基于hmc1022的金屬磁記憶檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通常的x射線檢測、頻率檢測、超聲波檢測和其他損失檢測方法只能檢測存在的宏觀缺陷。事實(shí)上，大多數(shù)金屬構(gòu)件的損壞是由微觀力的集中造成的。在機(jī)械應(yīng)力的集中，金屬構(gòu)件的勞動(dòng)障礙和損壞會導(dǎo)致缺陷、裂紋和損壞。因此，對金屬構(gòu)件的應(yīng)力狀況進(jìn)行評估，不僅可以檢測金屬構(gòu)件的缺點(diǎn)，還可以預(yù)測金屬構(gòu)件可能出現(xiàn)缺陷的危險(xiǎn)部分。它對早期診斷和檢測設(shè)備故障非常重要。近年來，金屬磁強(qiáng)指數(shù)檢測是一種提出的對金屬部件進(jìn)行應(yīng)力集中和微裂紋檢測的技術(shù)。1構(gòu)件表面出現(xiàn)漏磁場金屬磁記憶的基本原理是處于地磁場環(huán)境下的鐵磁工件,受工作載荷作用在其應(yīng)力集中區(qū)域缺陷處的磁導(dǎo)率會發(fā)生變化,部份磁場會從此區(qū)域外泄,使得構(gòu)件表面出現(xiàn)漏磁場增大的磁效應(yīng)現(xiàn)象;而且工作載荷卸除后,應(yīng)力集中所造成的磁效應(yīng)現(xiàn)象仍然存在.金屬工件表面這一增強(qiáng)的磁場實(shí)際上“記憶”著工件的缺陷或者應(yīng)力集中區(qū)域,在應(yīng)力與變形集中區(qū)域形成最大的散射漏磁場Hp變化,即漏磁場的切向分量Hp(x)具有最大值,而法向分量Hp(y)則出現(xiàn)符號跳變且具有零值點(diǎn)的特點(diǎn).因此通過漏磁場法向分量的測定可以檢測工件的缺陷或應(yīng)力集中的位置.2檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于鐵磁材料所具有的磁記憶特點(diǎn),應(yīng)用高性能的單片機(jī)控制技術(shù)可組成金屬構(gòu)件的缺陷檢測系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.2.1u3000結(jié)論檢測系統(tǒng)主要由磁阻傳感器、濾波放大電路、單片機(jī)、顯示、按鍵等電路和相應(yīng)軟件組成.系統(tǒng)的核心是PIC16F877A單片機(jī),該型號單片機(jī)具有高速處理數(shù)據(jù)的特性,內(nèi)部自帶看門狗,寬電壓工作,工作可靠性很高,芯片所具有8K的FLASH存儲器、368字節(jié)RAM、256字節(jié)的EEPROM和8通道10位的AD等豐富資源,使檢測系統(tǒng)幾乎不需要擴(kuò)展外圍電路,電路結(jié)構(gòu)簡單.用RA口可作為磁檢測信號的A/D通道,RB口的中斷功能用于按鍵處理,RC口用于LCD顯示的數(shù)據(jù)傳送.2.2磁阻傳感器檢測偏置磁敏傳感器是磁記憶檢測的前端關(guān)鍵,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用雙軸磁阻傳感器HMC1022,該傳感器能靈敏地反映微弱磁場的變化,其兩個(gè)磁敏感軸互相垂直,可測量工件表面散射磁場法向分量Hp(y)沿坐標(biāo)X—Y分量,通過計(jì)算可得到Hp(y)值.HMC1022具有很高的靈敏度和很好的線性度,其磁敏感是由磁阻薄膜合金組成的惠斯頓橋.當(dāng)橋上供以0～10V電壓,如果存在施加磁場時(shí),電橋電阻因感應(yīng)磁場而發(fā)生變化,經(jīng)過惠斯頓橋形成可由單片機(jī)采樣的電壓信號.磁阻傳感器在應(yīng)用中有時(shí)會有偏置輸出,可以通過兩種方法解決,一種是在屏蔽良好零磁場情況下對惠斯頓電橋的一個(gè)橋臂上并聯(lián)電阻強(qiáng)制輸出為零,如圖2所示.對不同型號的磁阻傳感器電橋偏置值不一樣,即使同一型號的磁阻傳感器,電橋的偏置值也不盡相同.通過實(shí)驗(yàn)HMC1022傳感器所需要并聯(lián)的電阻約65K左右.另一方法是通過單片機(jī)對芯片上的OFFSET+和OFFSET-引腳輸出脈沖信號,給傳感器內(nèi)部的偏置電流帶加以直流電流來抵消其偏置.另一方面磁敏電阻在強(qiáng)磁場作用下會被磁化,導(dǎo)致傳感器輸出信號發(fā)生變異、靈敏度下降等問題.為消除這種影響使輸出盡可能達(dá)到最佳狀態(tài),必須對傳感器短暫地施加一個(gè)強(qiáng)的恢復(fù)磁場.即可通過HMC1022芯片上的置位、復(fù)位引腳(S/R+和S/R-)向芯片內(nèi)部施加3～4A、20～50ns的脈沖電流.圖3電路可以用來產(chǎn)生傳感器所需的置位、復(fù)位脈沖,圖中由單片機(jī)控制產(chǎn)生的時(shí)鐘信號,使得兩只達(dá)林頓三極管交替通、斷,輸出的電流通過C3微分后送至HMC1001的S/R+端,產(chǎn)生圖4信號作為置位、復(fù)位脈沖.置位、復(fù)位脈沖不但可以使傳感器恢復(fù)高靈敏度工作,同時(shí)置位、復(fù)位脈沖以倒轉(zhuǎn)方式改變著傳感器的輸出極性,施加置位脈沖時(shí)讀傳感器一次,再驅(qū)動(dòng)復(fù)位脈沖讀傳感器一次,兩次讀數(shù)按公式B偏置=(B置位-B復(fù)位)/2計(jì)算,該偏置項(xiàng)包括傳感器電橋和接口電子器件的偏移,及傳感器電橋和接口電子器件的溫度漂移,保存此偏置值,系統(tǒng)檢測過程中數(shù)據(jù)采樣計(jì)算時(shí)應(yīng)減去此偏置值可消除這些誤差,提高檢測的準(zhǔn)確性.2.3信號濾波電路.系統(tǒng)內(nèi)部分通過具有兩個(gè)互相垂直磁敏感軸的HMC1022傳感器感應(yīng)鐵磁工件表面Hp(y)沿坐標(biāo)X—Y分量,磁場信號經(jīng)過磁阻傳感器變換成微弱的只有毫伏級的電壓輸出,在單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前需要進(jìn)行信號放大,信號的正確傳送和放大是單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析的基礎(chǔ).系統(tǒng)中放大電路的增益在200倍以上,要求放大電路要有足夠大的共模抑制和差模放大的能力.單端輸入的運(yùn)算放大電路在測量弱信號時(shí),往往不能抑制高頻噪聲的干擾,雙端輸入的差放電路具有共模抑制比高、輸入阻抗高的特點(diǎn).放大電路由運(yùn)放A1和A2構(gòu)成第一級差動(dòng)放大,改變R1或Rg可調(diào)整其放大倍數(shù);第二級差動(dòng)放大器A3將雙端輸入變?yōu)閱味溯敵?電位器RP可以調(diào)整放大電路的共模輸出;第三級由運(yùn)放A4構(gòu)成二階低通濾波電路,對于高頻信號濾波電路中的C1相當(dāng)于短路,電路無高頻分量輸出,濾除了高頻的外界干擾信號,在二階濾波中的Rf/R2不能太大,否則易產(chǎn)生輸出信號振蕩,系統(tǒng)中采用Rf=R2輸出穩(wěn)定;A4的輸出是雙極性的,PIC16F877A單片機(jī)RA口的A/D模塊輸入要求是0～5V的單極性模擬量,系統(tǒng)中通過A5、A6組成的電路,將-5～+5V的雙極性信號變換0～5V的單極性信號.同時(shí)為了更好地抑制高頻干擾信號,傳感器檢測信號線要加裝屏蔽措施,電纜屏蔽線要可靠接地.傳感器HMC1022的X、Y兩路信號的檢測和處理方法一樣,圖5所示為HMC1022磁場Y方向分量檢測的部分外圍電路.2.4連續(xù)的數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)軟件主要是實(shí)現(xiàn)采樣過程的控制、數(shù)字濾波計(jì)算等數(shù)據(jù)處理,檢測結(jié)果的保存和顯示等功能.軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采樣模塊、數(shù)據(jù)處理計(jì)算轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)輸出顯示模塊和按鍵輸入處理模塊等,主程序流程圖如圖6所示.主程序首先完成各個(gè)模塊的初始化,包括單片機(jī)片內(nèi)各個(gè)口、定時(shí)器、A/D和LCD的工作模式等和傳感器的初始化,然后由單片機(jī)端口輸出信號控制產(chǎn)生置位和復(fù)位脈沖,并分別讀取傳感器在置位和復(fù)位時(shí)的輸出作為計(jì)算系統(tǒng)偏置的參數(shù),計(jì)算所得的偏置值作為數(shù)據(jù)檢測的修正值保存.系統(tǒng)檢查如果有檢測命令鍵輸入就進(jìn)入連續(xù)的數(shù)據(jù)檢測顯示過程,系統(tǒng)設(shè)置復(fù)位按鍵,可以使系統(tǒng)重新初始化開始.數(shù)據(jù)檢測通過HMC1022兩個(gè)互相垂直的磁敏感軸,分別采集工件表面散射磁場法向分量Hp(y)沿坐標(biāo)X—Y分量,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊、計(jì)算模塊、標(biāo)度轉(zhuǎn)換后在LCD上顯示,LCD最高位顯示符號.其中數(shù)據(jù)處理是軟件系統(tǒng)中很重要的一部份,主要是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波后,完成磁場強(qiáng)度的計(jì)算任務(wù),其中Hp(y)=x2+y2??????√Ηp(y)=x2+y2,Hp(y)符號與Y軸分量符號相同.系統(tǒng)中設(shè)置磁場檢測范圍為-2.65～+2.65G,經(jīng)過信號變換傳送電路,輸出為0～5V的信號,該信號作為PIC16F877A單片機(jī)的A/D通道的輸入,PIC16F877A的RA口是十位的A/D轉(zhuǎn)換,當(dāng)場強(qiáng)為0G對應(yīng)2.5V電壓和512數(shù)字量,-2.65G對應(yīng)0V電壓和0數(shù)字量,+2.65G對應(yīng)5V電壓和1024數(shù)字量.HMC1022具有很好的線性度,可以通過算式:Y軸實(shí)際值=(Y檢測數(shù)據(jù)-偏置-512)×5.12×10-3G來計(jì)算.LCD的最高位設(shè)置為符號位,可以實(shí)時(shí)連續(xù)檢測.3工件檢測結(jié)果開發(fā)系統(tǒng)與廈門愛德森電子有限公司生產(chǎn)的EMS-2004金屬磁記憶診斷儀同時(shí)檢測兩個(gè)金屬工件,檢測結(jié)果如表1所示,其中一個(gè)工件的兩組數(shù)據(jù)對比如圖7所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)與EMS-2004的檢測數(shù)據(jù)基本吻合,利用設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測工件表面法向磁場的大小和符號,金屬工件應(yīng)力集中區(qū)域的磁場強(qiáng)度出現(xiàn)符號跳變且過零值點(diǎn).4金屬基復(fù)合材料系統(tǒng)開發(fā)的低成本金屬磁記憶檢測系統(tǒng)是基于PI