CN108802167A - 一种新型改变外界磁场环境的磁记忆实验装置 - Google Patents

一种新型改变外界磁场环境的磁记忆实验装置 Download PDF

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CN108802167A CN201810543220.7A CN201810543220A CN108802167A CN 108802167 A CN108802167 A CN 108802167A CN 201810543220 A CN201810543220 A CN 201810543220A CN 108802167 A CN108802167 A CN 108802167A
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刘斌
张贺
何璐瑶
于小芮
刘子淇
任建
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    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
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Abstract

一种新型改变外界磁场环境的磁记忆实验装置属于金属磁记忆信号性质研究领域，尤其涉及一种新型改变外界磁场环境的磁记忆实验装置。本发明包括单片机、步进电机外界磁场环境控制系统、磁传感器、力传感器、A/D转换器、存储器扩展部分、复位中断控制部分，其结构要点传感器的检测信号输出端口与A/D转换器的检测信号输入端口相连，A/D转换器的检测信号输出端口与单片机的检测信号输入端口相连，单片机的信号输出端口与步进电机外界磁场环境控制系统的信号输入口相连，单片机的复位信号输入端口与复位部分的复位信号输出端口相连，单片机的中断信号输入端口与外部中断部分的中断信号输出端口相连，单片机的存储信号输出端口与外接参数存储器的存储信号输入端口相连。

Description

一种新型改变外界磁场环境的磁记忆实验装置
技术领域
本发明属于金属磁记忆信号性质研究领域，尤其涉及一种新型改变外界磁场环境的磁记忆实验装置。
背景技术
随着现代生产力的发展，金属已经应用到我们生活的各个领域，可由于金属的损伤所带来的经济损失也逐年增多。但一般的无损检测技术只能检测已经形成的裂纹或缺陷，而不能对由于应力集中引起的疲劳破坏进行早期检测。而金属磁记忆原理是铁磁材料在应力作用下形成磁性与弹性相互作用能,使磁化强度重新取向,从而导致磁场强度发生变化达到测量的目的，所以可对金属材料进行早期检测。但磁记忆的理论很多地方还处在理论研究阶段，所以对磁记忆信号做各种各样的实验，对更加深入了解磁记忆理论，进而将该理论更多的应用于生产检测中就显得尤为重要；但现在还没有一套专门、系统的实验装置进行磁记忆的相关理论研究，这也不同程度的影响了磁记忆理论研究的进展。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提供一种新型改变外界磁场环境的磁记忆实验装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括单片机、步进电机外界磁场环境控制系统、磁传感器、力传感器、A/D转换器、存储器扩展部分、复位中断控制部分，其结构要点传感器的检测信号输出端口与A/D转换器的检测信号输入端口相连，A/D转换器的检测信号输出端口与单片机的检测信号输入端口相连，单片机的信号输出端口与步进电机外界磁场环境控制系统的信号输入口相连，单片机的复位信号输入端口与复位部分的复位信号输出端口相连，单片机的中断信号输入端口与外部中断部分的中断信号输出端口相连，单片机的存储信号输出端口与外接参数存储器的存储信号输入端口相连；
单片机的程序包括系统调用主程序，及作为中断服务程序的双通道数据采集子程序与步进电机转动子程序；
系统主程序采用汇编伪指令设置AUDB作为磁信号实验数据存放首地址；AUDF作为力信号实验数据存放首地址。
系统主程序首先将R0寄存器指针指向磁信号实验数据存放首地址AUDB，将R1寄存器指针指向力信号实验数据存放首地址AUDF，然后加入一个‘死循环’的延时等待程序，等待进行中断控制。
当INT0、INT1引脚为‘0’时执行中断服务子程序，中断服务程序首先保护‘程序现场’和‘断点’后开中断，执行中断服务子程序，执行子程序后关中断，然后恢复‘程序现场’和‘断点’，继续执行主程序。
当INT0引脚为‘0’时执行双通道数据采集中断服务子程序将寄存器R2中值设为50D作为计数使用，启动IN0通道进行A/D转换，延时等待一段时间，将转换后的数值放入R0指向区，R0指针指向下一存储单元，启动IN1通道进行A/D转换，延时等待一段时间，将转换后的数值放入R1指向区，R1指针指向下一存储单元，将R2寄存器中数值减1后再存回R2寄存器中，判断R2寄存器中数值是否为零，不为零则再次启动IN0通道进行A/D转换，完成一次新的循环，为零则跳出循环，这样经过50次的循环，就可以将磁信号以及力信号数据分别存入AUDB、AUDF为首地址的存储区中。
当INT1引脚为‘0’时执行步进电机转动中断服务子程序首先将步进电机正转表首地址TABLE放入数据指针DPTR中，将R0寄存器内容设为00H作为步进电机转动初始值，将R0寄存器内容放入A寄存器其中作为指针偏移量，将指针DPTR+A指向内容取出放入A寄存器，即为步进电机转动第一步所需输出值，将寄存器A中的值由与步进电机连接的P1口输出，则步进电机就转动了一步，即转动了18度，永磁铁也下降了一段距离，从而改变了外界磁场强度，可以利用多次INT1引脚的中断信号，来调节改变外界磁场强度的大小。
作为另一种优选方案，本发明所述单片机采用80C51芯片。
作为另一种优选方案，本发明所述采用拉力机对金属钢条施加拉力。
作为另一种优选方案，本发明所述将磁传感器与力传感器贴在金属钢条中间部位测量。
作为另一种优选方案，本发明所述磁传感器采用49E型霍尔传感器。
作为另一种优选方案，本发明所述力传感器采用箔式应变片，将箔式应变片接入电桥中，经过一个放送器整形，作为力传感器。
作为另一种优选方案，本发明所述A/D转换器采用AD0809芯片，80C51芯片的P0端口与AD0809芯片的数据接入端口D端口相连，74LS373芯片的A0、A1、A2端口分别与AD0809芯片的A、B、C端口对应相连；
80C51芯片的13脚与第二非门输出端相连，第二非门输入端与AD0809芯片的EOC端口相连，80C51芯片的16脚与第一与门的第一输入端相连，80C51芯片的21脚分别与第一与门的第二输入端、第二与门的第一输入端相连，80C51芯片的17脚与第二与门的第二输入端相连；
第一与门的输出端与第三非门输入端相连，第三非门输出端分别与AD0809芯片的ST端口、ALE端口相连；第二与门的输出端与第四非门输入端相连，第四非门输出端与AD0809芯片的OE端口相连；80C51芯片的30脚通过取二分之一值电路与AD0809芯片的CLK端口相连；
AD0809芯片的IN0口作为信号接入口与霍尔传感器C口相连，霍尔传感器A口接电源，霍尔传感器B口接地。
AD0809芯片的IN1口作为信号接入口与接如箔式应变片电桥的信号输出口。
作为另一种优选方案，本发明所述步进电机数据采集部分采用LUN2003芯片，LUN2003芯片的1C、2C、3C、4C引脚分别对应连接20BY20H01型步进电机的橙色、棕色、黄色、黑色引脚，LUN2003芯片的1B、2B、3B、4B四个引脚分别对应连接80C51芯片的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3四个引脚；步进电机转轴与滑轮与永磁铁组成的改变外界磁场环境的系统相连；通过步进电机的转动，改变钢条与永磁铁的距离，进而改变外界磁场环境。
作为另一种优选方案，本发明所述步进电机采用6线式接法。
作为另一种优选方案，本发明所述设置三个开关K1、K2、K3，分别控制系统的复位、数据采集、步进电机转动即改变外界磁场强度；复位系统采用开关K1外接一个电容和一个电阻组成外接复位系统；其中将开关与一个10uF电容并联后分别与80C51单片机RES口、经过一个10K电阻与地分别相连，从而组成复位系统，即当K1键被按下时，系统复位从新工作；两个中断系统分别采用开关K2、K3外接一个电容和一个电阻组成外接中断系统；K2、K3开关与一个10uF电容并联后经过一个非门分别与80C51单片机的INT0、INT1口相连，再经过一个10K电阻与地分别相连，从而组成两个中断系统，即当K2被按下时系统采集磁、力信号；当K3被按下时，系统使步进电机转动一段距离，从而使永磁铁下降一段距离，改变了外界磁场强度。
作为另一种优选方案，本发明所述存储器扩展部分包括74LS373芯片和HM628128RAM芯片，80C51芯片的32～39脚分别与74LS373的芯片18、17、14、13、8、7、4、3脚对应相连，80C51芯片的32～39脚分别与HM628128RAM芯片的21～13脚对应相连，74LS373的芯片19、16、15、12、9、6、5、2脚分别与HM628128RAM芯片的5～12脚对应相连，80C51芯片的17、18脚分别与HM628128RAM芯片的24、29对应相连；
80C51芯片的1、2脚分别与HM628128RAM芯片的2、31脚对应相连，80C51芯片的27～21分别与HM628128RAM芯片的3、28、4、25、23、26、27脚对应相连；HM628128RAM芯片的22脚与译码电路相连；80C51芯片的30脚与74LS373芯片的11脚相连。
作为另一种优选方案，本发明所述利用永磁铁外加35μT外磁场，利用拉力机对钢条实加50MPa到200MPa的拉力，测得磁力对应值分别为50MPA对应8054nT，100MPa对应16075nT，150MPa对应21152nT，200MPa对应23035nT，随着拉力增大，磁力线趋于平缓。
作为另一种优选方案，本发明所述利用永磁铁外加70μT外磁场，利用拉力机对钢条实加50MPa到200MPa的拉力，测得磁力对应值分别为50MPA对应9053nT，100MPa对应18721nT，150MPa对应22321nT，200MPa对应24521nT，随着拉力增大，磁力线趋于平缓，但随外磁场的增加磁力线幅度变大。
本发明有益效果。
本发明解决了改变外界磁场环境来进行磁记忆性质实验研究的问题。
本发明利用步进电机带动永磁铁，通过改变永磁铁与钢条距离来改变外界磁场环境，使外界磁场环境的改变更加直观有效。
本发明利用霍尔传感器与箔式应变片同时采集磁、力信号，并用外接存储器对实验数据进行实时对应储存，方便后期对实验数据的对比分析。
本发明利用单片机控制，汇编语言编程，使实验设备更加小巧，易于适应各种实验环境的需要。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1：系统主程序流程图。
图2：中断服务程序流程图。
图3：双通道数据采集中断服务子程序流程图。
图4：步进电机转动中断服务子程序流程图。
图5：产品原理图。
图6：产品的外部结构图。
图7：霍尔传感器结构图。
图8：箔式应变片结构图。
图9：应力传感器结构图。
图10：数据采集系统电路图。
图11：存储器扩展电路图。
图12：步进电机与单片机连接电路图。
图13：复位系统与中断控制电路图。
具体实施方式
如图6所示，本发明包括单片机、步进电机外界磁场环境控制系统、磁传感器、力传感器、A/D转换器、存储器扩展部分、复位中断控制部分，其结构要点传感器的检测信号输出端口与A/D转换器的检测信号输入端口相连，A/D转换器的检测信号输出端口与单片机的检测信号输入端口相连，单片机的信号输出端口与步进电机外界磁场环境控制系统的信号输入口相连，单片机的复位信号输入端口与复位部分的复位信号输出端口相连，单片机的中断信号输入端口与外部中断部分的中断信号输出端口相连，单片机的存储信号输出端口与外接参数存储器的存储信号输入端口相连；
单片机的程序包括系统调用主程序，及作为中断服务程序的双通道数据采集子程序与步进电机转动子程序；
系统主程序采用汇编伪指令设置AUDB作为磁信号实验数据存放首地址；AUDF作为力信号实验数据存放首地址。
如图1所示，系统主程序首先将R0寄存器指针指向磁信号实验数据存放首地址AUDB，将R1寄存器指针指向力信号实验数据存放首地址AUDF，然后加入一个‘死循环’的延时等待程序，等待进行中断控制。
如图2所示，当INT0、INT1引脚为‘0’时执行中断服务子程序，中断服务程序首先保护‘程序现场’和‘断点’后开中断，执行中断服务子程序，执行子程序后关中断，然后恢复‘程序现场’和‘断点’，继续执行主程序。
如图3所示，当INT0引脚为‘0’时执行双通道数据采集中断服务子程序将寄存器R2中值设为50D作为计数使用，启动IN0通道进行A/D转换，延时等待一段时间，将转换后的数值放入R0指向区，R0指针指向下一存储单元，启动IN1通道进行A/D转换，延时等待一段时间，将转换后的数值放入R1指向区，R1指针指向下一存储单元，将R2寄存器中数值减1后再存回R2寄存器中，判断R2寄存器中数值是否为零，不为零则再次启动IN0通道进行A/D转换，完成一次新的循环，为零则跳出循环，这样经过50次的循环，就可以将磁信号以及力信号数据分别存入AUDB、AUDF为首地址的存储区中。
如图4所示，当INT1引脚为‘0’时执行步进电机转动中断服务子程序首先将步进电机正转表首地址TABLE放入数据指针DPTR中，将R0寄存器内容设为00H作为步进电机转动初始值，将R0寄存器内容放入A寄存器其中作为指针偏移量，将指针DPTR+A指向内容取出放入A寄存器，即为步进电机转动第一步所需输出值，将寄存器A中的值由与步进电机连接的P1口输出，则步进电机就转动了一步，即转动了18度，永磁铁也下降了一段距离，从而改变了外界磁场强度，可以利用多次INT1引脚的中断信号，来调节改变外界磁场强度的大小。
所述本发明所述单片机采用80C51芯片。
如图5所示，所述本发明所述采用拉力机对金属钢条施加拉力。
如图5所示，所述本发明所述将磁传感器与力传感器贴在金属钢条中间部位测量。
如图7所示，所述本发明所述磁传感器采用49E型霍尔传感器。
如图8、9所示，所述本发明所述力传感器采用箔式应变片，将箔式应变片接入电桥中，经过一个放送器整形，作为力传感器。
如图10所示，所述本发明所述A/D转换器采用AD0809芯片，80C51芯片的P0端口与AD0809芯片的数据接入端口D端口相连，74LS373芯片的A0、A1、A2端口分别与AD0809芯片的A、B、C端口对应相连；
80C51芯片的13脚与第二非门输出端相连，第二非门输入端与AD0809芯片的EOC端口相连，80C51芯片的16脚与第一与门的第一输入端相连，0C51芯片的21脚分别与第一与门的第二输入端、第二与门的第一输入端相连，80C51芯片的17脚与第二与门的第二输入端相连；
第一与门的输出端与第三非门输入端相连，第三非门输出端分别与AD0809芯片的ST端口、ALE端口相连；第二与门的输出端与第四非门输入端相连，第四非门输出端与AD0809芯片的OE端口相连；80C51芯片的30脚通过取二分之一值电路与AD0809芯片的CLK端口相连；
AD0809芯片的IN0口作为信号接入口与霍尔传感器C口相连，霍尔传感器A口接电源，霍尔传感器B口接地。
AD0809芯片的IN1口作为信号接入口与接如箔式应变片电桥的信号输出口。
如图11所示，所述本发明所述存储器扩展部分包括74LS373芯片和HM628128RAM芯片，80C51芯片的32～39脚分别与74LS373的芯片18、17、14、13、8、7、4、3脚对应相连，80C51芯片的32～39脚分别与HM628128RAM芯片的21～13脚对应相连，74LS373的芯片19、16、15、12、9、6、5、2脚分别与HM628128RAM芯片的5～12脚对应相连，80C51芯片的17、18脚分别与HM628128RAM芯片的24、29对应相连；
80C51芯片的1、2脚分别与HM628128RAM芯片的2、31脚对应相连，80C51芯片的27～21分别与HM628128RAM芯片的3、28、4、25、23、26、27脚对应相连；HM628128RAM芯片的22脚与译码电路相连；80C51芯片的30脚与74LS373芯片的11脚相连。
如图12所示，所述本发明所述步进电机数据采集部分采用LUN2003芯片，LUN2003芯片的1C、2C、3C、4C引脚分别对应连接20BY20H01型步进电机的橙色、棕色、黄色、黑色引脚，LUN2003芯片的1B、2B、3B、4B四个引脚分别对应连接80C51芯片的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3四个引脚；如图5所示，步进电机转轴与滑轮与永磁铁组成的改变外界磁场环境的系统相连；通过步进电机的转动，改变钢条与永磁铁的距离，进而改变外界磁场环境。
所述本发明所述步进电机采用6线式接法。
如图13所示，所述本发明所述设置三个开关K1、K2、K3，分别控制系统的复位、数据采集、步进电机转动即改变外界磁场强度；复位系统采用开关K1外接一个电容和一个电阻组成外接复位系统；其中将开关与一个10uF电容并联后分别与80C51单片机RES口、经过一个10K电阻与地分别相连，从而组成复位系统，即当K1键被按下时，系统复位从新工作；将两个中断系统分别采用开关K2、K3外接一个电容和一个电阻组成外接中断系统；K2、K3开关与一个10uF电容并联后经过一个非门分别与80C51单片机的INT0、INT1口相连，再经过一个10K电阻与地分别相连，从而组成两个中断系统，即当K2被按下时系统采集磁、力信号；当K3被按下时，系统使步进电机转动一段距离，从而使永磁铁下降一段距离，改变了外界磁场强度。
所述本发明所述利用永磁铁外加35μT外磁场，利用拉力机对钢条实加50MPa到200MPa的拉力，测得磁力对应值分别为50MPA对应8054nT，100MPa对应16075nT，150MPa对应21152nT，200MPa对应23035nT，随着拉力增大，磁力线趋于平缓。
本发明所述利用永磁铁外加70μT外磁场，利用拉力机对钢条实加50MPa到200MPa的拉力，测得磁力对应值分别为50MPA对应9053nT，100MPa对应18721nT，150MPa对应22321nT，200MPa对应24521nT，随着拉力增大，磁力线趋于平缓，但随外磁场的增加磁力线幅度变大。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型改变外界磁场环境的磁记忆实验装置，包括单片机、步进电机外界磁场环境控制系统、磁传感器、力传感器、A/D转换器、存储器扩展部分、复位中断控制部分，其结构要点传感器的检测信号输出端口与A/D转换器的检测信号输入端口相连，A/D转换器的检测信号输出端口与单片机的检测信号输入端口相连，单片机的信号输出端口与步进电机外界磁场环境控制系统的信号输入口相连，单片机的复位信号输入端口与复位部分的复位信号输出端口相连，单片机的中断信号输入端口与外部中断部分的中断信号输出端口相连，单片机的存储信号输出端口与外接参数存储器的存储信号输入端口相连；
单片机的程序包括系统调用主程序，及作为中断服务程序的双通道数据采集子程序与步进电机转动子程序；
系统主程序采用汇编伪指令设置AUDB作为磁信号实验数据存放首地址；AUDF作为力信号实验数据存放首地址。
系统主程序首先将R0寄存器指针指向磁信号实验数据存放首地址AUDB，将R1寄存器指针指向力信号实验数据存放首地址AUDF，然后加入一个‘死循环’的延时等待程序，等待进行中断控制。
当INT0、INT1引脚为‘0’时执行中断服务子程序，中断服务程序首先保护‘程序现场’和‘断点’后开中断，执行中断服务子程序，执行子程序后关中断，然后恢复‘程序现场’和‘断点’，继续执行主程序。
当INT0引脚为‘0’时执行双通道数据采集中断服务子程序将寄存器R2中值设为50D作为计数使用，启动IN0通道进行A/D转换，延时等待一段时间，将转换后的数值放入R0指向区，R0指针指向下一存储单元，启动IN1通道进行A/D转换，延时等待一段时间，将转换后的数值放入R1指向区，R1指针指向下一存储单元，将R2寄存器中数值减一后再存回R2寄存器中，判断R2寄存器中数值是否为零，不为零则再次启动IN0通道进行A/D转换，完成一次新的循环，为零则跳出循环，这样经过50次的循环，就可以将磁信号以及力信号数据分别存入AUDB、AUDF为首地址的存储区中。
当INT1引脚为‘0’时执行步进电机转动中断服务子程序首先将步进电机正转表首地址TABLE放入数据指针DPTR中，将R0寄存器内容设为00H作为步进电机转动初始值，将R0寄存器内容放入A寄存器其中作为指针偏移量，将指针DPTR+A指向内容取出放入A寄存器，即为步进电机转动第一步所需输出值，将寄存器A中的值由与步进电机连接的P1口输出，则步进电机就转动了一步，即转动了18度，永磁铁也下降了一段距离，从而改变了外界磁场强度，可以利用多次INT1引脚的中断信号，来调节改变外界磁场强度的大小。
2.根据权利要求1所述一种新型改变外界磁场环境的磁记忆实验装置，其特征在于所述单片机采用80C51芯片。
3.根据权利要求1所述一种新型改变外界磁场环境的磁记忆实验装置，其特征在于所述力传感器采用箔式应变片，将箔式应变片接入电桥中，经过一个放送器整形，作为力传感器。
4.根据权利要求1所述一种新型改变外界磁场环境的磁记忆实验装置，其特征在于所述步进电机数据采集部分采用LUN2003芯片，LUN2003芯片的1C、2C、3C、4C引脚分别对应连接20BY20H01型步进电机的橙色、棕色、黄色、黑色引脚，LUN2003芯片的1B、2B、3B、4B四个引脚分别对应连接80C51芯片的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3四个引脚，步进电机转轴与滑轮与永磁铁组成的改变外界磁场环境的系统相连；通过步进电机的转动，改变钢条与永磁铁的距离，进而改变外界磁场环境。
5.根据权利要求1所述一种新型改变外界磁场环境的磁记忆实验装置，其特征在于所述设置三个开关K1、K2、K3，分别控制系统的复位、数据采集、步进电机转动即改变外界磁场强度；复位系统采用开关K1外接一个电容和一个电阻组成外接复位系统；其中将开关与一个10uF电容并联后分别与80C51单片机RES口、经过一个10K电阻与地分别相连，从而组成复位系统，即当K1键被按下时，系统复位从新工作；两个中断系统分别采用开关K2、K3外接一个电容和一个电阻组成外接中断系统；K2、K3开关与一个10uF电容并联后经过一个非门分别与80C51单片机的INT0、INT1口相连，再经过一个10K电阻与地分别相连，从而组成两个中断系统，即当K2被按下时系统采集磁、力信号；当K3被按下时，系统使步进电机转动一段距离，从而使永磁铁下降一段距离，改变了外界磁场强度。
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