一種基于PIC單片機(jī)的便攜式磁記憶檢測(cè)儀

　　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，生成多種類型的微觀內(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)了高性價(jià)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)。

　　磁記憶檢測(cè)

　　鐵磁學(xué)研究表明，當(dāng)彈性應(yīng)力作用于鐵磁材料時(shí)，鐵磁體不但會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)變，還會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的應(yīng)變，改變其自發(fā)磁化的方向，這就是磁彈性效應(yīng)。根據(jù)“實(shí)際存在的狀態(tài)必定是能量最小的狀態(tài)”原則，由于磁機(jī)械效應(yīng)的作用引起工件內(nèi)部的磁疇重新取向排列，以增加磁彈性能的形式來(lái)抵消應(yīng)力能的增加，結(jié)果在鐵磁工件內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度將高于地球磁場(chǎng)強(qiáng)度，在應(yīng)力集中區(qū)，形成類似缺陷的漏磁場(chǎng)分布形式，磁場(chǎng)的切向分量Hp(x)為最大值，而法向分量Hp(y)在應(yīng)力集中線兩側(cè)符號(hào)發(fā)生變化，應(yīng)力集中線處有過(guò)零點(diǎn)。磁記憶檢測(cè)技術(shù)，是基于磁記憶效應(yīng)原理的全新無(wú)損檢測(cè)方式。磁記憶檢測(cè)技術(shù)在地磁環(huán)境下，通過(guò)對(duì)鐵磁材料所制成的工件表面散射磁場(chǎng)法向分量Hp(y)的測(cè)量，確定工件應(yīng)力集中區(qū)域，從而有效預(yù)測(cè)缺陷發(fā)生的區(qū)域。

　　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顯示器和相應(yīng)軟件組成(見圖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。

　　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Gs)、鍵盤信息、電池電壓低和超量程等信息。EEPROM用于保存修正值。

　　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6Gs，靈敏度是1.0mV/V/Gs。HMC1052包含兩個(gè)敏感元件，其敏感軸X和Y互相垂直。HMC1052采用10引腳小型表貼封裝，尺寸只有3mm3mm1mm。

　　磁阻傳感器外圍電路

　　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20Gs)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S/R+和S/R-就是用于置位的元件，其標(biāo)準(zhǔn)阻值是4Ω。

　　圖2中Q1、C2、C3、R11、R12構(gòu)成簡(jiǎn)單的置位電路，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/RESET輸出由低到的高電平時(shí)，R12和C3使Q1導(dǎo)通，由C2、Q1和HMC1052的S/R+(6引腳)S/R-(8引腳)間電阻構(gòu)成回路，形成大約0.5A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)位電路每十分鐘工作一次。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引腳輸出磁場(chǎng)Hy坐標(biāo)(X-Y)中測(cè)量方向(Y軸)的電壓變化。2、7引腳輸出磁場(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5Gs。HMC1052的靈敏度是1.0mV/V/Gs。當(dāng)傳感器的電源電壓為3V時(shí)，任何電橋上最大的輸出電壓是：5(Gs)1.0(mV/V/Gs)3(V)=15mV。

　　本電路采用MCP6042低電壓、低功耗雙運(yùn)算放大期。要使電壓對(duì)應(yīng)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入端0到3V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4-10倍。選擇1KHz帶寬，則電容C1為150P，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。

　　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。

　　低工作電壓、低振蕩時(shí)鐘(采用4MHz)。

　　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。

　　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、鍵盤處理和校驗(yàn)等功能。

　　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)。

　　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的符號(hào)與測(cè)量基準(zhǔn)方向Y的符號(hào)相同。對(duì)PIC16LF873A單片機(jī)，10位A/D轉(zhuǎn)換器0Gs對(duì)應(yīng)1.5V電壓和數(shù)字量為512，+5Gs對(duì)應(yīng)

　　3V電壓和數(shù)字量為1023，-5Gs對(duì)應(yīng)0V電壓和數(shù)字量為0。每個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)電壓2.9mV和9.765mGs。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)0.009765Gs-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))0.009765Gs-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。

　　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0Gs值，將測(cè)量結(jié)果作為修正值存入EEPROM中。
　　
　　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。

　　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。
　　
　　結(jié)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、橋梁和航空等部門的無(wú)損檢測(cè)中具有十分廣闊的前景。