關于金屬磁記憶畢業(yè)論文

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p>　　( 2013屆 ) </p><p>　　題 目：基于磁阻傳感器的金屬構件裂縫檢測模塊設計</p><p>　　學 院： 機電與信息工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 電子信息工程

2、 </p><p>　　學生姓名： xxx 學號： 20906022010 </p><p>　　指導教師： x x 職稱（學位）： x x </p><p>　　合作導師： 職稱（學位）： </p>

3、;<p>　　完成時間： 年 月 日 </p><p>　　成 績： </p><p><b>　　學位論文原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　茲呈交的學位論文，是本人在指導老師指導下獨立完成的研究成

4、果。本人在論文寫作中參考的其他個人或集體的研究成果，均在文中以明確方式標明。本人依法享有和承擔由此論文而產生的權利和責任。</p><p><b>　　聲明人（簽名）：</b></p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　目 錄</b></p>

5、<p><b>　　摘要1</b></p><p><b>　　英文摘要2</b></p><p><b>　　1 引言3</b></p><p>　　1.1 選題背景3</p><p>　　1.2 研究現(xiàn)狀3</p><p>

6、;　　1.3 發(fā)展前景4</p><p>　　2 磁阻傳感器4</p><p>　　2.1 磁阻傳感器簡介4</p><p>　　2.2 磁阻傳感器原理4</p><p>　　2.3 磁阻傳感器特性曲線與特性參數(shù)5</p><p>　　2.4 磁阻傳感器的特點與應用5</p>&l

7、t;p>　　3 金屬磁記憶檢測5</p><p>　　3.1 金屬磁記憶檢測原理5</p><p>　　3.2 金屬磁記憶檢測技術的特點及應用7</p><p>　　3.3 金屬磁記憶檢測的研究現(xiàn)狀7</p><p>　　3.4 金屬磁記憶檢測技術的發(fā)展7</p><p>　　4 基于PC-

8、104金屬磁記憶模塊設計8</p><p>　　4.1 系統(tǒng)硬件設計8</p><p>　　4.1.1 磁阻傳感器的選型8</p><p>　　4.1.2 光電編碼電路9</p><p>　　4.1.3 磁場測量模塊電路和信號處理電路10</p><p>　　4.2 系統(tǒng)軟件設計10</p&

9、gt;<p>　　4.3 45鋼實驗研究10</p><p><b>　　5 總結11</b></p><p><b>　　參考文獻12</b></p><p><b>　　致謝12</b></p><p>　　基于磁阻傳感器的金屬構件裂縫檢測<

10、/p><p><b>　　模塊設計</b></p><p>　　機電與信息工程學院 電子信息工程 xxx（xxxxxxxxxx）</p><p>　　指導老師：xx(xx)</p><p>　　摘要：本文在闡述金屬裂縫檢測的基礎上，對磁阻傳感器的原理、特點、應用以及發(fā)展前景作了介紹，對主要用到的金屬磁記憶檢測技術的特點、

11、應用、研究現(xiàn)狀等進行了綜述與分析，并指出了該領域的發(fā)展趨勢。其中選取基于PC-104的模塊設計，包含硬件與軟件設計。以PCI168 F77A為核心，硬件電路包含磁阻傳感器、單片機、濾波放大電路、顯示器、按鍵等，軟件部分包括磁場測量模塊電路與信號處理電路的設計。最后選取45鋼為實驗對象，進行簡要的研究分析。</p><p>　　關鍵詞：磁阻傳感器；金屬磁記憶；單片機；45鋼</p><p>

12、　　Design on Detection Module for Metal Component Crack Based on Magnetic Resistance Sensor </p><p>　　Fang Jiansong Director：xxxxxx(xxxxxx)</p><p>　　(School of Mechanical Electronic & Inform

13、ation Engineering,</p><p>　　xxxxxxxxxxxxxx, China, 245041)</p><p>　　Abstract：The paper introduces the characteristic,application ,development prospect and the principle of magnetic resistance se

14、nsor based on Metal crack detection .It summaries and analyses the characteristics ,application,and research status about the main use of metal magnetic memory testing technology.It still points out the development trend

15、 of this field.Module design based on PC-104 including hardware and software were selected.As the core with PCI168F77A ,the hardware circuit consists of m</p><p>　　Key Words： Magnetic resistance sensor； Magn

16、etic memory；Single chip microcompute ；The 45 steel</p><p><b>　　1 引言</b></p><p><b>　　1.1 選題背景</b></p><p>　　在舊金山舉行的焊接學術會議上，金屬應力集中區(qū)的磁記憶被俄國教授杜博夫(Duobov)提出，他指出在

17、工件的載荷作用下鐵磁性內部形成錯位移帶，磁記憶可以診斷某些缺陷和失效的損傷，防止某些突發(fā)性的疲勞損傷，而且形成了一套全新的檢測方案，這項技術目前比較新穎，在大會上得到了認可，一些發(fā)展規(guī)劃也在大會上被制定下來[1]。1999年l0月，在汕頭召開的第七屆全國無損檢測年會上，杜波夫教授在大會上向中國學者介紹了磁記憶檢測的原理及其在管道、鍋爐壓力容器上的應用，揭開了我國在磁記憶研究領域的帷幕[2]。</p><p>&l

18、t;b>　　1.2 研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　磁記憶方法來檢測金屬裂縫其理論體系尚不充分，對其解釋各方學者也各有千秋。俄國杜曼教授在金屬研究討論會上提出的磁記憶現(xiàn)象是由于金屬表面某些區(qū)域或者磁性材料的某些部分形成錯位滑移帶，其密度可形成錯位壁壘，進而產生漏磁場。由于其密度高，位錯積聚，漏磁場就愈加明顯。</p><p>　　在其理論研究方面，我國也有各方面的

19、資料和文獻嘗試從不同層次解釋磁記憶現(xiàn)象，有些從電磁學角度，有些從鐵磁學能量平衡理論的角度。電磁學角度一般認為定向應力作用下，磁性材料垂直磁場橫截面，通過這一個橫截面的磁通量會發(fā)生變化，然后根據(jù)法拉第電磁感應現(xiàn)象知，會產生一定的感應電流使金屬磁化；從平衡學的角度出發(fā)金屬結構內部不均勻，形成錯位移帶一旦在磁場中施加應力便會產生應力能，致使內部磁疇滑移形成不可逆向的重排列，為了中和應力能這一排列會被保留下來，在高密度的應力集中區(qū)域形成缺陷漏磁

20、場，即磁場的水平和垂直分量在大小和方向上都會有所改變。這些理論的認識都對其研究提供了一些理論依。在磁記憶檢測技術應用研究方面，大慶石油學院開展的對帶有預制焊接裂紋的球型容器、爆破試驗后破裂的管件和帶有焊接缺陷的管件進行了磁記憶檢測實驗研究，利用已知評價標準，準確找出了構件中的缺陷，充分驗證了金屬磁記憶方法的有效性[3]。中國科學院上海精密機械研究所等單位開展的利用地磁場檢測鋼球表面裂紋的可行性研究，表明鋼球被地磁場磁化后，從位于地磁場中

21、的磁阻傳感器采樣得到的信號就能夠分辨出鋼球表面缺陷，為磁記憶技術在軸承檢測中的應用提供</p><p><b>　　1.3 發(fā)展前景</b></p><p>　　這種金屬裂縫的磁記憶檢測技術在擁有應用前景的同時，仍然欠缺完備的理論體系和成熟的方法，還需經行以下研究:</p><p>　　(1)加強金屬裂縫磁記憶檢測技術的研討：從實驗數(shù)據(jù)來看，

22、金屬裂縫磁記憶檢測機理有些資料提過相關知識，完整的理論知識體系尚缺乏，這方面的研究還有待提高與深入。</p><p>　　(2)開展金屬裂縫磁記憶檢測的定量化研究：無損檢測技術，定性量化檢測缺陷是一個十分重要的問題，漏磁效應明顯。</p><p>　　(3)開展金屬裂縫磁記憶效應實驗與理論結合的探討，將實驗理論與數(shù)據(jù)相結合比對，得出對應的總結。 </p><p>&

23、lt;b>　　2 磁阻傳感器</b></p><p>　　2.1 磁阻傳感器簡介 </p><p>　　磁阻傳感器是利用金屬在磁場中的磁阻效應來測量磁感應大小及磁感應輕度的分量各向的傳感器，在形態(tài)、功耗上都有一定的優(yōu)越性，在應用范圍內，可在弱電磁場中加以驗證實驗，精確度高，方便迅速得出實驗結果。</p><p>　　2.2 磁阻傳感器原理

24、</p><p>　　磁性材料(如坡莫合金)具有各向異性，對它進行磁化時，其磁化方向將取決于材料的易磁化軸、材料的形狀和磁化磁場的方向。當給帶狀坡莫合金材料通電流I時，材料的電阻取決于電流的方向與磁化方向的夾角。磁阻效應傳感器一般有四個這樣的電阻組成，并將它們接成電橋。在被測磁場B作用下，電橋中位于相對位置的兩個電阻阻值增大，另外兩個電阻的阻值減小。在其線性范圍內，電橋的輸出電壓與被測磁場成正比。測量旋轉物體速度

25、的很多技術是可以在市場上得到的。在很多應用中特別是那些工作在極端環(huán)境條件下選擇的結果通常落在霍爾效應速度傳感器或可變磁阻（VR）速度傳感器上。速度傳感器的那些技術能應用于極端熱及極端冷的環(huán)境條件外，還能在灰塵、油脂及其它污染環(huán)境下工作。在你的應用中決定用哪種技術的傳感器，要了解霍爾效應速度傳感器及VR速度傳感器是如何工作是十分重要的。這兩種技術的工作都是通過測速物體（靶）在磁場中旋轉，干擾了磁場，它們得到結果是相似的。VR傳感器VR傳感

26、器的基本工作原理是由一個穿過電磁鐵的線圈組成，一個齒輪輪齒（或其它靶的凸出部分）通過磁鐵表面，從而引起磁通量的數(shù)量的變化。當靶的凸出部分（例如齒輪的輪齒）運動接近到傳</p><p>　　2.3 磁阻傳感器特性曲線與特性參數(shù)</p><p>　　磁阻傳感器的特性曲線，如圖2-1和圖2-2，特性參數(shù)如表2-1所示。</p><p>　　圖2-1 磁阻傳感器的輸出

27、特性曲線</p><p>　　圖2-2 磁阻傳感器的特性曲線</p><p>　　2.4 磁阻傳感器的特點與應用</p><p>　　磁場圍范寬：磁場范圍為±6微高斯，精確度極高，最小可檢測為85高斯。形態(tài)?。嚎蓡为殭z測軸1和軸2，也可測組合軸，其中1軸傳感器有8腳SPI封裝和8腳SICO封裝。硬質：相比磁通門，磁阻傳感器組裝成本大大降低，但卻挺高了可

28、靠性。功耗低：全面置位的降低，電路線路得以簡化。低成本：適合大批量生產。應用：地磁場可由磁阻傳感器加上相應系統(tǒng)進行測量。</p><p>　　3 金屬磁記憶檢測</p><p>　　3.1 金屬磁記憶檢測原理</p><p>　　金屬材料在使用或者運行中同時受到兩個力的共同作用，其中有載荷力和地磁場力的作用，然后在這個過程中可能會發(fā)生磁物質伸縮和組織不可循環(huán)的重

29、新排列，這一排列可能會產生在其應力和某些集中區(qū)域。這種變化不僅會被保留下來而且在金屬構件載荷消除后，表面的磁場排列會“記憶”這種狀態(tài)，也就是所謂的金屬構件磁記憶效應[7]。</p><p>　　表2-1 磁阻傳感器的特性參數(shù)</p><p>　　當金屬構件收到外部作用力時，處于磁場中的部分應力集中會產生伸縮性的組織定向不可循環(huán)排列，一些固定節(jié)點會形成磁極進而形成漏磁場，這樣金屬的地磁率就會

30、降低，這種不可循環(huán)的磁狀態(tài)變化在構件載荷力消除后滯留著“記憶”，記憶著應力集中部位。</p><p>　　3.2 金屬磁記憶檢測技術的特點及應用</p><p>　　已知的評定設備結構應力變形方法是多種多樣的，如應力變形法、X光檢測技術、高斯噪聲法、超聲波法、殘余機械應力集中法。在這些方法中，金屬的磁記憶法在金屬表面別磁化處理后處于平衡的絕對靜止，檢測方式相對被動，具有易實現(xiàn)、小型化、檢

31、測性高的特點[8]。</p><p>　　在磁場作用下，金屬表面具有漏磁信息，其中磁場分布可在應力集中部位清晰地看出，其強度遠遠超過人工磁化。所以在檢測金屬宏觀缺陷時，其具有一定的優(yōu)越性，而對關于應力集中部位的微觀信息，金屬磁記憶法檢測程度高，對早期的診斷與判評有很大的幫助。但是可能缺陷產生之前應力集中就會出現(xiàn)，這時金屬磁記憶法的預報作用就突顯重要性了，可在金屬構件損壞之前對其進行檢測采取適當?shù)拇胧┍苊獍l(fā)生事故，

32、使損失風險降低。此外，無須對表明進行清洗處理，一些小范圍的間隙不影響測試結果，而且檢測效率高，實用性強。</p><p>　　3.3 金屬磁記憶檢測的研究現(xiàn)狀</p><p>　　在磁記憶檢測技術應用研究方面，大慶石油學院開展的對帶有預制焊接裂紋的球型容器、爆破試驗后破裂的管件和帶有焊接缺陷的管件進行了磁記憶檢測實驗研究，利用已知評價標準，準確找出了構件中的缺陷，充分驗證了金屬磁記憶方法

33、的有效性[9]。中國科學院上海精密機械研究所等單位開展的利用地磁場檢測鋼球表面裂紋的可行性研究，表明鋼球被地磁場磁化后，從位于地磁場中的磁阻傳感器采樣得到的信號就能夠分辨出鋼球表面缺陷，為磁記憶技術在軸承檢測中的應用提供了可行性方案[10]。黃松嶺等研究人員研究了焊縫附近殘余應力分布和試件表面磁感應強度垂直分量的關系，研究表明，二者具有較好的一致性[11]。北京工業(yè)大學在北京市自然科學基金資助下，和俄羅斯動力診斷公司及北京科技大學的研究

34、人員開展合作，探討磁記憶檢測技術在應力腐蝕領域的應用[12]。磁記憶檢測技術能否得到有效應用的關鍵是檢測設備。而檢測設備的核心是磁敏傳感器的研制。很多敏感器件如霍爾磁敏元件、鐵磁線圈和磁敏電阻等，從原理和技術指標衡量，都可以應用于磁記憶傳感器的研制。進行針對弱磁測量的傳感器研制，是磁記憶檢測技術研究的一個重要方面。</p><p>　　3.4 金屬磁記憶檢測技術的發(fā)展</p><p>　

35、　作為一種新興的檢測技術金屬裂縫磁記億檢測法前景伊人，當通過某個面的磁通量會發(fā)生相應細微的變化。由法拉第電磁感應定律知曉，該截面上一定會產生出相應的感應電流，使工件化磁，磁憶記效應產生的在內因原是金屬組織構結的不勻稱性，找出金屬表面裂縫，集中證明了金屬裂縫檢測以磁記憶技術的有效性[13]。某些機構還利用地場磁性檢測金屬裂縫，表明金屬被磁化后，可以用來分辨金屬表面的裂縫，為磁記憶技術在其他方面的應用埋下了伏筆。</p>&l

36、t;p>　　4 基于PC-104金屬磁記憶模塊設計</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)硬件設計</b></p><p>　　利用嵌入式系統(tǒng)產品pc-104，開發(fā)數(shù)據(jù)用來采集的硬件和應用審判軟件。具有低風險，短周期，成熟性高的特點，同時具有很強的可行性和針對性。系統(tǒng)的整體閱覽圖見圖4-1。</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)整體框圖

37、</p><p>　　4.1.1 磁阻傳感器的選型</p><p>　　Honeywell公司的AMR (An isotropicMagnetRoresistance) HMC1012系列是優(yōu)先研發(fā)出的一種4端橋式各向異性磁阻感傳器，與統(tǒng)傳的3端通用型傳感器相比，具有靈敏度高(可達10-9T的級量)、體積小、價格低、透溫性好、工作頻率高等優(yōu)點。尤其是芯片自帶有管腳延伸，能夠除排場靜干擾和

38、消磁化作用。將HMC1012型磁阻與副位電路、異步電路相組合，用于測量微小的敏感磁場，比起霍爾芯片傳感器的精度要超出三個量級。為了提升檢測效率，本系統(tǒng)運用多個傳感器組成雙通或者多通道形式。本系統(tǒng)使用的磁阻傳感器HMC1012Z管腳排列及部內結構如圖4-2所示。從圖4-2可以看出，這種磁阻傳感器的內部結構屬于電橋式的輸出，雖然電橋上四個阻抗理論上和精度上具有相同的數(shù)值，但是溫度和其他的外界因素的干擾，這四個電阻的組值必定會產生一定成度的飄

39、移，于是便產生一個電壓偏置的現(xiàn)象，也就是某種意義上所說的凋零。對磁阻傳感器進行置位、復位。原理是：加入SET (置位)脈沖后，這種磁阻傳感器輸出與磁場小大看似成比正關系；加上RETSE (復位)脈沖后，磁阻傳感器的輸出與磁場小大看似成比反關系</p><p>　　圖4-2 磁阻傳感器的管腳排列與內部結構</p><p>　　已經在傳感器的設計上添加了磁阻傳感器置位和復位的功能。對于電源電

40、壓低至5V的低功耗應用，可使用圖4-3所示的電路。</p><p>　　圖4-3 磁阻傳感器的置位/復位電路原理</p><p>　　可是因為存在漂移問題，相等幾乎是不可能的，于是就需要利用正反兩次測量測找到漂移零點值，隨后在后面的測量中刪掉它。偏置計算公式為：LOS=( Viset+ Virst )/2。</p><p>　　4.1.2 光電編碼電路</

41、p><p>　　光電編碼電路（見圖4-4）用于檢查為數(shù)據(jù)處理和制約數(shù)據(jù)采集，使得位差量與位移成正比。光電編碼電路經過檢測探傷車輪滾過的度角，由光源電信號轉換為矩形邁沖位移信號，及時發(fā)到CP104總中線上，本文的設計為一個邁沖代表滑輪滾過0.5mm, 也就是儀器的最小測量步距。同時可以在軟件中通過動態(tài)變換中斷計數(shù)來設置若干個步驟，比如可以設置為1mm、2mm等。這個功能可以直接在下面軟件參數(shù)設置項中設置，檢驗員可根據(jù)不

42、同對象進行設置調節(jié)。</p><p>　　圖4-4 光電編碼器測量原理</p><p>　　4.1.3 磁場測量模塊電路和信號處理電路</p><p>　　對于金屬表面應力集中產生磁記憶信號極其微弱，磁阻傳感器的監(jiān)測輸出電壓一般只有幾毫伏，因此應該對所采急的傳發(fā)信號適當?shù)姆糯筇幚?。選用Aanlog公司的ADE602芯片作為磁記憶采集平臺的放大器。ADM620是一

43、款成本較低，精度比較高，性能優(yōu)越性強的放大器。優(yōu)點如下：遍訪實用，只要用一電阻R就可制定放大器的增益，最大增益可達1000倍高；低功耗，滯留性能優(yōu)秀；誤差小，公模抑制比大，增益為100時，達到140dB；低頻噪聲，1000Hz時，輸入的電壓噪聲為9nFV/Hz，峰峰噪聲為0.28V (0.1Hz-10Hz)；消噪性能優(yōu)秀，G=100時,噪聲達到120kHz；封裝小巧：具有8腳DEIP和SOKIC封裝；電源范圍廣闊(#2.3V~#18V)

44、。具體電路圖如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 信號放大處理電路</p><p>　　4.2 系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　本軟件是基于DOS的Turbo C開發(fā)，其中軟件設計出的框圖以及軟件運行出的分布畫面分別如圖4-6和圖4-7所示。該軟件以以太網(wǎng)接入、數(shù)字管理、信號除噪與分析、智能判斷專家合成[8]。對得到的信號分別進行了時頻分析；而本軟件

45、中最為核心的金屬裂縫智能判斷的系統(tǒng)部分，這個部分利用以上的時域和頻域分析與制約模塊中得到的各種頻率特征量儲存后，通過一定的系統(tǒng)預測分析，最后診斷整個數(shù)據(jù)庫的儲存能力。</p><p>　　本判定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫依次表示鏈接關系的診斷和功能調節(jié)基本數(shù)據(jù)庫與對接專家經驗知識的知識庫組成。這個系統(tǒng)的判定理論由兩個模塊組成,判斷基本推理的過程式規(guī)則推理的運行,產量數(shù)據(jù)推理又適應于基本模塊的建立,兩種理論方法交互運行, 交叉調

46、節(jié),使其思路與鏈接推論吻合, 而且這種改造的推論機制,降低了盲目性，提高了準確性。</p><p>　　4.3 45鋼實驗研究</p><p>　　取45鋼為研究對象，由于其具有高強度彈塑性好的特點，在此基礎上對其進行順軸承線方向的拉伸試驗。用全能試驗機對構件進行依次加工變形其中有包括彈性形</p><p>　　圖4-6 軟件設計框圖</p>&l

47、t;p>　　圖4-7 軟件部分運行界面</p><p>　　變，不停觀察構件表面磁場分布情況，并加以記錄。歷經各種形變實驗后，還未拉斷裂的構件表面磁場分布波形，如圖5-1所示。在距離構件一端約360mm處，磁場的法向分量H(y)可以清晰觀察出一個過零點，此處便是拉伸極致的應力集中區(qū)域。然后用超聲探測儀檢測其現(xiàn)象，將其于所得結果對比,用來驗證儀器的準確性。</p><p><b

48、>　　5 總結</b></p><p>　　本文所述金屬磁記憶檢測模塊設計與裝置，基于嵌入式PC104系統(tǒng)設計，擁有成熟的技術分析能力，其中軟件的信號采集與處理、數(shù)據(jù)的處理與儲存、信號處理與分析等集中到同一模塊，無須利用計算機便能夠對實驗所采集到的數(shù)據(jù)和信息進行一系列的處理，降低了開銷，整個模塊集中度高，測量結果和實驗精度令人滿意隨著金</p><p>　　圖5-1

49、45號鋼拉伸試驗過程中得到的磁記憶信號</p><p>　　屬磁記憶檢測技術不斷發(fā)展。憑借其在鐵磁構件早期診斷、早期預警能力上的獨特優(yōu)勢，簡便快捷的檢測出服役產品的應力集中區(qū)域。評價其損傷程度，為承載部件的疲勞強度評估和壽命預測提供依據(jù)。隨著金屬磁記憶技術的逐步完善，必將為再制造系統(tǒng)工程的發(fā)展提供切實可行的技術手段和理論支持。</p><p><b>　　參考文獻</b&g

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55、，首先我得感謝我的指導老師，還得感謝我的同學們，在畢業(yè)設計選題的過程中，我都遇到過很多麻煩，是他們與我共同探討，幫助我解決問題。</p><p>　　我還要感謝在大學里教過我知識的老師們，他們不僅僅交給了我專業(yè)方面的知識，而且教會我欲速則不達的科研精神，以及嚴謹治學的認真態(tài)度。在這里我還要衷心的感謝我四年的舍友們，你們的支持與關心總是在我困難，覺得失去信心的時候出現(xiàn)，讓我重新鼓舞起精神去奮斗，你們相信我要比我相信