基于Arduino的三維磁記憶檢測系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究

宋 凱,劉海朝,王 振,程志遠(yuǎn),李軼名,任吉林

(1.南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室,南昌 330063;2.南昌航空大學(xué)科技學(xué)院,南昌 330034)

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基于Arduino的三維磁記憶檢測系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究

宋 凱1*,劉海朝1,王 振2,程志遠(yuǎn)1,李軼名1,任吉林1

(1.南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室,南昌 330063;2.南昌航空大學(xué)科技學(xué)院,南昌 330034)

利用三軸線性霍爾傳感器MLX90393制作磁記憶檢測探頭,基于Arduino硬件開發(fā)平臺研制金屬磁記憶檢測系統(tǒng),以30CrMo材料試件為試驗對象,在靜載拉伸作用下開展金屬磁記憶試驗研究,分析磁記憶信號變化規(guī)律以及磁記憶信號梯度值與拉伸載荷之間的變化特征。實驗結(jié)果表明,拉伸過程中試件表面的磁記憶信號切向分量梯度最大值在拉伸載荷達(dá)到16 kN時開始明顯變化,在23 kN之后急劇增大到0.042 5;法向分量梯度最大值在拉伸載荷達(dá)到23 kN之后急劇增大到0.55。本系統(tǒng)為鐵磁性材料中應(yīng)力集中的判定和測量提供了一種有效的檢測方法。

磁記憶檢測;傳感器;梯度;應(yīng)力集中;Arduino

鐵磁性金屬材料具有良好的硬度、強(qiáng)度、韌性和塑性等特點,在航空航天、石油化工、壓力容器、建筑等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用,在使用過程中會不可避免地受到應(yīng)力集中而出現(xiàn)疲勞損傷和腐蝕缺陷,進(jìn)而引發(fā)事故導(dǎo)致嚴(yán)重的后果[1-3],因此對鐵磁性材料構(gòu)件中存在應(yīng)力集中的評估和檢測工作顯得非常重要[4]。金屬磁記憶檢測方法能夠有效地檢測出鐵磁性材料構(gòu)件中的應(yīng)力集中,可以實現(xiàn)對鐵磁性材料構(gòu)件的預(yù)診斷[5-6]。在磁記憶檢測技術(shù)機(jī)理的研究工作中,很多專家和學(xué)者開展了深入的研究和探索。2000年任吉林、林俊明等[6]編著了我國第1部關(guān)于磁記憶檢測技術(shù)的專著,在專著中提出了能量平衡說,建立了力-磁效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型;周俊華,雷銀照[7]研究了在正磁致伸縮系數(shù)情況下受力鐵磁桿件的有效場表達(dá)式,解釋了試件應(yīng)力集中部位磁記憶信號法向過零、切向最大的現(xiàn)象;清華大學(xué)李路明教授課題組[8-9]研究了磁記憶效應(yīng)與地磁場之間的關(guān)系,探討了試件表面法向分量與焊縫周圍殘余應(yīng)力的關(guān)系。在金屬磁記憶檢測系統(tǒng)的開發(fā)方面,清華大學(xué)無損檢測中心[9]通過利用磁阻傳感器開發(fā)的掌上型金屬磁記憶檢測儀器,能夠快速實時分析應(yīng)力集中狀況,在表征應(yīng)力集中檢測結(jié)果方面參考了磁記憶信號法向分量變化特征;軍械工程學(xué)院無損檢測研究所[10]研發(fā)的JLY-1A型智能微磁裂紋檢測系統(tǒng),用于對宏觀裂紋缺陷的磁記憶檢測;馬曉琳,朱紅運(yùn)[11]基于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟3C2440A嵌入式平臺設(shè)計了金屬磁記憶檢測系統(tǒng),其檢測探頭是利用A1302線性霍爾傳感器制作而成,在結(jié)果顯示部分采用一維信號描述磁記憶信號特征。為推動磁記憶檢測技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展,應(yīng)研制精度更高,體積更小的傳感器模塊,開發(fā)通用的磁記憶自動檢測系統(tǒng),以降低手工操作的誤差[12-13],并且需要結(jié)合二維磁記憶信號或者三維磁記憶信號以及多維分量梯度值的變化特征,對鐵磁性材料構(gòu)件中存在的應(yīng)力集中進(jìn)行準(zhǔn)確并且有效的判定[14-15]。

本文利用線性霍爾傳感器MLX90393設(shè)計了三維磁記憶檢測探頭,研制了基于Arduino硬件開發(fā)平臺的金屬磁記憶檢測系統(tǒng),以30CrMo材料試件為試驗對象開展了金屬磁記憶檢測試驗研究,實現(xiàn)了在拉伸載荷作用下對試件的自動化在線檢測,研究了30CrMo材料試件在拉伸載荷作用下的磁記憶信號特征,驗證了金屬磁記憶檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性。

圖1 三維磁記憶檢測系統(tǒng)模塊圖

1 金屬磁記憶檢測系統(tǒng)設(shè)計

金屬磁記憶檢測系統(tǒng)由三軸運(yùn)動掃查平臺、傳感器模塊、系統(tǒng)控制器模塊及檢測結(jié)果顯示軟件4個主要部分組成,如圖1所示。三軸運(yùn)動掃查平臺由X、Y、Z3個軸組成,其中每個軸均包括步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)軌和絲桿,X軸的有效行程為500 mm,Y軸和Z軸的有效行程為600 mm,掃查平臺的運(yùn)動精度為0.03 mm;檢測探頭是采用霍爾傳感器制作而成,被固定在Z軸中部縱向載物臺上;系統(tǒng)控制部分通過串行接口電路與計算機(jī)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊;檢測結(jié)果顯示軟件是通過利用python和C語言編制而成,可以實時顯示和輸出檢測結(jié)果。磁記憶檢測系統(tǒng)不僅可以提高系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性,而且可以實現(xiàn)負(fù)載的快速、準(zhǔn)確定位。

1.1 傳感器模塊設(shè)計

磁記憶檢測探頭的傳感器模塊采用一款霍爾傳感器MLX90393,該傳感器具有高精度、高靈敏度、低功耗、高電阻率,便于與現(xiàn)有的半導(dǎo)體芯片工藝集成等優(yōu)點。MLX90393數(shù)字芯片的弱磁傳感器和附屬電路被集成在3.0 mm×3.0 mm×1.0 mm大小的LCC固體模塊中,數(shù)字芯片由三維磁敏電阻電橋獲取相互垂直的切向分量 Hp(x)和Hp(y)和法向分量Hp(z)。MLX90393數(shù)字芯片是一種可編程的線性霍爾傳感器,其磁場測量分辨率是通過編程來確定的,在本文試驗中數(shù)字芯片檢測結(jié)果的磁場切向分量 Hp(x)和Hp(y)的分辨率為0.161 μT,法向分量 Hp(z)的分辨率為0.294 μT。磁記憶檢測探頭傳感器電路原理圖如圖2所示,其中電容C1和電阻R1、R2可對數(shù)字芯片起到保護(hù)作用;數(shù)字芯片的11、12引腳為地址引腳A1、A0,用于硬件地址編程,采用二進(jìn)制方式將數(shù)字芯片地址分為:00、01、10、11四個不同的地址,在檢測過程中按照地址的順序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;在MLX90393數(shù)字芯片內(nèi)部存在的微控制器把檢測到的磁記憶信號以數(shù)字量的形式通過I2C總線(圖2中的時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA)輸出到Arduino控制模塊中。

磁記憶檢測探頭剖面圖如圖4所示,通過采用彈簧控制探頭的提離,能夠使探頭在磁記憶在線檢測過程中緊貼被檢試件的表面,減少了提離影響,確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。磁記憶檢測探頭中的4個MLX90393數(shù)字芯片所檢測的位置不同,每個數(shù)字芯片之間相隔5 mm,在試驗過程中檢測探頭的覆蓋區(qū)域?qū)挾葹?0 mm。檢測探頭能夠準(zhǔn)確的得出所檢測位置的磁場信息,每個MLX90393數(shù)字芯片的檢測數(shù)據(jù)具有較好的重復(fù)性和一致性,在磁記憶檢測試驗過程中被檢試件處于地磁場作用下,不需要額外施加激勵磁場,MLX90393數(shù)字芯片中也不會產(chǎn)生磁場,數(shù)字芯片相互之間不影響檢測結(jié)果。

圖3 磁記憶檢測探頭示意圖

圖4 磁記憶檢測探頭剖面圖

1.2 磁記憶檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感器模塊是通過I2C控制方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊,在磁記憶檢測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計過程中,微處理器采用 Arduino mega ADK硬件開發(fā)平臺,Arduino mega ADK硬件開發(fā)平臺提供主I2C接口,可以方便的實現(xiàn)計算機(jī)與MLX90393數(shù)字芯片、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)之間直接的數(shù)據(jù)傳輸,I2C控制方式最高傳送速率為100 kbit/s。Arduino mega ADK可連接大量的傳感器和應(yīng)用模塊,例如霍爾傳感器、按鈕模塊、觸摸傳感器和操縱桿傳感器等。在Arduino mega ADK開發(fā)平臺基礎(chǔ)上的磁記憶檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

圖5 磁記憶檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖5中,硬件部分的供電是通過穩(wěn)壓電源提供的;傳感器模塊檢測到的磁記憶信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后通過系統(tǒng)控制器實時顯示并存儲在計算機(jī)中;檢測系統(tǒng)控制器通過提供脈沖信號,使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)帶動傳感器進(jìn)行檢測。此外,磁記憶檢測系統(tǒng)提供對計算機(jī)接口電路,能夠?qū)崿F(xiàn)計算機(jī)與磁記憶檢測系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通訊,磁記憶檢測儀器如圖6所示。

圖6 磁記憶檢測儀器

1.3 磁記憶檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

磁記憶檢測系統(tǒng)軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化參數(shù)預(yù)置、模式選擇、信號采集、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、補(bǔ)償與校準(zhǔn)、顯示輸出以及保存等,軟件流程圖如圖7所示。檢測系統(tǒng)的軟件部分可以檢測到探頭是否接通,當(dāng)檢測探頭沒有接通時系統(tǒng)即停止工作;檢測過程中可以預(yù)置各種參數(shù),包括檢測速率、探頭靈敏度、步進(jìn)距離等,也可以實時顯示和讀取檢測結(jié)果的數(shù)據(jù);檢測系統(tǒng)配置了不同的測量模式,包括自動檢測和手動檢測;在試驗過程中將每次獲取的三軸磁場值與獲取的環(huán)境磁場做差,從而消除環(huán)境磁場的干擾,達(dá)到校準(zhǔn)的目的。

圖7 磁記憶檢測系統(tǒng)的軟件流程圖

金屬磁記憶檢測系統(tǒng)的顯示界面如圖8所示,在試驗過程中,可以實時顯示4個檢測通道中的X、Y、Z3個方向的磁記憶信號,也可以實時顯示出所掃查區(qū)域應(yīng)力集中程度的應(yīng)力云圖。在控制方面,可以實現(xiàn)自動控制和手動控制兩個模式,自動控制即為通過設(shè)置參數(shù)可以對所預(yù)定的掃查范圍進(jìn)行掃查檢測;手動控制即為點動控制。

圖8 磁記憶檢測系統(tǒng)顯示界面

2 金屬磁記憶試驗研究

2.1 試驗條件

試件材質(zhì)為30CrMo鋼,試件尺寸規(guī)格為220 mm×40 mm×2 mm,如圖9所示。在試件中間預(yù)置兩個寬為10 mm,深度為6 mm的三角形缺口。試件表面標(biāo)注了四條相互間隔5 mm、長度為60 mm的掃查線L1、L2、L3、L4,其中掃查線L1、L2與三角形缺口的最近距離為1.5 mm。為了消除殘余應(yīng)力,在試驗之前對30 CrMo試件進(jìn)行了去應(yīng)力退火熱處理,試件的實際屈服強(qiáng)度為450 MPa,抗拉強(qiáng)度為644.4 MPa。在磁記憶檢測試驗過程中,檢測探頭通過三軸掃查裝置被安置在試件表面,對試件表面的四條掃查線進(jìn)行勻速掃查。同時在靜載拉伸試驗機(jī)上采用1 kN、2 kN、…、23 kN的加載方式對試件進(jìn)行加載,并記錄下每次測量時得到的數(shù)據(jù)信息。

圖9 試件規(guī)格示意圖

2.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)矢量合成法將磁記憶信號切向分量Hp(x)和Hp(y)合成為磁記憶信號切向分量Hp(xy),Hp(xy)的定義如下:

(1)

矢量合成之后的磁記憶信號切向分量Hp(xy)的信號特征會更加明顯[15],在拉伸載荷作用下測得的磁記憶信號法向分量和切向分量分布曲線如圖10所示。

圖10 不同拉伸載荷下的磁場分量變化

隨著載荷的不斷增大,當(dāng)拉伸載荷達(dá)到8 kN時,磁記憶信號切向分量Hp(xy)開始出現(xiàn)最大值,法向分量Hp(y)表現(xiàn)出過零點的現(xiàn)象,此時的磁記憶信號變化幅值比較小;當(dāng)拉伸載荷達(dá)到16 kN時磁記憶信號變化特征比較明顯,切向分量Hp(xy)出現(xiàn)的最大值為0.1 Gs,法向分量Hp(y)過零點、出現(xiàn)極性變化的特征更加明顯;隨著拉伸載荷繼續(xù)增大,磁記憶信號幅值變化更加明顯,當(dāng)拉伸載荷達(dá)到23.2 kN時拉伸試件即將斷裂,缺口處會出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象,此時表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,切向分量Hp(xy)表現(xiàn)出的最大值為0.45 Gs,法向分量Hp(y)的幅值達(dá)到1.3 Gs。

2.3 應(yīng)力集中定量評估分析與討論

為了進(jìn)一步研究磁記憶信號特征與應(yīng)力集中嚴(yán)重程度的變化規(guī)律,對切向分量Hp(xy)和法向分量Hp(z)進(jìn)行微分處理求出切向分量Hp(xy)的梯度值KHp(xy)和法向分量Hp(z)的梯度值KHp(z),能夠得到磁記憶信號切向分量梯度值的最大值|KHp(xy)|max和法向分量梯度值的最大值|KHp(z)|max,根據(jù)梯度值的最大值來判斷應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度。磁記憶信號切向分量和法向分量梯度值的定義如下所示:

(2)

(3)

通過數(shù)據(jù)處理可得到磁記憶信號切向分量梯度最大值和法向分量梯度最大值隨拉伸載荷的變化關(guān)系,如表1所示。

表1 磁記憶信號分量梯度值的最大值

磁記憶信號切向分量梯度最大值|KHp(xy)|max和法向分量梯度最大值|KHp(z)|max隨拉伸載荷的變化關(guān)系如圖11所示。

由圖11可以看出,隨著拉伸載荷的不斷增加,|KHp(xy)|max和|KHp(z)|max首先緩慢增加然后急劇增加,|KHp(xy)|max在拉伸載荷達(dá)到16 kN時開始出現(xiàn)明顯變化,在23 kN之后急劇增大到0.042 5;|KHp(z)|max在拉伸載荷達(dá)到23 kN之后開始急劇增大到0.55。這是因為試件在拉伸初期處于彈性階段,試件中的應(yīng)力集中現(xiàn)象并不明顯;當(dāng)載荷繼續(xù)增大到16 kN時試件處于屈服階段,法向和切向分量信號的變化特征愈加明顯;當(dāng)載荷達(dá)到23 kN時試件進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段缺口處出現(xiàn)縮頸的情況,試件中表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,法向分量和切向分量幅值達(dá)到最大,法向分量出現(xiàn)零點并且關(guān)于零點對稱,而切向分量出現(xiàn)顯著的峰值并且在峰值兩側(cè)對稱變化。由此得出結(jié)論,可以根據(jù)|KHp(xy)|max和|KHp(z)|max的變化特征對試件的應(yīng)力集中嚴(yán)重程度進(jìn)行判定,既驗證了試件中存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象,同時也通過應(yīng)用更加清晰、準(zhǔn)確的雙重信號提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性及可信度,可以有效的避免誤判和漏判,這也是本文的創(chuàng)新之處。

圖11 磁記憶信號分量梯度最大值變化規(guī)律

3 結(jié)論

根據(jù)金屬磁記憶檢測原理,設(shè)計了基于線性霍爾傳感器MLX90393的三維陣列式磁記憶檢測探頭,采用Arduino硬件開發(fā)平臺研制了金屬磁記憶檢測系統(tǒng),以30CrMo材料試件為試驗對象開展了磁記憶試驗研究。結(jié)果表明在拉伸載荷作用下,試件表面磁記憶信號的法向分量和切向分量會隨拉伸載荷的增加而不斷增加;磁記憶信號切向分量梯度最大值|KHp(xy)|max在拉伸載荷達(dá)到16 kN時開始明顯變化,在23 kN之后急劇增大;法向分量梯度最大值|KHp(z)|max在拉伸載荷達(dá)到23 kN之后開始急劇增大。根據(jù)磁記憶信號切向分量梯度最大值和法向分量梯度最大值隨拉伸載荷的變化特征,能夠?qū)崿F(xiàn)對鐵磁性試件的應(yīng)力集中嚴(yán)重程度進(jìn)行有效的判定;該檢測系統(tǒng)能夠很好的反映應(yīng)力集中部位,可以克服依靠單一法向分量磁記憶信號判斷應(yīng)力集中程度存在漏檢的可能性。本系統(tǒng)提供的磁記憶檢測方法為新型磁記憶在線檢測儀器的開發(fā)提供了新的思路。

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Design and Experimental Study of Three-Dimensional Magnetic Memory Testing System Based on Arduino

SONG Kai1*,LIU Haichao1,WANG Zhen2,CHENG Zhiyuan1,LI Yiming1,REN Jilin1

(1.Key Laboratory of Nondestructive Test(Ministry of Education),NCHU,Nanchang 330063,China;2.Science and Technology College of Nanchang HangKong University,Nanchang 330034,China)

The Magnetic memory detection probe is fabricated by a three-axis linear Hall sensor MLX90393.A type of metal magnetic memory testing system is developed,based on the Arduino hardware development platform. The metal magnetic memory test of 30CrMo material is carried out under the static load,analyzes the variation of the magnetic memory signal,and analyzes the variation between the magnetic memory signal gradient and the tensile load. The results show that,the maximum gradient of the tangential component of the magnetic memory signal on the surface of the test specimen changes markedly at the tensile load of 16 kN,and sharply increases to 0.042 5 after 23 kN;The maximum value of the normal component gradient increases abruptly to 0.55 after the tensile load reach 23 kN. This system provides an effective method for the determination and measurement of stress concentration in ferromagnetic materials.

magnetic memory testing;sensor;gradient;stress concentration;Arduino

宋 凱(1975-)男,教授,博士。主要研究方向為電磁無損檢測新技術(shù)、電磁場數(shù)值計算,songkai@nchu.edu.cn;

劉海朝(1988-)男,碩士研究生,主要研究方向為電磁無損檢測新技術(shù),15179190065@163.com。

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(51265041);國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項項目(2013YQ140505);江西省教育廳基金項目(GJJ151545)

2016-11-15 修改日期:2017-01-08

TP212.9

A

1004-1699(2017)06-0962-06

C:3120W;7210A;7230M

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.026