基于线性外推的微磁探头励磁反馈控制方法

摘要

基于线性外推的微磁探头励磁反馈控制方法，实现该方法的内容分为三部分：第一部分是励磁磁路；第二部分是磁场测量模块；第三部分是反馈控制模块。在U型励磁磁路内侧的霍尔元件线阵，采用三个相同型号的霍尔元件Hall1、Hall2、Hall3沿垂直于被测材料或结构表面方向上布置，以测量三个高度位置的切向磁场强度，分别记为H1、H2、H3。在U型励磁磁路内侧放置磁场调整结构后，切向磁场强度梯度降低且线性变化范围扩大，从ZL提高到了ZH。采用由数据采集卡、任意信号激励板卡和控制软件组成的反馈控制模块，通过迭代反馈，使磁感应强度B和表面切向磁场强度H两路信号满足控制变量所设定的要求，提升开环磁路测试系统对饱和磁滞回线的精确测量。

说明书

技术领域

基于线性外推的微磁探头励磁反馈控制方法属于微磁无损检测领域，采用线性外推方法对构件表面的切向磁场强度进行准确检测，通过磁路反馈控制模块，使磁感应强度和表面切向磁场强度两路信号满足控制变量所设定的要求，提升开环磁路测试系统对饱和磁滞回线的精确测量。

背景技术

磁滞回线B-H的测量是分析材料磁特性的主要方法之一。利用磁滞回线，可提取出多种磁学参量，如矫顽力H_c、剩磁B_r以及铁损P等。闭环磁滞回线测量方法虽精度高但难以实现工业应用，现有开环磁路测试系统也存在不足：一方面，采用激励线圈电流推算得出的试件表面切向磁场强度与真实值存在较大误差；另一方面，测量磁路与被测构件的提离距离波动时，测试得出的磁滞回线存在较大差异，使测试系统的精度受提离距离影响，不具有对测试条件变化的适应性。

为改善上述问题，本文提出一种基于线性外推的微磁探头励磁反馈控制方法，以提升磁滞回线的开环磁路测试系统性能，得到材料或结构的精确饱和磁滞回线。

发明内容

本发明的目的是提出基于线性外推的微磁探头励磁反馈控制方法，如附图1所示，发明内容分为三部分：第一部分是励磁磁路，包括激励线圈1、磁场调整结构2、U型轭铁3，激励线圈1缠绕在U型轭铁3上，磁场调整结构2设置在U型轭铁3的中间，激励线圈1、磁场调整结构2、U型轭铁3与被测材料或结构5形成连通磁路；第二部分是磁场测量模块，包括霍尔元件线阵4和感应线圈6；第三部分是反馈控制模块7。

在U型励磁磁路内侧的霍尔元件线阵4，采用三个相同型号的霍尔元件Hall₁、Hall₂、Hall₃沿垂直于被测材料或结构5表面方向上布置，以测量三个高度位置的切向磁场强度，分别记为H₁、H₂、H₃。如附图2所示，在霍尔元件线阵4所处范围内，切向磁场强度H_x沿垂直距离Z方向近似线性分布，利用三个霍尔元件测量得到的切向磁场强度H_x及它们的位置坐标Z，拟合得到切向磁场强度与垂直高度坐标间的直线方程H_x＝f(Z),其中Z的取值范围为[0,Z_L]或[0,Z_H]，利用线 性外推的方法计算出材料或结构5表面(Z＝0)准确的切向磁场强度Hx；为提高线性外推法对表面切向磁场强度的测量精度，本方法设计了能够降低垂直被测材料或结构表面方向的切向磁场强度梯度的磁场调整结构2。如附图3所示，在U型励磁磁路内侧放置磁场调整结构2后，切向磁场强度梯度降低且线性变化范围扩大，从Z_L提高到了Z_H。

绕于被测材料或结构5上的感应线圈6的输出电压经积分换算后，得到磁感应强度B，为实现饱和磁滞回线的精确测试，以磁感应强度最大值B_max及表面切向磁场强度峰值差δH_max为控制变量，采用由数据采集卡、任意信号激励板卡和基于LabVIEW平台的控制软件组成的反馈控制模块7，通过迭代反馈，使磁感应强度B和表面切向磁场强度H两路信号满足控制变量所设定的要求，提升开环磁路测试系统对饱和磁滞回线的精确测量。

如附图3所示，反馈控制模块7的反馈控制主要分两个步骤进行：

第一步，调整激励电压V_激励(t)来控制磁感应强度幅值Bmax达到要求值，具体迭代公式如下所示：

式中i—为迭代次数

—第i阶迭代时，被控制的磁感应强度B的要求最大幅值与真实幅值之间的差值，其表达式为为要求的最大幅值，为第i次迭代时真实的幅值

k_Bmax—修正系数，描述激励电压幅值相对于被控制的磁感应强度幅值的变化率，表达式为k_Bmax＝δV_max/δB_max

—第i次迭代时激励电压的最大幅值

—第i次迭代时的偏置电压

循环终止条件是第i次迭代的值满足其中m是根据具体要求人为设定的常数，常为0～10％，视具体误差而定。

第二步，调节对称性，切向磁场正负最大幅值的绝对值之差的一半|δH_max/2| 是判断参数，其值若不为零，进行迭代调节直到第i次满足使其中n是根据具体要求人为设定的常数，常为0～10％，视具体误差而定。

满足要求后，反馈控制调节结束。

本发明采用以上技术方案，可以获得如下有益效果：准确评估材料或结构表面的切向磁场强度，通过磁路反馈控制模块，使磁感应强度和表面切向磁场强度两路信号满足控制变量所设定的要求，提升了开环磁路测试系统对饱和磁滞回线的测量精度。

附图说明

图1磁滞回线的开环磁路测试系统示意图。

图2有、无磁场调整结构时U型磁路内侧的切向磁场强度分布示意图。

图3磁滞回线测试的反馈控制流程图。

具体实施方式

下面以实施例和附图1-3对本发明作进一步说明，且以下实施例只是描述性的，不能以此来限定本发明的保护范围。

激励线圈和感应线圈分别紧密地缠绕在U型铁和被测材料表面上，在U型励磁磁路内侧的磁路优化结构中放置霍尔元件线阵，将三个型号相同的现代霍尔元件Hall₁、Hall₂、Hall₃沿垂直于被测构件的方向上放置，其坐标分别为Z₁、Z₂、Z₃，测得被测构件附近的磁场强度分别为H₁、H₂、H₃。采用线性拟合得到直线方程H_x＝f(Z)，再以该方程线性外推得到被测构件表面(Z＝0)的切向磁场H_x。

绕于被测材料或结构的感应线圈的输出电压经积分换算后，得到磁感应强度B，利用附图3所公布的反馈控制流程图，依次对磁感应强度B和表面切向磁场强度H两路信号进行调整，使其满足预先设定的要求。