CN113740415B - 一种基于漏磁信号特征的表面缺陷应力检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铁磁性材料缺陷的应力检测技术领域，具体涉及一种基于漏磁信号特征的表面缺陷应力的检测系统及方法。系统由单片机、步进电机、霍尔传感器，滤波放大电路，液晶显示组成；其中单片机与步进电机相连，霍尔传感器与滤波放大电路相连，滤波放大电路与单片机相连，单片机与液晶显示相连。具体方法为首先设定步进电机驱动程序来使仪器匀速行驶，并调用数据采集子程序，即通过利用AD转换将传感器采集到的模拟信号转换为数字信号；然后通过计算路程子程序和应力计算函数子程序，对应力进行计算，并将检测结果送往LCD显示模块进行显示。

Description

一种基于漏磁信号特征的表面缺陷应力检测系统及方法
技术领域
本发明属于铁磁性材料缺陷的应力检测技术领域，特别涉及一种基于漏磁信号特征的表面缺陷应力的检测系统及方法。
背景技术
漏磁法作为一种较为成熟的无损检测技术，具有不需要耦合剂、抗干扰能力强、支持非接触动态在线检测等优点，在铁磁性材料无损检测领域得到了成功应用。但是，现有漏磁检测仅仅是针对腐蚀、金属损失、裂纹、针孔等缺陷的单一分析；实际上，铁磁性构件服役过程中会受到应力作用，缺陷处的应力积累到一定程度会带来微观裂纹损伤，进而导致缺陷扩展，以造成重大事故。因此，在漏磁场下判定缺陷应力是铁磁性材料缺陷检测与评估的重点。
发明内容
发明目的
本发明提出了一种基于漏磁信号特征的表面缺陷应力的检测系统及方法，其目的在于解决现有漏磁检测技术分析情况单一、无法对缺陷处应力实时分析方面所存在的问题
技术方案：
一种基于漏磁信号特征的表面缺陷应力检测系统，其特征在于：该应力检测系统由单片机、步进电机、霍尔传感器，滤波放大电路，液晶显示组成；其中单片机的步进电机接口与步进电机的电机控制器接口相连，霍尔传感器的检测信号输出端口与滤波放大电路的信号输入端口相连，滤波放大电路的信号输出端口与单片机的检测信号输入端口相连，单片机的显示信号输出端口与液晶显示的输入端口相连。
所述霍尔传感器为SS49E线性霍尔传感器，该传感器工作在磁场环境下，其输入是磁感应强度，输出是和输入量成正比的电压，传感器测量方向为切向。
所述滤波放大电路包括滤波电路和放大电路；滤波放大电路的信号输入端口通过滤波电路与霍尔传感器的检测信号输出端口相连，滤波放大电路的信号输出端口通过放大电路与单片机的检测信号输入端口相连；放大模块为LM324低功率单电源四通道运算放大器。
所述单片机采用STC89C52单片机；单片机P2.5与液晶显示的4脚相连，单片机P2.6与液晶显示的5脚相连，单片机P2.7与液晶显示的6脚相连，单片机P0.0～P0.7与液晶显示第7～14脚相连，单片机P1.2与滤波放大电路输出端相连，P1.3～P1.6与步进电机输出端相连。
所述步进电机旋转360度采集20次磁信号，即每转动18度采集一次磁信号；同时在步进电机的转轴上安装永磁铁，永磁铁与被测试件切面平行，保证磁力线水平分量存在，使其切向检测信号效果最佳。
所述液晶显示为1602LCD液晶显示器，其中1脚VSS为地电源，2脚VDD接5V正电源，3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器，与单片机P2.5相连，5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作；当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据与单片机P2.6相连，6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令，与单片机P2.7相连；第7～14脚D0～D7为8位双向数据线，与单片机P0.0～P0.7相连；第15脚背光源正极，第16脚背光源负极。
一种基于漏磁信号特征的表面缺陷应力检测方法，具体操作步骤如下：
第一步，单片机通过控制电机控制器驱动步进电机转动让仪器匀速前进；
第二步，霍尔传感器采集被测试件的漏磁信号，并传入滤波放大电路中；
第三步，滤波放大电路接收到模拟信号后进行差分放大，送入单片机中，转换为数字信号；
第四步，通过单片机内置程序计算步进电机走过的路程，依据检测到的漏磁信号根据公式计算应力数值，使其显示到液晶显示上。
在所述第四步中，单片机内置程序包括系统调用程序、步进电机驱动程序、数据处理主程序、数据采集处理子程序、计算路程函数子程序、应力计算函数子程序、LCD显示子程序；
其中所述步进电机驱动程序为通过调节步进电机的脉冲信号来调节仪器前进速度，由于步进电机的转动速度与脉冲的频率成正比，因此电机驱动通过使用延时函数调节步进电机的脉冲频率，通过延时函数控制仪器速度，速度和频率合起来可利用漏磁检测数据可获取仪器行进路程；
所述数据处理主程序首先调用数据采集子程序通过利用模数转换将霍尔传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，将检测件切向数据存储到ADTURN1为首地址的存储区中；
所述数据采集子程序通过模数转换器转换对传感器采集到的模拟信号进行模数转换；即对模数转换器初始化后使能模数转换器中断，开始模数转换，清除模数转换器中断标志后停止模数转换，转换的数据发送给计算路程函数子程序；
所述计算路程函数子程序首先先确定步进电机的步距角，圆周360/步距角则为电机旋转一周所需的脉冲数，将单片机接收到的脉冲数即可计算仪器走过的路程；
所述应力计算函数子程序计算方法为将缺陷假设为试件上的矩形槽形状，以缺陷中心为原点建立三维模型；具体依据以下公式：
沿矩形槽三个正交方向建立坐标轴x，y，z，并给出其长、宽和深度分别为Dz、Dx、Dy，假设外磁场H沿X轴方向，定义三维空间场点坐标为P(x，y，z)，磁荷面源点坐标为(xm，ym，zm)，则缺陷壁在点P处产生的漏磁场信号为：
公式(1)为切向分量磁信号计算公式，Hx为检测器检测切向信号，ρ是磁荷密度；将公式(1)整理后可表示为：
Hx＝ρ×fx (2)
fx是切向尺寸变量部分，输入缺陷尺寸以及扫描距离即可求出，磁荷密度ρ与应力有关，公式表示为：
其中μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率，σ为应力，M为磁化强度，α为耦合场参数，反映磁畴间的耦合关系，γ1和γ1'是应力相关系数，为方便后续说明，令公式(3)中
磁化强度M为：
M＝f2He (5)
其中He是有效磁场，根据J-A模型，有效磁场公式为：
根据公式(3)、(4)、(5)、(6)整理可得出：
公式(7)为一元二次方程，形如ax2+bx+c＝0，因Δ＝b2-4ac＞0，所以根据求根公式(8)：
则得出应力公式(9)：
其中α＝7.0921×10-4，γ1＝-1.5×10-18A-2m2，γ1'＝4.17×10-27A-2m2，μ0＝4π×10-7H/m，退磁因子Nx＝1，μr＝280B/H，H为外加磁场；
因此，测得的磁信号通过公式(9)计算可得到缺陷处应力σ；
所述LCD显示子程序先定义各引脚，延时一定时间，给其一定反映时间，再判断液晶模块是否忙碌，忙就再延时若干毫秒，否则调用写函数；指定好字符显示的地址，将数据写入液晶模块。
优点及效果：
1、本发明利用步进电机驱动检测器小车前进，传感器位于小车底部采集数据，使仪器走过里程与磁信号相对应，方便比对记录。
2、本发明解决了现有检测器不能对缺陷处应力实时分析的问题。
3、本发明利用单片机控制，使测量设备更加小巧，适用于各种工程环境的检测。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的整体结构图；
图3为本发明的检测器俯视图；
图4为本发明的系统调用主程序流程图；
图5为本发明的步进电机驱动程序流程图；
图6为本发明的数据采集子程序流程图；
图7为本发明的LCD调用程序流程图；
图8为本发明的LCD显示流程图；
图9为本发明的单片机引脚图；
图10为本发明的霍尔传感器结构图；
图11为本发明的滤波放大电路原理图；
图12为本发明的LCD模块结构图。
附图标记：永磁铁和传感器模块1；单片机2；步进电机3；被测试件4；缺陷5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述：
如图1所示，本发明包括步进驱动电机部分、霍尔传感器、滤波放大电路、单片机、LCD显示部分。单片机最小系统控制单元的步进电机接口与步进电机驱动部分的电机控制器接口相连，传感器部分输出端口与滤波放大电路部分输入端口相连，滤波放大电路部分输出端口与单片机部分输入端口相连，单片机的显示信号输出端口与LCD显示部分输入端口相连。
如图2和图3所示，系统整体结构由两个步进电机3驱动检测器小车前进，永磁铁和传感器模块1位于检测器车正下方，单片机2及硬件电路位于车身内。单片机2驱动小车匀速前进，实现检测被测试件4表面缺陷5的功能。
检测器小车分为四个轮子以及车身内部。包括前轮处两个步进驱动电机3、车身内单片机2、永磁铁和传感器模块1以及其他硬件电路。
如图4所示，单片机的程序包括系统调用及步进电机驱动程序、数据采集处理子程序、计算路程函数子程序、应力计算函数子程序、A/D转换程序，LCD显示子程序。
系统调用及数据处理主程序首先设定步进电机驱动程序来使仪器匀速行驶，并调用数据采集子程序，即通过利用AD转换将传感器采集到的模拟信号转换为数字信号；然后通过计算路程子程序和应力计算函数子程序，对应力进行计算，并将检测结果送往LCD显示模块进行显示。
如图5所示，所述步进电机驱动程序首先需定义步进电机的端口，然后通过进行串口和定时器的初始化，同时定义步进电机的工作模式，通过调节步进电机的脉冲信号来调节仪器前进速度。由于步进电机的转动速度与脉冲的频率成正比，因此电机驱动通过使用延时函数调节步进电机的脉冲频率，通过延时函数控制仪器速度，速度和频率合起来可利用漏磁检测数据可获取仪器行进路程，结束时通过中断脉冲频率输出来停止小车运动。
如图6所示，所述数据采集子程序通过ADC转换对传感器采集到的模拟信号进行模数转换。即对ADC初始化后使能ADC中断，开始AD转换，清除ADC中断标志后停止AD转换，转换的数据发送给计算路程函数子程序。
所述计算路程函数子程序首先先确定步进电机的步距角，圆周360/步距角则为电机旋转一周所需的脉冲数，将单片机接收到的脉冲数即可计算仪器走过的路程；
所述应力计算函数子程序计算方法为将缺陷假设为试件上的矩形槽形状，以缺陷中心为原点建立三维模型；具体依据以下公式：
沿矩形槽三个正交方向建立坐标轴x，y，z，并给出其长、宽和深度分别为Dz、Dx、Dy，假设外磁场H沿X轴方向，定义三维空间场点坐标为P(x，y，z)，磁荷面源点坐标为(xm，ym，zm)，则缺陷壁在点P处产生的漏磁场信号为：
公式(1)为切向分量磁信号计算公式，Hx为检测器检测切向信号，ρ是磁荷密度；将公式(1)整理后可表示为：
Hx＝ρ×fx (2)
fx是切向尺寸变量部分，输入缺陷尺寸以及扫描距离即可求出，磁荷密度ρ与应力有关，公式表示为：
其中μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率，σ为应力，M为磁化强度，α为耦合场参数，反映磁畴间的耦合关系，γ1和γ1'是应力相关系数，为方便后续说明，令公式(3)中
磁化强度M为：
M＝f2He (5)
其中He是有效磁场，根据J-A模型，有效磁场公式为：
根据公式(3)、(4)、(5)、(6)整理可得出：
公式(7)为一元二次方程，形如ax2+bx+c＝0，因Δ＝b2-4ac＞0，所以根据求根公式(8)：
则得出应力公式(9)：
其中α＝7.0921×10-4，γ1＝-1.5×10-18A-2m2，γ1'＝4.17×10-27A-2m2，μ0＝4π×10-7H/m，退磁因子Nx＝1，μr＝280B/H，H为外加磁场；
因此，测得的磁信号通过公式(9)计算可得到缺陷处应力σ；
如图7所示，先定义各引脚，延时一定时间，给其一定反映时间，再判断液晶模块是否忙碌，忙就再延时若干毫秒，否则调用写函数。指定好字符显示的地址，将数据写入液晶模块。
如图8所示，在函数中定义个、十、百位及小数点，按照四个独立部分数字输出到液晶显示器上。
如图9所示，本发明所述STC89C52单片机最小系统控制单元拥有32个可编程I/O口、三个16位定时器/计数器、4个外部中断、与电脑进行通信的USB_UART串口接口电路。
单片机P2.5与LCD的4脚相连，单片机P2.6与LCD的5脚相连，单片机P2.7与LCD的6脚相连；单片机P0.0～P0.7与LCD第7～14脚相连。单片机P1.2与滤波放大电路输出端相连，P1.3～P1.6与步进电机输出端相连。
如图10所示，所述SS49E线性霍尔传感器引脚1连接电源，引脚2接地，引脚3连接滤波放大电路输入端。传感器可工作在永磁铁或电磁铁的磁场环境下，S磁极出现在霍尔传感器标记面时，将驱动输出高于零电平；N磁极将驱动输出低于零电平；瞬时和比例输出电压电平决定与器件最敏感面的磁通密度。当检测到缺陷时，通过霍尔元件的磁力线密度发生变化，从而引起霍尔电压的变化。
如图11所示，当输入信号的频率较低时，电容器的阻抗相对于电阻器的阻抗高；因此，大部分输入电压在电容器上下降。当输入频率较高时，电容器的阻抗相对于电阻器的阻抗较低，这意味着电阻器上的电压降低，并且传递到负载的电压就越小。因此，低频通过并且高频被阻塞。
如图12所示，显示模块是LCD1602字符型液晶，为16脚带背光的接口。1脚VSS为地电源，2脚VDD接5V正电源。3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器，与单片机P2.5相连。5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据与单片机P2.6相连。6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令，与单片机P2.7相连。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线，与单片机P0.0～P0.7相连。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (6)

1.一种基于漏磁信号特征的表面缺陷应力检测系统的检测方法，具体操作步骤如下：
第一步，单片机通过控制电机控制器驱动步进电机转动让仪器匀速前进；
第二步，霍尔传感器采集被测试件的漏磁信号，并传入滤波放大电路中；
第三步，滤波放大电路接收到模拟信号后进行差分放大，送入单片机中，转换为数字信号；
第四步，通过单片机内置程序计算步进电机走过的路程，依据检测到的漏磁信号根据公式计算应力数值，使其显示到液晶显示上；
在所述第四步中，单片机内置程序包括系统调用程序、步进电机驱动程序、数据处理主程序、数据采集处理子程序、计算路程函数子程序、应力计算函数子程序、LCD显示子程序；
其中所述步进电机驱动程序为通过调节步进电机的脉冲信号来调节仪器前进速度，由于步进电机的转动速度与脉冲的频率成正比，因此电机驱动通过使用延时函数调节步进电机的脉冲频率，通过延时函数控制仪器速度，速度和频率合起来可利用漏磁检测数据可获取仪器行进路程；
所述数据处理主程序首先调用数据采集子程序通过利用模数转换将霍尔传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，将检测件切向数据存储到ADTURN1为首地址的存储区中；
所述数据采集子程序通过模数转换器转换对传感器采集到的模拟信号进行模数转换；即对模数转换器初始化后使能模数转换器中断，开始模数转换，清除模数转换器中断标志后停止模数转换，转换的数据发送给计算路程函数子程序；
所述计算路程函数子程序首先先确定步进电机的步距角，圆周360/步距角则为电机旋转一周所需的脉冲数，将单片机接收到的脉冲数即可计算仪器走过的路程；
所述应力计算函数子程序计算方法为将缺陷假设为试件上的矩形槽形状，以缺陷中心为原点建立三维模型；具体依据以下公式：
沿矩形槽三个正交方向建立坐标轴x，y，z，并给出其长、宽和深度分别为Dz、Dx、Dy，假设外磁场H沿X轴方向，定义三维空间场点坐标为P(x，y，z)，磁荷面源点坐标为(xm，ym，zm)，则缺陷壁在点P处产生的漏磁场信号为：
公式(1)为切向分量磁信号计算公式，Hx为检测器检测切向信号，ρ是磁荷密度；将公式(1)整理后可表示为：
Hx＝ρ×fx (2)
fx是切向尺寸变量部分，输入缺陷尺寸以及扫描距离即可求出，磁荷密度ρ与应力有关，公式表示为：
其中μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率，σ为应力，M为磁化强度，α为耦合场参数，反映磁畴间的耦合关系，γ1和γ1'是应力相关系数，为方便后续说明，令公式(3)中
磁化强度M为：
M＝f2He (5)
其中He是有效磁场，根据J-A模型，有效磁场公式为：
根据公式(3)、(4)、(5)、(6)整理可得出：
公式(7)为一元二次方程，形如ax2+bx+c＝0，因Δ＝b2-4ac＞0，所以根据求根公式(8)：
则得出应力公式(9)：
其中α＝7.0921×10-4，γ1＝-1.5×10-18A-2m2，γ1'＝4.17×10-27A-2m2，μ0＝4π×10-7H/m，退磁因子Nx＝1，μr＝280B/H，H为外加磁场；
因此，测得的磁信号通过公式(9)计算可得到缺陷处应力σ；
所述LCD显示子程序先定义各引脚，延时一定时间，给其一定反映时间，再判断液晶模块是否忙碌，忙就再延时若干毫秒，否则调用写函数；指定好字符显示的地址，将数据写入液晶模块；
该应力检测系统由单片机、步进电机、霍尔传感器，滤波放大电路，液晶显示组成；其中单片机的步进电机接口与步进电机的电机控制器接口相连，霍尔传感器的检测信号输出端口与滤波放大电路的信号输入端口相连，滤波放大电路的信号输出端口与单片机的检测信号输入端口相连，单片机的显示信号输出端口与液晶显示的输入端口相连。
2.根据权利要求1所述的基于漏磁信号特征的表面缺陷应力检测系统的检测方法，其特征在于：所述霍尔传感器为SS49E线性霍尔传感器，该传感器工作在磁场环境下，其输入是磁感应强度，输出是和输入量成正比的电压，传感器测量方向为切向。
3.根据权利要求1所述的基于漏磁信号特征的表面缺陷应力检测系统的检测方法，其特征在于：所述滤波放大电路包括滤波电路和放大电路；滤波放大电路的信号输入端口通过滤波电路与霍尔传感器的检测信号输出端口相连，滤波放大电路的信号输出端口通过放大电路与单片机的检测信号输入端口相连；放大模块为LM324低功率单电源四通道运算放大器。
4.根据权利要求1所述的基于漏磁信号特征的表面缺陷应力检测系统的检测方法，其特征在于：所述单片机采用STC89C52单片机；单片机P2.5与液晶显示的4脚相连，单片机P2.6与液晶显示的5脚相连，单片机P2.7与液晶显示的6脚相连，单片机P0.0～P0.7与液晶显示第7～14脚相连，单片机P1.2与滤波放大电路输出端相连，P1.3～P1.6与步进电机输出端相连。
5.根据权利要求1所述的基于漏磁信号特征的表面缺陷应力检测系统的检测方法，其特征在于：所述步进电机旋转360度采集20次磁信号，即每转动18度采集一次磁信号；同时在步进电机的转轴上安装永磁铁，永磁铁与被测试件切面平行，保证磁力线水平分量存在，使其切向检测信号效果最佳。
6.根据权利要求1所述的基于漏磁信号特征的表面缺陷应力检测系统的检测方法，其特征在于：所述液晶显示为1602LCD液晶显示器，其中1脚VSS为地电源，2脚VDD接5V正电源，3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器，与单片机P2.5相连，5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作；当RS和R/W共同为低电平时写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时写入数据与单片机P2.6相连，6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令，与单片机P2.7相连；第7～14脚D0～D7为8位双向数据线，与单片机P0.0～P0.7相连；第15脚背光源正极，第16脚背光源负极。
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