专利名称：非匀强变磁场峰值轨迹跟踪测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明涉及材料研究与测量领域，具体是一种非匀强变磁场峰值轨迹跟踪 测量系统及其测量方法。
背景技术：
含缺陷流变物体在外载荷作用下会出现裂纹扩展过程，其中所说的含缺陷 流变物体是指其内部含有微孔洞、微裂纹或其它缺陷的物体。这类物体受到外 载荷(如拉应力)作用时，其内部缺陷会随着拉应力的增加而不断扩展。随着 塑性变形的增加和变形热的产生，在裂纹扩展过程中将伴随一微弱热致磁效应。 即使象聚合物这样的非铁磁体材料也是如此，只是此效应的大小不同、及剩磁 保留的时间长短不同而已。现有研究主要是针对硬磁材料(又称永磁材料或恒 磁材料)或软磁材料在外加电磁场作用下的物理力学性能等展开的研究，主要 研究这些铁磁材料或铁氧体材料的磁致伸縮现象。未见对高聚物这类非铁磁材 料在广义外载荷作用下所产生的热致磁效应进行跟踪测量的报道。当前，袁龙 蔚从理论上研究了含缺陷流变性材料裂尖断裂过程区的热力学性和电磁性，指 出材料的破坏过程不是纯粹的力学过程，认为热传导方程应包括电磁场的贡献， 并且导出了电磁能通量矢量的整体动量平衡和能量平衡方程。
发明内容
本发明的目的是基于现有技术，实现一种非匀强变磁场峰值轨迹跟踪测量
系统及其测量方法，对含缺陷PVC板材破坏过程中裂纹尖端热致磁感应强度进
行了跟踪测量，验证了热致磁效应的理论，为含缺陷流变性物体的材料破坏机 理研究提供了新的测试方法和手段。
为达到上述发明目的，本发明采取的技术方案是 一种非匀强变磁场峰值 轨迹跟踪测量系统，包括传感器组、位置伺服机构、步进电机驱动器、单片机控 制器，所述传感器组包括在检测平面上呈"十"字型排列的五个线性霍尔传感 器、与线性霍尔传感器连接的超低漂移运算放大器，和与超低漂移运算放大器 连接的模拟多路开关；所述位置伺服机构包括X轴伺服机构、Y轴伺服机构， 且均连接有步进电机；其中传感器组接入单片机控制器，单片机控制器的信号
输出端接入步进电机驱动器的信号输入端，最后步进电机驱动器的信号输出端 接入与传感器组连接的位置伺服机构。
进一步的，所述单片机控制器和传感器组之间安装有电平转换电路、且有 键盘操作系统与所述单片机控制器双向连接。
另外，本发明还提供一种与上述系统相应的非匀强变磁场峰值轨迹跟踪测
量方法，根据探测试件得出的磁感应强度的峰值和X-Y位置增量，绘制出裂纹
扩展路径以及磁感应强度与裂纹位置之间的关系曲线，并记录下材料受拉过程 的应力-应变曲线，进而建立载荷与磁感应强度之间的关系曲线，所述磁感应强
度的峰值和X-Y位置增量的测量方法为采用传感器探测出试件的X-Y平面内 5个样点的磁感应强度，其中X-Y平面内5个样点为十字型排列，比较上下和 左右对称的磁感应强度大小，判断是否为峰值位置，根据磁感应强度的偏差信 号相应的控制传感器向峰值位置移动，并记录下磁感应强度的峰值和X-Y位置 增量。
本发明所述非匀强变磁场峰值轨迹跟踪测量系统及其测量方法，可以得出， 该磁场成一定梯度分布，其峰值位置大约位于裂纹前端附近，且磁感应强度随 裂纹扩展而加强，准确地跟踪其峰值位置，同时能记录此峰值位置的X-Y坐标 值，并测量出峰值位置的磁感应强度，建立裂纹扩展与磁感应强度之间的关系， 为含缺陷流变性物体的材料破坏机理研究提供测试手段；并且所述非匀强变磁
场峰值轨迹跟踪测量系统灵敏性、稳定度高，所述非匀强变磁场峰值轨迹跟踪
测量方法的测量准确度高和跟踪准确性好。
以下将结合附图和实施例对本发明工作原理进行详细描述
图1为非匀强变磁场峰值轨迹跟踪测量系统的结构示意图； 图2为非匀强变磁场峰值轨迹跟踪测量系统的原理框图； 图3为本发明中线性霍尔传感器的电原理图； 图4为本发明中五个线性霍尔传感器的排列图； 图5为磁感应强度分布示意图6为实施例中线性霍尔传感器SS495的输出特性图。
在附图中
l-线性霍尔传感器 2-超低漂移运算放大器 3-模拟多路开关 4-步进电机 5-Y轴伺服机构 6-X轴伺服机构
7-步进电机
io-单片机控制器
13-位置伺服机构
8-键盘操作系统 11-电平转换电路
9-步进电机驱动器 12-试件
具体实施例方式
一个非匀强变磁场峰值轨迹跟踪测量系统，其结构如图l所示，包括传感
器组、位置伺服机构13、步进电机驱动器9、单片机控制器IO，其中传感器组 包括线性霍尔传感器1、与线性霍尔传感器1连接的超低漂移运算放大器2、与 超低漂移运算放大器2连接的模拟多路开关3;所述位置伺服机构13包括均连 接有步进电机4、 7的X轴伺服机构5、 Y轴伺服机构6;且传感器组接入单片机控制器10，单片机控制器10的信号输出端接入步进电机驱动器9的信号输 入端，最后步进电机驱动器9的信号输出端接入与传感器组连接的位置伺服机
构13。图中高灵敏度线性霍尔传感器1采用SS495，超低漂移运算放大器2采 用0P77线性放大器，模拟多路开关3采用MAX395, Y轴步进电机4和X轴步进 电机7采用BF70反应式歩进电机，X轴伺服机构5和Y轴伺服机构6为丝杆、 螺母推动的轨道。图2中步进电机驱动器9为美国SHAPH0N CO. LTD监制的 DC24~40V/3AA的驱动器。单片机控制器10由AT89C51和A/D转换器组成，操 作键盘8为一个自定义4X4矩阵式键盘。由于SS495内部带有高灵敏度的放大 器，结合外加的低漂移放大器，其探测灵敏度很高，适合聚合物破坏过程中微 弱热致磁场的探测，且由于SS495内部带有温度补偿以及0P77为超低漂移运算 放大器，其稳定度高。
当试件12受拉应力作用^致内部微缺陷扩展时，同时产生一微弱热致磁 场，传感器组探测试件12的X-Y平面内5个样点的磁感应强度，经单片机控 制器10进行数据采集处理后发出的控制信号驱动两台步进电机4和7，带动Y 轴伺服机构5和X轴伺服机构6，使由高灵敏度的线性霍尔传感器1，超低漂移 运算放大器2，模拟多路开关3组成的传感器组向峰值位置移动，同时记录下 磁感应强度的峰值和X-Y位置增量，经数据处理，就可以绘制出裂纹扩展路径 以及磁感应强度与裂纹位置之间的关系曲线。通过液压式万能材料试验机自身 携带的应力-应变关系曲线绘制系统，记录下材料受拉过程的应力-应变曲线， 进而建立载荷与磁感应强度之间的关系曲线。
其中由于裂纹扩展方向与速度具有随机性，机械伺服机构的惯性较大，不 可能用一片hall传感器通过移动位置来探测磁场的峰值位置，并进行跟踪测 量，因此，所述传感器组中共包括5片hall传感器和超低漂移运算放大器。传
感器电原理图如图3所示，由于需探测的磁场很弱，为满足A/D转换器对信号
电平的要求，相应的使用5片超低漂移运算放大器2作二次放大，再经模拟多 路开关3，输入单片机控制器10中进行A/D转换。
其中磁场峰值位置探测具体方法如下所述
传感器组件中五片hall传感器排列如图4所示，其中l、 2、 3号hall传 感器用于探测X方向磁感应强度的三个样点值，4、 2、 5号hall传感器用于探 测Y方向磁感应强度的三个样点值，裂纹处的磁场分布示意图如图5所示。由 图5可知磁场上下对称。若微孔洞或微裂纹处于拉伸试件中心位置，左右也 将对称。若以裂纹尖端前磁感应强度峰值位置为中心，则左右两边的热致磁感 应强度将不会对称，但其峰值还是比较明显的，这就决定了进行峰值跟踪探测 的可行性。
下面以Y方向跟踪为例，说明跟踪探测方法
由图5可知，当V4二V5时，则V2位于磁场Y方向的峰值位置，不必移动传 感器；当V4〉V5时，磁场Y方向的峰值偏于传感器的下方，传感器应向下偏移； 当V4〈V5时，传感器应向上移动，才能使V2对准Y方向的磁场峰值。移动的距 离与偏差的程度有关，为了减化运算，采用逐次逼近法进行跟踪，每次步进电
机的运行步数由下式给出
"=/t|r4-F5| ， 与上次运行方向相同；
"=yfc|r4-K5| + ，与上次运行方向相反。
为消除丝杆间隙而加的修正值，实际移动的距离为
j = h ， 与上次运行方向相同； } = ，与上次运行方向相反。
实践证明，运行两次就可达到较高的跟踪精度。X方向的跟踪方法与上述Y 方向跟踪方法相同。
hall传感器SS495的输出特性如图6所示，输出特性的线性度较好，经实 测，同一批产品中不同元件^。值略有不同，必须加以修正，才能保证跟踪准确，
因此，需要进行传感器输出电压零点偏差的校正，将传感器置于零磁场环境中， 启动A/D转换器，对每片hall传感器输出进行采样，并将其值r^ r^保存
为零点校正值，K ^经零点校正后，再计算偏差值。进行伺服机构传动间隙
的校准，消除了传动间隙对X-Y坐标所造成的误差，且每一个hall传感器输出
信号经过零点校正，所有传感器输出一致性好，能进行准确测量，准确度高。
权利要求
1、一种非匀强变磁场峰值轨迹跟踪测量系统，包括传感器组、位置伺服机构、步进电机驱动器、单片机控制器，其特征在于，所述传感器组包括在检测平面上呈“十”字型排列的五个线性霍尔传感器、与线性霍尔传感器连接的超低漂移运算放大器，和与超低漂移运算放大器连接的模拟多路开关；所述位置伺服机构包括X轴伺服机构、Y轴伺服机构，且均连接有步进电机；其中传感器组接入单片机控制器，单片机控制器的信号输出端接入步进电机驱动器的信号输入端，最后步进电机驱动器的信号输出端接入与传感器组连接的位置伺服机构。
2、 根据权利要求1所述非匀强变磁场峰值轨迹跟踪测量系统，其特征在于， 所述单片机控制器和传感器组之间安装有电平转换电路、且有键盘操作系统与 所述单片机控制器双向连接。
3、 一种非匀强变磁场峰值轨迹跟踪测量方法，根据探测试件得出的磁感应 强度的峰值和X-Y位置增量，绘制出裂纹扩展路径以及磁感应强度与裂纹位置 之间的关系曲线，并记录下材料受拉过程的应力-应变曲线，建立载荷与磁感应 强度之间的关系曲线，其特征在于，所述磁感应强度的峰值和X-Y位置增量的 测量方法为采用传感器探测出试件的X-Y平面内5个样点的磁感应强度，其 中X-Y平面内5个样点为十字型排列，比较上下和左右对称的磁感应强度大小 后，判断是否为峰值位置，根据磁感应强度的偏差信号相应控制传感器向峰值 位置移动，并记录下磁感应强度的峰值和X-Y位置增量。
全文摘要
本发明公开了一种非匀强变磁场峰值轨迹跟踪测量系统，包括传感器组、位置伺服机构、步进电机驱动器、单片机控制器，其中传感器组中有五个线性霍尔传感器，在检测平面上呈“十”字型排列。本发明还公开了一种非匀强变磁场峰值轨迹跟踪测量方法，hall传感器探测出试件的X-Y平面内5个样点的磁感应强度，根据磁感应强度的偏差信号相应的控制传感器向峰值位置移动，并记录下磁感应强度的峰值和X-Y位置增量，绘制出裂纹扩展路径以及磁感应强度与裂纹位置之间的关系曲线，并记录下材料受拉过程的应力-应变曲线，进而建立载荷与磁感应强度之间的关系曲线。本发明为含缺陷流变性物体的材料破坏机理研究提供了新的测试方法和手段。
文档编号G01N33/00GK101187659SQ20071019269
公开日2008年5月28日 申请日期2007年12月21日 优先权日2007年12月21日
发明者粟建新, 罗迎社, 邓旭华, 陈胜铭 申请人:中南林业科技大学