1 引言
金属构件和零部件发生损坏的主要原因,是各种微观和宏观机械应力集中导致疲劳失效,其基本特征表现为材料在低于静强度极限的交变应力持续作用下,萌生多种类型的微观内部缺陷,并逐渐演化为宏观裂纹,裂纹扩展最终导致结构破坏。因此,进行疲劳分析,有效评价应力变形状况,测定未来裂缝发展的位置、大小和方向,成为评价金属零部件与构件结构强度和可靠性的一个重要依据。为了及时准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率先提出一种崭新的诊断技术——金属磁记忆检测。本文采用PIC单片机,设计了高性能价格比的便携式磁记忆检测仪,具有低成本、低功耗和快速检测等特点,可以满足各种场合,特别是难以到达部位的应力集中区检测。
2 磁记忆检测仪的硬件设计
便携式磁记忆检测仪主要由传感器、单片机、运算放大器、LCD显示和相应软件组成,见图1。便携式磁记忆检测仪以单片机PIC16LF873A为核心,用HMC1052两轴磁阻传感器检测法向分量Hp(y)的X分量和Y分量,经过信号放大后,送单片机PIC16LF873A的A/D转换通道,获得的数据经计算得到Hp(y)值,送LCD显示。为检测方便,设置了两个检测通道,作为应力集中线Hp(y)符号比较的依据。置位/复位电路对磁阻传感器施加置位/复位电流,避免地球磁场对测量结果影响。
2.1 单片机PIC16LF873A
单片机采用PIC16LF873A,它有4KB FLASH存储器,192字节RAM、128字节EEPROM、10位A/D转换器等,几乎不需要外围扩展电路就可以直接使用。RA口设置成A/D转换功能,用于处理双通道磁阻传感器信号。RB口的中断功能用于键盘处理,设有校验、置位/复位、通道1、通道2和ON/OFF5个功能键。RC口中的六个引脚,用于LCD显示器控制。采用两个SMS0801B两线制串行LCD显示器,电源由单片机RC口的一个引脚供电,这样便于对LCD显示器控制,降低系统功耗。显示器可以显示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是利用磁原理,测量工件表面散射磁场法向分量Hp(y)沿坐标X-Y分量,通过数值计算、误差校正,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换为电压输出。其输出电压以电源电压的一半为基准。磁场范围是±6×10-4T,灵敏度是1.0×10-4mV/V/T。HMC1052包含两个敏感元件,其敏感轴X和Y互相垂直。
2.3 磁阻传感器外围电路设计
磁阻传感器在制造过程中,选定沿着薄膜长度方向为轴,当玻膜合金薄膜受到强磁场干扰时(大于20×10-4T)薄膜磁化极性会受到破坏,对这个磁场需要对传感器施加一个瞬态强磁场来恢复或保持传感器特性,这个过程需要一个置位或复位脉冲。图2中Q1、C2、C3、R11、R12构成简单置位电路,可以为HMC1052提供大电流脉冲。用单片机完成电路的控制。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,形成大约0.5 A的置位脉冲,脉冲宽度约2μs。SET/RESET输出由高到低的时候,由R11限流形成复位脉冲。为节省电池能量,置位/复位电路每10分钟工作一次。电路以一种倒转的方式改变传感器输出极性,即驱动置位脉冲读数一次,在驱动复位脉冲读数一次,两次读数相减可以消除因温度漂移和电路参数等共模信号造成的影响,从而得出一个与绝对磁场成正比例的输出。
Q2和R13是数据采集通道的电源控制电路,进行数据采集时,双通道的控制分别进行,轮流检测。工件应力集中区的磁场法向分量Hp的变化,将引起传感器输出电压的变化。HMC1052的4、10脚输出磁场Hy坐标(X-Y)中测量方向(Y轴)的电压变化。2、7脚输出磁场Hy坐标(X-Y)中左右方向(X轴)的电压变化。便携式磁记忆检测仪测量的Hp磁场范围为±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。
本文采用MCP6042低电压、低功耗双运算放大器。要使电压对应单片机A/D转换器模拟输入端0 V到3 V的电压范围,需要放大200倍。电阻R2、R3、R7和R9用于设置放大倍数。输入电阻应是桥路电阻的4倍～10倍。选择1 kHz带宽,则电容C1为150 P,防止EMI/RFI干扰。经放大的模拟电压送单片机的A/D转换器,其中Y-OUT表示磁场的测量方向Y分量,X-OUT表示磁场的X分量。
2.4 低功耗设计
便携式磁记忆检测仪在电源电压和功耗上要求苛刻,为了降低功耗,采用以下措施。
●所有集成电路都选择低工作电压和低功耗芯片。
●尽量减少使用外围元器件,PIC16LF873A外围功能强大,比其他系列单片机使用的元件少。
●采用低功耗LCD显示器,电源由单片机提供,需要显示时才供电。
●信号通道单独供电,需要测量时再供电。
●采用单片机“睡眠”功能,不测量时处于睡眠状态。所有输入引脚保证有确定电平,输出引脚以不向外围电路提供电流为准则。
●关闭RB口中断“弱上拉电阻”,有按键时高电平中断。实验证明,采用以上设计方式,电池电压为3.6V时,便携式磁记忆检测仪的静态功耗小于85μA。
3 磁记忆检测仪的软件设计
软件是便携式磁记忆检测仪另一个核心部分,主要完成系统初始化、数据采集、数据显示、键盘处理和校验等功能。
软件的主要流程图见图3。
(1)主程序:完成系统的初始化工作,进行各传感器的置位和复位,然后进入睡眠状态。
(2)通道按键中断服务子程序:向检测数据通道供电,采集Y数据和X数据测量时,法向分量Hp与X、Y数据的关系是:Hp=X2+Y2。Hy符号与测量基准方向Y的符号相同。以Y通道为例,说明A/D转换的数据处理过程。对PIC16LF873A单片机,10位A/D转换器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分量符号相同。数字量≥512的数据,进行以下运算:实际数据=(Y数据-512)×0.009765×10-4T-修正值。数字量≤512的数据,进行以下运算:实际数据=-(511-Y数据)×0.009765×10-4T-修正值。LCD显示器可以显示8位数字,最高显示位为Hp符号,有效数字是7位。可以连续测量,直到再一次按键,返回主程序。
(3)校验按键中断服务子程序:将传感器置于磁屏蔽中,各通道测量出0 T值,将测量结果作为修正值存入EEPROM中。
4 实验和数据分析
实验方式:便携式磁记忆检测仪与俄罗斯TSCM-2FM应力集中检测仪同时对工件相同点进行应力检测,便携式磁记忆检测仪的检测结果如表1所示。
应力集中线的位置与俄罗斯TSCM-2FM应力集中检测仪检测的结果相同。经过实验检测,便携式磁记忆检测仪可以实时显示被测工件的磁场Hp值的大小和符号,双通道配合使用,磁感应强度为零的连接线为应力集中线。
5 结束语
基于PIC16LF873A单片机的便携式磁记忆检测仪,具有成本低、功耗低、精度高、体积小和使用方便等特点,对操作人员无专业计数要求。特别适用于在工件结构复杂窄小的环境使用。便携式磁记忆检测仪是一款性能价格比很高的磁记忆检测仪器,在石油、化工、冶金、机械、铁路、建筑、桥梁和航空等部门的无损检测中具有十分广阔的前景。
