劉宗斌，車華軍，劉宗蘇

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院，江蘇無錫 461000；2.江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212013；3.常州工學(xué)院，江蘇常州 213022)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，鐵磁性材料在軌道交通建設(shè)、日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，而鐵磁性材料在惡劣工況下的高強(qiáng)度使用，容易產(chǎn)生裂紋、斷裂，造成難以估量的危害[1]。因此對鐵磁性材料的應(yīng)力檢測至關(guān)重要，傳統(tǒng)的檢測設(shè)備操作復(fù)雜、體積龐大，為了克服這些缺點(diǎn)，本文設(shè)計了一種基于巴克豪森原理的便攜式應(yīng)力檢測設(shè)備。其創(chuàng)新點(diǎn)是建立巴克豪森(MBN)噪聲與鐵磁性材料之間的關(guān)系，通過提取MBN信號的特征值從而實現(xiàn)對鐵磁性材料應(yīng)力的間接測量，該種測量方式為無損檢測，不會損害待測的鐵磁性材料[2-3]。

1 巴克豪斯檢測原理

當(dāng)鐵磁性材料置于交變的磁場中，其會改變磁場的分布，即產(chǎn)生磁化現(xiàn)象[4]。若無外界因素作用，鐵磁性材料對外不顯示磁性，當(dāng)有外應(yīng)力或交變磁場時，鐵磁性材料內(nèi)部的磁疇的方向會發(fā)生變化，而磁疇的的這種變化會在鐵磁性材料里面產(chǎn)生一系列的脈沖信號，此種信號稱為巴克豪森信號(MBN)。利用相關(guān)傳感器可以準(zhǔn)確的提取到巴克豪森信號，而外加磁場的強(qiáng)度和頻率對巴克豪森信號有著決定性的影響，因此在實際測量時，必須選取適當(dāng)?shù)募钚盘栴l率。系統(tǒng)在分析處理時，提取巴克豪森噪聲信號的平均值、均方根、峰值等特征值，通過對比巴克豪森信號的這3個特征值來計算應(yīng)力的大小，通過標(biāo)定特征值與應(yīng)力的關(guān)系實現(xiàn)對應(yīng)力的檢測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

便攜式應(yīng)力檢測儀的設(shè)計主要是由應(yīng)力檢測探頭、功率放大電路、信號產(chǎn)生電路、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路以及DSP最小系統(tǒng)組成[5]。首先微控制器DSP用于產(chǎn)生交變的激勵信號，此信號并不能直接驅(qū)動應(yīng)力檢測探頭，經(jīng)功率放大電路后再去激勵應(yīng)力檢測探頭。待測的特磁性材料再受到施加的交變磁場后，會產(chǎn)生巴克豪森信號，利用信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換電路來提取、分析巴克豪森信號，最終實現(xiàn)對鐵磁性材料的應(yīng)力檢測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 信號產(chǎn)生電路

MBN信號產(chǎn)生的前提是由鐵磁性材料外加交變磁場和應(yīng)力，激勵信號的準(zhǔn)確性是系統(tǒng)測量精度的重要保證。系統(tǒng)通過DSP的I/O口外加高精度14位DAC轉(zhuǎn)換芯片AD9754實現(xiàn)驅(qū)動信號的產(chǎn)生[6]。AD9754是高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣率能夠達(dá)到125 MSPS，具有14位分辨率，工作功耗185 mW，內(nèi)部本身自帶有1.2 V參考穩(wěn)定電壓，單端供電4.5～5.5 V，差分輸出電流范圍2～20 mA。信號產(chǎn)生電路圖如圖2所示。

圖2 信號產(chǎn)生電路

DSP的I/O口輸出的14位數(shù)字量通過AD9754的DB0～DB13數(shù)據(jù)口輸入到芯片內(nèi)部，芯片內(nèi)部根據(jù)數(shù)字量的時序產(chǎn)生相應(yīng)的正弦模擬電壓信號。

2.2 功率放大電路

AD9754輸出的正弦交流信號并不能直接去激勵應(yīng)力檢測探頭，需要經(jīng)過功率放大之后再去驅(qū)動應(yīng)力檢測探頭[7]。系統(tǒng)利用甲乙類互補(bǔ)放大電路來對AD9754輸出的正弦波信號進(jìn)行放大，將正弦信號的峰峰值提高到20 V，功率放大電路如圖3所示。

圖3 功率放大電路

電路中R33、R34、D1、D2為Q1、Q2提供直流偏置，使兩管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，避免交叉失真，以便得到光滑的正弦波信號，再將此正弦波信號經(jīng)過變壓器T1進(jìn)行放大后再去激勵應(yīng)力檢測探頭。

2.3 信號調(diào)理電路

應(yīng)力檢測探頭輸出的信號為微弱的電壓信號，約為mV級，無法直接對此電壓信號進(jìn)行分析處理，普通的放大電路干擾較多，放大信號時容易造成失真[8-9]。因此如何準(zhǔn)確放大應(yīng)力檢測探頭輸出的信號是本文研究的重點(diǎn)，系統(tǒng)利用專用儀表放大器INA128U對信號進(jìn)行放大，INA128U是一款低功耗、高精度的儀表放大器，專用于放大微弱信號。信號調(diào)理電路圖如圖4所示。

圖4 信號調(diào)理電路

電阻R43用于調(diào)整儀表放大器INA128的放大倍數(shù)，R44為0 Ω電阻。INA128儀表放大器的最大倍數(shù)為1 000倍，在放大應(yīng)力檢測探頭信號的同時，噪聲信號也隨著被放大了，因此經(jīng)過高精度運(yùn)放TSZ121組成的低通濾波電路，濾除信號中的高頻干擾[10]。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路的作用是將信號調(diào)理電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為可被DSP處理的數(shù)字信號，A/D轉(zhuǎn)換電路的速度和精度直接影響著系統(tǒng)的檢測結(jié)果[11]。系統(tǒng)選用高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7606實現(xiàn)信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD7606具有8個模擬采樣通道，可采用FSMC總線與DSP進(jìn)行通訊，最高采樣速度高達(dá)200 kHz，A/D轉(zhuǎn)換電路圖如圖5所示。

圖5 A/D采樣電路

圖中RESET是AD7606轉(zhuǎn)換器的復(fù)位引腳；BUSY為高電平時，表示正在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成之后BUSY變?yōu)榈碗娖叫盘枺籆ONVST為通道選擇引腳，當(dāng)CONVST接高電平時，表示同時開啟8路轉(zhuǎn)換；FSMC_NE1為AD7606的片選信號，而FSMC_NOE為AD7606的時鐘信號。OS1、OS2用于設(shè)置芯片的采樣速率，最高可設(shè)為200 kHz，RANGE用于設(shè)置采樣電壓的范圍，本系統(tǒng)設(shè)置為-10～10 V之間。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)程序包括傳感器激勵信號產(chǎn)生程序、定時中斷程序、外部中斷程序、A/D采樣程序、串口通訊以及DSP最小系統(tǒng)程序等。系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行傳感器復(fù)位操作，當(dāng)接收到外部啟動按鈕時，啟動系統(tǒng)開始測量。應(yīng)力檢測儀首先產(chǎn)生正弦波激勵信號去驅(qū)動應(yīng)力檢測探頭，再利用信號調(diào)理電路接收鐵磁性材料產(chǎn)生的巴克豪森噪聲信號，利用高精度的A/D采樣芯片將模擬量轉(zhuǎn)換為可被DSP處理的數(shù)字量，最終在DSP內(nèi)部計算得到巴克豪森信號的平均值、均方根、峰值等特征值，最終根據(jù)應(yīng)力與特征值的關(guān)系推算出應(yīng)力值，系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

4 實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 MBN信號與施加壓力關(guān)系

設(shè)計完系統(tǒng)之后開始對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性實驗，搭建如圖7所示的實驗環(huán)境，將待測的鋼板固定在實驗臺架上，將應(yīng)力檢測探頭置于鋼板中間，通過壓力標(biāo)定機(jī)向鋼板施加不同的壓力，通過壓力標(biāo)定機(jī)下端的數(shù)字表讀出當(dāng)前所施加的壓力，并利用系統(tǒng)采集鋼板此時的MBN信號。

圖7 實驗裝置

通過施加不同的力來采集鋼板的MBN信號，施加的壓應(yīng)力在0～250 MPa之間，每隔15 MPa采集1次鋼板MBN信號對應(yīng)的特征值，分別記錄鋼板的MBN信號與施加應(yīng)力的關(guān)系，得出MBN信號平均值、均方根、峰值3個特征值與壓應(yīng)力的關(guān)系，關(guān)系曲線分別如圖8～圖10所示。

圖8 MBN信號的平均值與壓應(yīng)力的關(guān)系

圖9 MBN信號均方根與壓應(yīng)力的關(guān)系

圖10 MBN信號峰值與壓應(yīng)力的關(guān)系

由圖8～圖10可知，在特磁性材料的彈性范圍內(nèi)，MBN信號的平均值、均方根以及峰值都隨著壓應(yīng)力的增加而減小。根據(jù)通過大數(shù)據(jù)分析，提取MBN信號平均值、均方根以及峰值3個特征值與壓應(yīng)力的關(guān)系，從而計算出特磁性材料所收到的壓應(yīng)力大小。

4.2 測試數(shù)據(jù)對比

利用以上測試數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，分別得到壓應(yīng)力與MBN信號3個特征值之間的關(guān)系。再通過擬合的數(shù)據(jù)曲線反推出特磁性材料受到的壓應(yīng)力。表1為利用MBN信號平均值推算出壓應(yīng)力與實際壓力的對比結(jié)果。

表1 數(shù)據(jù)對比結(jié)果

測試結(jié)果表明，通過MBN信號峰值計算得到的壓應(yīng)力誤差較大，高達(dá)17%；通過MBN信號平均值計算得到的壓應(yīng)力比較準(zhǔn)確，相對誤差不超過5%；通過MBN信號均方根計算得到的壓應(yīng)力準(zhǔn)確度相對較高，相對誤差約為9.8%。因此可以得出結(jié)論，利用MBN信號的特征值可有效檢測出鐵磁性材料的壓應(yīng)力，其中利用平均值計算時，準(zhǔn)確性較高，相對誤差均不超過5%。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于巴克豪森效應(yīng)的應(yīng)力檢測儀，該檢測儀將傳感器技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，利用相關(guān)電路檢測鐵磁性材料產(chǎn)生的巴克豪森噪聲信號，通過分析巴克豪森信號的特征值來判斷鐵磁性材料的應(yīng)力。該檢測方式是無損檢測的一種，不會破壞待測鐵磁性材料的原有結(jié)構(gòu)。實際測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的應(yīng)力檢測儀能有效的檢測出鐵磁性材料的應(yīng)力大小，且檢測精度相對較高。