基于USB2I2C控制器的磁記憶檢測系統(tǒng)開發(fā)及試驗研究

蘭清生，張路根，劉偉成，湯新文，張 琦，宋 凱

(1.江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院，南昌 330029；2.江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院南昌分院，南昌 330006；3.無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

基于USB2I2C控制器的磁記憶檢測系統(tǒng)開發(fā)及試驗研究

蘭清生1，張路根1，劉偉成1，湯新文1，張 琦2，宋 凱3，*

(1.江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院，南昌 330029；2.江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院南昌分院，南昌 330006；3.無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

本文基于三軸磁阻傳感器HMC5983設(shè)計了磁記憶檢測探頭，研制了基于USB2I2C控制模塊的二維金屬磁記憶檢測系統(tǒng)，以45鋼為試驗對象開展了金屬磁記憶試驗研究。通過分析磁記憶二維分量以及其微分分量合成的李薩如圖大小，確定試件中存在應(yīng)力集中的嚴重程度，試驗結(jié)果表明：磁記憶二維檢測不僅能夠準(zhǔn)確定位試件中應(yīng)力集中的部位，而且能夠從梯度變化角度對應(yīng)力集中嚴重程度進行預(yù)判評估。

磁記憶檢測；應(yīng)力集中；李薩如圖；定量評估

0 引言

一般情況下金屬構(gòu)件中的殘余應(yīng)力集中區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，進而會嚴重影響該構(gòu)件的使用壽命。金屬磁記憶檢測技術(shù)可以準(zhǔn)確地檢測出鐵磁性材料中的應(yīng)力集中，是迄今為止能夠?qū)崿F(xiàn)對鐵磁構(gòu)件進行早期診斷的無損檢測方法之一[1]，具有易于操作、高靈敏度、可靠性好，以及不需考慮提離效應(yīng)、無需專門進行磁化等特點[2]。針對磁記憶信號的特征分析，2003年清華大學(xué)黃松嶺教授等[3-4]研究了磁記憶信號與地磁場之間的變化關(guān)系，分析了焊縫周圍磁記憶信號法向分量與殘余應(yīng)力之間的關(guān)系。Pal’a J[5]開展了低碳鋼材料的靜載拉伸試驗，分析了材料磁導(dǎo)率在試驗中的變化規(guī)律，觀察了卸載后試樣內(nèi)部微觀組織變化特征。2008年，M.Roskosz[6]在對鐵磁性材料試樣開展靜載拉伸試驗后，研究了拉伸試樣的磁記憶信號，分析了試樣受載應(yīng)力值與法向分量的變化規(guī)律。

目前商品化的磁記憶檢測儀如EMS-2000智能化金屬磁記憶診斷儀已經(jīng)在多個行業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，但由于只采用磁記憶信號的法向分量作為評價指標(biāo)，從而丟失了大量的應(yīng)力集中信息。任吉林等[7]提出了應(yīng)力集中定量分析判定方法，通過聯(lián)合磁記憶信號二維分量的梯度值得到李薩如圖形，采用李薩如圖當(dāng)量值對應(yīng)力集中嚴重程度進行定量分析。

本文基于三軸磁阻傳感器HMC5983設(shè)計了磁記憶檢測探頭以及相應(yīng)的信號采集模塊，研制了基于USB2I2C控制模塊的二維金屬磁記憶檢測系統(tǒng)，開展了45鋼靜載拉伸試驗，實現(xiàn)了便攜式在線檢測，分析了李薩如圖當(dāng)量值與拉伸載荷的規(guī)律。

1 二維磁記憶檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 檢測儀器硬件電路設(shè)計

二維磁記憶檢測系統(tǒng)由傳感器模塊、系統(tǒng)控制器、檢測結(jié)果顯示軟件3個主要部分以及其相關(guān)的附屬電路組成，二維磁記憶檢測系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)控制部分通過串行接口電路與計算機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，檢測結(jié)果顯示軟件可以實時顯示和輸出檢測結(jié)果。

圖1 二維磁記憶檢測系統(tǒng)Fig.1 Two-dimensional magnetic memory detection system

金屬磁記憶檢測系統(tǒng)需要同時檢測到相互垂直方向上的磁記憶信號分量信息，因此檢測探頭部分采用了三軸磁敏電阻傳感器HMC5983。HMC5983磁阻傳感器模塊的電路部分如圖2所示，為一枚數(shù)字接口的三軸磁阻模塊，傳感器通過I2C總線(SDA數(shù)據(jù)總線和SCL時鐘總線)與計算機進行通訊。傳感器模塊內(nèi)部含有ASIC放大電路，所有部件都封裝在3.0 mm×3.0 mm×0.9 mm的LCC固體模塊中，能夠有效獲取法向分量Hp(y) 和切向分量Hp(x)的磁場信號，磁場檢測分辨率為5 mGs，測量量程為±8 Gs，適用于對磁記憶信號的檢測。傳感器電路中電容C4、C5與ASIC放大器中的電橋驅(qū)動電路共同作用，能夠產(chǎn)生電流脈沖信號，通過控制HMC5983傳感器，消除磁場檢測過程中的磁場偏差(溫漂、時漂等因素產(chǎn)生)，從而準(zhǔn)確地檢測到磁場信息。

圖2 HMC5983磁敏傳感器電路Fig.2 HMC5983 magnetic sensor circuit

金屬磁記憶檢測系統(tǒng)傳感器通訊模式是采用I2C控制方式，I2C總線是由數(shù)據(jù)線(SDA)和時鐘線(SCL)構(gòu)成的串行總線。由于占用比較小的空間，I2C總線降低了大量的工作成本，減少了開發(fā)板空間和引腳端口的數(shù)量。系統(tǒng)的控制器模塊采用USB2I2C主控芯片，用于對USB總線的轉(zhuǎn)接，可實現(xiàn)對從20 kHz慢速采集模式到750 kHz高速模式之間的轉(zhuǎn)換，USB2I2C控制器模塊如圖3所示。USB2I2C主控芯片提供主I2C接口，可以較為方便地實現(xiàn)上位機軟件與下位機之間信號傳輸。

圖3 控制器模塊及引腳示意圖Fig.3 Schematic diagram of the controller module and pin

USB2I2C控制器提供并行IO擴展芯片PCF8574，數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC芯片和模數(shù)式ADC采集器，以利于上位機對I2C子模塊進行快速的數(shù)據(jù)讀寫。

1.2 二維磁記憶檢測系統(tǒng)

基于高度集成化模塊的二維磁記憶檢測系統(tǒng)，采用高速的PC端數(shù)據(jù)處理器，使得檢測系統(tǒng)整體比較簡潔，封裝效果較好，便于攜帶。在Labview 和C語言基礎(chǔ)上設(shè)計的檢測結(jié)果顯示軟件具有較好的可移植性，也具有較高的數(shù)據(jù)處理效率，同時對磁記憶信號分量及其梯度值信號具有直觀準(zhǔn)確的顯示。二維磁記憶檢測系統(tǒng)的實物圖如圖4所示，在檢測界面上可以實時顯示二維分量相應(yīng)的梯度值，便于實時觀察檢測過程中應(yīng)力集中的狀況，本系統(tǒng)的測量精度為2 MPa。在試驗操作過程中，可以實現(xiàn)保存數(shù)據(jù)的功能。

圖4 二維磁記憶檢測系統(tǒng)Fig.4 Two-dimensional magnetic memory detection system

2 金屬磁記憶檢測試驗研究

2.1 試驗條件及試驗方案

試件材質(zhì)為45鋼，試件形狀如圖5所示。材料的主要性能參數(shù)如表1所示。在試件中間預(yù)置一個直徑為10 mm的圓形缺口，缺口兩側(cè)預(yù)設(shè)兩條長度為60 mm的測量線，測量線與圓形缺口圓心的水平距離均為7.5 mm。

圖5 試件規(guī)格示意圖Fig.5 Specimen specification

靜載拉伸試驗在WDW-E100D型電子程控試驗機上進行，試驗過程中以0.5 mm/min的加載速度加載至預(yù)定載荷(載荷值設(shè)定為0.2σs、0.4σs、0.6σs、0.8σs、0.9σs、1.1σs、1.2σs、σb)后，卸載并將試件取下試驗中利用研制的二維磁記憶檢測系統(tǒng)進行掃查。采用EMS-2000磁記憶診斷儀對檢測結(jié)果進行診斷驗證。

2.2 試驗結(jié)果分析與討論

在檢測過程中可以得到在應(yīng)力集中區(qū)切向分量Hp(x)出現(xiàn)最大值，且法向分量Hp(y)過零點的情況；同時切向分量梯度值過零點，法向分量梯度值出現(xiàn)最大值[14]，如圖6所示。磁記憶二維檢測儀器的檢測界面中，左邊可以實時顯示磁記憶二維分量Hp(x)、Hp(y)的大小，右邊部分可以實時顯示磁記憶二維分量梯度值K(x)、K(y)的大小。

表1 材料主要性能參數(shù)Table 1 Material main performance parameters

對測量線上的檢測結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，得到預(yù)定載荷下的磁記憶信號分布曲線如圖7所示。試件圓形缺口處的磁記憶信號變化遵循以下規(guī)律：當(dāng)試件處于未加載狀態(tài)時，切向磁信號存在單峰現(xiàn)象，法向磁信號經(jīng)過零點；隨著拉伸載荷值的不斷增大，二維分量的幅值越來越大，特征現(xiàn)象也越來越明顯，并且法向分量過零點的位置逐漸向圓形缺口處靠近，直至最后斷裂，其零點位置同切向分量峰值點以及斷裂位置點重合。

圖6 標(biāo)記點處磁記憶檢測儀器顯示界面Fig.6 Mark the magnetic memory detection instrument display interface

圖7 磁信號分布曲線Fig.7 Magnetic signal distribution curve

針對磁記憶二維檢測儀器檢測到的應(yīng)力集中位置，通過利用如圖8所示的EMS-2000磁記憶診斷儀[15]進行復(fù)檢驗證，結(jié)果顯示所檢測位置均出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中，兩種檢測儀器的試驗結(jié)果基本吻合。

圖8 標(biāo)記點處磁記憶檢測儀器顯示界面Fig.8 EMS-2000 metal magnetic memory detector and test block

為了進一步研究磁記憶信號特征與應(yīng)力集中嚴重程度的相關(guān)關(guān)系，對切向分量Hp(x)和法向分量Hp(y)進行微分，求出二維分量Hp(x)和Hp(y)的梯度值K(x)、K(y)。磁記憶二維分量梯度值的定義如下所示：

由磁記憶二維分量梯度值K(x)、K(y)，可得到應(yīng)力集中區(qū)域磁記憶微分信號的李薩如圖，見圖9所示。從圖9中看到，隨著載荷的增大，在彈性階段初期(0～5.68 kN)，李薩如圖形的面積值開始增大，且隨著拉伸載荷鄰近屈服階段(5.68～8.52 kN)，李薩如圖形面積值開始減小，當(dāng)拉伸載荷達到塑性變形階段(8.52 kN之后)李薩如圖形面積值又出現(xiàn)增大的趨勢，外圍邊界也變得越來越圓潤。

圖9 圓形缺口試樣測量線上的李薩如圖形

通過算法計算，可以得到李薩如圖形封閉區(qū)域的面積當(dāng)量值如表2所示，歸一化面積值與拉伸載荷之間的關(guān)系曲線如圖10所示。

由圖10可以得到，歸一化面積值的變化趨勢分3個階段：彈性階段初期隨載荷的增加出現(xiàn)增大，處于0.2附近，當(dāng)載荷達到屈服階段附近，歸一化面積值開始出現(xiàn)微小的減小，然后進入塑性變形階段歸一化面積值呈現(xiàn)急劇增加的趨勢，歸一化面積值趨近于1。

為了研究李薩如圖形面積當(dāng)量值與應(yīng)力集中之間的關(guān)系，對面積當(dāng)量值曲線進行Logistic函數(shù)的非線性擬合，如圖11所示。Logistic函數(shù)回歸是一種廣義的線性回歸方法，具有A1+(A2-A1)/(1+10^((LOGx0-x)×p))的特征方程，其中A1、A2和p是待求系數(shù)。從圖中可以看出A1=0.131，A2=2.191，LOGx0=19.680，p=0.124，可見相關(guān)度Adjusted R-square(相關(guān)系數(shù)R2)為0.92，表明李薩如圖面積當(dāng)量值與拉伸載荷相關(guān)性極好，因此可以利用封閉區(qū)域面積當(dāng)量值遵循的Logistic曲線對應(yīng)力集中進行定量分析。

表2 圓形缺口試件測量線上李薩如圖形的面積值Table 2 Circular notch specimen test line on the area of the image area

圖10 歸一化面積值隨應(yīng)力變化關(guān)系曲線Fig．10 Normalizedareavalueversusstresschangecurve圖11 面積當(dāng)量值變化曲線的非線性擬合Fig．11 Nonlinearfittingoftheareaequivalentvaluevariationcurve

3 結(jié)論

1) 設(shè)計了基于三軸磁阻傳感器HMC5983的陣列式磁記憶檢測探頭，采用USB2I2C控制器研制了二維磁記憶檢測系統(tǒng)，以45鋼試件為試驗對象開展了靜載拉伸試驗研究。對比磁記憶二維檢測儀器和EMS-2000磁記憶診斷儀的試驗結(jié)果，兩種檢測儀器所檢測的應(yīng)力集中位置吻合。

2) 李薩如圖形面積當(dāng)量值隨著拉伸載荷先緩慢增大，當(dāng)載荷達到5.68 kN，李薩如圖面積當(dāng)量值為0.000 551 4(Gs/mm)2，之后當(dāng)量值開始減小，當(dāng)拉伸載荷達到8.52 kN，當(dāng)量值為0.000 404 9(Gs/mm)2，隨著試件進入塑性變形階段，李薩如圖面積當(dāng)量值急劇增加，拉伸載荷達到17.68 kN時李薩如圖面積當(dāng)量值急劇增加到0.002 357(Gs/mm)2，試驗結(jié)果表明李薩如圖面積當(dāng)量值與拉伸載荷具有良好的相關(guān)性。

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DevelopmentandExperimentalStudyofMagneticMemoryTestingSystemBasedonUSB2I2CController

LAN Qing-sheng1，ZHANG Lu-gen1，LIU Wei-cheng1，TANG Xin-wen1，ZHANG Qi2，SONG Kai3,*

(1.JiangxiInstituteofBoilerandPressureVesselInspectionandTesting,Nanchang330029,China; 2.NanchangBranchofJiangxiInstituteofBoilerandPressureVesselInspectionandTesting,Nanchang330006,China; 3.KeyLaboratoryofNondestructiveTesting(MinistryofEducation),NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

Based on three-axis magnetoresistive sensor HMC5983, this paper designed a magnetic memory detection probe, developed based on USB2I2C control module of the two-dimensional metal magnetic memory detection system. In this paper, the metal magnetic memory test was carried out on the samples of 45steel. By analyzing the two-dimensional components of the leakage magnetic field and analyzing the area size of the Lissajous figure of the differential component, it is determined the severity of the stress concentration in the test blocks. The results show that the magnetic memory two-dimensional detection can accurately locate the residual stress concentration of the test piece. And from the perspective of gradient changes, it can predict the severity of stress concentration assessment.

magnetic memory testing；stress concentration；Lissajous figure；quantitative assessment

2017年7月20日

2017年8月29日

國家自然科學(xué)基金(51265041)；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2013YQ140505)；國家公益性行業(yè)科研專項(201510066)；江西省教育廳基金(GJJ151545)；無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室開放基金(EW201708252)

宋凱(1975年-)，男，博士，教授，主要從事電磁無損檢測新技術(shù)方面的研究。

TG115.284

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.05.003

1673-6214(2017)05-0278-05