一種便攜式磁記憶檢測儀設計

金屬構件和零部件發(fā)生損壞的主要原因,是各種微觀(guān)和宏觀(guān)機械應力集中導致疲勞失效,其基本特征表現為材料在低于靜強度極限的交變應力持續作用下,萌生多種類(lèi)型的微觀(guān)內部缺陷,并逐漸演化為宏觀(guān)裂紋,裂紋擴展最終導致結構破壞。因此,進(jìn)行疲勞分析,有效評價(jià)應力變形狀況,測定未來(lái)裂縫發(fā)展的位置、大小和方向,成為評價(jià)金屬零部件與構件結構強度和可靠性的一個(gè)重要依據。為了及時(shí)準確的找出最大機械應力變形區域,20世紀90年代后期,以杜波夫為代表的俄羅斯學(xué)者率先提出一種嶄新的診斷技術(shù)——金屬磁記憶檢測。本文采用PIC單片機,設計了高性能價(jià)格比的便攜式磁記憶檢測儀,具有低成本、低功耗和快速檢測等特點(diǎn),可以滿(mǎn)足各種場(chǎng)合,特別是難以到達部位的應力集中區檢測。

2　磁記憶檢測儀的硬件設計

便攜式磁記憶檢測儀主要由傳感器、單片機、運算放大器、LCD顯示和相應軟件組成,見(jiàn)圖1。便攜式磁記憶檢測儀以單片機PIC16LF873A為核心,用HMC1052兩軸磁阻傳感器檢測法向分量Hp(y)的X分量和Y分量,經(jīng)過(guò)信號放大后,送單片機PIC16LF873A的A/D轉換通道,獲得的數據經(jīng)計算得到Hp(y)值,送LCD顯示。為檢測方便,設置了兩個(gè)檢測通道,作為應力集中線(xiàn)Hp(y)符號比較的依據。置位/復位電路對磁阻傳感器施加置位/復位電流,避免地球磁場(chǎng)對測量結果影響。

2.1　單片機PIC16LF873A

單片機采用PIC16LF873A,它有4KB FLASH存儲器,192字節RAM、128字節EEPROM、10位A/D轉換器等,幾乎不需要外圍擴展電路就可以直接使用。RA口設置成A/D轉換功能,用于處理雙通道磁阻傳感器信號。RB口的中斷功能用于鍵盤(pán)處理,設有校驗、置位/復位、通道1、通道2和ON/OFF5個(gè)功能鍵。RC口中的六個(gè)引腳,用于LCD顯示器控制。采用兩個(gè)SMS0801B兩線(xiàn)制串行LCD顯示器,電源由單片機RC口的一個(gè)引腳供電,這樣便于對LCD顯示器控制,降低系統功耗。顯示器可以顯示每個(gè)通道的磁場(chǎng)強度(單位是T)、鍵盤(pán)信息、電池電壓低和超量程等信息。EEPROM用于保存修正值。

2.2　磁阻傳感器HMC1052

磁阻傳感器HMC1052是利用磁原理,測量工件表面散射磁場(chǎng)法向分量Hp(y)沿坐標X-Y分量,通過(guò)數值計算、誤差校正,得到Hp(y)值。HMC1052是一個(gè)雙軸線(xiàn)性磁傳感器,每個(gè)傳感器有一個(gè)由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋。當橋路加上供電電壓,傳感器將磁場(chǎng)強度轉換為電壓輸出。其輸出電壓以電源電壓的一半為基準。磁場(chǎng)范圍是±6×10-4T,靈敏度是1.0×10-4mV/V/T。HMC1052包含兩個(gè)敏感元件,其敏感軸X和Y互相垂直。

2.3　磁阻傳感器外圍電路設計

磁阻傳感器在制造過(guò)程中,選定沿著(zhù)薄膜長(cháng)度方向為軸,當玻膜合金薄膜受到強磁場(chǎng)干擾時(shí)(大于20×10-4T)薄膜磁化極性會(huì )受到破壞,對這個(gè)磁場(chǎng)需要對傳感器施加一個(gè)瞬態(tài)強磁場(chǎng)來(lái)恢復或保持傳感器特性,這個(gè)過(guò)程需要一個(gè)置位或復位脈沖。圖2中Q1、C2、C3、R11、R12構成簡(jiǎn)單置位電路,可以為HMC1052提供大電流脈沖。用單片機完成電路的控制。當SET/RESET輸出低電平時(shí),Q1截止,C2充電到VCC,C3放電到0V。當SET/RE-SET輸出由低到高電平時(shí),R12和C3使Q1導通,由C2、Q1和HMC1052的S/R+(6腳)S/R-(8腳)間電阻構成回路,形成大約0.5 A的置位脈沖,脈沖寬度約2μs。SET/RESET輸出由高到低的時(shí)候,由R11限流形成復位脈沖。為節省電池能量,置位/復位電路每10分鐘工作一次。電路以一種倒轉的方式改變傳感器輸出極性,即驅動(dòng)置位脈沖讀數一次,在驅動(dòng)復位脈沖讀數一次,兩次讀數相減可以消除因溫度漂移和電路參數等共模信號造成的影響,從而得出一個(gè)與絕對磁場(chǎng)成正比例的輸出。

Q2和R13是數據采集通道的電源控制電路,進(jìn)行數據采集時(shí),雙通道的控制分別進(jìn)行,輪流檢測。工件應力集中區的磁場(chǎng)法向分量Hp的變化,將引起傳感器輸出電壓的變化。HMC1052的4、10腳輸出磁場(chǎng)Hy坐標(X-Y)中測量方向(Y軸)的電壓變化。2、7腳輸出磁場(chǎng)Hy坐標(X-Y)中左右方向(X軸)的電壓變化。便攜式磁記憶檢測儀測量的Hp磁場(chǎng)范圍為±5×10-4T。HMC1052的靈敏度是1.0×10-4mV/V/T。當傳感器的電源電壓為3 V時(shí),任何電橋上最大的輸出電壓是:±5×10-4T×1.0×10-4mV/V/T×3V=±15 mV。

本文采用MCP6042低電壓、低功耗雙運算放大器。要使電壓對應單片機A/D轉換器模擬輸入端0 V到3 V的電壓范圍,需要放大200倍。電阻R2、R3、R7和R9用于設置放大倍數。輸入電阻應是橋路電阻的4倍～10倍。選擇1 kHz帶寬,則電容C1為150 P,防止EMI/RFI干擾。經(jīng)放大的模擬電壓送單片機的A/D轉換器,其中Y-OUT表示磁場(chǎng)的測量方向Y分量,X-OUT表示磁場(chǎng)的X分量。

2.4　低功耗設計

便攜式磁記憶檢測儀在電源電壓和功耗上要求苛刻,為了降低功耗,采用以下措施。

●所有集成電路都選擇低工作電壓和低功耗芯片。

●盡量減少使用外圍元器件,PIC16LF873A外圍功能強大,比其他系列單片機使用的元件少。

●采用低功耗LCD顯示器,電源由單片機提供,需要顯示時(shí)才供電。

●信號通道單獨供電,需要測量時(shí)再供電。

●采用單片機“睡眠”功能,不測量時(shí)處于睡眠狀態(tài)。所有輸入引腳保證有確定電平,輸出引腳以不向外圍電路提供電流為準則。

●關(guān)閉RB口中斷“弱上拉電阻”,有按鍵時(shí)高電平中斷。實(shí)驗證明,采用以上設計方式,電池電壓為3.6V時(shí),便攜式磁記憶檢測儀的靜態(tài)功耗小于85μA。

3　磁記憶檢測儀的軟件設計

軟件是便攜式磁記憶檢測儀另一個(gè)核心部分,主要完成系統初始化、數據采集、數據顯示、鍵盤(pán)處理和校驗等功能。

軟件的主要流程圖見(jiàn)圖3。

(1)主程序:完成系統的初始化工作,進(jìn)行各傳感器的置位和復位,然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

(2)通道按鍵中斷服務(wù)子程序:向檢測數據通道供電,采集Y數據和X數據測量時(shí),法向分量Hp與X、Y數據的關(guān)系是:Hp=X2+Y2。Hy符號與測量基準方向Y的符號相同。以Y通道為例,說(shuō)明A/D轉換的數據處理過(guò)程。對PIC16LF873A單片機,10位A/D轉換器0 T對應1.5 V電壓和數字量為512,+5×10-4T對應3 V電壓和數字量為1023,-5×10-4T對應0 V電壓和數字量為0。每個(gè)數字對應電壓2.9 mV。Hy值的符號與Y分量符號相同。數字量≥512的數據,進(jìn)行以下運算:實(shí)際數據=(Y數據-512)×0.009765×10-4T-修正值。數字量≤512的數據,進(jìn)行以下運算:實(shí)際數據=-(511-Y數據)×0.009765×10-4T-修正值。LCD顯示器可以顯示8位數字,最高顯示位為Hp符號,有效數字是7位?？梢赃B續測量,直到再一次按鍵,返回主程序。

(3)校驗按鍵中斷服務(wù)子程序:將傳感器置于磁屏蔽中,各通道測量出0 T值,將測量結果作為修正值存入EEPROM中。

4　實(shí)驗和數據分析

實(shí)驗方式:便攜式磁記憶檢測儀與俄羅斯TSCM-2FM應力集中檢測儀同時(shí)對工件相同點(diǎn)進(jìn)行應力檢測,便攜式磁記憶檢測儀的檢測結果如表1所示。

應力集中線(xiàn)的位置與俄羅斯TSCM-2FM應力集中檢測儀檢測的結果相同。經(jīng)過(guò)實(shí)驗檢測,便攜式磁記憶檢測儀可以實(shí)時(shí)顯示被測工件的磁場(chǎng)Hp值的大小和符號,雙通道配合使用,磁感應強度為零的連接線(xiàn)為應力集中線(xiàn)。

5　結束語(yǔ)

基于PIC16LF873A單片機的便攜式磁記憶檢測儀,具有成本低、功耗低、精度高、體積小和使用方便等特點(diǎn),對操作人員無(wú)專(zhuān)業(yè)計數要求。特別適用于在工件結構復雜窄小的環(huán)境使用。便攜式磁記憶檢測儀是一款性能價(jià)格比很高的磁記憶檢測儀器,在石油、化工、冶金、機械、鐵路、建筑、橋梁和航空等部門(mén)的無(wú)損檢測中具有十分廣闊的前景。