基于线性外推的微磁探头励磁反馈控制方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
基于线性外推的微磁探头励磁反馈控制方法
技术领域
[0001] 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】
[0002] 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Hc、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。
[0003] 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】
[0004] 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型辄铁3,激 励线圈1缠绕在U型辄铁3上，磁场调整结构2设置在U型辄铁3的中间，激励线圈1、磁场调整 结构2、U型辄铁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。
[0005] 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，分别记为出、出、!1 3。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&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Hx = f (Z )，其中Z的取值范围 为[0，Ζ?或[0，ZH]，利用线性外推的方法计算出材料或结构5表面(Z = O)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Zdf高到了 Zh 〇
[0006] 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Bmax及表面切向磁场强度峰值差δ Hmax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。
[0007] 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：
[0008] 第一步，调整激励电压V獅(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W采.
[0009]
[0010] 式中i一为迭代次数
[0011] 4尽":,、一第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，其表达式为及8_ = ，为要求的最大幅值，为第i次迭代时真实的幅值
[0012] kBmax-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 kBmax- SVmax/SBmax
[0013] -第i次迭代时激励电压的最大幅值
[0014] %置一第i次迭代时的偏置电压
[0015] 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，常为〇~10%，视具体误差而定。
[0016] 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I δΗΜΧ/2 I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/2|</成_，其中η是根据具 体要求人为设定的常数，常为〇~10%，视具体误差而定。
[0017] 满足要求后，反馈控制调节结束。
[0018] 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】
[0019] 图1磁滞回线的开环磁路测试系统示意图。
[0020] 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。
[0021 ]图3磁滞回线测试的反馈控制流程图。
【具体实施方式】
[0022] 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。
[0023] 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Hall^Halls、 Hall3沿垂直于被测构件的方向上放置，其坐标分别为21、22、2 3，测得被测构件附近的磁场 强度分别为&、出、出。采用线性拟合得到直线方程& =汽2)，再以该方程线性外推得到被测 构件表面(Z = 0)的切向磁场Hx。
[0024] 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
【主权项】
1. 基于线性外推的微磁探头励磁反馈控制方法，其特征在于：实现该方法的内容分为 Ξ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型辆铁(3)，激励线圈 (1) 缠绕在U型辆铁(3)上，磁场调整结构(2)设置在U型辆铁(3)的中间，激励线圈（1)、磁场 调整结构(2)、U型辆铁(3)与被测材料或结构巧)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Ξ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Ξ个相同型号的霍尔元件化Ih、化112、 Halb沿垂直于被测材料或结构（5)表面方向上布置，W测量Ξ个高度位置的切向磁场强 度，分别记为化、此、曲;在霍尔元件线阵(4)所处范围内，切向磁场强度出沿垂直距离Z方向 近似线性分布，利用Ξ个霍尔元件测量得到的切向磁场强度出及它们的位置坐标Z，拟合得 到切向磁场强度与垂直高度坐标间的直线方程Hx = f(Z)，其中Z的取值范围为[0，Zl]或[0， Zh]，利用线性外推的方法计算出材料或结构巧)表面(Z = 0)准确的切向磁场强度出;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);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Zl提高到了 Zh; 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，W磁感应强度最大值Bmax及表面切向磁场强度峰值差δ Hmax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Η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。2. 根据权利要求1所述的基于线性外推的微磁探头励磁反馈控制方法，其特征在于: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溯a(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 化,。一第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=钱-化。、，为要求的最大幅值，为第i次迭代时真实的幅值 kBmax-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 kBmax= 5Vmax/5Bmax 、一第i次迭代时激励电压的最大幅值 Kk-第i次迭代时的偏置电压 循环终止条件是第i次迭代的胃I值满足|苗瑞。i|<w巧是（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|SHmax/2是判断参 数，其值若不为零，进行迭代调节直到第i次满足使巧胃，其中η是根据具体要 求人为设定的常数，常为0~10% ; 满足要求后，反馈控制调节结束。
【文档编号】G01R33/00GK105842635SQ201610162336
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】何存富, 张秀, 刘秀成, 王磊, 吴斌
【申请人】北京工业大学