一種基于PIC單片機的便攜式磁記憶檢測儀

　　金屬構件和零部件發(fā)生損壞的主要原因，是各種微觀和宏觀機械應力集中導致疲勞失效，其基本特征表現(xiàn)為材料在低于靜強度極限的交變應力持續(xù)作用下，生成多種類型的微觀內部缺陷，并逐漸演化為宏觀裂紋，裂紋擴展最終導致結構破壞。因此，進行疲勞分析，有效評價應力變形狀況，測定未來裂縫發(fā)展的位置、大小和方向，成為評價金屬零部件與構件結構強度和可靠性的一個重要依據(jù)。為了及時準確的找出最大機械應力變形區(qū)域，20世紀90年代后期，以杜波夫為代表的俄羅斯學者率先提出一種嶄新的診斷技術―金屬磁記憶檢測。本文采用PIC單片機，設計了高性價比的便攜式磁記憶檢測儀，具有低成本、低功耗和快速檢測等特點，可以滿足各種場合，特別是難以到達部位的應力集中區(qū)檢測。

　　磁記憶檢測

　　鐵磁學研究表明，當彈性應力作用于鐵磁材料時，鐵磁體不但會產(chǎn)生彈性應變，還會產(chǎn)生磁致伸縮性質的應變，改變其自發(fā)磁化的方向，這就是磁彈性效應。根據(jù)“實際存在的狀態(tài)必定是能量最小的狀態(tài)”原則，由于磁機械效應的作用引起工件內部的磁疇重新取向排列，以增加磁彈性能的形式來抵消應力能的增加，結果在鐵磁工件內部產(chǎn)生的磁場強度將高于地球磁場強度，在應力集中區(qū)，形成類似缺陷的漏磁場分布形式，磁場的切向分量Hp(x)為最大值，而法向分量Hp(y)在應力集中線兩側符號發(fā)生變化，應力集中線處有過零點。磁記憶檢測技術，是基于磁記憶效應原理的全新無損檢測方式。磁記憶檢測技術在地磁環(huán)境下，通過對鐵磁材料所制成的工件表面散射磁場法向分量Hp(y)的測量，確定工件應力集中區(qū)域，從而有效預測缺陷發(fā)生的區(qū)域。

　　磁記憶檢測儀的硬件設計

　　便攜式磁記憶檢測儀主要由傳感器、單片機、運算放大器、LCD顯示器和相應軟件組成(見圖1)。

　　便攜式磁記憶檢測儀以單片機PIC16LF873A為核心，用HMC1052兩軸磁阻傳感器檢測法向分量Hp(y)的X分量和Y分量，經(jīng)過信號放大后，送單片機PIC16LF873A的A/D轉換通道，獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)計算得到Hp(y)值，送LCD顯示。為檢測方便，設置了兩個檢測通道，作為應力集中線Hp(y)符號比較的依據(jù)。置位/復位電路對磁阻傳感器施加置位/復位電流，避免地球磁場對測量結果影響。

　　單片機采用PIC16LF873A，它有4KB FLASH 存儲器，192字節(jié)RAM、128字節(jié)EEPROM、10位A/D轉換器等，幾乎不需要外圍擴展電路就可以直接使用。RA口設置成A/D轉換功能，用于處理雙通道磁阻傳感器信號。RB口的中斷功能用于鍵盤處理，設有校驗、置位/復位、通道1、通道2和ON/OFF5個功能鍵。RC口中的六個引腳，用于LCD顯示器控制。采用兩個SMS0801B兩線制串行LCD顯示器，電源由單片機RC口的一個引腳供電，這樣便于對LCD顯示器控制，降低系統(tǒng)功耗。顯示器可以顯示每個通道的磁場強度(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，測量工件表面散射磁場法向分量Hp(y)沿坐標X-Y分量，通過數(shù)值計算、誤差校正，得到Hp(y)值。HMC1052是一個雙軸線性磁傳感器，每個傳感器有一個由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋。當橋路加上供電電壓，傳感器將磁場強度轉換為電壓輸出。其輸出電壓以電源電壓的一半為基準。磁場范圍是6Gs，靈敏度是1.0mV/V/Gs。HMC1052包含兩個敏感元件，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程中，選定沿著薄膜長度方向為軸，當玻膜合金薄膜受到強磁場干擾時(大于20Gs)薄膜磁化極性會受到破壞，對這個磁場需要對傳感器施加一個瞬態(tài)強磁場來恢復或保持傳感器特性，這個過程需要一個置位或復位脈沖。圖2中S/R+和S/R-就是用于置位的元件，其標準阻值是4Ω。

　　圖2中Q1、C2、C3、R11、R12構成簡單的置位電路，可以為HMC1052提供大電流脈沖。用單片機完成電路的控制。當SET/RESET輸出低電平時，Q1截止，C2充電到VCC，C3放電到0V。當SET/RESET輸出由低到的高電平時，R12和C3使Q1導通，由C2、Q1和HMC1052的S/R+(6引腳)S/R-(8引腳)間電阻構成回路，形成大約0.5A的置位脈沖，脈沖寬度約2μs。SET/RESET輸出由高到低的時候，由R11限流形成復位脈沖。為節(jié)省電池能量，置位/復位電路每十分鐘工作一次。電路以一種倒轉的方式改變傳感器輸出極性，即驅動置位脈沖讀數(shù)一次，在驅動復位脈沖讀數(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)等共模信號造成的影響，從而得出一個與絕對磁場成正比例的輸出。

　　Q2和R13是數(shù)據(jù)采集通道的電源控制電路，進行數(shù)據(jù)采集時，雙通道的控制分別進行，輪流檢測。

　　工件應力集中區(qū)的磁場法向分量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Hy坐標(X-Y)中測量方向(Y軸)的電壓變化。2、7引腳輸出磁場Hy坐標(X-Y)中左右方向(X軸)的電壓變化。便攜式磁記憶檢測儀測量的Hp磁場范圍為5Gs。HMC1052的靈敏度是1.0mV/V/Gs。當傳感器的電源電壓為3V時，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、低功耗雙運算放大期。要使電壓對應單片機A/D轉換器模擬輸入端0到3V的電壓范圍，需要放大200倍。電阻R2、R3、R7和R9用于設置放大倍數(shù)。輸入電阻應是橋路電阻的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的A/D轉換器，其中Y-OUT表示磁場的測量方向Y分量，X-OUT表示磁場的X分量。

　　便攜式磁記憶檢測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外圍功能強大，比其他系列單片機使用的元件少。

　　低工作電壓、低振蕩時鐘(采用4MHz)。

　　采用低功耗LCD顯示器，電源由單片機提供，需要顯示時才供電。

　　信號通道單獨供電，需要測量時再供電。

　　采用單片機“睡眠”功能，不測量時處于睡眠狀態(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則。

　　關閉RB口中斷“弱上拉電阻”，有按鍵時高電平中斷。

　　實驗證明，采用以上設計方式，電池電壓為3.6V時，便攜式磁記憶檢測儀的靜態(tài)功耗小于85μA。

　　磁記憶檢測儀的軟件設計

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

　　主程序：完成系統(tǒng)的初始化工作，進行各傳感器的置位和復位，然后進入睡眠狀態(tài)。

　　通道按鍵中斷服務子程序：向檢測數(shù)據(jù)通道供電，采集Y數(shù)據(jù)和X數(shù)據(jù)測量時，法向分量Hp與X、Y數(shù)據(jù)的關系是：Hp=√X2+Y2。Hy的符號與測量基準方向Y的符號相同。對PIC16LF873A單片機，10位A/D轉換器0Gs對應1.5V電壓和數(shù)字量為512，+5Gs對應

　　3V電壓和數(shù)字量為1023，-5Gs對應0V電壓和數(shù)字量為0。每個數(shù)字對應電壓2.9mV和9.765mGs。Hy值的符號與Y分量符號相同。數(shù)字量≥512的數(shù)據(jù)，進行以下運算：實際數(shù)據(jù)=(Y數(shù)據(jù)-512)0.009765Gs-修正值。數(shù)字量≤512的數(shù)據(jù)，進行以下運算：實際數(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，有效數(shù)字是7位。可以連續(xù)測量，直到再一次按鍵，返回主程序。

　　校驗按鍵中斷服務子程序：將傳感器置于磁屏蔽中，各通道測量出0Gs值，將測量結果作為修正值存入EEPROM中。
　　
　　實驗和數(shù)據(jù)分析

　　實驗方式：便攜式磁記憶檢測儀與俄羅斯TSCM-2FM應力集中檢測儀同時對工件相同點進行應力檢測，便攜式磁記憶檢測儀的檢測結果如表1。

　　應力集中線的位置與俄羅斯TSCM-2FM應力集中檢測儀檢測的結果相同。經(jīng)過實驗檢測，便攜式磁記憶檢測儀可以實時顯示被測工件的磁場Hp值的大小和符號，雙通道配合使用，磁感應強度為零的連接線為應力集中線。
　　
　　結語

　　基于PIC16LF873A單片機的便攜式磁記憶檢測儀，具有成本低、功耗低、精度高、體積小和使用方便等特點，對操作人員無專業(yè)計數(shù)要求。特別適用于在工件結構復雜窄小的環(huán)境使用。便攜式磁記憶檢測儀是一款性能價格比很高的磁記憶檢測儀器，在石油、化工、冶金、機械、鐵路、建筑、橋梁和航空等部門的無損檢測中具有十分廣闊的前景。