CN102507727A - 一种基于巨磁效应的金属磁记忆检测实验平台及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于巨磁效应的金属磁记忆检测实验平台及其应用，其特征是底座上分别设置：一检测台，被测试件放置在检测台上，磁检测探头位于被测试件的上方；一定位装置，是以步进电机为驱动机构，与步进电机的转轴相连接的丝杠沿“X”向设置，在与丝杠螺纹配合的丝杠滑台上，沿“Y”向呈悬臂式固定设置支撑杆，磁检测探头设置在支撑杆的前端；以控制器控制步进电机对丝杠滑台进行“X”向定位控制，适时采集磁检测探头在对应位置上获取的磁记忆信号，获得被测试件在“X”向上与位置呈对应的磁记忆信号。本发明应用于常规教学和试验，对于板状、轴类和圆盘类常用构件上一维方向上的缺陷进行精确检测和准确定位。

Description

一种基于巨磁效应的金属磁记忆检测实验平台及其应用

技术领域

本发明涉及一种金属磁记忆检测实验平台，更具体地说是一种针对板状、轴类和圆盘类等一些的铁磁性物质构件的磁记忆检测实验平台及其应用。

背景技术

金属磁记忆检测法利用处于地球磁场中的铁磁性金属的磁性能在应力和变形集中区内产生不可逆转变化，在金属与空气边界出现磁导率跃变，其表面产生漏磁场，测试该漏磁场便可无损、准确地确定铁磁性金属构件上的应力集中区或缺陷。检测过程中无需附加其他的特殊的条件，比磁粉检测、超声检测、涡流检测和射线检测有更大的优越性，是目前能够静态检测铁磁构件早期损伤的无损检测技术前沿技术，在工程实践中具有广阔的应用前景，特别在工程制造业、石油化工和航空设备上已有实际应用，并取得巨大的经济效益。

金属磁记忆检测技术的方法是1997年由俄罗斯学者Dubov提出，主要是检测铁磁性构件表面磁场强度的法向分量Hp(y)并且计算Hp(y)的梯度值K，通过Hp(y)和梯度值K对铁磁性构件的缺陷进行判定。在专利号为ZL200820157617、公开日为2009.9.30的中国实用新型专利申请文件中，公开了一种磁记忆探伤装置；在专利申请号为200710046922.6、公开日2008.3.12的发明专利申请文件中公开了一种汽车退役曲轴剩余疲劳寿命的检测方法。但相关的技术方案都是针对一些特定的金属构件进行检测，实用性较窄，并且在实现对检测信号与构件缺陷位置的精确对应方面有很大的不足，不利于对构件的准确修复和理论分析。

板状、轴类和圆盘类是一种常用构件，目前在常规教学和试验中都是使用此类构件，并且是针对此类构件上一维方向上的缺陷进行检测，但是，目前还没有一种专用于此类常用构件作一维方向上缺陷准确检测和定位的装备。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于巨磁效应的金属磁记忆检测实验平台及其应用，将其应用于常规教学和试验，对于板状、轴类和圆盘类常用构件上一维方向上的缺陷进行精确检测和准确定位。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于巨磁效应的金属磁记忆检测实验平台的结构特点是底座上分别设置：

一检测台，被测试件放置在检测台上，磁检测探头位于所述被测试件的上方；

一定位装置，是以步进电机为驱动机构，与步进电机的转轴相连接的丝杠沿“X”向设置，在与所述丝杠螺纹配合的丝杠滑台上，沿“Y”向呈悬臂式固定设置支撑杆，所述磁检测探头设置在所述支撑杆的前端，步进电机驱动下的磁检测探头随丝杆滑台在被测试件的上方沿“X”向移动；

一控制器，控制步进电机对丝杠滑台进行“X”向定位控制，适时采集磁检测探头在对应位置上获取的磁记忆信号，获得被测试件在“X”向上与位置呈对应的磁记忆信号。

本发明基于巨磁效应的金属磁记忆检测实验平台的结构特点也在于：

所述磁检测探头采用基于自旋阀巨磁效应的SAS系列传感器。

在所述检测台的***设置电磁屏蔽网，所述底座和检测台是以非磁性材料为材质，所述控制器设置在电磁屏蔽防护网中。

所述控制器具有：

一信号调理电路，由有源低通滤波器和一电压保护电路构成；

一数模转换电路，由ADS8364数模转换芯片构成；

一处理器，由DSP2407处理器芯片构成；

一存储器，由IS61LV6416芯片构成；

所述磁检测探头输出信号经过信号调理电路滤波输出检测信号x(t)，所述检测信号x(t)经数模转换电路输出数字检测信号x(n)；由所述DSP2407处理器芯片的并行数据口读取数字检测信号x(n)，通过DSP2407芯片的DS口控制对数字检测信号x(n)的存储；所述DSP2407处理器芯片通过T3PWM口输出ADS8364数模转换芯片的工作频率信号；通过DSP2407处理芯片的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4口输出脉冲控制信号，所述脉冲控制信号经步进电机控制器功率放大，输出步进电机控制信号，通过DSP2407处理器芯片的串行口模块与所述智能显示器通信，通信方式采用RS232或RS485。

本发明铁磁性构件缺陷定位的方法，其特征是：

将被测试件沿“X”向水平放置在检测台上，记录磁检测探头的初始位置；

启动步进电机，使所述步进电机获得频率为f₂的脉冲控制信号，通过步进电机带动磁检测探头沿“X”向对被测试件进行检测；

当磁检测探头检测到缺陷位置时，记录步进电机获取的脉冲数m，按照式(2)获得磁检测探头相对于初始位置的移动距离s：

$s=\frac{\mathrm{\Δs}*m*\mathrm{\φ}}{360}---\left(2\right)$

其中：Δs为丝杠(11)的螺距，m为脉冲数，φ为步进电机的步距角。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明实验装置通过步进电机带动检测探头的移动，易于对检测探头移动距离的精确控制；通过处理器芯片输出数模转换器的工作频率和电机运行控制频率信号，易于实现检测被测构件的具***置和获取信号进行对应。

2、自旋阀巨磁阻抗效应传感器是一种新型传感器，对于磁场中的微小变化具有很强的敏感性，其检测灵敏度要比目前常规使用的磁电阻传感器高1～2个数量级，并且在其工作范围内具有良好的线性度和温度稳定性。本发明采用自旋阀巨磁阻抗效应传感器可以显著提高磁记忆检测的精确度。

3、本发明通过对电器单元采用屏蔽罩进行防护，信号传输线采用屏蔽信号线，在实验平台周围安装电磁防滑网，可以有效的降低干扰，提高检测精确度。

4、本发明结构设置和电路组成较为简单、易于实现；使用DSP2407处理器芯片，提高了对采集的数据进行运算和处理的速度。

5、本发明采用平台结构，放置于工作台之上，通过智能显示器进行输入控制和输出显示检测结果，方便用于常规演示和试验，通过对板状、轴类和圆盘类常用构件上一维方向上的缺陷进行精确检测和准确定位，获得良好的教学效果和试验目的。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中控制电路原理图；

图3为本发明工作流程图；

图4为本发明巨磁效应传感器探头电路原理图；

图中标号：1智能显示器；2控制器；3底座；4检测台；5磁检测探头；6紧固螺母；7螺母；8被测试件；9屏蔽罩；10步进电机；11丝杠；12丝杠滑台；13支撑杆；14屏蔽信号线。

具体实施方式

本实施例中基于巨磁效应的金属磁记忆检测实验平台是底座3上分别设置：

一检测台4，被测试件8放置在检测台4上，磁检测探头5位于被测试件8的上方；

一定位装置，是以步进电机10为驱动机构，与步进电机10的转轴相连接的丝杠11沿“X”向设置，在与丝杠11螺纹配合的丝杠滑台12上，沿“Y”向呈悬臂式固定设置支撑杆13，磁检测探头5设置在支撑杆13的前端，步进电机10驱动下的磁检测探头5随丝杆滑台12在被测试件的上方沿“X”向移动；

一控制器，控制步进电机10对丝杠滑台12进行“X”向定位控制，适时采集磁检测探头5在对应位置上获取的磁记忆信号，获得被测试件8在“X”向上与位置呈对应的磁记忆信号。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

磁检测探头5是由紧固螺母6和螺母7固定设置在支撑架13的前端，实验平台在进行检测之前，可根据被测试件的位置和形状调节磁检测探头5的位置和摆放，然后实验平台按照图3所示的工作流程运行，磁检测探头5被固定设置在支撑架13的前端随着丝杆滑台匀速沿“X”轴向前移动，获取均匀的磁记忆信号。

图4所示，磁检测探头5采用基于自旋阀巨磁效应的SAS系列传感器，由磁检测探头5检测放置在检测台4上被测试件8的磁记忆信号法相分量。传感器输出一对差分电压信号，通过差分放大器AD1对其进行差分放大，在差分放大器AD1的1脚和8脚之间串联一个100欧电阻R5和一个精密电位器R6，R5用来防止电位器R6电阻调节过低，导致输出电压过大。磁检测探头5与控制器2之间采用屏蔽信号线14进行连接。

在底座3的***设置电磁屏蔽网9，底座3和检测台4是以非磁性材料为材质，以防止底座3和检测台4本身对磁记忆检测结果产生影响；在控制器2、步进电机10外部都使用屏蔽罩防护，在底座3的后端和两侧装有电磁屏蔽网9，减少磁检测探头5受***磁场的干扰。

图2所示，控制器2具有一信号调理电路，由有源低通滤波器和一电压保护电路构成；一数模转换电路，由ADS8364数模转换芯片构成；一处理器，由DSP2407处理器芯片构成；一存储器，由IS61LV6416芯片构成；

在具体实施中，控制器中还包含有供电电路，供电电路采用220V交流电压供电，通过滤波、变压、整流、稳压获得+/-5.0V、3.3V、12.0V、24.0V直流电压。+/-5.0V和3.3V供给数据采集单元中的集成块，12.0V供给智能显示器1，24.0V供给定位装置中的步进电机9。

磁检测探头5输出信号经过信号调理电路滤波输出检测信号x(t)，检测信号x(t)经数模转换电路输出数字检测信号x(n)；由DSP2407处理器芯片的并行数据口读取数字检测信号x(n)，通过DSP2407芯片的DS口控制对数字检测信号x(n)的存储；DSP2407处理器芯片通过T3PWM口输出ADS8364数模转换芯片的工作频率信号；通过DSP2407处理芯片的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4口输出脉冲控制信号，脉冲控制信号经步进电机控制器功率放大，输出步进电机控制信号，通过DSP2407处理器芯片的串行口模块与智能显示器1通信，通信方式采用RS232或RS485。

处理器中设置基于LMS的64阶自适应滤波器进行数字滤波算法和对获取的信号变化率K(n)值的计算方法，其中数字滤波算法如式(3)、(4)和(5)：

for(n＝0；n＜N；n++)(3)；求输出

e(n)＝d(n)-y(n)                                 (4)；求误差

for(n＝0；n＜N；n++) w(n+1)＝w(n)+u*e(n)*x(n)    (5)；更新滤波系数

其中：N＝64，n为自变量，x(n)为自适应滤波器的输入矢量，y(n)为自适应滤波器的输出矢量，d(n)为采集的数字信号，e(n)为误差，w(k)为滤波系数值，u为收敛因子。

信号波形的变化率K(n)值计算方法如式(6)：

$K\left(n\right)=\frac{x(n+1)-x\left(n\right)}{\mathrm{\ΔL}}---\left(6\right)$

其中ΔL为一个数模转换周期内丝杠滑台(11)能够移动的水平距离，x(n)和x(n+1)分别为前后两次采集的信号。最后将运算后的数据通过DSP2407的数据总线将K(n)和x(n)存储到存储器中，并由SCI模块将滤波后的数字信号传输到智能显示器1中显示。

本实施例中实验平台进行铁磁性构件缺陷定位的方法是：

首先将被测试件8沿“X”向水平放置在检测台4上，记录磁检测探头5的初始位置；

启动实验平台，按图3所示工作流程图运行，并且处理器同步输出步进电机的运行脉冲控制信号，经过隔离、功率放大之后输入到步进电机10的绕组，驱动步进电机10运转，通过步进电机带动磁检测探头5沿“X”向对被测试件8进行检测；

当磁检测探头5检测到缺陷位置时，记录步进电机10获取的脉冲数m，按照式(7)获得磁检测探头5相对于初始位置的移动距离s：

$s=\frac{\mathrm{\Δs}*m*\mathrm{\φ}}{360}---\left(7\right)$

其中：Δs为丝杠11的螺距，m为脉冲数，φ为步进电机的步距角。

在检测过程中，还可以通过处理器记录磁检测探头5在“X”方向检测出被测试件的多点缺陷。

Claims (5)

1.一种基于巨磁效应的金属磁记忆检测实验平台，其特征是底座(3)上分别设置：

一检测台(4)，被测试件(8)放置在检测台(4)上，磁检测探头(5)位于所述被测试件(8)的上方；

一定位装置，是以步进电机(10)为驱动机构，与步进电机(10)的转轴相连接的丝杠(11)沿“X”向设置，在与所述丝杠(11)螺纹配合的丝杠滑台(12)上，沿“Y”向呈悬臂式固定设置支撑杆(13)，所述磁检测探头(5)设置在所述支撑杆(13)的前端，步进电机(10)驱动下的磁检测探头(5)随丝杆滑台(12)在被测试件的上方沿“X”向移动；

一控制器，控制步进电机(10)对丝杠滑台(12)进行“X”向定位控制，适时采集磁检测探头(5)在对应位置上获取的磁记忆信号，获得被测试件(8)在“X”向上与位置呈对应的磁记忆信号。

2.根据权利要求1所述的基于巨磁效应的金属磁记忆检测实验平台，其特征是所述磁检测探头(5)采用基于自旋阀巨磁效应的SAS系列传感器。

3.根据权利要求1所述的基于巨磁效应的金属磁记忆检测实验平台，其特征是在所述检测台(4)的***设置电磁屏蔽网(9)，所述底座(3)和检测台(4)是以非磁性材料为材质，所述控制器设置在电磁屏蔽防护网中。

4.根据权利要求1所述的基于巨磁效应的金属磁记忆检测实验平台，其特征是所述控制器(2)具有：

一信号调理电路，由有源低通滤波器和一电压保护电路构成；

一数模转换电路，由ADS8364数模转换芯片构成；

一处理器，由DSP2407处理器芯片构成；

一存储器，由IS61LV6416芯片构成；

所述磁检测探头(5)输出信号经过信号调理电路滤波输出检测信号x(t)，所述检测信号x(t)经数模转换电路输出数字检测信号x(n)；由所述DSP2407处理器芯片的并行数据口读取数字检测信号x(n)，通过DSP2407芯片的DS口控制对数字检测信号x(n)的存储；所述DSP2407处理器芯片通过T3PWM口输出ADS8364数模转换芯片的工作频率信号；通过DSP2407处理芯片的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4口输出脉冲控制信号，所述脉冲控制信号经步进电机控制器功率放大，输出步进电机控制信号，通过DSP2407处理器芯片的串行口模块与所述智能显示器(1)通信，通信方式采用RS232或RS485。

5.一种利用权利要求1所述实验平台进行铁磁性构件缺陷定位的方法，其特征是：

将被测试件(8)沿“X”向水平放置在检测台(4)上，记录磁检测探头(5)的初始位置；

启动步进电机(10)，使所述步进电机(10)获得频率为f₂的脉冲控制信号，通过步进电机带动磁检测探头(5)沿“X”向对被测试件(8)进行检测；

当磁检测探头(5)检测到缺陷位置时，记录步进电机(10)获取的脉冲数m，按照式(1)获得磁检测探头(5)相对于初始位置的移动距离s：

$s=\frac{\mathrm{\Δs}*m*\mathrm{\φ}}{360}---\left(1\right)$

其中：Δs为丝杠(11)的螺距，m为脉冲数，φ为步进电机的步距角。

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