硕士学位论文-新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制.pdf

学校代码：10254 密 级： 论文编号： 上海海事大学 SHANGHAI MARITIME UNIVERSITY 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 MASTER DISSERTATION 论文题目：论文题目： 新型牵引新型牵引式金属磁记忆式金属磁记忆 探伤装置研制探伤装置研制 学科专业：学科专业： 检测技术与自动化装置检测技术与自动化装置 作者姓名：作者姓名： 徐斌徐斌 指导教师：指导教师： 顾伟顾伟 教授教授 完成日期：完成日期： 2010 年年 6 月月 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 论文独创性声明论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 论文使用授权声明论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名： 导师签名： 日期： 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 i 摘摘 要要 在工业快速发展的 21 世纪，电磁无损检测(弱磁场)的测量在工业生产安全检测 等各领域起着越来越重要的作用。电磁无损检测测量方法及操作的繁简程度、仪器 性能指标的好坏及性价比的高低，直接关系到电磁无损检测仪器的实用性和可推广 性。因此，研究和开发稳定性和可靠性好、精度高、使用方便简单的新型电磁无损 检测仪器具有重要的意义。 本文在研究磁通门技术及金属磁记忆测量原理的基础上研发了一种 MSP430 单 片机为主控单元， 以太网通讯技术、SPI 串行总线，三端式双轴磁通门传感器相结 合的金属磁记忆探伤仪，为工业无损检测提供了更简便，准确的测量手段。磁通门 传感器和红外光敏开关采集的数据以 SPI通信方式传输给单片机进行数据处理及换 算，然后利用以太网将测量数据发送到的上位机进行数据处理。试验数据表明，本 磁场检测仪的各项性能优良，其分辨率达到了 1 nT，测量范围为 0100000 nT， 测量精度为 1%，稳定性为2nT/2h，金属伤痕位置测量能够准确测得伤痕位置， 其误差为 1mm，达到了设计指标，满足了金属电磁无损探伤测量的要求。 论文第一章阐述了磁测应力技术和金属磁记忆法及磁传感器的发展概况，重点 介绍了金属磁记忆法的发展状况。在第二章中，深入分析检测仪的核心部件磁 通门传感器的工作原理和数学模型及金属探伤方法金属磁记忆法的测量原理 及模型。第三章介绍金属磁记忆探伤仪硬件平台的设计方案，简要分析了为准确测 量金属伤痕位置和磁测信息及精确提取磁通门二次谐波信号采取的特别措施。第四 章详细分析了检测仪的硬件结构、各功能模块的功能、特点及其实现形式。第五章 简要介绍了检测仪嵌入式软件的设计与实现。第六章对研制完成的检测仪进行了试 验，设计了各项技术指标的考察方案和判据，列举出了试验数据并作了的分析，对 检测仪的总体性能指标进行了考核，且经行了实际探伤测试。第七章总结了本文的 创新点，分析了不足以及对课题的展望。 关键关键词词：金属磁记忆，磁通门，信号调理，SPI，以太网通讯 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 ii Abstract With the rapid development of industry in the 21st century, electromagnetic non-destructive testing (weak magnetic field) measurement in industrial production and other areas of safety testing is playing an increasingly important role. Measurement of electromagnetic nondestructive testing method, operation of the degree of sophistication and equipment performance and cost-effective level of good or bad, is directly related to electromagnetic nondestructive testing equipment availability and reliability. Therefore, it is significant and necessity to research and develop high precision and sensitivity, good stabilization and easy handle measurement of the new type of electromagnetic nondestructive testing equipment. After researching the fluxgate magnetic technique and metal magnetic memory, a magnetic measurement instrument is described in this paper. The metal magnetic memory detector is based on MSP430 single-chip microcomputer and made up of Ethernet communication, SPI serial bus, three terminal dual-axis fluxgate sensor. It provides a more convenient and accurate measurements for Industrial non-destructive testing. Collection data of fluxgate sensor, photoelectric switch were transferred to single-chip microcomputer through SPI interface and processed. Then these data were transferred to Data Processing Center Computer through Ethernet. Experiment data indicate the performance of the ocean geomagnetic field detection instrument has reached the leading domestic level, its resolution arrives at 1 nT, its measurement range is 0100000 nT , its precision is 1%FS, stability is 2nT/2h. Metal wound position measurement can be accurately measured wound location and the error is 1mm, achieving the design specifications, meeting the electromagnetic nondestructive testing of metal measurement. In this paper, the development state of Magnetic stress technologic and metal magnetic memory technology and magnetic sensors are reviewed in the Chapter I. In Chapter II, it show the working principle of fluxgate sensors , its mathematical models, which is the most important part of the detection instrument, and Metal magnetic memory method of measuring principle and model. In 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 iii Chapter III, hardware platform design scheme of metal magnetic memory detector was introduced. Then the especial measure was briefly analyzed in order to adapt the special condition and long-distance transfer. In Chapter IV, the hardware structure of detection instrument, each modules function, characteristic and its realization are described in detail. In Chapter VI, some experiment schemes and criterions were taken to examine each technical index of the detection instrument, and be taken to the actual testing. Experimental data were enumerated and analyzed particularity. In Chapter VII, the innovation of this dissertation is summarized, and the defect is also indicated. At last the further improvement is proposed. Xu Bin Directed by Prof. Gu Wei KEYWORDS: metal magnetic memory, fluxgate, signal conditioning, SPI serial bus, Ethernet 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 iv 目目 录录 摘 要. i Abstract. ii 第一章 绪论. 1 1.1 电磁无损检测概述. 1 1.2 磁测应力技术发展. 2 1.2.1 磁测应力技术常用方法. 2 1.2.2 金属磁记忆法发展及优点. 3 1.2.3 金属磁记忆法常用仪器. 5 1.3 测磁传感器发展 5 1.4 课题研究意义及主要研究内容. 7 第二章 金属磁记忆检测基本原理. 9 2.1 金属磁记忆基本原理. 9 2.1.1 磁记忆效应 10 2.1.2 应力集中区漏磁场数学模型 11 2.2 磁通门基本原理 13 2.2.1 双磁芯磁通门信号的数学模型 14 2.2.2 三端式磁通门原理 16 2.3 本章小结 . 18 第三章 金属磁记忆探伤仪的总体设计及关键技术 20 3.1 金属磁记忆探伤仪的功能要求及性能指标 . 20 3.1.1 功能要求 20 3.1.2 性能详细指标 20 3.2 金属磁记忆探伤装置的总体技术方案 20 3.3 金属磁记忆探伤仪的关键技术 . 22 3.3.1 磁记忆三端式双轴磁通门传感器设计及安装. 22 3.3.2 磁通门传感器的信号调理. 23 3.3.3 获取测距信息 25 3.4 本章小结 . 26 第四章 金属磁记忆探伤仪的硬件电路设计 27 4.1 电源模块 . 28 4.1.1 5V 电源电路 . 28 4.1.2 3.3V 及-2.5V 电源电路. 28 4.1.3 2.5V 标准参考电压电路 29 4.2 磁通门信号调理电路 . 30 4.3 主控单元及外围电路模块 . 31 4.3.1 时钟及复位电路 33 4.3.2 20KHz 方波产生电路 34 4.3.3 调试及测试接口电路 35 4.4 磁通门信号 A/D 转换模块 . 36 4.4.1 磁通门信号 A/D 转换模块的硬件电路 36 4.4.2 AD7710 芯片概述 . 37 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 v 4.4.3 AD7710 结构及工作原理 . 38 4.5 以太网通信模块 . 41 4.6 测距信息采集模块 . 42 4.7 PCB 抗干扰设计 43 4.8 本章小结 . 45 第五章 金属磁记忆探伤仪的软件开发 46 5.1 IAR Systems 集成开发环境简介 46 5.2 检测仪嵌入式软件的设计 47 5.2.1 金属磁记忆探伤仪的主程序流程 47 5.2.2 SPI 总线接口初始化 48 5.2.3 以太网通信的软件设计 50 5.3 人机界面设计 . 51 5.4 本章小结 . 51 第六章 试验及数据分析 52 6.1 磁场测量精度及量程试验 52 6.1.1 测量精度的定义及试验方法 52 6.1.2 测量精度的判据及试验结果 53 6.2 磁场测量分辨率测试 54 6.2.1 分辨率的定义及试验方法 54 6.2.2 分辨率的判据及试验结果 55 6.3 磁场测量稳定性测试 55 6.3.1 稳定性的定义及试验方法 55 6.3.2 稳定性的判据及试验结果 56 6.4 实际探伤测量测试 . 57 6.4.1 待测金属管的探伤测试 57 6.4.2 双轴磁场测量数据结论 60 6.5 本章小结 . 61 第七章 总结及展望 62 7.1 总结 . 62 7.2 展望 . 62 7.2.1 传感器小车全自动化移动及获取横向移动距离信息 62 7.2.2 对环境干扰磁场的消噪 63 致 谢. 64 攻读学位期间发表的论文. 65 参考文献. 66 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 1 第一章 绪论 无损检测 NDT(Non-destructive testing)，就是利用声、光、磁、电等物理特性， 在不损害或不影响被检对象物理结构和使用性能的前提下，检测被检对象是否存在 缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象 所处技术状态(如合格与否、剩余寿命等)的所有技术手段的总称。在二十世纪中期， 无损检测在现代化工业大生产促进下，建立了以射线检测(RT)、超声检测(UT)、磁 粉检测(MT)、渗透检测(PT)和电磁检测(ET)五大常规检测方法为代表的无损检测体 系。随着现代科学技术的不断发展和相互间的渗透，新的无损检测技术不断涌现,新 的无损检测方法层出不穷。电磁检测体系在当代得到蓬勃发展，在二十世纪末开创 的金属磁记忆方法使工业电磁无损探伤能力再次得到加强，丰富了电磁检测的手段 与检测对象1-2。 1.1 电磁无损检测概述 无损检测技术的基础是物质的各种物理性质或它们的组合以及与物质相互作用 的物理现象。电磁检测是以电磁基本原理为理论基础的无损检测方法，其在工业控 制，安全检测领域起着关键性作用。在过去的百年间，电磁检测发展迅速，一次次 的技术革新使其成为工业检测中一个重要的无损检测体系3-5。 从 20 世纪 30 年代起，在工业检测中开始用磁粉检测方法来检测车辆的曲柄等 关键部件，以后在钢结构件上广泛应用磁粉探伤方法，使磁粉检测得以普及到各种 铁磁性材料的表面检测。 经典的电磁感应定律和涡流电荷效应的发现，促进了现代导电材料涡流检测方 法的产生。1935 年第一台涡流探测仪器研究成功。20 世纪 50 年代初，德国科学家 霍斯特发表了一系列有关电磁感应的论文，开创了现代涡流检测的新篇章。 进入 20 世纪末期，以计算机和新材料为推动力，促使电磁无损检测技术得到进 一步发展，例如，磁各向异性检测技术，微波法等。随着电磁测量新理论的发展， 由磁各向异性检测技术发展而来的金属磁记忆检测将获进一步的提升。目前无损检 测技术正向更高层次的无损评价方向发展。 目前常用的电磁测量方法包括：涡流法、磁粉法、漏磁法、微波法、电流扰动 法、巴克豪森噪声法和近年来兴起的磁记忆检测方法等。其可以对各种新型滋性材 料性能的进行测定，研究物质的磁性效应及其磁比结构，以及磁效应在生产与科学 中的应用，如勘探、诊断、探伤等。此外，“非磁量的磁测法”的兴起，对磁测量 提出了一系列前所未有的新课题，与此同时，物理学的近代成就，如约瑟夫逊效应， 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 2 法拉弟效应，光泵，核磁共振，电子顺磁共振等等又给磁测量提高其精密程度提供 了极大的可能性。因此，电磁无损检测的发展将会成为工业技术安全及发展的重要 检测手段。 1.2 磁测应力技术发展 针对不同的对象、不同的要求和不同的环境，测量磁场的原理和方法可以千差 万别，所使用的仪器也不尽相同。 1.2.1 磁测应力技术常用方法 金属结构的各种微观缺陷和局部应力集中，是导致机械结构和设备失效乃至发 生事故的重要原因。并目疲劳损伤的发展往往也与应力集中密切相关。特别是对导 致损伤的临界应力改变状况进行测量与分析，进而防止重大事故发生，具有重大的 社会效益和经济效益。对于金属残余应力无损检测主要包括衍射法、超声波法、磁 性法、电子散斑干涉法、金属磁记忆法。其中国内外常用的基于磁测的方法有磁性 法，金属磁记忆法，磁各向异性检测技术，涡流检测法和巴克豪森磁噪声法等。 1)磁性法 磁性法利用磁致伸缩效应来测定应力，当应力变化时，由于物体的伸缩引起磁 路中磁通的变化，并使感应器线圈的感应电流发生变化，由此变化可以测出应力的 变化。它的最大特点是测量速度快，非接触测量，适合现场，但测试结果受很多因 素影响，可靠性和精度差，量值标定困难，对材质较敏感，且仅能用于铁磁材料。 磁性法都是需要外部激励磁场来工作，因此带来了磁化不均匀、设备笨重、消耗能 源、剩磁和磁污染等问题。 2)金属磁记忆法 这是一种新型的无损检测方法。处于地磁环境下的铁制工件受工作载荷的作用， 其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的取向，并在地磁环境中 表现为应力集中区局部磁异常，形成所谓漏磁场，并在工作载荷消失后仍能保留， 这是磁记忆检测的物理基础。磁记忆无损检测方法就是在这种情况下检测出应力与 变形集中区形成最大的漏磁场 HP的变化。即磁场的切向分量 HP(x)具有最大值，而 法向分量 HP(y)改变方向并有零值点。 这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继 续保留，从而通过漏磁场法向分量 HP(y)的测定，便可推断工件的应力集中区。 3)磁各向异性检测技术 磁形状各向异性检测原理：对于非球形对称的物体，磁化在不同方向时，退磁 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 3 场及退磁场能不同，称为磁形状各向异性。基于逆磁致伸缩效应的磁各向异性进行 应力测量的思想很早就被提出来了，但真正实用化研究还是近二十年的事，并且进 展较为缓慢。究其原因，主要有三个，一是目前对材料的磁本质还没有一个完美的 解释，无法从微观角度为磁测法提供充分的理论依据；二是由于传感器迭片材料的 取向、退火消除内应力的完善程度、迭片粘合时粘合剂的质量以及粘合时所加压力 等因素的不同，会使传感器出现参数离散性和零点输出等问题；三是对被检测对象 来说，任何一种型号的钢均有一定的成分波动，任何一种处理工艺也不可能使工件 各处组织与性能完全一致，而这些离散因素在检测时是难以限定的，致使传感器的 测量结果除了反映材料的应力状态外，往往还有可能反映材料的硬度等微观结构及 内部的微小缺欠，使得测量结果带有随机性。 4)涡流检测 涡流检测的英文名称是 Eddy Current Testing(ET)。工业上无损检测的方法之一。 给一个线圈通入交流电，在一定条件下通过的电流是不变的。如果把线圈靠近被测 工件，像船在水中那样，工件内会感应出涡流，受涡流影响，线圈电流会发生变化。 由于涡流的大小随工件内有没有缺陷而不同，所以线圈电流变化的大小能反映有无 缺陷。 涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法.它适用于导电 材料.如果我们把一块导体置于交变磁场之中,在导体中就有感应电流存在,即产生涡 流.由于导体自身各种因素(如电导率,磁导率,形状,尺寸和缺陷等)的变化， 会导致感应 电流的变化，利用这种现象而判知导体性质，状态的检测方法叫做涡流检测方法6。 5)巴克豪森磁噪声法 巴克豪森(Bai khause)噪声检测法。铁磁材料是由不同取向的小磁畴组成。在无 外界因素作用下，每个磁畴沿其易极化的结晶方向取向，其总体磁化效果为零。当 有外加磁场作用时，磁畴将沿其作用方向移动或反转，造成铁磁体的磁化不是连续 的，而是阶跃的。用传感器接受这种磁通阶跃，就得到了巴克豪森噪声信号，称作 巴氏杂信(Barkhausen NoiseBN)。巴克豪森噪声信号的大小与材料的硬度和应力有 密切关系。硬度下降，噪声 信号值增大；反之，噪声信号值减小。若测量区是拉应 力，噪声信号值增大；若是压应力，噪声信号值减小7。 1.2.2 金属磁记忆法发展及优点 金属的磁记忆检测 Metal magnetic memory(MMT)是利用金属磁记忆效应来检测 不见应力集中部位的一种快速无损检测方法。该方法对铁磁性不见由于疲劳、形损 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 4 伤而产生的微裂纹可进行早期诊断。 20 世纪 90 年代，俄罗斯学者 Doubov 教授率先提出利用加载铁磁构件中产生的 磁记忆效应可以检测构件表面的应力集中区。这种磁记忆检测技术可望准确、可靠 地探测铁磁构件以应力集中为特征的危险部件和部位，无疑是对金属构件进行早期 诊断的一种新的无损检测方法，因此，一问世便受到世界各国同行的重视，竞相开 展研究，并在电力、锅炉压力容器等部门开始了推广应用。 各国科学家对金属磁记忆检测做了大量试验，并利用标准缺陷试块进行定量分 析和对比。由于不同缺陷导致应力场不同，应力场的变化引起磁通量的变化。从裂 纹类缺陷应力场人手，通过建立裂纹缺陷应力场与磁通量变化之间的数学模型，描 述裂纹埋藏深度、宽度、走向、受力条件、外界磁场等不同条件下，磁通量变化的 规律。通过建立的理论模型分析和讨论，得出如下结论： 1）常规裂纹的磁通量变化的检测是建立在裂纹本身的应力场分析基础上， 并且磁记 忆检测能够反映应力集中的变化趋势； 2）通过建立一些常用材料在不同埋藏深度、宽度、倾斜度裂纹的磁记忆检测标准数 据，这些数据不仅包括磁通量峰值的变化规律，还包括磁通量变化区域的范围， 可以对照标准来确定裂纹的走势、位置，以及是否达到某种损害级别，为检测对 象的工况提供评判依据。 目前，磁记忆检测技术已经在俄罗斯、乌克兰、保加利亚、澳大利亚、波兰等 欧洲国家的锅炉压力容器及压力管道强度和可靠性诊断方面作为一种成熟的技术得 到大量应用，并在俄罗斯和欧盟已制定了相应的检测标准。 我国于 20 世纪 90 年代末期开始引进磁记忆检测技术和装备。在电力、航空、 石油、机械、铁道、造船、石化、锅炉压力容器等工业部门，已有数十个单位在从 事关于磁记忆检测技术的研究和推广应用工作。 例如： 对各种用途管道(包括电站汽、 水管道和油管道等)的早期诊断，可以检验管道外表面和管道金属内部的应力分布状 态，以达到早期诊断的目的；对锅炉受热面管子的磁记忆检测，可以查到具有破坏 倾向的管段，可以发现超温运行的管子，确定内壁有腐蚀坑及内壁积垢的水冷壁管 段，发现应力集中部位；对汽轮机叶片的应力状态检查和紧固螺栓的磁记忆早期诊 断，做出相应的危险评估，以防止意外事故的发生；在压力容器对接焊缝使用磁记 忆检测，可以在不停车的状态下进行，并能及早发现缺陷，找到应力集中部位，及 时采取措施8-9。 与现有的无损检测方法相比较，磁记忆检测技术具有突出的优点。 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 5 1） 常规的无损检测方法如射线、超声、涡流、磁粉、渗透等技术都只能检测到已 形成的宏观缺陷，而磁记忆检测方法不仅能检测缺陷而且能反映出部件上的应 力集中区域。因在腐蚀、疲劳、蠕变过程中，应力集中区域最易出现微观缺陷 而成为构件的危险部位，因此，检测出这些部位进行针对性地预防，具有重要 的实际意义。 2） 与其他漏磁检测方法相比，金属磁记忆检测技术检测的是铁磁部件在地磁场环 境中服役时的自发磁化信号，不需要专门的激励磁场。检测设备体积小，操作 方便。 3） 磁记忆检测方法检测时探头可采用非接触方法，不需要对铁磁材料表面进行清 理，构件表面的铁锈、油污、镀层等不会影响检测效果，很适于现场检测。 4） 磁记忆检测设备检测灵敏度高于其他磁性方法，提离效应影响小，测试结果重 复性和可靠性好，检测速度快。 1.2.3 金属磁记忆法常用仪器 目前国内常用的金属磁记忆仪器为由厦门爱德森电子有限公司主产， EMS-1000、EMS-2000 型智能磁记忆诊断仪，以及集金属磁记忆与涡流检测于一体 的 EMS-2003 型诊断仪， 可对在役设备由于材料不连续性(缺陷)而导致的应力集中进 行快捷的检查。他们的传感器采用霍尔原件。由霍尔磁感应传感器阵列扫描工件表 面，传感器把测得的磁信号转换成电压信号，经过放大滤波后，由多路开关选通后 进入 A/D 转换模块经 A/D 转换的信号通过 I/O 接口和总线与 CPU 系统相连，经 过软件处理后送到显示器显示。仪器采用独特的显示方式，能够直观地再现应力集 中的位置。清华大学无损检测中心研制的磁阻检测系统，传感器的检测灵敏度达到 1 10-9 T 模拟/数字采样精度为 16 位，对环境 50Hz 工频噪声的抑制比100dB，检 测数据输人计算机后用软件处理，在微机上建立数据库。金属的磁特性可以体现出 机械设备中每一个部件的特性，依据每一台设备的整体特点，允许更有效地解决部 件、设备的寿命测定，按实际状况进行检修，保证设备的可靠性和耐久性10-11。 1.3 测磁传感器发展 测磁传感器的发展有着悠久的历史，我国首先发现了磁石的指极性，并据此原 理发明了指南针开始，磁效应技术就伴随着人类的发展，对科学技术有着重要的推 动作用。 20 世纪 30 年代初，出现了利用磁性材料自身的磁饱和特性来测量外界磁场强 度的磁通门传感器。磁通门传感器是一种磁方位传感器，它的制作工艺简单、性能 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 6 可靠，能耗低，体积小，对环境要求不苛刻，是目前应用最广泛的弱磁测量仪器之 一。 磁场测量技术的发展与自然科学、电子技术、机械加工以及材料学等学科的进 步紧密相连，例如，霍尔效应早在 1897 年就已被发现，但是由于受到材料的限制， 直至 1959 年才制成第一个商品化的霍尔器件，而到 1960 年仅一年多时间里就发展 成近百种。其他如磁阻效应器件和磁敏器件等也有很大进步。1930 年出现了磁饱和 法的磁场测量仪器；1931 年，Thomas 申请了磁通门传感器的第一项专利；1963 年， 哈尔滨电工仪表研究所试制了 CC2 型直流冲击法测磁装置；1975 年，利用强磁合金 薄膜中的磁敏电阻各向异性效应原理设计的强磁合金薄膜磁敏电阻器面世。同时， 近年来由于激光和光导纤维技术的发展，利用磁光效应测量磁场的优越性也越来越 明显12-13。 另外，现代物理学的成就，使得以原子内部的参数为基准来绝对准确地测量磁 场成为可能，从而彻底改变了经典的磁场测量的概念。1946 年，随着核磁共振 NMR(Nuclear Magnetic Resonance)现象被发现， 磁场测量的准确度达到了 10-6T； 1963 年P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测证实了超导隧道效应(electron tunneling effect) 的存在，从而使磁场测量的下限达到 10-15T。超导量子干涉装置(SQUID)是典型的高 温超导测磁仪器， 是目前发现的最灵敏的磁感应元件13， 可以测出比脑磁场还弱 100 倍的磁场。另据俄罗斯科学信息社报道，俄罗斯科学院固体物理研究所电动力 学研究室成功研制出世界首台超导低温磁场测量装置。该装置主要由两部分组成： 一部分是固定的、内部带有超导螺线管的低温磁场箱；另一部分是能够移动的、内 部可以放置测量样品的装置。使用该装置能够研究温度从 0.3K 到 300K 范围内的超 导性质。据悉，俄科研人员利用该装置已经获得了能够解释高温超导本质的重要成 果。有关专家指出，超导低温磁场测量仪在今后低温超导和室温超导研究方面具有 重要应用价值。 磁传感器的发展在 20 世纪 70-80 年代形成高潮， 90 年代是已发展起来的这些传 感器的成熟和完善时期。这些年来，由于采用了新的物理效应与器件，一些高灵敏 度的磁传感器被研制出来，而且伴随着电子技术、冶金工艺、机械加工、自动化技 术的发展，磁传感器的应用也越来越广泛，磁场传感技术向着高灵敏度、高分辨率、 小型化、智能化的方向发展。现今金属磁记忆法常用的磁传感器为磁敏传感器，磁 阻传感器，及霍尔元件(见表 1-1)14-15。 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 7 表 1-1 主要的磁传感器的比较 Table 1-1 Comparison of magnetic sensors 名称 工作原理 测量范围 主要用途 半导体磁敏电阻 磁敏电阻效应 10-31T 旋转和角度传感 磁敏二极管 复合电流的磁场调制 10-610T 位置和速度及电流电压传感 光泵磁力器件 赛曼(Zeeman)效应 10-610-3T 弱磁场的绝对检测 磁敏晶体管 集电极电流或漏极电流 的磁场调制 10-610T 位置和速度及电流电压传感 霍尔效应器件 霍尔效应 10-710T 磁场测量， 位置和速度传感， 电 流、电压传感等 金属膜磁敏电阻 磁敏电阻的各向异性 10-610T 磁读头、旋转编码器速度检测 磁电感应传感器 法拉第电磁感应效应 10-310-2T 磁场测量及位置和速度传感 核磁共振磁强计 核磁共振 10-1210-2T 磁场精密测量 磁通门传感器 材料的 B-H 饱和特性 10-1110-2T 弱磁场测量 超导量子干涉器件 约瑟夫逊效应 10-1410-8T 生物磁场检测 质子旋进磁力器件 氢质子在磁场中的旋进 现象 10-610-3T 弱磁场检测 1.4 课题研究意义及主要研究内容 随着嵌入式技术、微型机电系统 MEMS(Micro Electro-Mechanic System)技术、 数据传输通信技术的发展不断发展，测量仪器及系统迅速向电子化、数字化、自动 化、智能化的方向发展。本课题以金属磁记忆为基础来，采用三端式磁通门传感器， 来设计用于金属应力无损检测的新型的数字化、自动化、智能化检测仪器。 在以往的金属磁记忆探伤仪都是以霍尔元件与磁敏电阻元件为传感器设计测量 的，至今没有将金属磁记忆与磁通门技术相结合的先例。以往采用的磁敏元件或采 用霍尔器件传感器都共同存在着一个问题：传感器的测量精度最高只能探测到 10-7T，对极小的弱磁场变化反应不敏锐的缺陷。而本文采用的磁通门传感器是利用 材料的 B-H 饱和特性进行弱磁场测量，其测量范围在 10-1110-2T，能够有效的捕捉 极小的弱磁场的特征信号。且磁通门传感器具有结构简单，携带简便，价格低廉的 优点，在弱磁场和地磁场的磁场检测中占有重要地位。本课题意图开发一种结合磁 通门技术的金属磁记忆探伤仪，利用磁通门传感器实现对被测物件表面磁场测量， 使之成为上述金属磁记忆探测仪的有效补充，并为金属物件的无损探伤工作提供良 好的手段。 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 8 本课题设计的新型金属磁记忆探伤仪的应用范围能检测并确认金属表面应力集 中和缺陷的部位，如金属板，金属圆筒等。仪器能把数据记录到存储器，并可把数 据转录入计算机中。设计中以 MSP430 单片机为核心，三端式磁通门、数字式传感 器、以太网网络协议相结合的金属磁记忆无损探伤仪的设计与实现，具体研究工作 内容如下： 1） 分析金属磁记忆原理及磁通门原理，建立金属磁记忆法的测量数学模型及三端 式磁通门的测量数学模型。 2） 对于金属磁记忆无损探伤仪的技术需求进行分析，论证其关键技术，并提出能 够满足技术指标的系统方案。 3） 设计硬件电路，深入分析了金属磁记忆无损探伤仪硬件结构、各功能模块的功 用、特点及实现形式，并简要分析 PCB 板在设计上所采取的抗干扰措施。 4） 设计系统软件框架，划分软件模块，编写系统软件。 5） 对研制的金属磁记忆探伤仪进行性能测试及探伤实验。其性能能够满足技术指 标的要求，能够准确实现检测金属表面应力集中和缺陷的部位。 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 9 第二章 金属磁记忆检测基本原理 金属磁记忆测量技术是无损检测研究领域的一项专业性较强的测量技术。由直 接测得的磁场强度，获取金属物质磁场异变位置，从而实现无损探伤的目的。金属 磁记忆现象是一种普遍存在的“磁机械效应”现象，由增大的工作表面漏磁场“记 忆”着部件的缺陷或应力集中的位置，其“记忆”的效应被作为实现无损检测的手 段。磁通门技术有着广泛的应用，其检测目的简单，每个探头只能感测环境磁场在 其轴向的分量。 2.1 金属磁记忆基本原理 近几年迅速发展起来的磁记忆技术，在某种程度上就是利用铁磁性材料的磁致 伸缩效应进行的检测。该技术通过检测应力集中区域而发现疲劳裂纹或潜在疲劳裂 纹，是一种全新的无损检测手段，能够对磁性金属部件和构件安全性能进行早期诊 断，因而有着较广阔的应用前景，杜波夫和任吉林等对该技术进行了研究磁记忆技 术的应用在我国才刚刚开始，许多理论问题和实验现象十分复杂，因而目前有些问 题还存有疑问，如应力和地磁场如何产生磁记忆，各起什么作用，地磁场为何必不 可少以及磁记忆有无局限性等都有待深入研究。 铁磁性材料是无损检测的重要对象。当铁磁材料受外磁场作用、存在残余应力 或缺陷时，其磁性能和力学性能一般要发生变化。铁磁性材料的基本特点是自发磁 化和磁畴结构。当材料从高温状态降至居里点以下时，会产生自发磁化而形成磁畴。 磁畴是铁磁性材料一切磁特性的基础， 而磁畴的形成则是各种能量共同作用的结果。 其中交换作用是引起自发磁化的基础，磁晶和均匀应力的各向异性决定自发磁化的 方向，而退磁场和不均匀的应力分布则是形成多畴的原因。 铁制工件在运行时，受工作载荷和地球磁场的共同作用，在应力和变形集中区 域内会发生组织定向的和不可逆的重新取向，而且这种状态的不可逆变化在工作载 荷消除后不仅会保留，还与最大作用力有关。工件由于受工作载荷的作用，其残余 磁性会发生改变和重新分布，并在表面形成漏磁场，在应力与变形集中区形成最大 的漏磁场 Hp 的变化。这种磁状态“记忆”着微观缺陷或应力集中的位置，即所谓 的“磁记忆效应”16。 此时，表面漏磁场的切向分量 Hp(x)具有最大值，而法向分量 Hp(y)改变符号且 具有零值点。通过检测构件表面的宏观漏磁场即可以检测到待测金属内部应力集中 的存在及应力集中的程度。实际中通过漏磁场法向分量 Hp(y)的测定，便可以准确的 推断工件的应力集中区，见图(2-1)。 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 10 待测金属截面待测金属截面 NS应力集中线应力集中线 HP(y)=0HP(x)=max 图 2-1 磁记忆检测原理 Figure 2-1 Principle of magnetic memory testing 2.1.1 磁记忆效应 磁记忆效应是地球上普遍存在的一种自然现象。首先对磁记忆效应进行数学分 析，当磁体处在地磁场中，并假定仅受地磁场影响，则其偏磁场(铁磁体材料加一磁 场 Hk，并将其方向取作 z 方向)和磁化场就都为地磁场，因此铁磁体在不考虑温度影 响的情况下， 其内部的磁场强度、 磁感应强度和应力应变状态的磁致伸缩方程组(2-1) 中 B 由两部分组成。 dTB HB HdTBBB HdTSS T T H T HT tH (2-1) 式中 B，H 磁感应强度和磁场强度； S 应变张量； SH-H 一定时的柔性常数张量； T-T 一定时的磁导率张量； d- H 一定时的磁致伸缩应力常数张量； H T B d ； dt-d 的转置张量； 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 11 000 00000 00000 333231 24 15 ddd d d d d 中只有五个分量不为零，且有 d15 = d24，d31 = d32 = - 0.5d33 (等体积的线性磁致 伸缩)。 BH由地磁场 H 磁化产生，为常规的铁磁体磁化，不过磁导率 T 会有别于 T=0 时的磁导率 。 BT由应力 T 产生， 即由磁致伸缩逆效应产生。 当 H0， d0 时， BT 0， 该磁场泄漏到材料外面时，就成了磁记忆技术中的磁场。如果应力引起的磁场较强， 同时考虑到材料已经硬化，这样，即使外磁场去除(如工件转向和移动)后，由不可逆 磁化产生的磁场仍可存在，这就出现了磁记忆现象，原理上应相当于剩磁探伤法中 的剩磁场17-19。 由式(2-1)可知，地磁场产生的磁场 BH一只能有一个分量，即地磁场方向(z 向) 的分量，而磁记忆产生的磁场 BT可有三个分量(2-2) 3332311312 4152 5151 TdTdTdB TdB TdB T T T (2-2) 可以看出： 1） 不仅地磁场方向上有磁场，而且地磁场的垂直方向上也可有磁场。 2） 地磁场方向(z 向)的法向应力产生的磁场与应力同方向，其它方向的应力产生的 磁场与应力相垂直。 3） 法向应力产生的磁场与地磁场同向，而切应力产生的磁场与地磁场垂直。不过， xy 平面内(垂直于地磁场)的切应力不会产生磁场。 4） 对于等体积的线性磁致伸缩，有 d31 = d32 = - 0.5d33，同样大小的法向应力在地磁 场方向(z 向)时产生的磁场最强，是在其它方向产生磁场强度的两倍，且磁场方 向刚好与裂纹或潜裂纹方向垂直，(材料总是沿着与应力垂直的方向开裂)，因而 能够产生最强的磁记忆现象。 2.1.2 应力集中区漏磁场数学模型 从上述磁记忆现象分析可以得出在垂直裂纹方向能得到最强磁记忆现象。现在 用数学模型来说明这一现象。在待测物件由于受应力的作用时，其残余磁性会发生 改变和重新分布，并在表面形成漏磁场，在应力与变形集中区形成最大的漏磁场 Hp 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 12 的变化。我们从磁荷基本规律出发，建立泄漏磁场的数学模型：针对构件应力集中 区域或微观缺陷区域的特点，采用带磁偶极子模型来进行计算20-22。 假设空洞或应力集中区为一矩形槽，磁荷分布在槽的两壁形成带磁偶极子(图 2-2)，面密度ms视为常数。所以槽壁上宽度为 dy的面元在点 P 处产生的磁场强度 为23-26： 2 2 20 2 1 2 10 1 2 2 r r dy dH r r dy dH ms ms (2-3) 等式中： 22 2 22 1 ) ()( ) ()( yybxr yybxr bb 0 h p r1 r2 x y msms dH1 dH2 图 2-2 带磁偶极子模型 Figure 2-2 with a magnetic dipole model 则磁场的水平分量和垂直分量分别为： 22 0 1 22 0 2 22 0 1 22 0 1 ) ()(2 ) ( ) ()(2 )( ) ()(2 ) ( ) ()(2 )( yybx dyyy dH yybx dybx dH yybx dyyy dH yybx dybx dH ms y ms x ms y ms x (2-4) 所以有： 上海海事大学硕士学位论文 新型牵引式金属磁记忆探伤装置研制 13 22 22 22 22 0 2 1 2 1 0 )()( )( )( )()( ln 4 )()( )( )()( )( 2 hybx ybx ybx hybx dH hyybx bxh tg hyybx bxh tgdH ms y ms x (2-5) 根据上式的计算可得表面漏磁场的垂直分量和水平分量的分布曲线，见图。从 图中可见，在构件应力集中或微观缺陷部位的磁记忆效应表现为在构件表面形成的 漏磁场水平分量 Hp(x)具有最大值，而垂直分量 Hp(