一種便攜式磁記憶檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

金屬構(gòu)件和零部件發(fā)生損壞的主要原因,是各種微觀和宏觀機(jī)械應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞失效,其基本特征表現(xiàn)為材料在低于靜強(qiáng)度極限的交變應(yīng)力持續(xù)作用下,萌生多種類(lèi)型的微觀內(nèi)部缺陷,并逐漸演化為宏觀裂紋,裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此,進(jìn)行疲勞分析,有效評(píng)價(jià)應(yīng)力變形狀況,測(cè)定未來(lái)裂縫發(fā)展的位置、大小和方向,成為評(píng)價(jià)金屬零部件與構(gòu)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性的一個(gè)重要依據(jù)。為了及時(shí)準(zhǔn)確的找出最大機(jī)械應(yīng)力變形區(qū)域,20世紀(jì)90年代后期,以杜波夫?yàn)榇淼亩砹_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(cè)。本文采用PIC單片機(jī),設(shè)計(jì)了高性能價(jià)格比的便攜式磁記憶檢測(cè)儀,具有低成本、低功耗和快速檢測(cè)等特點(diǎn),可以滿足各種場(chǎng)合,特別是難以到達(dá)部位的應(yīng)力集中區(qū)檢測(cè)。

2　磁記憶檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)

便攜式磁記憶檢測(cè)儀主要由傳感器、單片機(jī)、運(yùn)算放大器、LCD顯示和相應(yīng)軟件組成,見(jiàn)圖1。便攜式磁記憶檢測(cè)儀以單片機(jī)PIC16LF873A為核心,用HMC1052兩軸磁阻傳感器檢測(cè)法向分量Hp(y)的X分量和Y分量,經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后,送單片機(jī)PIC16LF873A的A/D轉(zhuǎn)換通道,獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得到Hp(y)值,送LCD顯示。為檢測(cè)方便,設(shè)置了兩個(gè)檢測(cè)通道,作為應(yīng)力集中線Hp(y)符號(hào)比較的依據(jù)。置位/復(fù)位電路對(duì)磁阻傳感器施加置位/復(fù)位電流,避免地球磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響。

2.1　單片機(jī)PIC16LF873A

單片機(jī)采用PIC16LF873A,它有4KB FLASH存儲(chǔ)器,192字節(jié)RAM、128字節(jié)EEPROM、10位A/D轉(zhuǎn)換器等,幾乎不需要外圍擴(kuò)展電路就可以直接使用。RA口設(shè)置成A/D轉(zhuǎn)換功能,用于處理雙通道磁阻傳感器信號(hào)。RB口的中斷功能用于鍵盤(pán)處理,設(shè)有校驗(yàn)、置位/復(fù)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兩線制串行LCD顯示器,電源由單片機(jī)RC口的一個(gè)引腳供電,這樣便于對(duì)LCD顯示器控制,降低系統(tǒng)功耗。顯示器可以顯示每個(gè)通道的磁場(chǎng)強(qiáng)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(cè)量工件表面散射磁場(chǎng)法向分量Hp(y)沿坐標(biāo)X-Y分量,通過(guò)數(shù)值計(jì)算、誤差校正,得到Hp(y)值。HMC1052是一個(gè)雙軸線性磁傳感器,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(dāng)橋路加上供電電壓,傳感器將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓輸出。其輸出電壓以電源電壓的一半為基準(zhǔn)。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(shè)計(jì)

磁阻傳感器在制造過(guò)程中,選定沿著薄膜長(zhǎng)度方向?yàn)檩S,當(dāng)玻膜合金薄膜受到強(qiáng)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(duì)這個(gè)磁場(chǎng)需要對(duì)傳感器施加一個(gè)瞬態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)恢復(fù)或保持傳感器特性,這個(gè)過(guò)程需要一個(gè)置位或復(fù)位脈沖。圖2中Q1、C2、C3、R11、R12構(gòu)成簡(jiǎn)單置位電路,可以為HMC1052提供大電流脈沖。用單片機(jī)完成電路的控制。當(dāng)SET/RESET輸出低電平時(shí),Q1截止,C2充電到VCC,C3放電到0V。當(dāng)SET/RE-SET輸出由低到高電平時(shí),R12和C3使Q1導(dǎo)通,由C2、Q1和HMC1052的S/R+(6腳)S/R-(8腳)間電阻構(gòu)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(fù)位脈沖。為節(jié)省電池能量,置位/復(fù)位電路每10分鐘工作一次。電路以一種倒轉(zhuǎn)的方式改變傳感器輸出極性,即驅(qū)動(dòng)置位脈沖讀數(shù)一次,在驅(qū)動(dòng)復(fù)位脈沖讀數(shù)一次,兩次讀數(shù)相減可以消除因溫度漂移和電路參數(shù)等共模信號(hào)造成的影響,從而得出一個(gè)與絕對(duì)磁場(chǎng)成正比例的輸出。

Q2和R13是數(shù)據(jù)采集通道的電源控制電路,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),雙通道的控制分別進(jìn)行,輪流檢測(cè)。工件應(yīng)力集中區(qū)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(biāo)(X-Y)中測(cè)量方向(Y軸)的電壓變化。2、7腳輸出磁場(chǎng)Hy坐標(biāo)(X-Y)中左右方向(X軸)的電壓變化。便攜式磁記憶檢測(cè)儀測(cè)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(dāng)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(yùn)算放大器。要使電壓對(duì)應(yīng)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)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(shè)置放大倍數(shù)。輸入電阻應(yīng)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(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器,其中Y-OUT表示磁場(chǎng)的測(cè)量方向Y分量,X-OUT表示磁場(chǎng)的X分量。

2.4　低功耗設(shè)計(jì)

便攜式磁記憶檢測(cè)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(qiáng)大,比其他系列單片機(jī)使用的元件少。

●采用低功耗LCD顯示器,電源由單片機(jī)提供,需要顯示時(shí)才供電。

●信號(hào)通道單獨(dú)供電,需要測(cè)量時(shí)再供電。

●采用單片機(jī)“睡眠”功能,不測(cè)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(zhǔn)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(yàn)證明,采用以上設(shè)計(jì)方式,電池電壓為3.6V時(shí),便攜式磁記憶檢測(cè)儀的靜態(tài)功耗小于85μA。

3　磁記憶檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)

軟件是便攜式磁記憶檢測(cè)儀另一個(gè)核心部分,主要完成系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤(pán)處理和校驗(yàn)等功能。

軟件的主要流程圖見(jiàn)圖3。

(1)主程序:完成系統(tǒng)的初始化工作,進(jìn)行各傳感器的置位和復(fù)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(cè)數(shù)據(jù)通道供電,采集Y數(shù)據(jù)和X數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí),法向分量Hp與X、Y數(shù)據(jù)的關(guān)系是:Hp=X2+Y2。Hy符號(hào)與測(cè)量基準(zhǔn)方向Y的符號(hào)相同。以Y通道為例,說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。對(duì)PIC16LF873A單片機(jī),10位A/D轉(zhuǎn)換器0 T對(duì)應(yīng)1.5 V電壓和數(shù)字量為512,+5×10-4T對(duì)應(yīng)3 V電壓和數(shù)字量為1023,-5×10-4T對(duì)應(yīng)0 V電壓和數(shù)字量為0。每個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)電壓2.9 mV。Hy值的符號(hào)與Y分量符號(hào)相同。數(shù)字量≥512的數(shù)據(jù),進(jìn)行以下運(yùn)算:實(shí)際數(shù)據(jù)=(Y數(shù)據(jù)-512)×0.009765×10-4T-修正值。數(shù)字量≤512的數(shù)據(jù),進(jìn)行以下運(yùn)算:實(shí)際數(shù)據(jù)=-(511-Y數(shù)據(jù))×0.009765×10-4T-修正值。LCD顯示器可以顯示8位數(shù)字,最高顯示位為Hp符號(hào),有效數(shù)字是7位?？梢赃B續(xù)測(cè)量,直到再一次按鍵,返回主程序。

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

4　實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)方式:便攜式磁記憶檢測(cè)儀與俄羅斯TSCM-2FM應(yīng)力集中檢測(cè)儀同時(shí)對(duì)工件相同點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè),便攜式磁記憶檢測(cè)儀的檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

應(yīng)力集中線的位置與俄羅斯TSCM-2FM應(yīng)力集中檢測(cè)儀檢測(cè)的結(jié)果相同。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè),便攜式磁記憶檢測(cè)儀可以實(shí)時(shí)顯示被測(cè)工件的磁場(chǎng)Hp值的大小和符號(hào),雙通道配合使用,磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的連接線為應(yīng)力集中線。

5　結(jié)束語(yǔ)

基于PIC16LF873A單片機(jī)的便攜式磁記憶檢測(cè)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(duì)操作人員無(wú)專(zhuān)業(yè)計(jì)數(shù)要求。特別適用于在工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜窄小的環(huán)境使用。便攜式磁記憶檢測(cè)儀是一款性能價(jià)格比很高的磁記憶檢測(cè)儀器,在石油、化工、冶金、機(jī)械、鐵路、建筑、橋梁和航空等部門(mén)的無(wú)損檢測(cè)中具有十分廣闊的前景。