基于ARM的鋼鐵材料裂紋電磁無損檢測電路設(shè)計
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目前，鋼鐵材料質(zhì)量檢查和故障診斷的智能化和自動化的研究成為無損檢測技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方向。然而現(xiàn)有的電磁無損檢測儀器對于鋼鐵材料裂紋質(zhì)量檢測還存在許多難題，因而研發(fā)高效、智能和快速的檢測儀器仍然是這一領(lǐng)域的最大亮點。本文將ARM技術(shù)應(yīng)用于電磁無損檢測電路設(shè)計中，一方面能夠提高鋼鐵材料檢測的精度和速度，另一方面電路設(shè)計優(yōu)化能夠縮小檢測儀器體積，便于檢測人員攜帶。
1 初始磁導(dǎo)率法的檢測原理
初始磁導(dǎo)率法是基于電磁無損檢測方法檢測鋼鐵的材質(zhì)，因其非破壞性、簡便、快速及可實現(xiàn)100%逐件檢測等優(yōu)點，在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用[1]。初始幅值磁導(dǎo)率法檢測的原理如圖1所示，當(dāng)一個空心的磁化線圈中通以交流激磁電流之后，線圈內(nèi)產(chǎn)生一個軸向的磁場強度Hp。被測的鐵磁性工件放入該線圈時，在交變磁場的作用下鋼鐵件被交變磁化，從而大大增加原來的磁場強度Hp。但同時，由于非無限長工件的退磁場強度和鋼鐵件中感應(yīng)出的渦流產(chǎn)生的附加交變磁場，兩者之和Hs又總是削弱原外加磁場Hp。因此，為了處理方便引入了有效磁導(dǎo)率μeff。這樣, 用一組測量線圈同軸繞制于激磁線圈上時, 必然在測量線圈上產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢E。
初始磁導(dǎo)率是鋼鐵材料的磁化曲線在原點處的斜率, 即磁感應(yīng)強度隨磁場強度線性增加范圍內(nèi)的磁導(dǎo)率（磁疇疇壁的可逆位移區(qū)）在此磁場范圍內(nèi)，工件磁化后無剩磁。而裂紋、內(nèi)裂等損傷是由于鋼鐵材料在生產(chǎn)和加工過程中受熱應(yīng)力和組織應(yīng)力等因素造成的，根據(jù)應(yīng)力理論，鋼鐵材料的應(yīng)力越大，其初始磁導(dǎo)率下降越大[2]。
2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
本系統(tǒng)主要由激勵部分、傳感器部分、信號處理部分和系統(tǒng)控制部分組成。其中系統(tǒng)控制部分包括核心控制器件S3C2440A芯片、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器件、液晶顯示、鍵盤和聲光報警6部分。設(shè)計的系統(tǒng)總體框圖如2圖所示。
3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計
3.1 激勵部分
本設(shè)計的激勵方波采用S3C2440A控制芯片的PWM功能的定時器產(chǎn)生，激勵方波的頻率與占空比是通過軟件編程對PWM進(jìn)行配置，由于從S3C2440A控制芯片的I/O口輸出的是3.3 V電壓，為了提高激勵方波電壓值，可在經(jīng)過電壓補償電路后提高達(dá)到±5 V電壓。將處理器的J7引腳（TOUT2）配置成PWM輸出，然后將輸出的信號經(jīng)過模擬電路處理得到需要的方波激勵信號。
3.2 傳感器部分
傳感器部分由激勵線圈和檢測線圈組成，采用自比較式的差動設(shè)計，用2個線圈同時在鋼鐵試樣上實施檢測[3]。鋼鐵器件檢測的相鄰部位的材料物理性能與幾何參數(shù)等通常都相差較小，對在鋼鐵材料上勻速水平移動的傳感器的干擾一般較小。設(shè)計中，選用初始磁導(dǎo)率較高的U型錳鋅鐵氧體作為傳感器的磁芯，如果鋼鐵試樣中的應(yīng)力越大，則初始磁導(dǎo)率下降越快。激勵線圈與檢測線圈的繞線匝數(shù)為1:4，盡量地增大有效磁導(dǎo)率，進(jìn)而提高鋼鐵材料損傷檢測的靈敏度，并且可以明顯降低傳感器激勵線圈的功率。
3.3 信號處理部分
前置信號處理部分主要由整流電路、濾波電路、放大電路3部分組成。經(jīng)過信號處理部分后可以使檢測到的信號減少噪聲干擾、提高信噪比，使檢測信號盡可能不失真地傳輸?shù)胶罄m(xù)電路。設(shè)計中選用741運放與RC電網(wǎng)組成濾波放大電路，對從橋式全波整流電路出來的信號進(jìn)行濾波和放大，放大100倍后可以得到比較清晰的檢測信號，然后將得到的模擬信號傳輸給A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化為便于分析處理的數(shù)字量。這種電路能夠抑制各種外來干擾因素，而且結(jié)構(gòu)簡單。前置信號處理電路如圖3所示。
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