基于H 桥的磁性法应力检测装置设计与开发

葛安凤，任旭虎，冯阳，刘松卓，王智敏

（中国石油大学（华东）海洋与空间信息学院，山东青岛 266580）

在现代石油工业领域，铁磁材料使用十分广泛，常见的管道、罐体等均由铁磁材料构成[1]。铁磁材料在长期工作过程中不可避免会产生缺陷、损伤等问题，这些问题通常集中在应力聚集区域，长期积累可能会使应力集中区域发生形变，进而导致构件失效问题，引发安全事故[2-3]，因此对管道、罐体等铁磁材料进行应力分析及评估至关重要。目前，常用的无损检测方法包括巴克豪森效应法、金属磁记忆法以及基于磁滞回线的应力检测法[4]。其中，基于磁滞回线的应力检测法不仅能够探测出试件的宏观缺陷，更能有效预测材料的应力集中区域，因此，该方法已经被越来越多的研究人员所重视，逐渐发展成主流的应力检测法。

目前，基于磁滞回线的应力检测法大多采用线性电源作为磁场供电电源，其效率非常低而且体积庞大，检测现场不易携带，加上线性电源的输入电压范围比较窄，通常为200～240 V[5-6]，因此在实际应用中有诸多限制。

针对上述问题，依据法拉第电磁感应定律，设计并开发了一套基于全桥逆变电路的磁性法应力检测装置。磁场激励部分采用效率高、体积小且方便携带的开关电源。该装置能够准确测量出试件的磁滞回线并计算出矫顽力、剩磁等磁特性参数，从而对被测试件进行应力评估分析。

1 铁磁性材料应力检测原理

1.1 应力与磁滞回线的关系

磁滞回线能反映材料的性能以及各种磁特性参数，铁磁性材料在制作加工或工程应用中受到各种应力的作用，导致材料内部的磁畴结构发生改变，从而改变了磁滞回线的形状[7-8]。当材料受到拉应力作用时，磁滞回线会变长变细，矫顽力变小，如图1 所示。基于应力对铁磁性材料的影响，可通过测量材料磁滞回线间接测量材料应力集中区域，实现铁磁性材料在应力状态下的力学性能评估。

图1 磁滞回线

1.2 磁滞回线检测原理

实验采用U 型探头作为检测探头，探头为硅钢材质，一端缠绕激励线圈，另一端缠绕感应线圈，与被测试件构成闭合回路。将大功率电流信号接入激励线圈，对整个回路进行交流磁化，回路产生交变的磁场，由于闭合回路的电磁感应定律，感应线圈一端产生感应电动势。经过理论分析，磁场强度与激励电流强度成正比关系，回路的磁通量与感应电动势的积分成正比关系[9]，因此采集激励电流信号和感应电动势积分后的信号即可绘制出完整的磁滞回线。

2 装置总体方案设计

铁磁性材料磁滞回线测量系统主要由硬件电路和软件系统组成。硬件电路包括磁场激励电路、感应信号调理电路，磁场激励电路包括逆变电路和采样电路。软件系统主要基于STM32F103RCT6 的嵌入式程序开发和USART HMI 的串口屏开发。STM32F103RCT6 主控芯片的主要功能是波形产生、信号处理、通信交互等。USART HMI 的串口屏模块主要功能为显示和控制，包括磁滞回线和矫顽力的显示、控制激励信号输出。系统总体设计框图如图2所示。

图2 总体设计框图

3 系统硬件电路设计

根据系统总体设计方案，系统主要分为硬件和软件两部分，首先是硬件电路的设计，硬件电路分为磁场激励模块和感应信号调理模块。磁场激励模块是硬件电路的核心，由前述可知，测量材料的磁滞回线需要对试件进行磁化，对激励线圈通入大功率电流信号，使闭合回路产生交变强磁场，达到对被测试件充分磁化的作用。文中提出了一种新型交流励磁技术，利用全桥逆变电路，将直流电转换成频率和幅值都可任意调节的交流电，使被测试件达到充分饱和磁化。

3.1 逆变电路

磁场激励模块主要包括逆变电路、驱动电路和电流采样电路。其中，逆变电路是整个信号激励模块的核心。逆变电路的基本原理是利用驱动电路输出的SPWM 信号控制MOS 管的通和断[10]。电路主要由四个功率开关管组成，结构如图3 所示。当Q1 和Q4导通时，Q2 和Q5 关断，流过线圈的电压为正；当Q1和Q4 关断时，Q2 和Q5 导通，流过线圈的电压为负。Q1、Q4 和Q2、Q5 交替导通，从而在负载上实现将直流电源转换成交流电源。逆变电路有全桥逆变结构和半桥逆变结构。相对于半桥电路，全桥电路输出效率高、开关损耗小，更容易控制[11-12]，因此，设计采用全桥逆变的方式。

图3 逆变电路设计图

在逆变电路之后加LC 滤波电路。滤波电路的作用有两个：一是还原大功率SPWM 信号，最终生成大功率正弦信号；二是逆变电路输出的波形中包括很多高次谐波，LC 滤波电路可以滤除这些高次谐波信号。

3.2 全桥驱动电路

由于单片机的驱动能力有限，且带负载能力极弱，输出的SPWM 信号无法控制MOS 管的导通和关断，因此，引入驱动电路对控制信号进行放大，使其驱动MOS 管[13]。全桥MOS 管的驱动电路如图4 所示，采用IR2110 驱动芯片可以实现一组电源对MOS管上下两端的控制，并对SPWM 信号进行放大，最终驱动MOS 管的通断。MOSFET 的高压区很容易通过驱动电路对单片机的控制电路形成干扰，所以在驱动电路与单片机的控制电路之间使用光耦隔离芯片HCPL-4504 进行隔离。

3.3 电流采样电路

传统的采样电路是在激励回路中添加采样电阻，采集采样电阻两端的电压信号，但是采样电阻会消耗一部分有功功率，无法达到高效率输出，因此该设计采用霍尔电流传感器采集信号。经先导实验测试，选用ACS724LLCTR-10AB 霍尔传感器，传感器采用+5 V 供电，原边可测幅值为-10～+10 A 的电流，传感器输出的电压信号与原边电流信号成比例关系，灵敏度为200 mV/A[14]。传感器利用霍尔效应将大功率电流信号转换成小电压信号，再经过RC 滤波和分压最终信号在0～3.3 V 之间进入单片机的AD 部分，电路设计如图5 所示。

图4 驱动电路设计图

图5 电流采样电路设计图

3.4 感应信号调理电路

激励电流在回路产生交变磁场后，感应线圈端会产生交变感应电动势，感应电动势与回路的磁感应强度呈积分关系。利用RC积分电路的特性，选取电阻R为100 kΩ，电容C为0.1 μF。感应电动势经过RC电路输出的信号刚好能产生90°相移并衰减接近20 倍，积分后的信号与磁感应强度信号成正比关系。将此信号经过跟随器、加法器，再经过RC滤波后信号在0～3.3 V 之间进入单片机的AD 部分。电路设计如图6 所示。

图6 调理电路设计图

4 系统软件程序设计

根据系统的总体设计方案，基于H 桥的磁性法应力检测装置软件控制系统主要由STM32 嵌入式控制程序和HMI 串口屏程序组成。基于STM32 嵌入式控制程序由KEIL 5 MDK 软件编写，主要实现SPWM波形产生、输出电流电压采样、PI 控制算法以及信号计算处理等。HMI 串口屏由串口屏界面开发软件USART HMI 实现，主要包括磁滞回线的显示和控制激励信号的输出。

4.1 STM32嵌入式程序设计

基于STM32 嵌入式控制程序设计，主要功能是通过单片机完成对检测装置硬件系统的协调控制。具体的工作流程如图7 所示。

系统上电后，首先对各个模块进行初始化，包括I/O 口、中断、串口等的初始化，单片机等待HMI 串口屏的指令。当单片机接收指令后，对定时器进行初始化并生成SPWM 参考波形，将SPWM 波接入逆变电路，生成大功率正弦信号对试件进行交流激励。当单片机再次接收到来自串口屏的指令后，单片机内部两路ADC 对电流信号和感应电压信号进行同步采集，经过计算后在串口屏显示被测试件的磁滞回线和矫顽力。

图7 系统工作流程图

4.1.1 SPWM中断控制程序

SPWM 中断程序是控制逆变电路实现的关键，主要根据反馈情况改变SPWM 波的参数，对逆变电路实现闭环控制。中断控制流程如图8 所示。在中断子程序中，将查表法获取的电流参考值和AD 采样中断程序获取的实际值进行比较，对两者误差进行PI 运算，计算出调制比。根据PI 运算结果对SPWM信号占空比进行调节[15]，完成对比较寄存器值的更新，以此改变SPWM 波形，实现输出恒流。

图8 SPWM中断程序流程图

4.1.2 信号采样与处理程序

基于H 桥的磁性法应力检测装置软件控制系统为取得磁滞回线和矫顽力数值，利用单片机内部两路ADC 通道完成对激励电流信号和感应电压信号的采集。以激励电流信号作为横坐标，感应电压信号作为纵坐标，将数据发送到串口屏完成磁滞回线的显示。磁滞回线中纵坐标为零时横坐标的值，即矫顽力，将矫顽力通过串口通信发送到串口屏显示。信号采样与处理程序流程图如图9所示。

图9 信号采样与处理程序设计流程图

4.2 HMI串口屏程序设计

该设计采用淘晶驰公司研发的TJC8048T070_011型号的串口屏作为人机交互设备，并利用USART HMI 软件作为串口屏开发环境。设备封装好底层功能以后，串口屏内部自带处理器和通信模块，通过串口与单片机进行交互[16]，主要在操作界面控制单片机SPWM 信号的输出、显示磁滞回线、矫顽力等。

5 系统测试与分析

为了验证该设备的可靠性和准确性，根据系统的设计方案完成对各个模块的设计，并在实验室搭建实验环境，对各个模块进行测试与校准。测试完成后对模块进行装载封装，最后进行整体调试。

5.1 输出效率测试

为了比较该设备与线性电源的输出效率，采用传统的线性电源作为激励源，利用不同阻值的电阻作负载。要求输出信号频率为30 Hz，有效值为3 A。计算负载的输入功率和输出功率，从而分析两种电源的输出效率。开关电源效率测试和线性电源效率测试结果分别如表1、2 所示。

表1 开关电源效率测试

从实验数据可以看出，在不同阻值的负载下，开关电源的效率远远高于线性电源，这是因为在输出较大工作电流时，线性电源调整管上损耗较大的功率，导致输出效率低。而开关电源的功率器件工作在开关状态，利用电感线圈临时储存能量，损耗小，效率高。基于该系统的设计需求，采用H 桥组成的开关电源更符合设计要求。

表2 线性电源效率测试

5.2 激励参数的选定

为了使被测试件达到饱和时激励信号的幅值和频率，选用Q235 钢作被测试件，其饱和磁感应强度约2.3 T。分别采用20、30、40、50 Hz 的电流频率对被测试件进行交流激励，绘制试件的磁滞回线如图10 所示。

从图10 可以看出，激励信号频率20 Hz 时，磁滞回线产生畸变，这是由于激励信号频率过低，感应电压输出的频率也很小，调理电路无法对感应电压进行完整的积分运算，感应信号发生了畸变。当激励信号频率越高时，磁滞回线趋于椭圆，这是由于材料在磁化过程中磁滞损耗和涡流损耗明显增加，加上趋肤效应的影响，频率过高会影响探测试件的精度和深度。综合分析，最终选择频率30 Hz 作为激励信号的频率。

选定激励信号频率以后，计算能使被测试件达到饱和时的电流，分别采用1、2、3、4 A 的幅值电流对试件进行激励，观察试件的磁滞回线，如图11 所示。由图可知，当电流幅值为3 A 时，试件的磁感应强度已达到饱和，电流幅值再增加时，磁感应强度几乎不再增加。经过多次测试，在输出电流幅值为3 A，有效值为2.12 A 时，试件能充分达到饱和。最终通过调节SPWM 的占空比信号，确定最终激励电流幅值为3 A，频率为30 Hz。

5.3 实验数据与结果分析

为了验证该设备测量结果的准确性，分别使用文中自研的应力检测装置与乌克兰SSE 公司生产的KRC-M2 矫顽力检测装置对试件进行磁化和测量。选择两块不同材质的试件，接入该装置，用该系统测量磁滞回线和矫顽力。将测量结果和KRC-M2 矫顽力检测装置的测量结果作对比，该装置磁滞回线测量结果如图12 所示，矫顽力测量结果如表3 所示。

由图12 和表3 分析可得，该装置能准确测量出试件的磁滞回线和矫顽力，实现了通过测量试件的磁滞回线反映试件的应力，具有一定的可行性。

图10 不同频率下的磁滞回线时域图

图11 不同幅值的磁滞回线时域图

6 结论

图12 试件1和试件2的磁滞回线

表3 矫顽力测量结果对比

为了研究铁磁性材料受损伤时磁滞回线以及磁参数的变化，文中利用铁磁性材料的磁化原理，开发了一套基于H 桥的磁性法应力检测装置。通过主控芯片STM32 产生载波频率、占空比可调的SPWM 波，经过逆变电路产生大功率电流信号使被测试件达到饱和，并开发软件控制程序实现了对信号的处理与分析。实验结果表明，该设备能检测被测试件的磁滞回线，获得矫顽力等磁参数，经过优化处理可作为检测材料早期损伤的依据。