CoFeSiB非晶丝钢板缺陷检测仪

刘　鹏，史思涵，张淑玲，孙亚娟，高　贵

(1.天津工业大学 理学院，天津 300387；

2.宁夏大学 机械学院，宁夏 银川 750021)



CoFeSiB非晶丝钢板缺陷检测仪

刘鹏1，史思涵1，张淑玲2，孙亚娟1，高贵1

(1.天津工业大学 理学院，天津 300387；

2.宁夏大学 机械学院，宁夏 银川 750021)

摘要：以Co68Fe4.5Si15B12.5非晶丝为敏感器件，采用STM32微处理器为信号处理系统，研制了钢板缺陷检测仪. 介绍了该仪器的检测原理、信号处理电路、检测仪器的标定方法. 利用该仪器测试了具有缝隙的45号钢样品，测得缝深大于3.4 mm、缝宽大于0.05 mm、缝长大于10 mm.

关键词：Co基非晶丝；巨磁阻抗效应；漏磁检测；钢板缺陷

资助项目：国家级大学生创新创业训练计划(No.201410058029)

指导教师：孙亚娟(1978-)，女，吉林洮南人，天津工业大学理学院副教授，博士，从事非晶态材料及应用方面的研究.

钢板在工业生产中应用广泛，钢板在长期使用中，常会产生裂纹等缺陷，为此精确检测这些缺陷，显得尤为重要. 近年来，各国工程人员在对钢板缺陷检测问题进行了大量研究. 钢板裂纹检测的方法主要有：超声波法、涡流探伤法、电磁超声检测法、中子衍射法、X射线法等[1-2]. 然而，上述方法存在着检测设备庞大、反应不灵敏、不能随身携带等不足. 因此，利用Co68Fe4.5Si15B12.5非晶丝，采用漏磁检测技术，基于STM32微处理系统，研制了非晶丝钢板缺陷检测仪. 该仪器体积小、便于携带、反应灵敏，可准确探测钢板表面的缺陷.

1CoFeSiB非晶丝钢板缺陷检测仪设计的基本理论

1.1CoFeSiB非晶丝的特性

本文采用非晶丝的成分为Co68Fe4.5Si15B12.5，直径约为45 μm，SEM形貌如图1所示. 其制备是将熔融的母合金快速冷却凝固而成，在凝固过程中原子来不及按周期排列，故形成了无序的非晶态结构.

Co基非晶丝属于软磁材料，同时具有巨磁阻抗效应(GMI)[3-4]. 将非晶丝通入高频电流，在巨磁阻抗效应的影响下，阻抗变化率为[4]：

式中，Z(Hex)为外加磁场为Hex时材料的阻抗，Z(0)表示未外加磁场时的阻抗. 由于巨磁阻抗效应具有灵敏度高、反应快和稳定性好等特点，所以其在传感器技术和磁记录技术中具有巨大的应用潜能.

1.2　漏磁检测技术及其特点

漏磁检测是指铁磁材料被磁化后，因试件表面或近表面的缺陷而在其表面形成漏磁场，为此可以通过检测漏磁场的变化进而发现缺陷[5]. 漏磁检测技术主要是通过对被检测钢板进行励磁，如钢板表面平滑没有缺陷，则磁感线将从钢板内部通过；如钢板存在裂缝，磁感线会绕过裂缝，因此一部分磁感线就会在钢板外，产生漏磁，这种漏磁被称为扩散漏磁，如图2所示，而钢板裂缝越深，产生的扩散漏磁强度越大. 漏磁检测技术就是对通过检测到的扩散漏磁强度进行计算，从而对钢板的裂缝进行测量. 漏磁检测具有以下特点：容易实现自动化，由传感器接收信号，软件判断有无缺陷，适合于组成自动检测系统；有较高的可靠性，从传感器到计算机处理，降低了人为因素影响引起的误差，具有较高的检测可靠性；可以实现缺陷的初步量化，该量化不仅可实现缺陷的有无判断，还可以对缺陷的危害程度进行初步评估.

图2　漏磁检测技术原理图

2非晶丝钢板缺陷检测仪的硬件设计

2.1　传感器探头设计和工作原理

传感器探头采用双绕组合探头结构，利用非晶丝与0.035 mm的漆包线缠绕而成，并采用差动结构连接，有效地避免外界环境和电流热效应对探头的影响. 将穿有非晶丝的双绕组合线圈的末端与多谐振荡电路相连接，当有磁场影响到非晶丝时，它产生的阻抗会影响到多谐振荡电路的振荡周期，通过测定多谐振荡电路周期的变化程度来实现对漏磁场的标定.

2.2　多谐振荡电路

为实现对敏感元件Co基非晶丝的励磁，搭建了如图3所示的多谐振荡电路. 多谐振荡电路由2部分组成，前一周期Q1导通Q2截止，所以L1中的电流增加到最大，L2中的电流减为零，下一周期，Q2导通Q1截止，变化与前一周期相反，周而复始在线圈中产生交变的电流，此时当外磁场变化时由于Co基非晶丝的GMI效应，其交流阻抗对外磁场强度的变化相当敏感，进而完成对非晶丝的励磁.

图3　多谐振荡电路原理图

图4　信号放大电路

2.3　信号放大电路

由于多谐振荡电路输出波形的幅值过小，无法用于后期处理，所以在多谐振荡电路后加入了放大电路. 如图4所示，运用OPA658P高新能运放芯片，将得到的微弱信号输入U1，通过R1调节OPA的参考电压从而进行放大，但经实验得出的信号并未放大到理想效果，因此通过U2进行再次放大，经过C1，C2和C3的滤波后，得出较为理想的方波信号.

2.4　电源电路

非晶丝钢板缺陷检测仪的电源电路主要由芯片LM2576D2T和LM1117IMP组成，具体电路图5所示. 电源电压为12 V，先由LM2576降至5 V，这里使用SS34、电感、电容输出电压进行稳压，输出的电能再向系统部分原件供电，保证系统正常运作的同时，另一部分通过LM1117，将电压降到3.3 V后，来对探头进行供电.

(a) 12 V-5 V降压

(b) 5 V-3.3 V降压图5　电源降压电路图

3非晶丝钢板缺陷检测仪的软件设计

非晶丝钢板缺陷检测仪的软件设计是基于STM32F103ZET6(STM32)的库开发方式[6]，具体设计架构如图6所示. 首先利用STM32中定时器对输入信号通过输入捕获的方式得出输入信号的周期，经过计算频率测算误差为10-4，将结果代入拟合出的裂缝与周期的关系式从而得出裂缝的测算结果，同时将周期与系统内的生成尖峰的波形公式进行处理，将结果发送到LCD屏. 通过EXTI外部中断对系统进行终端操作，在终端中既可对系统阀值进行修改，以适应不同的工艺要求，还可对系统进行暂停处理，以便数据记录.

图6　软件设计架构

4非晶丝钢板缺陷检测仪的性能测试

被测试件选用45号钢制作，在试件上做出宽1.2 mm， 深2~21 mm的缝隙， 励磁装置紧贴试件，以避免励磁装置与试件之间漏磁对实验结果产生干扰. 从裂缝左侧向裂缝右侧移动，得出如图7所示探头距裂缝的距离与波形周期的关系. 当探头距离裂缝最深处越近，漏磁对探头的影响就越大，从而多谐振荡电路产生的方波的周期的变化量就越大，当探头到达裂分最深处时，方波周期的变化量将产生峰值，因此可通过测得峰值来计算出裂缝的深度.

经多次试验对非晶丝钢板缺陷检测仪进行了标定：

1) 测量裂缝的深度大于3.4 mm，宽度大于0.05 mm，长度大于10 mm；

2) 功率为9.17 W；

3) 最大扫查速度为1.35×10-1mm/s.

图7　探头距裂缝的距离与波形周期的关系

5结束语

设计了基于Co基非晶丝以及STM32微处理器的钢板缺陷检测仪. 该仪器利用Co基非晶丝的巨磁阻抗效应，采用多谐振荡电路产生周期可随磁场强弱变化的方波信号，进一步通过STM32微处理系统对信号进行处理和后台计算，从而实现裂缝检测. 该仪器具有低功耗、灵敏度高、便于携带的特点，同时利用STM32微处理器进行信号处理，有利于该检测仪添加外设和系统升级.

致谢：哈尔滨工业大学材料学院孙剑飞教授课题组为我们提供非晶丝材料.

参考文献：

[1]张忠远. 基于交直流复合磁化的储罐钢板漏磁检测技术研究[D]. 厦门：厦门大学, 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,郑军,康宜华,等. 用漏磁探伤法在线检测钢管管缝信号[J]. 钢管,1993(1):11-14.

[6]孙书鹰,陈志佳,寇超. 新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J]. 微计算机应用, 2010(12):59-63.

[责任编辑：郭伟]

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

作者简介：刘鹏(1994-)，男，天津人，天津工业大学理学院应用物理学专业2012级本科生.

收稿日期：2015-10-29；修改日期：2015-11-12

中图分类号：TM937.1

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)02-0033-04