动检测，自动记录，工作可靠，操作简便，测量值准确可靠。

3.2 检测装置的主要技术参数

拉力范围在0～300N之间，覆盖各种磁轭式磁粉探伤仪最大提升力的值，静态测量准确度±0.1N。步进电机施加反向作用力时，最大行程能够达到80mm。

4 结束语

经过不懈努力，磁轭式磁粉探伤仪检测装置已经开发成功，且已在实际检测中得到了运用。实际测试结果表明，该检测装置很好地实现了设计要求，具有检测效率高、测量精度高等优点，实际使用简便、先进、可靠，结果简单、直观，有一定的实用价值和市场前景。

[1]林锡忠，邹俊芬，林育.论电磁轭提升力[J].无损检测，2000，22（10）：439-440.

[2]林锡忠.关于磁粉探伤标准中电磁轭提升力涵义的讨论[J].无损检测，2004，26（2）：101-102.

[3]姚力.关于磁轭提升力指标的讨论[J].无损检测，2002，24（2）：53-54.

[4]任吉林.电磁无损检测[M].北京:航空工业出版社，1989.

[5]梅丽凤，王艳秋.单片机原理及接口技术[M].北京：清华大学出版社，2009.

[6]郑宝瑞，陆仲达.基于单片机的步进电机控制系统的研制[J].齐齐哈尔大学学报，2010，26（4）：46-47.

[7]洪新华，陈建峰，霍鹏飞.基于单片机的步进电机控制系统的设计[J].湛江师范学院学报，2010，31（6）：84-86.