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基于梯度法一种磁记忆检测仪 　　摘要： 金属磁记忆检测技术是一种利用金属磁记忆效应来检测物件应力集中的一种快速、崭新的方法。它消除了传统意义上无损检测的缺点，能够对铁磁性金属构件内部的应力集中区,即微观缺陷和早期失效和损伤等进行诊断,防止突发性的疲劳损伤,是无损检测领域的一种新的检测手段。对磁记忆信号进行梯度化处理，可以使得信号更加明显准确。该项技术对铁磁构件应力集中非常敏感，无需外加激励磁场，检测速度快，灵敏度高, 在工程实践中具有广阔的应用前景。 　　关键词： 磁记忆；梯度；应力集中 　　中图分类号：TH6文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）04-0301-031磁记忆原理简介 　　磁记忆效应[1-2]最早由俄罗斯学者杜波夫提出，它是指在具有外磁场（即地磁场）存在的条件下，承载的铁磁构件中会产生应力集中，并在应力集中区出现磁导率减小、构件表面漏磁场增大的现象。铁磁性金属构件所具有的这一特性称为磁机械效应。 　　虽然磁记忆机理还是很明确，但磁记忆现象却是清晰的，构件内外磁场的分布情况见图1。检测时的判断依据有两种[3]： 　　一是根据构件表面漏磁场的法向分量过零值点（符号由负到正或反之）、水平分量取最大值来判断。这是磁记忆最典型的标志。但研究表明法向磁场过零点是一种磁记忆检测的表面现象，由于其位置的漂移，所以法向磁场过零点并不是唯一可靠的用来判断应力集中位置的信号特征。二是根据构件表面漏磁场法向分量的梯度最大来判断。实际上这可由第一个判据推导出。当探头在构件表面沿某一个方向移动时，磁场法向分量的分布曲线上，过零点处就是曲线的拐点，即斜率最大处，斜率就是探头移动方向的梯度。 　　对于典型的磁场分布，法向磁场 Bn 过零值点处恰好是其梯度最大值位置。因此，可以根据法向磁场梯度的最大值来判定应力集中情况。而且，在应力集中区对应的表面上，磁场梯度的分布曲线比法向磁场的分布曲线更加陡峭，变化更显著，因此更容易通过实验检测。测量磁场分布还会受到背景地磁场的干扰，测量梯度则消除了背景磁场的干扰。因此磁场梯度是比法向磁场分量过零值点更???要的损伤表征的物理量。 　　2系统组成及工作原理 　　2.1 系统结构图3所示为基于梯度的磁记忆检测仪的原理框图。它包括振动探头、调零电路、选频放大电路、电压偏置电路，多路切换电路，C8051F040单片机系统、放大升压驱动、液晶显示以及电源电路等组成。 　　2.2 压电陶瓷悬臂梁结构驱动探头振动探头由两部分组成，一是传感器，用来检测微弱的漏磁场信号；二是驱动部件由压电晶片构成，驱动传感器做简谐振动，使输出的电信号为正弦波。 　　压电双晶片是一种 PXE 弯曲元件[4]，它是以金属弹性板为中心，两边各贴合一层压电材料，两层压电材料的极化方向相反。加电压后，一层压电材料伸长，另一层收缩，发生与所加电压波形相应的弯曲变形。 　　压电双晶片具有体积小，控制方便，对传感器干扰小等优点。本仪器所选用的压电晶片外形尺寸为54.5×8.0×0.80mm3,自由端长度 50mm，工作电压0-150V，最大振幅3mm，谐振频率180Hz。本仪器设定振动频率为100Hz，由单片机经升压驱动电路后供给。 　　2.3 传感器的选择、安装以及信号调理由于构件漏磁场微弱，需选择灵敏度很高的地磁场本身为弱磁场，故很容易受干扰，所以导线的排列等，器件的摆放等位置需为固定值，且需远离磁场。经比较选择后，选择N503集成线性霍尔传感器。它具有体积小，结构简单，灵敏度高的优点。 　　传感器粘贴时需要保证传感器伸出长度相同导线夹装到压电晶片根部，夹紧方能使振幅满足要求。传感器振动时不能接触其他东西，所以测缺陷时一定要保证被测物不与传感器接触，以免造成压电片损坏。但由于提离效应的存在，使得传感器振动面也不能远离钢轨表面。 　　2.4 调理电路的设计调理电路部分由调零电路、放大滤波电路、电压偏置电路与AD620放大电路组成。静态调零电路消除偏移使电压放大六倍。AD620放大20倍。因单片机不能采集负电压，所以再放大结束后加1.25V正电压偏置。 　　2.4.1 调零电路因为传感器接入电路后会有2.5V的静态电压，所以在接入后续测量电路之前需进行调零，如图5。传感器输入静态调零和初步放大，传感器静态电压2.5V，初步放大5倍，使得调零精度提高。 　　2.4.2 升压驱动电路（图6） 　　由单片机D/A合成的100Hz正弦波信号振幅只有1.2V，不能使压电晶片产生足够的幅度振动，需通过功率放大器将信号放大后给压电双晶片。压电晶片功率放大部分不能与调理电路共用一块电路板，否则会使功率放大会耦合其他频率的波，使波形不稳定，不为正弦波。压电晶片所使用的放大器件为PA85，需要电源电压±150V，因而单独