1 导言
金属构件和零部件产生损坏的首要原因,是各种微观和微观机械应力会集导致疲惫失效,其基本特征表现为资料在低于静强度极限的交变应力继续效果下,萌发多种类型的微观内部缺点,并逐步演化为微观裂纹,裂纹扩展终究导致结构损坏。因而,进行疲惫剖析,有用点评应力变形情况,测定未来裂缝开展的方位、巨细和方向,成为点评金属零部件与构件结构强度和可靠性的一个重要根据。为了及时精确的找出最大机械应力变形区域,20世纪90年代后期,以杜波夫为代表的俄罗斯学者首先提出一种簇新的确诊技能——金属磁回忆检测。本文选用PIC单片机,规划了高性能价格比的便携式磁回忆检测仪,具有低成本、低功耗和快速检测等特色,能够满意各种场合,特别是难以抵达部位的应力会集区检测。
2 磁回忆检测仪的硬件规划
便携式磁回忆检测仪首要由传感器、单片机、运算扩大器、LCD显现和相应软件组成,见图1。便携式磁回忆检测仪以单片机PIC16LF873A为中心,用HMC1052两轴磁阻传感器检测法向重量Hp(y)的X重量和Y重量,通过信号扩大后,送单片机PIC16LF873A的A/D转化通道,取得的数据经核算得到Hp(y)值,送LCD显现。为检测便利,设置了两个检测通道,作为应力会集线Hp(y)符号比较的根据。置位/复位电路对磁阻传感器施加置位/复位电流,避免地球磁场对丈量成果影响。
2.1 单片机PIC16LF873A
单片机选用PIC16LF873A,它有4KB FLASH存储器,192字节RAM、128字节EEPROM、10位A/D转化器等,简直不需求外围扩展电路就能够直接运用。RA口设置成A/D转化功用,用于处理双通道磁阻传感器信号。RB口的中止功用用于键盘处理,设有校验、置位/复位、通道1、通道2和ON/OFF5个功用键。RC口中的六个引脚,用于LCD显现器操控。选用两个SMS0801B两线制串行LCD显现器,电源由单片机RC口的一个引脚供电,这样便于对LCD显现器操控,下降体系功耗。显现器能够显现每个通道的磁场强度(单位是T)、键盘信息、电池电压低和超量程等信息。EEPROM用于保存修正值。
2.2 磁阻传感器HMC1052
磁阻传感器HMC1052是运用磁原理,丈量工件外表散射磁场法向重量Hp(y)沿坐标X-Y重量,通过数值核算、差错校对,得到Hp(y)值。HMC1052是一个双轴线性磁传感器,每个传感器有一个由磁阻薄膜合金组成的惠斯通桥。当桥路加上供电电压,传感器将磁场强度转化为电压输出。其输出电压以电源电压的一半为基准。磁场规模是±6×10-4T,灵敏度是1.0×10-4mV/V/T。HMC1052包括两个灵敏元件,其灵敏轴X和Y相互笔直。
2.3 磁阻传感器外围电路规划
磁阻传感器在制作进程中,选定沿着薄膜长度方向为轴,当玻膜合金薄膜遭到强磁场搅扰时(大于20×10-4T)薄膜磁化极性会遭到损坏,对这个磁场需求对传感器施加一个瞬态强磁场来康复或坚持传感器特性,这个进程需求一个置位或复位脉冲。图2中Q1、C2、C3、R11、R12构成简略置位电路,能够为HMC1052供给大电流脉冲。用单片机完结电路的操控。当SET/RESET输出低电平时,Q1截止,C2充电到VCC,C3放电到0V。当SET/RE-SET输出由低到高电平时,R12和C3使Q1导通,由C2、Q1和HMC1052的S/R+(6脚)S/R-(8脚)间电阻构成回路,构成大约0.5 A的置位脉冲,脉冲宽度约2μs。SET/RESET输出由高到低的时分,由R11限流构成复位脉冲。为节约电池能量,置位/复位电路每10分钟作业一次。电路以一种倒转的方法改动传感器输出极性,即驱动置位脉冲读数一次,在驱动复位脉冲读数一次,两次读数相减能够消除因温度漂移和电路参数等共模信号形成的影响,然后得出一个与肯定磁场成正比例的输出。
Q2和R13是数据收集通道的电源操控电路,进行数据收集时,双通道的操控别离进行,轮番检测。工件应力会集区的磁场法向重量Hp的改变,将引起传感器输出电压的改变。HMC1052的4、10脚输出磁场Hy坐标(X-Y)中丈量方向(Y轴)的电压改变。2、7脚输出磁场Hy坐标(X-Y)中左右方向(X轴)的电压改变。便携式磁回忆检测仪丈量的Hp磁场规模为±5×10-4T。HMC1052的灵敏度是1.0×10-4mV/V/T。当传感器的电源电压为3 V时,任何电桥上最大的输出电压是:±5×10-4T×1.0×10-4mV/V/T×3V=±15 mV。
本文选用MCP6042低电压、低功耗双运算扩大器。要使电压对应单片机A/D转化器模仿输入端0 V到3 V的电压规模,需求扩大200倍。电阻R2、R3、R7和R9用于设置扩大倍数。输入电阻应是桥路电阻的4倍～10倍。挑选1 kHz带宽,则电容C1为150 P,避免EMI/RFI搅扰。经扩大的模仿电压送单片机的A/D转化器,其间Y-OUT表明磁场的丈量方向Y重量,X-OUT表明磁场的X重量。
2.4 低功耗规划
便携式磁回忆检测仪在电源电压和功耗上要求严苛,为了下降功耗,选用以下办法。
●一切集成电路都挑选低作业电压和低功耗芯片。
●尽量削减运用外围元器件,PIC16LF873A外围功用强大,比其他系列单片机运用的元件少。
●选用低功耗LCD显现器,电源由单片机供给,需求显现时才供电。
●信号通道独自供电,需求丈量时再供电。
●选用单片机“睡觉”功用,不丈量时处于睡觉状况。一切输入引脚确保有确认电平,输出引脚以不向外围电路供给电流为原则。
●封闭RB口中止“弱上拉电阻”,有按键时高电平中止。试验证明,选用以上规划方法,电池电压为3.6V时,便携式磁回忆检测仪的静态功耗小于85μA。
3 磁回忆检测仪的软件规划
软件是便携式磁回忆检测仪另一个中心部分,首要完结体系初始化、数据收集、数据显现、键盘处理和校验等功用。
软件的首要流程图见图3。
(1)主程序:完结体系的初始化作业,进行各传感器的置位和复位,然后进入睡觉状况。
(2)通道按键中止服务子程序:向检测数据通道供电,收集Y数据和X数据丈量时,法向重量Hp与X、Y数据的联系是:Hp=X2+Y2。Hy符号与丈量基准方向Y的符号相同。以Y通道为例,阐明A/D转化的数据处理进程。对PIC16LF873A单片机,10位A/D转化器0 T对应1.5 V电压和数字量为512,+5×10-4T对应3 V电压和数字量为1023,-5×10-4T对应0 V电压和数字量为0。每个数字对应电压2.9 mV。Hy值的符号与Y重量符号相同。数字量≥512的数据,进行以下运算:实践数据=(Y数据-512)×0.009765×10-4T-修正值。数字量≤512的数据,进行以下运算:实践数据=-(511-Y数据)×0.009765×10-4T-修正值。LCD显现器能够显现8位数字,最高显现位为Hp符号,有用数字是7位。能够接连丈量,直到再一次按键,回来主程序。
(3)校验按键中止服务子程序:将传感器置于磁屏蔽中,各通道丈量出0 T值,将丈量成果作为修正值存入EEPROM中。
4 试验和数据剖析
试验方法:便携式磁回忆检测仪与俄罗斯TSCM-2FM应力会集检测仪一起对工件相同点进行应力检测,便携式磁回忆检测仪的检测成果如表1所示。
应力会集线的方位与俄罗斯TSCM-2FM应力会集检测仪检测的成果相同。通过试验检测,便携式磁回忆检测仪能够实时显现被测工件的磁场Hp值的巨细和符号,双通道合作运用,磁感应强度为零的连接线为应力会集线。
5 结束语
根据PIC16LF873A单片机的便携式磁回忆检测仪,具有成本低、功耗低、精度高、体积小和运用便利等特色,对操作人员无专业计数要求。特别适用于在工件结构杂乱窄小的环境运用。便携式磁回忆检测仪是一款性能价格比很高的磁回忆检测仪器,在石油、化工、冶金、机械、铁路、修建、桥梁和航空等部分的无损检测中具有非常宽广的远景。
