CN109540351A - 一种创造动态磁场环境的磁记忆实验装置 - Google Patents

一种创造动态磁场环境的磁记忆实验装置 Download PDF

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王缔
何璐瑶
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Abstract

一种创造动态磁场环境的磁记忆实验装置属于检测技术领域，其涉及一种新型应力磁记忆检测试验装置。本发明提供一种在改变外磁场强度的情况下进行应力磁记忆检测的实验装置，用于研究磁场强度对磁记忆信号的影响。本发明结构要点单片机的输出端口与D/A转化器相连，接入放大器和滑动变阻器后，再与通电螺旋管部分的输入端口相连；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，单片机的复位信号输入端口与复位信号输出端口相连，单片机的中断信号输入端口与中断制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存储器扩展部分的存储信号输入端口相连。

Description

一种创造动态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，尤其涉及一种创造动态磁场环境的磁记忆实验装置
背景技术
铁磁性金属材料由于良好的可塑性和结构性被广泛运用在铁路轨道、桥梁建设、船舶建造等领域。但是铁磁性构件在外部载荷长期作用下，局部会形成应力集中区，机械强度大幅度下降，直接影响工程设备的安全运行。而普通的无损检测技术只能检测已经形成的缺陷，对于铁磁性材料的应力集中区域无法进行有效的检测，虽然金属磁记忆检测可以判别应力集中区域，但是其检测原理还有很多地方处在理论研究阶段，外界磁场对磁记忆信号的影响难以确定，在研究过程中，没有一个能够方便快捷的改变外界磁场强度的实验装置。
本产品通过单片机控制通电螺旋管的输出电压，改变外界磁场强度，并同时记录检测信号，能够进行多种外界磁场变化的磁记忆实验研究。
发明内容
本发明涉及一种改变外界磁场环境的磁记忆检测装置，其目的是在磁记忆检测过程中，调节外界磁场强度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括内部软件系统和外部硬件系统，外部硬件系统包括单片机，力传感器，磁传感器，A/D转换器，D/A转换器，信号放大器，通电螺旋管，滑动变阻器，复位系统，外部中断系统，外接参数存储器；其结构要点单片机的输出端口与D/A转化器相连，接入放大器和滑动变阻器后，再与通电螺旋管部分的输入端口相连；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，单片机的复位信号输入端口与复位信号输出端口相连，单片机的中断信号输入端口与中断制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存储器扩展部分的存储信号输入端口相连。
系统程序首先将R0寄存器指针指向磁信号实验数据存放首地址DB，将R1寄存器指针指向力信号实验数据存放首地址DF，通过P2.5引脚开启螺旋管，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，数据循环采集50次，这样就可以将50个磁信号以及力信号数据分别存入DB、DF为首地址的存储区中
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箔式应变片电桥的信号输出口相连。
作为另一种优选方案，本发明所述单片机的P2.5口经过D/A转换器接入放大器，放大器将信号放大后，经过一个滑动变阻器与一个电流表接入螺旋线圈；通过滑动变阻器调节改变螺旋管电流大小，进而控制外界磁场强度；本发明利用通电螺旋管产生磁场，将通电螺旋管接入D/A转化器，通过单片机控制通过电流的大小，从而改变磁场H的大小，当铁磁性试件感应到外界磁场H时，霍尔元件所检测到的磁信号为：
B＝μ0(H+M)
其中B为磁感应强度，H为通电螺旋管的磁场强度，M为磁化强度，μ0为真空磁导率。当应力增加时，试件的磁物理特性发生改变，M发生变化；当通电螺旋管工作时，外界磁场H增加。通过此设备可以研究外界磁场对铁磁性金属材料表面磁信号的影响。
单片机输出口产生1mA电流，经过D/A转换，放大电路后，经过滑动变阻器调控，可产生0～100mA电流，通电螺旋管的匝数为20匝：
H＝IN
其中N为通电螺旋管的匝数，I为通电螺旋管的电流，根据公式，通电螺旋管可产生的磁场强度为0～2A/m，完全适用于应力磁记忆检测。
作为另一种优选方案，本发明所述设置开关K1控制系统的复位；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。
作为另一种优选方案，本发明采用80C51单片机、74LS373地址锁存器、两片6116存储器共同组成外接参数扩展系统；其中两片6116存储器的数据口D对应相连，80C51单片机经过74LS373地址锁存器与6116存储器的A0-A7地址口对应相连；单片机的P2.0、P2.1、P2.2口与6116存储器的A8-A10对应相连；将80C51单片机与6116存储器的读写口对应相连。
作为另一种优选方案，采用DAC0832转换器、放大电路、80C51单片机共同组成控制系统；其中DAC0832的,引脚分别对应连接单片机的P2.5，P2.4引脚；DAC0832的D13，D12，D11，D10分别四个引脚分别对应连接80C51单片机的P0.3、P0.2、P0.1、P0.0四个引脚；D14，D15，D16,D17引脚分别接P04，P05，P06，P074；由此80C51单片机就利用接口对D/A转化器进行控制。
作为另一种优选方案，本发明所述利用通电螺旋管施加35μT外磁场，在钢板的应力集中区域，磁信号为150μT，非应力集中区域磁信号为50μT。
本发明所述利用通电螺旋管施加60μT外磁场，当对钢板施加拉力时，检测磁信号为170μT，非应力集中区域磁信号为75μT。在应力集中区域的磁信号特征减弱。
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研究的问题。
本发明利用改变螺旋管通电电流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，使检测设备更加小巧，易于适应各种检测环境的需要。
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：程序流程图。
图2：产品原理图。
图3：产品的外部结构图。
图4：霍尔传感器结构图。
图5：箔式应变片结构图。
图6：应力传感器结构图。
图7：数据采集系统电路图。
图8：存储器扩展电路图。
图9：控制螺旋线圈D/A转化器与单片机连接电路图。
图10：控制螺旋管通电电路图。
具体实施方式
本发明包括内部软件系统和外部硬件系统，外部硬件系统包括单片机，力传感器，磁传感器，A/D转换器，D/A转换器，信号放大器，通电螺旋管，滑动变阻器，复位系统，外部中断系统，外接参数存储器；其结构要点单片机的输出端口与D/A转化器相连，接入放大器和滑动变阻器后，再与通电螺旋管部分的输入端口相连；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，单片机的复位信号输入端口与复位控制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复位中断控制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存储器扩展部分的存储信号输入端口相连。
如图1所示，系统程序首先将R0寄存器指针指向磁信号实验数据存放首地址DB，将R1寄存器指针指向力信号实验数据存放首地址DF，通过P2.5引脚开启螺旋管，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，数据循环采集50次，这样就可以将50个磁信号以及力信号数据分别存入DB、DF为首地址的存储区中。
所述本发明所述单片机采用80C51芯片。
如图2所示，所述本发明所述采用拉力机对金属钢条施加拉力，将磁传感器与力传感器贴在金属钢条中间部位测量。
如图2所示，所述本发明所述单片机的P2.5口经过D/A转换器接入放大器，放大器将信号放大后，经过一个滑动变阻器与一个电流表接入螺旋线圈；作为另一种优选方案，通过滑动变阻器调节改变螺旋管电流大小，进而控制外界磁场强度；作为另一种优选方案，本发明利用通电螺旋管产生磁场，将通电螺旋管接入D/A转化器，通过单片机控制通过电流的大小，从而改变磁场H的大小，当铁磁性试件感应到外界磁场H时，霍尔元件所检测到的磁信号为：
B＝μ0(H+M)
其中B为磁感应强度，H为通电螺旋管的磁场强度，M为磁感应强度，μ0为真空磁导率。当应力增加时，试件的磁物理特性发生改变，M发生变化；当通电螺旋管工作时，外界磁场H增加。通过此设备可以研究外界磁场对铁磁性金属材料表面磁信号的影响。单片机输出口产生1mA电流，经过D/A转换，放电电路后，经过滑动变阻器调控，可产生0～100mA电流，通电螺旋管的匝数为20匝：
H＝IN
其中N为通电螺旋管的匝数，I为通电螺旋管的电流，根据公式，通电螺旋管可产生的磁场强度为0～2A/m，完全适用于应力磁记忆检测。
如图3所示，为所述本发明外部结构图。
如图4所示，所述本发明所述磁传感器采用49E型霍尔传感器。
如图5，6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7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8所示，所述本发明采用80C51单片机、74LS373地址锁存器、两片6116存储器共同组成外接参数扩展系统；其中两片6116存储器的数据口D对应相连，80C51单片机经过74LS373地址锁存器与6116存储器的A0-A7地址口对应相连；单片机的P2.0、P2.1、P2.2口与6116存储器的A8-A10对应相连；将80C51单片机与6116存储器的读写口对应相连。
如图9所示，所述采用DAC0832转换器、放大电路、80C51单片机共同组成控制系统；其中DAC0832的,引脚分别对应连接单片机的P2.5，P2.4引脚；DAC0832的D13，D12，D11，D10分别四个引脚分别对应连接80C51单片机的P0.3、P0.2、P0.1、P0.0四个引脚；D14，D15，D16,D17引脚分别接P04，P05，P06，P074；由此80C51单片机就利用接口对D/A转化器进行控制。
如图10所示，所述设置开关K1控制系统的复位；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。
所述本发明所述利用通电螺旋管施加35μT外磁场，在钢板的应力集中区域，磁信号为150μT，非应力集中区域磁信号为50μT。
作为另一种优选方案，本发明所述利用通电螺旋管施加60μT外磁场，利用拉力机对钢条实在钢板应力集中区域，磁信号为170μT，非应力集中区域磁信号为75μT。在应力集中区域的磁信号特征减弱。
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)

1.一种创造动态磁场环境的磁记忆实验装置，包括内部软件系统和外部硬件系统，外部硬件系统本包括单片机，力传感器，磁传感器，A/D转换器，D/A转换器，信号放大器，通电螺旋管，滑动变阻器，复位系统，外部中断系统，外接参数存储器；其结构要点单片机的输出端口与D/A转化器相连，接入放大器和滑动变阻器后，再与通电螺旋管部分的输入端口相连；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，单片机的复位信号输入端口与复位中断控制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复位中断控制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存储器扩展部分的存储信号输入端口相连。单片机的内部软件系统包括：系统主程序，中断服务程序，及作为中断服务程序的双通道数据采集子程序，单片机控制螺旋线圈子程序。
系统程序首先将R0寄存器指针指向磁信号实验数据存放首地址DB，将R1寄存器指针指向力信号实验数据存放首地址DF，通过P2.5引脚开启螺线管，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，数据循环采集50次，这样就可以将50个磁信号以及力信号数据分别存入DB、DF为首地址的存储区中。
2.根据权利要求1所述一种创造动态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所述一种创造动态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，经过一个放大器整形，作为力传感器。
4.根据权利要求1所述一种创造动态磁场环境的磁记忆实验装置，其特征在于所述单片机的P2.5口经过D/A转换器接入放大器，放大器将信号放大后，经过一个滑动变阻器与一个电流表接入螺旋线圈；通过滑动变阻器调节改变螺旋管电流大小，进而控制外界磁场强度；本发明利用通电螺旋管产生磁场，将通电螺旋管接入D/A转化器，通过单片机控制通过电流的大小，从而改变磁场H的大小，当铁磁性试件感应到外界磁场H时，霍尔元件所检测到的磁信号为：
B＝μ0(H+M)
其中B为磁感应强度，H为通电螺旋管的磁场强度，M为磁化强度，μ0为真空磁导率。当应力增加时，试件的磁物理特性发生改变，M发生变化；当通电螺旋管工作时，外界磁场H增加。通过此设备可以研究外界磁场对铁磁性金属材料表面磁信号的影响。
单片机输出口产生1mA电流，经过D/A转换，放电电路后，经过滑动变阻器调控，可产生0～100mA电流，通电螺旋管的匝数为20匝：
H＝IN
其中N为通电螺旋管的匝数，I为通电螺旋管的电流，根据公式，通电螺旋管可产生的磁场强度为0～2A/m，完全适用于应力磁记忆检测试验。
当通电螺旋管工作时，可以测得外界磁场强度分别为35μT，60μT。
5.根据权利要求1所述一种创造动态磁场环境的磁记忆实验装置，本发明所述设置开关K1控制系统的复位；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。
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