基于hmc1022的金屬磁記憶檢測系統(tǒng)設計

基于hmc1022的金屬磁記憶檢測系統(tǒng)設計

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。事實上，大多數金屬構件的損壞是由微觀力的集中造成的。在機械應力的集中，金屬構件的勞動障礙和損壞會導致缺陷、裂紋和損壞。因此，對金屬構件的應力狀況進行評估，不僅可以檢測金屬構件的缺點，還可以預測金屬構件可能出現(xiàn)缺陷的危險部分。它對早期診斷和檢測設備故障非常重要。近年來，金屬磁強指數檢測是一種提出的對金屬部件進行應力集中和微裂紋檢測的技術。1構件表面出現(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力集中區(qū)域缺陷處的磁導率會發(fā)生變化,部份磁場會從此區(qū)域外泄,使得構件表面出現(xiàn)漏磁場增大的磁效應現(xiàn)象;而且工作載荷卸除后,應力集中所造成的磁效應現(xiàn)象仍然存在.金屬工件表面這一增強的磁場實際上“記憶”著工件的缺陷或者應力集中區(qū)域,在應力與變形集中區(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的特點.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力集中的位置.2檢測系統(tǒng)的設計基于鐵磁材料所具有的磁記憶特點,應用高性能的單片機控制技術可組成金屬構件的缺陷檢測系統(tǒng),系統(tǒng)結構如圖1所示.2.1u3000結論檢測系統(tǒng)主要由磁阻傳感器、濾波放大電路、單片機、顯示、按鍵等電路和相應軟件組成.系統(tǒng)的核心是PIC16F877A單片機,該型號單片機具有高速處理數據的特性,內部自帶看門狗,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)幾乎不需要擴展外圍電路,電路結構簡單.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顯示的數據傳送.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鍵,系統(tǒng)設計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X—Y分量,通過計算可得到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.當橋上供以0～10V電壓,如果存在施加磁場時,電橋電阻因感應磁場而發(fā)生變化,經過惠斯頓橋形成可由單片機采樣的電壓信號.磁阻傳感器在應用中有時會有偏置輸出,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橋臂上并聯(lián)電阻強制輸出為零,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.通過實驗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對芯片上的OFFSET+和OFFSET-引腳輸出脈沖信號,給傳感器內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磁場作用下會被磁化,導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到最佳狀態(tài),必須對傳感器短暫地施加一個強的恢復磁場.即可通過HMC1022芯片上的置位、復位引腳(S/R+和S/R-)向芯片內部施加3～4A、20～50ns的脈沖電流.圖3電路可以用來產生傳感器所需的置位、復位脈沖,圖中由單片機控制產生的時鐘信號,使得兩只達林頓三極管交替通、斷,輸出的電流通過C3微分后送至HMC1001的S/R+端,產生圖4信號作為置位、復位脈沖.置位、復位脈沖不但可以使傳感器恢復高靈敏度工作,同時置位、復位脈沖以倒轉方式改變著傳感器的輸出極性,施加置位脈沖時讀傳感器一次,再驅動復位脈沖讀傳感器一次,兩次讀數按公式B偏置=(B置位-B復位)/2計算,該偏置項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)檢測過程中數據采樣計算時應減去此偏置值可消除這些誤差,提高檢測的準確性.2.3信號濾波電路.系統(tǒng)內部分通過具有兩個互相垂直磁敏感軸的HMC1022傳感器感應鐵磁工件表面Hp(y)沿坐標X—Y分量,磁場信號經過磁阻傳感器變換成微弱的只有毫伏級的電壓輸出,在單片機進行數據采集前需要進行信號放大,信號的正確傳送和放大是單片機進行數據采集和分析的基礎.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.單端輸入的運算放大電路在測量弱信號時,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.放大電路由運放A1和A2構成第一級差動放大,改變R1或Rg可調整其放大倍數;第二級差動放大器A3將雙端輸入變?yōu)閱味溯敵?電位器RP可以調整放大電路的共模輸出;第三級由運放A4構成二階低通濾波電路,對于高頻信號濾波電路中的C1相當于短路,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)的數據檢測系統(tǒng)軟件主要是實現(xiàn)采樣過程的控制、數字濾波計算等數據處理,檢測結果的保存和顯示等功能.軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊、數據采樣模塊、數據處理計算轉換模塊、數據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模塊的初始化,包括單片機片內各個口、定時器、A/D和LCD的工作模式等和傳感器的初始化,然后由單片機端口輸出信號控制產生置位和復位脈沖,并分別讀取傳感器在置位和復位時的輸出作為計算系統(tǒng)偏置的參數,計算所得的偏置值作為數據檢測的修正值保存.系統(tǒng)檢查如果有檢測命令鍵輸入就進入連續(xù)的數據檢測顯示過程,系統(tǒng)設置復位按鍵,可以使系統(tǒng)重新初始化開始.數據檢測通過HMC1022兩個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X—Y分量,經過數據處理模塊、計算模塊、標度轉換后在LCD上顯示,LCD最高位顯示符號.其中數據處理是軟件系統(tǒng)中很重要的一部份,主要是對采集的數據進行數字濾波后,完成磁場強度的計算任務,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)中設置磁場檢測范圍為-2.65～+2.65G,經過信號變換傳送電路,輸出為0～5V的信號,該信號作為PIC16F877A單片機的A/D通道的輸入,PIC16F877A的RA口是十位的A/D轉換,當場強為0G對應2.5V電壓和512數字量,-2.65G對應0V電壓和0數字量,+2.65G對應5V電壓和1024數字量.HMC1022具有很好的線性度,可以通過算式:Y軸實際值=(Y檢測數據-偏置-512)×5.12×10-3G來計算.LCD的最高位設置為符號位,可以實時連續(xù)檢測.3工件檢測結果開發(fā)系統(tǒng)與廈門愛德森電子有限公司生產的EMS-2004金屬磁記憶診斷儀同時檢測兩個金屬工件,檢測結果如表1所示,其中一個工件的兩組數據對比如圖7所示.實驗結果表明所設計的系統(tǒng)檢測數據與EMS-2004的檢測數據基本吻合,利用設計系統(tǒng)可以實時檢測工件表面法向磁場的大小和符號,金屬工件應力集中區(qū)域的磁場強度出現(xiàn)符號跳變且過零值點.4金屬基復合材料系統(tǒng)開發(fā)的低成本金屬磁記憶檢測系統(tǒng)是基于PI