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摘 要：介绍一种以单片机和电磁涡流传感器为基础而构成的一种应力磁测装置。该装置具有硬件简单，体积小，重量轻、操作方便，在工程领域具有一定的实用价值。
关键词：单片机；涡流检测；应力测试
目前，在国民经济许多领域中，各类钢结构材料的应用十分广泛，如钢板压力容器、金属框架及网架建筑物等。在这些钢材结构的构件应用中，有时需要了解结构内部的应力状态及分布情况，或者需要了解现场构件的残余应力的大小。目前，对于铁磁性材料应力的测定方法有许多种，磁测方法是一种较为简便而准确度较高的一种方法。它的测量基理是当铁磁性材料所受的应力发生变化时，铁磁性材料内部的磁畴结构及导磁率也要发生变化。这种方法还有一个显著的优点是它的无损性测量，这在工程实际应用中具有很高的实用价值。
1 测量系统的组成
1.1 系统框图
测量系统的框图如图1所示，其各部分说明如下：为了能够测量铁磁材料构件的应力沿层深的分布状况，电涡流传感器的激励信号由80～1000 Hz（视被测材料而定）连续可调的正弦波振荡器输出，再经过功率放大电路后同时去激励基准探头和检测探头，作为检测探头的电涡流传感器的感应输出经过信号采集和处理电路后送入A/D转换电路，把模拟量转变成数字量，然后送入单片机系统进行数据处理，处理结果可通过LED显示器显示。 （图片） 1.2 系统各部分电路组成
(1) 激励信号产生电路
由于所用的交流激励信号Ub频率为80～1000Hz，频率值较低，故可以选用RC振荡电路。该振荡电路是由一只双运放LM747和外围反馈网络构成的一个频率可调的单T选频网络正弦波振荡器，另外，为了提高输出功率，在正弦波振荡器之后再接有一级功率放大电路。由于信号采集电路所需要的不是相对于公共地的输入激励电压，而是悬浮式的输入，因而功率放大电路采用BTL功放电路，该功率放大电路为单端输入，双端输出。具体电路图略。
(2)信号提取与处理电路
信号提取与处理电路如图2和图3所示。信号提取电路主要有涡流传感器、整流桥和采样电阻三部分。传感器采用阻流圈式传感器，一共有2只。在测量时1只作为基准探头，另1只作为测试探头。在测量前，首先在无应力构件上进行校准，即将两个传感器都放在与被测构件的材料相同性质的无应力构件上，调节WB使桥路平衡，这时AB两端的电压为零。当把测试探头移至被测构件时，由于被测构件受到应力作用，被测构件内部的磁特性发生变化，使得测试探头的涡流阻抗发生变化，因而桥路失衡，桥路不平衡电流流过100 Ω采样电阻并产生压降，这就是要提取的信号。由于桥路输出的是浮地信号，因而会含有较大的共模干扰电压。这将给有用信号的提取带来较大的困难，因此在信号提取电路之后加一级信号处理电路。信号处理电路由一级高共模输入差动放大电路和一级两阶有源低通滤波器组成。对于高共模输入差动放大电路，要求其共模输入电压在±20 V范围内，共模抑制比为85 dB以上，这样就可以有效地抑制共摸干扰信号。然而，为了提高共模抑制比，选配电阻既麻烦又困难。为此，在高共摸输入差放后再接一级二阶电源低通滤波器。可使输出信号中的干扰小于1 mV，从而大大提高了测量精度。（图片） （图片） (3)A／D转换和数据处理
这一部分主要包括二大部分：电平转移与A／D变换、数据处理和键盘显示。
① 电平转移及A/D变换由于滤波器输出的是大的动态范围和双极性的电压信号，而采用的A／D转换器的芯片是ADC0809，它在+5 V的单电源下工作，其模拟输入电压范围是0～5 V。为了提高测量精度，同时又要满足ADC0809对模拟输入的要求，为此我们对滤波器输出的电压作如下的处理：电平变换和并行多级放大。图4是该部分的原理图。当滤波器输出为零时，调整节Wl～W3。使输入到0809的IN0，IN1，IN2上的电压为+2.5 V。这样，当Us有正负输出时，A1，A2，A3的输出就会在+2.5V的电平上下变动，其范围是0～5V，满足了A／D转换芯片的要求。（图片） 图中A1，A2，A3的放大倍数G是不同的（GA1＜GA2＜GA3)，当Us较小时，通过微机控制，使ADC0809对A3输出的电压进行A／D转换。当Us较大时，取Al输出的电压进行模／数转换，这样既扩大了动态测量范围，又得到了较高的测量精度。
通常在磁测应力中，有两个信号需要检测。其一是应力的大小，另一个是应力的方向。而在测量线材结构件时通常关心的是轴向的应力大小，故去除了对涡流传感器角度的测量。当然，对于大型构件的现场测试时，通过变换涡流传感器的相对轴线的角度，对应力方向进行大致判断。
② 数据处理和输出考虑到测量精度和数据处理的编程等综合考虑，这里采用“5取3去极值平均滤波法”。即假设采样了5个数据分别为D1、D2、D3、D4和D5，若D3为最大，D5为最小，则将D3和D5剔除，而D＝（D1＋D2＋D4）/3作为采样有效值。另外，为了提高精度，计算时采用二进制浮点运算。
对于测量值的显示是选用8155、74LS240和7406各一片驱动6个LED数码管，组成一个动态显示电路，这种显示电路用得较广泛，故电路从略。
参考文献
1 任吉林，林俊明，高春法.电磁检测.北京：机械工业出版社，2000
2 薛钧义，张彦斌. MCS－51/96系列单片微型计算机及其应用.西安：西安交通大学出版社，1990
3 何立民.MSC51系列单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，1990
4 周航慈.单片机应用程序设计技术.北京：北京航空航天大学出版社，1991
10/10/2005
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