本发明属于金属材料的应力定向检测
技术领域：
：，尤其涉及一种可直接指示方向的主应力方向判定方法。随着现代生产力的发展，金属已经应用到我们生活的各个领域，可由于金属的损伤所带来的经济损失也逐年增多。但一般的无损检测技术只能检测已经形成的裂纹或缺陷，而不能对由于应力集中引起的疲劳破坏进行早期检测。而金属磁记忆原理是铁磁材料在应力作用下形成磁性与弹性相互作用能,使磁化强度重新取向,从而导致磁场强度发生变化达到测量的目的，所以可对金属材料进行早期检测。磁记忆研究的核心理论是：磁记忆信号在应力集中位置其法向分量hp(y)过零点,切向分量hp(x)具有最大值的特点；但我们一般对法向分量hp(y)过零点的特点研究较多，而对切向分量hp(x)具有最大值的特点研究较少，这主要是因为主应力磁记忆信号方向难以确定，即主应力方向难以判定，所以影响了其研究的可靠性。技术实现要素：本发明就是针对上述问题，提供一种可直接指示方向的主应力方向判定方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，设计程序包括系统调用主程序、步进电机数据采集子程序、采集数据处理子程序、步进电机指示方向步数子程序，步进电机指示方向子程序和作为中断服务程序的原始值采集子程序；系统调用主程序采用汇编伪指令设置lineadr为原始数值存放地址；adturn为采集数据存放区首地址；adr为‘数据位置记录值’存放地址，adr+1为步进电机指示方向步数‘小循环次数’存放地址，adr+2为步进电机指示方向步数‘大循环次数’存放地址，table为步进电机正转表首地址，系统调用主程序首先调用步进电机数据采集子程序，利用步进电机旋转角度采集多次磁信号，即每转动一定度数采集一次磁信号，并将采集数据放入adturn为首地址的数据存放区中；然后调用采集数据处理子程序将adturn为首地址的数据存放区中数值分别与通过中断(原始值采集)子程序采集到的原始值进行比对，找出与原始值相同的存储单元，并将循环次数作为数据位置记录值存入adr存储单元中，等待调用；调用步进电机指示方向步数子程序，找出步进电机表盘指向主应力方向应走的步数，调用步进电机指示方向子程序将步进电机表盘指向主应力方向。步进电机数据采集子程序首先将步进电机正转表首地址table放入数据指针dptr中，将r0寄存器内容设为00h作为步进电机转动初始值，将r0寄存器内容放入a寄存器中作为指针偏移量，将指针dptr+a指向内容取出放入a寄存器，即为步进电机转动第一步所需输出值，将寄存器a中的值由与步进电机连接的端口输出，则步进电机就转动了一步，即转动了一定角度，然后将r0指向下一存储单元；将r1指向采集数据存放区首地址adturn，启动in0通道进行a/d转换，延时等待采集一段时间，将转换后的数字放入r1指向区，r1指向下一存储单元；这样循环多次，步进电机即旋转了一定角度，传感器也采集了多次数据存入存储区，将r0寄存器内容再次设为00h作为步进电机转动初始值，再次大循环多次，这样单片机即旋转了一定度，传感器也将转动多次测得的数据存入adturn为首地址的存储区中；采集数据处理子程序首先将r0寄存器内容设为00h作为循环计数初始值，将r1指向数据采集存储区首地址adturn，将r0寄存器内容加一，即设转动第一步数据位置记录值为‘1’，将r1指向值与预先测得的原始采集值即lineadr存储单元值比较，不相同则将r0、r1寄存器内容分别加一后继续循环，相同则将r0寄存器内容作为数据位置记录值存入adr存储单元中；步进电机指示方向步数子程序首先将adr存储单元内容除以‘4’，并将除数作为‘大循环次数’、余数作为‘小循环次数’分别存入adr+2、adr+1存储单元中等待调用；步进电机指示方向子程序首先将步进电机正转表首地址table放入数据指针dptr中，然后首先以adr+2存储单元值判断‘大循环次数’，没有到‘大循环次数’时，将r0寄存器内容设为00h作为步进电机转动初始值，将r0寄存器内容放入a寄存器中作为指针偏移量，将指针dptr+a指向内容取出放入a寄存器，即为步进电机转动第一步所需输出值，将寄存器a中的值由与步进电机连接的p1口输出，则步进电机就转动了一步，即转动了18度；然后将r0加‘1’计数，判断@r0值是否为‘4’，即是否进行了4次循环，不为‘4’则将@r0值赋值给a寄存器继续进行内部循环，为‘4’则判断是否到了adr+2存储单元的‘大循环次数’；没到则继续进行大循环，到了则将r0寄存器内容设为00h进行‘小循环’，即将r0寄存器内容放入a寄存器其中作为指针偏移量，将指针dptr+a指向内容取出放入a寄存器，即为步进电机转动第一步所需输出值，将寄存器a中的值由与步进电机连接的p1口输出，则步进电机就转动了一步，即转动了18度，再将r0加‘1’计数，然后以adr+1存储单元值判断‘小循环次数’，没有到‘小循环次数’时，将r0寄存器内容放入a寄存器中作为指针偏移量，继续进行小循环，到‘小循环次数’时，则将@r0值赋值为‘04h’，并将@r0值由p1口输出，即将步进电机停止了转动；这样经过不断判断与循环，就可以将步进电机停止在了‘数据位置记录值’所在位置；所述原始值通过复位中断控制部分采集。作为一种优选方案，本发明所述利用步进电机旋转360度采集20次磁信号，即每转动18度采集一次磁信号。作为另一种优选方案，本发明所述将寄存器a中的值由与步进电机连接的p1口输出，则步进电机就转动了一步，即转动了18度。作为另一种优选方案，本发明所述这样循环4次，步进电机即旋转了72度，传感器也采集了4次数据存入存储区，将r0寄存器内容再次设为00h作为步进电机转动初始值，再次大循环5次，这样单片机即旋转了360度，传感器也将转动20次测得的数据存入adturn为首地址的存储区中。本发明有益效果。磁记忆信号在应力集中位置其法向分量hp(y)过零点,切向分量hp(x)具有最大值的特点；由于法向分量hp(y)为零，切向分量hp(x)具有最大值，所以只要确定切面上hp(x)最大值的方向，即主应力磁记忆信号值的方向，即可确定主应力方向。发明人通过多次实验发现：当对金属材料加外界磁场时会改变主应力磁记忆信号的值，但当外界磁场磁力线方向与主应力磁记忆信号方向垂直时则主应力磁记忆信号的值不变。本发明基于这个特点，首先测得无外界磁场时主应力磁记忆信号x分量的大小作为‘原始值’等待比对；将永磁铁平行于切面摆放，使其磁力线平行于切面且方向一致，由于加外界磁场，主应力磁记忆信号x分量的大小都会有所改变；用步进电机驱动永磁铁平行于切面转动一周，记录每转动一步时主应力磁记忆信号x分量的大小，将其与‘原始值’比对，当测量值与‘原始值’相同时则说明该转动方向为垂直于主应力磁记忆信号的方向，进而得到主应力磁记忆信号方向，即主应力方向。本发明解决了金属主应力方向难以检测的问题。本发明利用外加磁场磁力线垂直切向主应力磁记忆信号方向时，切向主应力磁记忆限号值不变的性质测量，判定效果更加直观方便。本发明利用单片机控制，汇编语言编程，使测量设备更加小巧，易于野外作业。本发明利用汇编语言编写步进电机指示方向步数子程序，使步进电机系统在采集完数据后可以自动指示主应力方向，使主应力方向的结果显示，更加直观、准确。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。图1：本发明结构图。图2：系统调用主程序流程图。图3：步进电机数据采集子程序流程图。图4：采集数据处理子程序流程图。图5：步进电机指示方向步数子程序。图6：步进电机指示方向子程序。图7：中断(原始值采集)子程序流程图。图8：金属切面方向取值图。图9：外加永磁铁磁力线图。图10：步进电机指示盘结构图。图11：步进电机与单片机连接电路图。图12：霍尔传感器结构图。图13：硬件滤波系统电路图。图14：数据采集系统电路图。图15：复位系统与中断控制电路图。图16：储器扩展电路图。具体实施方式如图1所示，本发明包括单片机、步进电机数据采集以及结果显示部分、硬件滤波部分、传感器、a/d转换器、存储器扩展部分、复位中断控制部分，其结构要点步进电机数据采集以及结果显示部分的检测信号输出端口经过外部滤波部分与a/d转换器的检测信号输入端口相连，a/d转换器的检测信号输出端口与单片机的检测信号输入端口相连，单片机的复位信号输入端口与复位中断控制部分的信号输出端口相连，单片机的中断信号输入端口与复位中断控制部分的中断信号输出端口相连，单片机的存储信号输出端口与存储器扩展部分的存储信号输入端口相连；单片机的程序包括系统调用主程序、步进电机数据采集子程序、采集数据处理子程序、步进电机指示方向步数子程序，步进电机指示方向子程序和作为中断服务程序的原始值采集子程序；系统调用主程序采用汇编伪指令设置lineadr为原始数值存放地址；adturn为采集数据存放区首地址；adr为‘数据位置记录值’存放地址，adr+1为步进电机指示方向步数‘小循环次数’存放地址，adr+2为步进电机指示方向步数‘大循环次数’存放地址，table为步进电机正转表首地址，如图2示，系统调用主程序首先调用步进电机数据采集子程序，利用步进电机旋转角度采集多次磁信号，即每转动一定度数采集一次磁信号，并将采集数据放入adturn为首地址的数据存放区中；然后调用采集数据处理子程序将adturn为首地址的数据存放区中数值分别与通过中断(原始值采集)子程序采集到的原始值进行比对，找出与原始值相同的存储单元，并将循环次数作为数据位置记录值存入adr存储单元中，等待调用；调用步进电机指示方向步数子程序，找出步进电机表盘指向主应力方向应走的步数，调用步进电机指示方向子程序将步进电机表盘指向主应力方向。如图3示，步进电机数据采集子程序首先将步进电机正转表首地址table放入数据指针dptr中，将r0寄存器内容设为00h作为步进电机转动初始值，将r0寄存器内容放入a寄存器中作为指针偏移量，将指针dptr+a指向内容取出放入a寄存器，即为步进电机转动第一步所需输出值，将寄存器a中的值由与步进电机连接的端口输出，则步进电机就转动了一步，即转动了一定角度，然后将r0指向下一存储单元；将r1指向采集数据存放区首地址adturn，启动in0通道进行a/d转换，延时等待采集一段时间，将转换后的数字放入r1指向区，r1指向下一存储单元；这样循环多次，步进电机即旋转了一定角度，传感器也采集了多次数据存入存储区，将r0寄存器内容再次设为00h作为步进电机转动初始值，再次大循环多次，这样单片机即旋转了一定度，传感器也将转动多次测得的数据存入adturn为首地址的存储区中；如图4示，采集数据处理子程序首先将r0寄存器内容设为00h作为循环计数初始值，将r1指向数据采集存储区首地址adturn，将r0寄存器内容加一，即设转动第一步数据位置记录值为‘1’，将r1指向值与预先测得的原始采集值即lineadr存储单元值比较，不相同则将r0、r1寄存器内容分别加一后继续循环，相同则将r0寄存器内容作为数据位置记录值存入adr存储单元中；如图5所示，步进电机指示方向步数子程序首先将adr存储单元内容除以‘4’，并将除数作为‘大循环次数’、余数作为‘小循环次数’分别存入adr+2、adr+1存储单元中等待调用；如图6示，步进电机指示方向子程序首先将步进电机正转表首地址table放入数据指针dptr中，然后首先以adr+2存储单元值判断‘大循环次数’，没有到‘大循环次数’时，将r0寄存器内容设为00h作为步进电机转动初始值，将r0寄存器内容放入a寄存器中作为指针偏移量，将指针dptr+a指向内容取出放入a寄存器，即为步进电机转动第一步所需输出值，将寄存器a中的值由与步进电机连接的p1口输出，则步进电机就转动了一步，即转动了18度；然后将r0加‘1’计数，判断@r0值是否为‘4’，即是否进行了4次循环，不为‘4’则将@r0值赋值给a寄存器继续进行内部循环，为‘4’则判断是否到了adr+2存储单元的‘大循环次数’；没到则继续进行大循环，到了则将r0寄存器内容设为00h进行‘小循环’，即将r0寄存器内容放入a寄存器其中作为指针偏移量，将指针dptr+a指向内容取出放入a寄存器，即为步进电机转动第一步所需输出值，将寄存器a中的值由与步进电机连接的p1口输出，则步进电机就转动了一步，即转动了18度，再将r0加‘1’计数，然后以adr+1存储单元值判断‘小循环次数’，没有到‘小循环次数’时，将r0寄存器内容放入a寄存器中作为指针偏移量，继续进行小循环，到‘小循环次数’时，则将@r0值赋值为‘04h’，并将@r0值由p1口输出，即将步进电机停止了转动；这样经过不断判断与循环，就可以将步进电机停止在了‘数据位置记录值’所在位置；如图7示，当int0引脚为‘0’时执行中断服务子程序，中断服务程序首先保护‘程序现场’和‘断点’后开中断，执行中断服务子程序，执行子程序后关中断，然后恢复‘程序现场’和‘断点’，继续执行主程序。所述原始值通过复位中断控制部分采集。所述利用步进电机旋转360度采集20次磁信号，即每转动18度采集一次磁信号。所述将寄存器a中的值由与步进电机连接的p1口输出，则步进电机就转动了一步，即转动了18度。所述这样循环4次，步进电机即旋转了72度，传感器也采集了4次数据存入存储区，将r0寄存器内容再次设为00h作为步进电机转动初始值，再次大循环5次，这样单片机即旋转了360度，传感器也将转动20次测得的数据存入adturn为首地址的存储区中。所述单片机采用80c51芯片。所述传感器测量方向为x轴方向。通过多次实验发现，当对金属材料加外界磁场时会改变主应力磁记忆信号的值，但当外界磁场磁力线方向与主应力磁记忆信号方向垂直时则主应力磁记忆信号的值不变。本发明基于这个特点，先测得测试点无外加磁场时x轴磁信号大小(如图8，设切面横、纵轴方向分别为x轴、y轴；设切面的垂直方向为z轴---一般磁信号测量的方向选取，x轴磁信号大小与主应力磁信号大小成正比)作为‘原始值’等待比对；再外加磁场，并使外加磁场磁力线平行于切面旋转360度，每次转动观察x轴磁信号大小变化情况，当x轴磁信号大小与‘原始值’相同时，则说明该方向为主应力磁记忆信号方向垂直，测得‘数据位置记录值’，将‘数据位置记录值’与步进电机每步旋转度数(18度)相乘，对比电机转动初始位置，就可以得出主应力磁记忆信号垂直方向，进而找到主应力磁记忆信号方向，即为主应力方向。所述步进电机转轴上安装永磁铁，永磁铁与切面(若金属面为平面，则该切面为金属平面；若金属面为弧形面，则该切面为弧形面的切面)方向平行，所有穿过切面磁力线的垂直分量相互抵消，只留有水平分量，且方向完全相同，保证了外加磁场的磁力线与切面平行、同向的要求。先利用传感器测得金属测试点x轴方向的磁信号值，再在步进电机上放上与切面平行的永磁铁，利用步进电机使永磁铁平行于切面转动；如图9，由于永磁铁与切面方向平行，所以所有穿过切面磁力线的垂直分量相互抵消，只留有水平分量，且方向完全相同；这样就实现了外加磁场磁力线平行于切面转动360度。利用单片机控制步进电机转动，并且每转动一步将对应的磁信号值放入adturn为首地址的采集数据存放区中。如图10所示，玻璃指示盘、永磁铁放在20by20h01型步进电机上，与步进电机共同转动，结合图9可知玻璃指示盘的a点指向磁力线方向，b为‘方向指示线’即为磁力线垂直方向；工作时a点始终指向磁力线方向，旋转一周后，a点回到原点，完成测量，单片机根据测得的‘数据位置记录值’得到步进电机二次转动所走步数，并驱动步进电机走到‘数据位置记录值’所在位置，这时a点还是指向磁力线方向，但它的垂直方向，即‘方向指示线’b所指向的方向为主应力磁记忆信号方向，即主应力方向。如图11所示，所述步进电机数据采集部分采用lun2003芯片，lun2003芯片的1c、2c、3c、4c引脚分别对应连接20by20h01型步进电机的橙色、棕色、黄色、黑色引脚，lun2003芯片的1b、2b、3b、4b四个引脚分别对应连接80c51芯片的p1.0、p1.1、p1.2、p1.3四个引脚，由此80c51单片机就利用p1口对步进电机进行转动控制，其中lun2003起到放大电流的作用。所述步进电机采用6线式接法；力矩更大，能够满足驱动永磁铁的需求。如图12所示，本发明所述传感器采用49e型霍尔传感器；霍尔传感器输出口接硬件滤波输入口，霍尔传感器a口接电源，霍尔传感器b口接地。如图13所示，本发明所述硬件滤波部分包括高通滤波和低通滤波两个部分，高通滤波部分(1)的lm324型比较器正端分别经过10uf电容与49e霍尔传感器输出端相连、经过5.1k电阻接地，负端分别经过两个20k电阻接入高通滤波部分输出端和接地；低通滤波部分(2)的lm324型比较器正端分别经过一个10k电阻与高通滤波部分输出端相连、经过10uf接地，负端分别经过一个10k电阻与低通滤波部分输出端相连、经过20k电阻接地。如图14所示，所述a/d转换器采用ad0809芯片，80c51芯片的p0端口与ad0809芯片的数据接入端口d端口相连，74ls373芯片的a0、a1、a2端口分别与ad0809芯片的a、b、c端口对应相连；80c51芯片的13脚与第二非门输出端相连，第二非门输入端与ad0809芯片的eoc端口相连，80c51芯片的16脚与第一与门的第一输入端相连，0c51芯片的21脚分别与第一与门的第二输入端、第二与门的第一输入端相连，80c51芯片的17脚与第二与门的第二输入端相连；第一与门的输出端与第三非门输入端相连，第三非门输出端分别与ad0809芯片的st端口、ale端口相连；第二与门的输出端与第四非门输入端相连，第四非门输出端与ad0809芯片的oe端口相连；80c51芯片的30脚通过取二分之一值电路与ad0809芯片的clk端口相连；ad0809芯片的in0口作为信号接入口与霍尔传感器c口相连，霍尔传感器a口接电源，霍尔传感器b口接地。如图15所示，所述复位中断控制部分的复位控制部分包括开关k1，开关k1一端分别与电源vcc、电容c1一端相连，开关k1另一端分别与电容c1另一端、电阻r1一端、80c51芯片的9脚相连，阻r1另一端接地。所示电容c1采用10uf电容，电阻r1采用10k欧姆电阻。当测试完成或出现问题时，需要一个复位系统进行重新工作计数；根据本发明现场工作的需求，使用外接开关的形式设计复位系统。如图15所示，所述复位中断控制部分的中断控制部分包括开关k2，开关k2一端分别与电容c2一端、电源vgg相连，开关k2另一端分别与电容c2另一端、电阻r2一端、第一非门输入端相连，电阻r2另一端接地，第一非门输出端与80c51芯片的11脚相连。当开关按下启动中断服务程序，进而启动原始值采集子程序。所示电容c2采用10uf电容，电阻r2采用10k欧姆电阻。由于测试值必须与无外加磁场时测试点x轴磁信号值(原始值)进行比对，所以必须事先采集‘原始值’，本发明利用外加中断的方式采集‘原始值’；即在无外加磁场时利用单片机int0引脚产生中断，执行中断子程序，中断子程序将采集到的无外加磁场时测试点x轴磁信号值(原始值)存入lineadr存储单元中等待调用。当k2开关被按下，80c51芯片的11脚为‘0’，执行中断服务程序，中断服务程序首先保护‘程序现场’和‘断点’后开中断，执行原始值采集子程序，执行子程序后关中断，然后恢复‘程序现场’和‘断点’，继续执行主程序；启动in0通道进行a/d转换，延时等待采集一段时间，将转换后的值放入lineadr存储单元中。如图16所示，所述存储器扩展部分包括74ls373芯片和hm628128ram芯片，80c51芯片的32～39脚分别与74ls373的芯片18、17、14、13、8、7、4、3脚对应相连，80c51芯片的32～39脚分别与hm628128ram芯片的21～13脚对应相连，74ls373的芯片19、16、15、12、9、6、5、2脚分别与hm628128ram芯片的5～12脚对应相连，80c51芯片的17、18脚分别与hm628128ram芯片的24、29对应相连；80c51芯片的1、2脚分别与hm628128ram芯片的2、31脚对应相连，80c51芯片的27～21分别与hm628128ram芯片的3、28、4、25、23、26、27脚对应相连；hm628128ram芯片的22脚与译码电路相连；80c51芯片的30脚与74ls373芯片的11脚相连。设置存储器扩展部分可满足大量数据处理的需要。可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。当前第1页12当前第1页12