基于hmc1022的金属磁记忆检测系统设计

基于hmc1022的金属磁记忆检测系统设计

通常的x射线检测、频率检测、超声波检测和其他损失检测方法只能检测存在的宏观缺陷。事实上，大多数金属构件的损坏是由微观力的集中造成的。在机械应力的集中，金属构件的劳动障碍和损坏会导致缺陷、裂纹和损坏。因此，对金属构件的应力状况进行评估，不仅可以检测金属构件的缺点，还可以预测金属构件可能出现缺陷的危险部分。它对早期诊断和检测设备故障非常重要。近年来，金属磁强指数检测是一种提出的对金属部件进行应力集中和微裂纹检测的技术。1构件表面出现漏磁场金属磁记忆的基本原理是处于地磁场环境下的铁磁工件,受工作载荷作用在其应力集中区域缺陷处的磁导率会发生变化,部份磁场会从此区域外泄,使得构件表面出现漏磁场增大的磁效应现象;而且工作载荷卸除后,应力集中所造成的磁效应现象仍然存在.金属工件表面这一增强的磁场实际上“记忆”着工件的缺陷或者应力集中区域,在应力与变形集中区域形成最大的散射漏磁场Hp变化,即漏磁场的切向分量Hp(x)具有最大值,而法向分量Hp(y)则出现符号跳变且具有零值点的特点.因此通过漏磁场法向分量的测定可以检测工件的缺陷或应力集中的位置.2检测系统的设计基于铁磁材料所具有的磁记忆特点,应用高性能的单片机控制技术可组成金属构件的缺陷检测系统,系统结构如图1所示.2.1u3000结论检测系统主要由磁阻传感器、滤波放大电路、单片机、显示、按键等电路和相应软件组成.系统的核心是PIC16F877A单片机,该型号单片机具有高速处理数据的特性,内部自带看门狗,宽电压工作,工作可靠性很高,芯片所具有8K的FLASH存储器、368字节RAM、256字节的EEPROM和8通道10位的AD等丰富资源,使检测系统几乎不需要扩展外围电路,电路结构简单.用RA口可作为磁检测信号的A/D通道,RB口的中断功能用于按键处理,RC口用于LCD显示的数据传送.2.2磁阻传感器检测偏置磁敏传感器是磁记忆检测的前端关键,系统设计中采用双轴磁阻传感器HMC1022,该传感器能灵敏地反映微弱磁场的变化,其两个磁敏感轴互相垂直,可测量工件表面散射磁场法向分量Hp(y)沿坐标X—Y分量,通过计算可得到Hp(y)值.HMC1022具有很高的灵敏度和很好的线性度,其磁敏感是由磁阻薄膜合金组成的惠斯顿桥.当桥上供以0～10V电压,如果存在施加磁场时,电桥电阻因感应磁场而发生变化,经过惠斯顿桥形成可由单片机采样的电压信号.磁阻传感器在应用中有时会有偏置输出,可以通过两种方法解决,一种是在屏蔽良好零磁场情况下对惠斯顿电桥的一个桥臂上并联电阻强制输出为零,如图2所示.对不同型号的磁阻传感器电桥偏置值不一样,即使同一型号的磁阻传感器,电桥的偏置值也不尽相同.通过实验HMC1022传感器所需要并联的电阻约65K左右.另一方法是通过单片机对芯片上的OFFSET+和OFFSET-引脚输出脉冲信号,给传感器内部的偏置电流带加以直流电流来抵消其偏置.另一方面磁敏电阻在强磁场作用下会被磁化,导致传感器输出信号发生变异、灵敏度下降等问题.为消除这种影响使输出尽可能达到最佳状态,必须对传感器短暂地施加一个强的恢复磁场.即可通过HMC1022芯片上的置位、复位引脚(S/R+和S/R-)向芯片内部施加3～4A、20～50ns的脉冲电流.图3电路可以用来产生传感器所需的置位、复位脉冲,图中由单片机控制产生的时钟信号,使得两只达林顿三极管交替通、断,输出的电流通过C3微分后送至HMC1001的S/R+端,产生图4信号作为置位、复位脉冲.置位、复位脉冲不但可以使传感器恢复高灵敏度工作,同时置位、复位脉冲以倒转方式改变着传感器的输出极性,施加置位脉冲时读传感器一次,再驱动复位脉冲读传感器一次,两次读数按公式B偏置=(B置位-B复位)/2计算,该偏置项包括传感器电桥和接口电子器件的偏移,及传感器电桥和接口电子器件的温度漂移,保存此偏置值,系统检测过程中数据采样计算时应减去此偏置值可消除这些误差,提高检测的准确性.2.3信号滤波电路.系统内部分通过具有两个互相垂直磁敏感轴的HMC1022传感器感应铁磁工件表面Hp(y)沿坐标X—Y分量,磁场信号经过磁阻传感器变换成微弱的只有毫伏级的电压输出,在单片机进行数据采集前需要进行信号放大,信号的正确传送和放大是单片机进行数据采集和分析的基础.系统中放大电路的增益在200倍以上,要求放大电路要有足够大的共模抑制和差模放大的能力.单端输入的运算放大电路在测量弱信号时,往往不能抑制高频噪声的干扰,双端输入的差放电路具有共模抑制比高、输入阻抗高的特点.放大电路由运放A1和A2构成第一级差动放大,改变R1或Rg可调整其放大倍数;第二级差动放大器A3将双端输入变为单端输出,电位器RP可以调整放大电路的共模输出;第三级由运放A4构成二阶低通滤波电路,对于高频信号滤波电路中的C1相当于短路,电路无高频分量输出,滤除了高频的外界干扰信号,在二阶滤波中的Rf/R2不能太大,否则易产生输出信号振荡,系统中采用Rf=R2输出稳定;A4的输出是双极性的,PIC16F877A单片机RA口的A/D模块输入要求是0～5V的单极性模拟量,系统中通过A5、A6组成的电路,将-5～+5V的双极性信号变换0～5V的单极性信号.同时为了更好地抑制高频干扰信号,传感器检测信号线要加装屏蔽措施,电缆屏蔽线要可靠接地.传感器HMC1022的X、Y两路信号的检测和处理方法一样,图5所示为HMC1022磁场Y方向分量检测的部分外围电路.2.4连续的数据检测系统软件主要是实现采样过程的控制、数字滤波计算等数据处理,检测结果的保存和显示等功能.软件主要由系统初始化模块、数据采样模块、数据处理计算转换模块、数据输出显示模块和按键输入处理模块等,主程序流程图如图6所示.主程序首先完成各个模块的初始化,包括单片机片内各个口、定时器、A/D和LCD的工作模式等和传感器的初始化,然后由单片机端口输出信号控制产生置位和复位脉冲,并分别读取传感器在置位和复位时的输出作为计算系统偏置的参数,计算所得的偏置值作为数据检测的修正值保存.系统检查如果有检测命令键输入就进入连续的数据检测显示过程,系统设置复位按键,可以使系统重新初始化开始.数据检测通过HMC1022两个互相垂直的磁敏感轴,分别采集工件表面散射磁场法向分量Hp(y)沿坐标X—Y分量,经过数据处理模块、计算模块、标度转换后在LCD上显示,LCD最高位显示符号.其中数据处理是软件系统中很重要的一部份,主要是对采集的数据进行数字滤波后,完成磁场强度的计算任务,其中Hp(y)=x2+y2−−−−−−√Ηp(y)=x2+y2,Hp(y)符号与Y轴分量符号相同.系统中设置磁场检测范围为-2.65～+2.65G,经过信号变换传送电路,输出为0～5V的信号,该信号作为PIC16F877A单片机的A/D通道的输入,PIC16F877A的RA口是十位的A/D转换,当场强为0G对应2.5V电压和512数字量,-2.65G对应0V电压和0数字量,+2.65G对应5V电压和1024数字量.HMC1022具有很好的线性度,可以通过算式:Y轴实际值=(Y检测数据-偏置-512)×5.12×10-3G来计算.LCD的最高位设置为符号位,可以实时连续检测.3工件检测结果开发系统与厦门爱德森电子有限公司生产的EMS-2004金属磁记忆诊断仪同时检测两个金属工件,检测结果如表1所示,其中一个工件的两组数据对比如图7所示.实验结果表明所设计的系统检测数据与EMS-2004的检测数据基本吻合,利用设计系统可以实时检测工件表面法向磁场的大小和符号,金属工件应力集中区域的磁场强度出现符号跳变且过零值点.4金属基复合材料系统开发的低成本金属磁记忆检测系统是基于PI