专利名称：一种基于特征磁导率的应力集中和疲劳损伤检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测仪，尤其涉及一种基于特征磁导率的应力集中和疲劳损伤检测仪。
背景技术：
众所周知，金属材料大量作为受力构件使用，广泛应用于航空航天、电力、铁路、压力容器等行业。构件使用过程中在应力、疲劳载荷、内部工作介质或外部工作环境的作用下，易在开槽处、疏松区域、缺陷空洞位错集中区、应力集中区、焊缝及其热影响区域产生应力腐蚀开裂或疲劳断裂等现象，造成重大恶性事故，给国家和人民造成巨大灾难。因此在对构件进行无损检测时能快速、方便、准确地预先检测出应力集中和疲劳损伤的严重区域，对于预防构件的断裂故障和防止重大灾难事故的发生具有重要意义。目前对铁磁试件进行早期检测和评价的方法有金属磁记忆检测法、巴克豪森效应检测法和声发射检测法，但检测技术和效果都存在各自的局限性，都还不成熟，有待于深入研究和完善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于特征磁导率的应力集中和疲劳损伤检测仪。该检测仪器不仅可以检测试件的应力集中程度和疲劳损伤状况，还可以检测铁磁材料的马氏体奥氏体相变、检测铁素体珠光体碳素体相变、检测位错缺陷密度变化、检测力学韧性和力学脆性的转变、检测晶粒晶界的变化等。本发明是这样来实现的，它包括激励线圈、检测线圈、功率放大电路、低噪声信号放大电路、自适应带通滤波电路、自动增益控制电路、数据采集模数转换电路、DSP控制与信号模块、HPI电路、ARM模块、显示模块电路。其特征是激励线圈与功率放大电路相连，检测线圈与低噪声信号放大电路相连，低噪声信号放大电路与自适应带通滤波电路相连，自适应带通滤波电路与自动增益控制电路相连，自动增益控制电路与数据采集模数转换电路相连，DSP控制与信号模块分别连接功率放大电路、低噪声信号放大电路、自适应带通滤波电路、自动增益控制电路、数据采集模数转换电路，DSP控制与信号模块通过HPI电路总线接口连接ARM模块，ARM模块连接显示模块电路。该仪器检测原理是应力集中和疲劳损伤引起铁磁试件微观结构的变化，晶格点阵位移及缺陷位错导致微分磁导率发生变化，通过测定特征磁导率的变化推断反演铁磁构件的应力集中和疲劳损伤程度。铁磁材料技术磁化过程与微观结构参量的变化有关；低场的技术磁化过程反映微观结构参量的变化具有更高的检测灵敏度；低场磁化的微分磁导率是磁场强度的函数，同时也是最大磁场强度的函数；检测具体的微观结构量的变化，将依据与具体的磁场强度和最大磁场强度对应的特征微分磁化率。本发明的技术特征是金属磁导率检测法可以检测金属构件的应力集中区域和疲劳损伤程度；可以检测构件力学韧性和力学脆性的转变状况；可以检测铁磁材料奥氏体与马氏体、铁素体与珠光体的相变过程与状况；可以检测铁磁材料缺陷和位错密度；可以检测晶粒、晶界等变化状况。该检测方法在于利用最大的微分磁导率来检测铁磁试件对应的微观结构特征量的变化，与利用普通磁参量检测铁磁试件的微观变化相比，极大提高了检测灵敏度。本发明的技术特点是1)检测精度高仪器中只有信号调理电路采用模拟电路实现外，其余均为数字电路进行数字信号处理和控制，激励信号由DSP编程实现或结合DDS编程实现；2)高集成和双核心采用嵌入式仪器设计思路，使用ARM控制加DSP运算的双核心模式，利用ARM优秀的管理和控制能力，结合DSP高性能的数字运算能力，进一步提高仪器的集成化程度，实现了缺陷信息的图像显示和声光报警，无需借助PC机，能够接受键盘输入，而且缺陷信号数据可进行外部存储，便于缺陷的定量分析；3)使用简单方便检测仪器的尺寸小巧，检测过程脱离对PC机的依赖，可独立完成检测信号的显示和数据存储，便于携带和各种室外检测作业。
图I为本发明的原理方框图。图2为本发明的磁轭、激励线圈、检测线圈结构分布图。图3为本发明的激励信号波形图。在图中，I、激励线圈2、功率放大器3、检测线圈4、低噪声信号放大电路
5、自适应带通滤波电路6、自动增益控制电路7、数据采集模数转换电路 8、DSP控制与信号模块9、HPI电路 10、ARM模块 11、显示模块电路 12、磁轭 13、待测试件。
具体实施例方式如图I所示，本发明是这样实现的，它包括激励线圈I、检测线圈3、功率放大电路
2、低噪声信号放大电路4、自适应带通滤波电路5、自动增益控制电路6、数据采集模数转换电路7、DSP控制与信号模块8、HPI电路9、ARM模块10、显示模块电路11。其特征是激励线圈I与功率放大电路2相连，检测线圈3与低噪声信号放大电路4相连，低噪声信号放大电路4与自适应带通滤波电路5相连，自适应带通滤波电路与自动增益控制电路6相连，自动增益控制电路与数据采集模数转换电路7相连，DSP控制与信号模块8分别连接功率放大电路2、低噪声信号放大电路4、自适应带通滤波电路5、自动增益控制电路6、数据采集模数转换电路7，DSP控制与信号模块通过HPI电路总线接口连接ARM模块，ARM模块连接显示模块电路。图2是待测试件13、磁轭12、激励线圈、检测线圈结构关系图，待测试件13为平板试件，激励线圈和检测线圈绕在同一磁轭12上，磁轭与试件形成闭合回路，通过测定磁轭内磁通量的变化率来测定试件磁导率的变化。图3为激励信号波形图，在一个工作周期T内，有n个锯齿波形，每个锯齿波形周期都相同为Ttl,幅值逐渐均匀增加。激励信号由DSP编程或结合DDS实现，并由功率放大器加以放大。设在一个工作周期(T)内包含n个周期为Ttl的频率周期，即T=IiTc^在每一个频率周期可测得一行n个微分磁导率，在一个工作周期内可测得n行微分磁导率，即可得到n2 个微分磁导率元素，建立一个微分磁导率矩阵，变化率最大的矩阵元元素即为特征磁导率。在每一个工作周期即可得到该点的特征磁导率。信号调理部分为模拟电路，包括低噪声信号放大电路、自适应带通滤波电路、自动增益控制电路。检测信号通过低噪声信号放大电路进入自适应带通滤波电路进行滤波，再由自动增益控制电路进行幅值自由调节。DSP信号处理部分采用的是数字处理技术，基于 DSP的系统采用模块化编程。系统分为总控模块、初始化模块、数据采集模块、信号合成模块、数字相敏检波模块、通信模块。各个模块之间通过事件驱动和数据驱动两种方式耦合, 在总的调度模块控制下，调用各个功能模块。系统的核心是DSP和ARM，通过HPI接口通信电路，实现ARM开发板与DSP的连接。通过串口连接通信，可编程实现与激励线圈、低噪声信号放大电路、自适应带通滤波电路、数据采集模数转换电路的连接。通过软件编程，可实现ARM嵌入式开发板的系统移植及外围电路的驱动。利用Qt4实现系统界面软件化，实现检测信号算法的图形化界面。数据采集模块，通过FPGA控制低功耗的高速多通道A/D转换芯片和外部FIFO芯片，A/D的输出连接外部FIFO缓冲存储器。信号调理模块由增益可数字调节的低噪声前级放大电路、程控带通滤波电路以及自动增益控制电路组成。探头主要由激励线圈和检测线圈组成。功率放大电路采用低噪声小功率管的射极跟随电路。通过DSP的GPIO控制数字电位器，并连接低噪声的放大器，实现增益可调的前级放大电路。自动增益控制电路，对输入的数据进行A/D转换，转换后的结果送单片机运算得到增益数值之后，再通过D/A转换输出相应的电压数值到自动增益控制芯片的比较端，实现整个系统的增益控制。该检测仪器的软件实现主要有DDS程序、FPGA控制的数据采集程序、EDMA传输程序、HPI通信程序、 算法程序。算法程序包括互相关算法、低通滤波算法、幅值相位计算算法。程序中互相关算法为
权利要求
1.一种基于特征磁导率的应力集中和疲劳损伤检测仪，它包括激励线圈、检测线圈、功率放大电路、低噪声信号放大电路、自适应带通滤波电路、自动增益控制电路、数据采集模数转换电路、DSP控制与信号模块、HPI电路、ARM模块、显示模块电路，其特征是激励线圈与功率放大电路相连，检测线圈与低噪声信号放大电路相连，低噪声信号放大电路与自适应带通滤波电路相连，自适应带通滤波电路与自动增益控制电路相连，自动增益控制电路与数据采集模数转换电路相连，DSP控制与信号模块分别连接功率放大电路、低噪声信号放大电路、自适应带通滤波电路、自动增益控制电路、数据采集模数转换电路，DSP控制与信号模块通过HPI电路总线接口连接ARM模块，ARM模块连接显示模块电路。
全文摘要
一种基于特征磁导率的应力集中和疲劳损伤检测仪。它包括激励线圈、检测线圈、功率放大电路、低噪声信号放大电路、数据采集模数转换电路、DSP控制与信号模块、显示模块电路等。其特征是激励线圈与功率放大电路相连，检测线圈与低噪声信号放大电路相连，DSP控制与信号模块通过HPI电路总线接口连接ARM模块，ARM模块连接显示模块电路。本发明的技术特点是1)检测精度高仪器中只有信号调理电路采用模拟电路实现外，其余均为数字电路进行数字信号处理和控制；2)高集成和双核心采用嵌入式仪器设计思路，使用ARM控制加DSP运算的双核心模式；3)使用简单方便检测仪器的尺寸小巧，检测过程脱离对PC机的依赖，可独立完成检测信号的显示和数据存储，便于携带和各种室外检测作业。
文档编号G01N27/82GK102608200SQ201210068569
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月15日 优先权日2012年3月15日
发明者任尚坤 申请人:南昌航空大学