基于LabVIEW的铁磁性材料无损检测系统开发

基于LabVIEW的铁磁性材料无损检测系统开发

吴良材

深圳古瑞瓦特新能源有限公司  518101  广东省深圳市

摘要：结合漏磁检测原理，实现对铁磁性材料隐藏性缺陷的早期发现，避免出现严重事故，开发了基于LabVIEW的铁磁性材料无损检测系统，系统在应用中可以实现对铁磁性材料上缺陷问题的数据采集、缺陷报警以及实时显示，另外也能够针对无损检测数据实施存储和缺陷量化分析。在完成系统设计后，对其应用实施实验检测分析，发现系统在检测中具有一定灵敏度，可以通过磁滞回线形状及其相关参数变化，实现对是否存在有缺陷的判定，进而实现关于损伤工件的及早发现，便于实施损伤工件替换，可以有效满足铁磁性材料缺陷无损检测需求。

关键词：LabVIEW；铁磁性材料；无损检测

铁磁性材料是电力系统的常用检测技术之一，主要目的是分析铁磁性材料中存在的缺陷，进而实现对其缺陷的尽早处理，由此减少因为铁磁性材料缺陷所致事故发生率。基于此应及时、准确定位铁磁谐振过电压的类型，积极采取措施以保障电网安全运行。在铁磁性材料检测中，所采用检测技术主要有漏磁检测、远场涡流检测、超声检测以及射线检测等。其中在实际应用中，超声检测技术在厚壁铁磁性构件检测中具有较高精度，其属于是接触式单点检测方法，然而相对检测效率偏低。涡流检测技术主要是在管道表层缺陷检测中应用，如果想要针对管道内部缺陷实施检测，想要穿过管道内部，相对应用中结构较为复杂。射线检测技术如果是在复杂工况环境下不便于操作。另外漏磁检测技术存在非常高的检测速度，尤其是在金属材料检测中，一方面能够将其表面缺陷信息检测出来，另一方面也可以获取材料裂纹深度信息，也无需耦合剂，所以在油气管道以及储罐罐底等深层次腐蚀检测以及无损检测中应用较广泛。其中基于图形化的编程语言的LabVIEW存在比较强的测量分析和信号处理能力，在铁磁性材料无损检测系统应用中，可以实现对软件系统开发程序的有效简化，进而提升开发效率。因此本次基于LabVIEW实现对铁磁性材料无损检测系统的开发研究。

1检测理论

电荷主要用于对电场源的产生，而电荷空间位置通常表现出固定不变的状态，同时，在时间的不断推移下，电量所对应的电荷并没有形成相应的电场，该电场被称为“静电场”。另外，一旦电荷出现定向移动，电路会瞬间产生相应的电流，当电流处于稳恒状态时，则会出现静磁场，电流和磁场两者之间相互独立，互不影响。通过磁阻最小原理解释了漏磁检测技术的原理，对漏磁检测的等效磁路和速度效应进行研究，并且分析了使用脉冲方波激励的优势。结合磁场传播原理，如果存在有磁感应线穿过存在比较大磁导率磁导体交界面的时候，也就会出现弯折，与之同时若两种磁导体磁导率之间存在的差值越大，所出现的折射角度也会随之增大。以上所出现的折射现象即为漏磁检测中的基本磁学原理。因此存在有缺陷情况下的磁感线是通过空气进行传播，空气的磁导率和铁试件相比明显偏小，也存在较大磁阻，在缺陷周围也就会导致磁感线改变传播路径。磁感线在对传播方向实施改变后，通常会从磁阻较小的缺陷底部穿过，也就会出现磁感线聚集压缩情况。若试件内磁通比较强或者裂纹体积比较大，也就会导致磁感线通过折射后在试件缺陷左边上方空气中出现外溢，进而会在缺陷上方空气中出现一段距离，之后通过缺陷的另一边再次进入到试件，也就会形成和拱形形状有所类型的漏磁场。

    2系统硬件设计

本次系统设计硬件主要包括有U型探头部分、脉冲发射装置、数据采集部分以及数据处理部分。在系统设计中，U型探头部分主要是接触被测工件，以能够实现对铁磁性材料的磁性参数测量，其组成包括有U型铁氧体磁芯、感应线圈以及激励线圈；脉冲发射装置，主要功能即为发射脉冲电压，确保在放电回路上出现大小和方向均有所改变的电流，以此通过线圈激发存在有变化的磁场；数据采集部分是在待测工件实施磁化后，通过扫描这一工件进而获取原始缺陷信号，之后可以将所得信息传输到数据处理部分，所得数据经过一定变换后可以转化为磁场强度以及磁感应强度，进而在计算机显示屏上将检测结果显示出来，进而实施检测数据存储、显示回放，也能够进一步实施缺陷识别和分析等。

2系统软件设计及功能实现

结合系统应用需求，在LabVIEW2013应用下实施检测系统软件功能模块设计，分别为数据采集参数设置、磁性参数计算、磁滞回线显示以及数据保存等相关模块，其中系统功能模块设计见图1.具体各模块功能详情如下所示：

图1  基于LabVIEW实现对铁磁性材料无损检测功能模块

2.1数据采集参数设置模块

在铁磁性材料无损检测中，数据采集前先要设置相关硬件参数，其中包括有数据采集通道、各通道采样数、采样频率和U型探头的结构等相关参数，以能够有效保障可以顺利完成数据采集。U型探头可以实现对工件的相对匀速扫描，进而实现对多路通道的缺陷信号检测。探头的构成主要包括有若干个小型线圈传感器等，将其在铝合金工件中并排封装。线圈传感器在应用中的基本原理即为在切割磁感线应用下促进感应线圈产生线圈电动势，主要是感应电动势大小直接受到磁通量变化频率的影响，因此线圈传感器具备速度效应，也就是线圈相对移动速度一旦出现改变，也会有干扰信号的出现，所以检测过程中需要注重保持线圈传感器运行速度的相对均匀性；线圈传感器在应用中，显著特点即为噪声低、分辨率高、灵敏度高以及使用便捷等。如果在使用中采用的是多个线圈传感器阵列排布，一方面也可以加大扫查面积，另一方面也有助于提升传感器空间分辨能力，进而提升检测效率。

2.2磁性参数计算模块

在针对被检测工件矫顽力、剩磁等相关磁性参数实施检测后，进而实施磁性参数计算，以上所检测相关参数和材料内部应力、晶相组织和裂纹等具有密切关联性，对于操作人员来讲，更便于针对各个测件缺陷大小实施对比分析。在通过传感器阵列采集到相关信号后，向磁性参数计算模块实施传输，以此实施数据预处理和分析，这一模块的组成包括有放大电路以及滤波电路，能够实现关于探头检测所得原始电压信号的放大滤波处理。相对来讲在探头检测中，所获取的是相对较为微弱的电压信号，首先对滤波实施放大，可以实现对滤除干扰信号提供保障，另外也能够有效放大有用信号。和前置放大电路原理中，这一电路所采用的高精度仪器，重要组成部门为放大器芯片AD620，在外部电位器的应用下实现对四个通道信号放大倍数的调节，放大倍数调节范围为1-1000倍。针对所得数据实施预处理后，可以将信号在数据采集卡模拟输入通道中进行输入，对相关信号实施转换后可以通过数字输出通道输出，并将其上传到计算模块。在LabVIEW设计的信号显示、处理以及分析程序应用下，即可以实现关于信号实时显示以及缺陷分析处理。其中在这一程序设计中，组成部分主要为参数设置、信号预处理、信号采集以及缺陷报警、波形分析等。

这一程序实施运行后，先要实施参数设置，进而实施通道参数配置，设定相应的采样速率以及采样阈值，并合理设置采样灵敏度和滤波器参数等。之后进行相应的数据采集设备选择和应用，即可以实施数据采集，针对所获取的信号线实施放大滤波预处理，以确保可以获取相对较为纯净的缺陷信号，且将以上所得信号在程序中实时显示，如果显示的信号在预先设定阈值之上情况下，缺陷报警程序即会实施缺陷报警，通过等的颜色改变和蜂鸣器发出鸣声，对操作人员发出提醒，即为发现存在有明显缺陷。完成数据采集后，可以在所需文件路径中进行数据保存，波形分析模块针对所存储的数据可以再次显示，提取其中信号峰值，即可以将缺陷程度反映出来。

2.3磁滞回线显示模块

结合磁滞回线形状能够实现对被测材料性质实施判定，分析其为此软磁材料还是硬磁材料；结合磁滞回线和坐标轴交点，可以实现对同种材料缺陷大小实施判定。针对磁滞回线可以在计算机显示屏上进行显示，便于操作人员更加直观、便利的实施被测样件被测性质判定。在软件工作方式中，存在有两种分别为“数据采集”和“波形分析”，其中在数据采集工作方式中，主要是实施显示缺陷信号，并实施缺陷报警，针对所采集的数据实施输入后，可以在数据分通道应用下降各个输入通道的数据显示出来；波形分析工作方式即会可以实现关于缺陷信号的再现以及量化分析。

2.4数据保存模块

    为能够有效降低工作量，为后期数据查询以及获取提供便利，可以针对检测中的有用信息实施相应的保存。

3实验检测分析

3.1实验设计

为实现关于本次所设计检测系统应用可行性的分析，针对本次系统在铁磁性材料无损检测中的应用效果实施验证分析。实际工程中，铁磁性材料的失效一般情况是因为材料中存在有微观裂纹扩展情况，进而引发出现裂纹，且在材料内部穿过，从而导致磁感线路径出现改变，最终引发出现磁滞回线形状以及磁性参数出现改变。本次研究中将表面无沟槽样块作为对照组，实施铣削加工出现沟槽的样块即为实验组，在沟槽设置中，将其位置选择是在探头和试件接触的背面。以此实现关于两样块磁滞回线变化的对比，以此实现关于系统应用可行性的验证。两样块均采用的是45钢，尺寸大小为40mm×10mm×6mm，实验组样块沟槽设置宽度为6mm，深度为4mm。在进行实验前，采用导磁胶实现关于试件和探头的固定，针对被测工件实施去磁，以此最大化减少外界因素对实验结果的影响，针对工件还需要在去磁装置的应用下实施去磁；采用U型探头在被检测工件上放置，将电源打开后也将数据采集卡开启。实验过程中，如果发现脉冲发射装置显示屏上电压值已经达到设定值，即可以对脉冲发射装置上的按钮实施手动操作，以能够给数据卡脉冲信号有效触发采集卡，以此实施数据采集；电容实施放电，数据卡所采集的相关电压信号可以将其共同输送到上位机；上位机针对所采集的数据实施计算分析后，即可以将其磁滞回线图和部分磁性参数在前面板上进行显示。具体的实验流程见图2.

图2 实验流程

3.2结果分析

通过以上研究所得实验结果见表1。通过实验结果可以看出，对照组样块表面不存在沟槽，其矫顽力、剩磁以及磁滞回线所建构的面积，和实验组样块相比明显偏大。同时也发现对照组磁滞回线和实验组形状有所差异，相对来讲对照组样块的磁滞回线腹部较宽，实验组样块则相对较窄。针对以上所出现原因实施分析，发现主要是磁力线在经过样块内部的时候有所改变。如果样块本身不存在有缺陷，则可以确保磁力线能够规则化通过工件内部；如果样块中本身存在有缺陷，磁力线在通过样块本身的时候会出现畸变，存在有部分磁流出，进而出现部分能量损失，与之同时缺陷处空气磁导率和材料本身磁导率相比明显偏小，导致感应电压有所改变，进而对磁滞回线性状产生影响。

表1  两样块的磁性参数

在磁滞回线形状出现改变后，也会导致磁滞回线和坐标轴交点有所改变，也就是剩磁和矫顽力出现改变。所以在这一检测系统应用下，能够依照磁滞回线形状、剩磁、矫顽力、磁滞回线围成面积变化，实现关于所测工件缺陷的分析，因此本次系统在铁磁性材料无损检测中具有一定应用可行性。

4结语

综上，基于LabVIEW完成的铁磁性材料无损检测系统通过以上分析所得结论主要为：

第一，结合铁磁性材料损伤和磁性参数相关性，能够通过电场和磁场关系实现对铁磁性材料无损检测系统的开发设计；

第二，完成的基于LabVIEW的铁磁性材料无损检测系统，系统在应用中可以实现对铁磁性材料上缺陷问题的数据采集、缺陷报警以及实时显示，另外也能够针对无损检测数据实施存储和缺陷量化分析，能够实现关于铁磁性材料的无损检测；

第三，实验发现，本次设计的系统针对有缺陷和无缺陷样块实施检测中，可以通过磁滞回线形状及其相关参数变化，实现对是否存在有缺陷的判定，进而实现关于损伤工件的及早发现，便于实施损伤工件替换。在应用中可以有效避免因为降低铁磁性材料早期损伤存在所致严重事故的发生率，在铁磁性材料无损检测中具有一定应用价值。

【作者简介】吴良材 1981年 男  本科，籍贯：福建，长期专注于不间断电源、光伏逆变器、储能、微电网系统、锂电池管理系统等新型能源和关键技术的研发，致力于提供领先的新能源解决方案，实现新能源的电能先进转换和数字技术等。长期专注电力电子拓扑研究及应用,新型半导体材料及磁性材料的开发及应用，控制技术的创新及应用,产品功能及用户体验的实现，推动能源可持续发展。

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