熱致磁效應多場耦合綜合測試方法

2023-06-03 10:59:06

專利名稱：熱致磁效應多場耦合綜合測試方法
技術領域：
本發明涉及一種熱致磁效應多場耦合綜合測試方法。
背景技術：
研究表明，有缺陷的高聚物以一定的速度拉伸時，會在裂口周圍產生一定的溫升，同時伴生一定強度的磁場。為了進一步研究該磁場與拉伸時產生的溫升之間的關係，需要在自動控制拉伸速度的同時，對試件的溫升與磁感應強度進行同步測量，並以時間同步方式保存所有的測量數據:拉力、位移量、磁感應強度、溫度(圖像數據)，以研究並確定它們之間的關係。現有的設備雖然單獨對某一物理量(如溫度，或位移，或磁場)進行測量，但是，無法實現各種檢測手段的精確同步，即無法實現多場耦合情況下的綜合測量，因而無法客觀地研究各物理量的關聯關係。另外，現有的手動液壓試驗機，採用按鈕來控制壓力大小及加載速度，不但無法靈活設定壓力大小和加載速度，而且控制精度差，操作麻煩。如公開號為CN101261245A的專利其名稱為含缺陷流變體熱致磁效應採集與測試系統(申請號為200810031098)只能實現磁場的檢測。因而，在多場耦合條件下的綜合同步測量，是本領域的一個關鍵問題，也是亟待解決的一個技術問題。另外，公開號為CNlO 1261245A的專利，提出了一種磁場檢測方案，是基於霍爾傳感器陣列採集磁場數據，這種方案存在的最大問題是結構複雜，需要構造傳感器陣列，而且需要複雜的供電電路和控制電路 為傳感器服務；另外這種傳感器只能測量一個方向的磁場數據，無法檢測三維磁感應數據，因此局限性大。因此，有必要設計一種全新的熱致磁效應多場耦合綜合測試方法。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種熱致磁效應多場耦合綜合測試方法，該熱致磁效應多場耦合綜合測試方法集成了三維磁場、溫度和壓力\位移的測量模塊，能實現多個物理量的同步、綜合採集，且自動化程度高。易於控制，易於實施。發明的技術解決方案如下:—種熱致磁效應多場稱合綜合測試方法,其特徵在於,將試樣夾裝在液壓拉伸試驗機的上夾頭和下夾頭之間；試樣的中心部位開有一孔；採用上位機和下位機的模式實施綜合檢測，其中上位機連接紅外相機以檢測試樣的溫度變化場；紅外相機的鏡頭正對試樣正面的中部；上位機與作為下位機的控制器通信連接，控制器分別通過三維磁場測量裝置、拉力測量裝置和位移測量裝置分別檢測試樣在拉伸過程中的三維磁場、液壓拉伸試驗機的上夾頭施加給試樣的拉力以及上夾頭的位移量；三維磁場測量裝置的檢測板位於試樣的後側；控制器還通過液壓控制裝置控制液壓拉伸試驗機的上夾頭動作；測試過程為:啟動液壓拉伸試驗機使得上壓頭對試樣施加拉力，並控制上壓頭施加的拉力大小及上拉頭的上升速度，由上位機同步啟動紅外相機、三維磁場測量裝置、拉力測量裝置和位移測量裝置以實時採集試樣在拉伸過程中的溫度場、多點位的三維磁場、液壓拉伸試驗機的上夾頭施加給試樣的拉力以及上夾頭的位移量；最終獲得在試樣被拉伸過程中的溫度場和磁場的同步變化數據。採用分段式PID控制策略控制拉伸速度；(I)當拉伸力小於 50KN 時，PID 參數為 Kp = 100，Ti = 1000，Td = O ；(2)當拉力大於或等於 50KN 時，PID 參數為 Kp = 500，Ki = 100，Kd = 20 ；(3)當拉力開始下降時，PID參數為Kp = 300，Ki = 1000, Kd = O ；所述的分段式PID控制策略對應閉環控制系統，通過控制液壓系統的比例控制閥以控制液壓油的流量，最終控制拉伸速度；控制器的輸出為與液壓系統的流量成比例的電壓值；反饋量為位移測量裝置採集的拉伸位移量；閉環控制系統的給定為預設拉伸速度值。採用基於熱致磁效應的多場耦合綜合測試系統實施綜合測試；所述的基於熱致磁效應的多場耦合綜合測試系統包括液壓拉伸試驗機、溫度測量裝置、三維磁場測量裝置、拉力測量裝置、位移測量裝置、液壓控制裝置、控制器和上位機；溫度測量裝置為基於紅外相機的測溫裝置；溫度測量裝置與上位機(即工控機)連接；紅外相機的鏡頭正對試樣正面的中部；三維磁場測量裝置、拉力測量裝置、位移測量裝置和液壓控制裝置均與控制器連接;由液壓拉伸試驗機夾持住試條板狀的試樣並對試樣上端施加拉力使得試樣產生形變；紅外相機的鏡頭正對試樣的正面以測量試樣的實時溫度數據；三維磁場測量裝置設置在背面以檢查試樣在被拉伸的過程中產生的實時三維磁場數據；液壓控制裝置驅動液壓拉伸試驗機；拉力測量裝置和位移測量裝置分別檢測液壓拉伸試驗機對試樣施加的拉力以及液壓拉伸試驗機的上夾持部產生的實時位移；控制器與上位機通信連接；上位機控制液壓拉伸試驗機、溫度測量裝置和三維磁場測量裝置同時啟動，並由上位機同步收集實時數據,所述的實時數據包括:實時溫度數據、三維磁場數據、拉力及液壓拉伸試驗機的上夾持部產生的實時位移數據。拉力測量裝置通過應變式壓力傳感器測量液壓拉伸試驗的油缸中油壓以間接測量夾持部對試樣的拉力；應變式壓力傳感器為圓筒式結構，應變式壓力傳感器主體為一個帶有一個軸向盲孔的圓筒，圓筒的開口端設有用於連接油缸的外螺紋；圓筒的外壁上設有4片應變片:R1 R4 ;其中Rl和R2在設置在圓筒外壁的一側，R3和R4設置在圓筒外壁的相對的另一側；且Rl和R3橫向平齊並位於圓筒的實心段(非盲孔段)的外側，R2和R4橫向平齊並位於圓筒的盲孔段外側，橫向指圓筒的徑向；Rl R4連接成橋式檢測電路:即Rl和R4依次串聯後與直流電源並接；R2和R3依次串聯後與直流電源並接，Rl與R4的連接點即為c點，R2與R3的連接點即為d點，c點和d點間的電壓即為傳感器的輸出電壓，該輸出電壓即反映了拉力測量裝置需要檢測的壓力；位移測量裝置為基於增量式編碼器的位移測量裝置，包括支架(4)、定滑輪(5)、光電編碼器同軸滑輪(2)、拉繩⑴和重物(6);支架(4)固定在下夾頭上，定滑輪(5)和光電編碼器同軸滑輪(2)均安裝在支架(4)上；拉繩(1)的上端固定在液壓拉伸試驗機的上夾頭上，拉繩(1)的下端吊裝有所述的重物￠)，且重物￠)自然下垂；拉伸(1)的中段繞過光電編碼器同軸滑輪和定滑輪；光電編碼器同軸滑輪作為定滑輪安裝；光電編碼器軸(3)輸出反映位移量的脈衝信號；所述的三維磁場測量裝置為五點位三維磁場測量裝置，包括單片機、磁傳感器、多路選擇器、模數轉換器、磁滯效應消除電路和串口通信電路；所述的磁傳感器為5個，對稱設置於PCB正面的5個點位上，且其中的4個設置在PCB板的四角處，另一個設置在PCB板的中央；每一個磁傳感器具有3個信號輸出通道，分別輸出X、Y、Z三個方向的磁感應信號；磁傳感器依次通過多路選擇器和模數轉換器與單片機的輸入接口連接；多路選擇器的通道選擇端接單片機的輸出埠；磁滯效應消除電路的兩個輸入端分別接單片機的復位端和置位端(set8和reset8);復位端和置位端均為單片機的IO埠 ；磁滯效應消除電路的輸出端與磁傳感器中的脈衝極化電路相連；單片機通過所述的串口通信電路與上位機連接；所述的磁傳感器採用HMC2003晶片，所述的多路選擇器包括3個多路開關:即第一多路開關、第二多路開關和第三多路開關，模擬多路開關採用具有8路信號輸入通道和I個信號輸出通道的74HC4051晶片；模數轉換器採用十六位的ADS7825晶片；ADS7825晶片具有四個模擬信號輸入端；5個磁傳感器的X信號輸出通道分別與第一多路開關的5個信號輸入通道相接；5個磁傳感器的Y信號輸出通道分別與第二多路開關的5個信號輸入通道相接；5個磁傳感器的Z信號輸出通道分別與第三多路開關的5個信號輸入通道相接；3個多路開關的3個信號輸出通道分別與模數轉換器的3個模擬信號輸入端相接；3個多路開關的三個數字選擇端(即A、B、C)對應並聯；磁滯效應消除電路為基於功率MOSFET管的脈衝產生電路，功率MOSFET管採用IRF7106 晶片；IRF7106晶片的5-8腳短接後通過第一電容(C83)與磁傳感器中的脈衝極化電路相接；IRF7106晶片的I腳和3腳分別接地和直流電源正端VCCl ；IRF7106晶片的2腳(Gl)接所述的復位端(reset8)；單片機的另一個IO埠作為置位端(set8),置位端(set8)通過第一電阻(R81)接NPN型的三極體(Q18)的基極；三極體(Q18)的射極接地，三極體(Q18)的集電極通過第二電阻(R82)接VCCl ;三極體(Q18)的集電極還通過第二電容(C81)接IRF7106晶片的4腳(G2端)；IRF7106晶片的4腳與VCCl之間接有第三電阻(R83) ;VCC1與地之間接有第三電容(C82)；串口通信電路採用專用通信器件MAX232，單片機採用STC89C54RD晶片；所述的基於熱致磁效應的多場耦合綜合測試系統還包括一體式的控制櫃，所述的控制櫃內集成有所述的上位機和控制器，所述的上位機為工控機，所述的控制器為ARM嵌入式控制系統，控制櫃的頂部設有連接工控機的顯示器，控制櫃內設有推拉式的鍵盤板，鍵盤板上設有連接工控機的鍵盤和滑鼠；控制櫃的底部設有液壓控制裝置和液壓泵；ARM嵌入式控制系統具有用於連接三維磁場測量裝置、拉力測量裝置、位移測量裝置和液壓控制裝置的接口，工控機上設有連接溫度測量裝置的USB接口。控制器通過三維磁場測量裝置檢測三維磁場的方法如下:在檢測區域的5個點位分別設置5個能輸出三維磁感應信號的磁傳感器；磁傳感器輸出的15路信號經多路選擇器選擇後，每一米樣周期內輸出一個磁傳感器的三維磁感應信號，再通過模數轉換器形成數位訊號送入單片機中；最後由單片機對採集的所有數據處理後上傳至上位機，完成三維磁場的測量；在所述的測量過程中，單片機通過磁滯效應消除電路產生正反向極化脈衝並輸出給磁傳感器，以消除在磁場測量過程中磁傳感器被磁化；測量步驟為:步驟1:依次循環完成對5個點位的磁場測量；每一個點位的磁場測量包括依次測量X、y和z方向的磁場；步驟2:當5個點位的三維磁場測量全部完成以後，就完成了一幀數據的測量，並返回步驟I進行下一次循環；每一個點位處的磁傳感器單方向的磁場測量過程為:A/D轉換開始前，單片機先輸出一個置位信號SET使傳感器獲得正向極化，接著啟動模數轉換器進行A/D轉換，為了防止隨機幹擾造成A/D轉換誤差，採用100個採樣值求平均值AVG1，接著單片機輸出一個復位信號RESET使磁傳感器獲得反向極化，然後啟動模數轉換器再獲得100個採樣值，並求得平均值AVG2，然後將兩次獲得的平均值AVGl和AVG2經過數值計算Vott = (AVGl+AVG2)/2，得到一個數值作為一個該單方向的磁場測量值；所述的和的單方向指x、y或z方向。試樣的尺寸:長800mm,寬85mm,中心孔直徑5mm,中段長度100mm,中段寬度75mm,中段與端部的過渡部分採用圓角，圓角的半徑為5mm ;拉伸速度為3-40mm/min,將採樣速度設置為每0.5秒米樣一次。有益效果:本發明解決了以下技術問題:1、以原來手動液壓試驗機為基礎，設計電控的液壓伺服系統，以方便計算機控制；機櫃下方為液壓系統，包含油泵及集成液壓控制系統，嵌入式計算機通過光電編碼器採集油缸運行速度，通過與設置的運行速度比較運算後，輸出控制信號，控制液壓比例閥，調節液壓系統流量，以控制油缸的運行速度與設置速度一致。同時採集油缸的壓力、位移量，並通過USB 口發送到工業控制計算機。2、設計磁傳感器陣列，用於採集高聚物板材附近的磁感應強度，並將採集數據通過串行口送給嵌入式控制系統；3、採用ARM嵌入式CPU設計了一套控制系統，實現對液壓系統按恆定拉伸速度控制的同時，採集拉力和磁場，並將採集數據按一定格式通過USB接口送給計算機；本發明的熱致磁效應多場耦合綜合測試方法的獨創性體現在:1、首次將液壓拉伸系統、溫度場的測量系統、磁感應強度場的測量系統設計成一個統一的試驗系統，這樣可以實現所有參數的同步採集，為高聚物拉伸破損時多個參數及其耦合機理的研究提供了基本條件。目前市場的試驗系統由於無法同步採集全部的試驗數據，因而只能分析拉伸破損過程中的單個參數的變化，無法分析多個參數之間的耦合機理。2、將熱釋紅外儀的控制與溫度圖像採集進行融合，並將試驗時同步採集的溫度場數據完整地保存下來，用於研究溫度與其它參數的耦合關係。3.控制櫃結構緊湊，層次合理，操作方便。4.位移檢測裝置結構巧妙，且能滿足測量和控制的精度，易於實施，成本低。5.拉力測量裝置採用間接測量方式測量拉力，構思巧妙，易於實施。6.五點位三維磁場測量裝置，採用分布在不同點位處的5個三維磁傳感器(HMC2003晶片)檢測磁場信號，並採用基於74HC4051晶片的多路模擬多路開關實現數據切換，再採用模數轉換器將模擬信號轉換成數位訊號輸出到單片機中，完成多點位三維磁場數據的採集。其中，採用多路開關能有效簡化電路設計，且充分利用單片機的埠，而且控制方便，一次能同步採集一個磁傳感器輸出的一組三維磁場數據。另外，本發明還設計了磁滯效應消除電路以消除磁滯、提高磁場檢測精度。採用多個具有三維磁場信號輸出的傳感器，並在多路選擇器和模數轉換器的配合下實現多點位、三維磁場檢測，結構簡單，易於控制，易於實施，且採用磁滯效應消除電路後，能進一步提聞裝置的檢測精度。綜上所述，本發明集成度高、自動化程度高、控制精度高，易於操控，能實現溫度-拉力-磁感應強度的同步、綜合測量，是一種全新的實驗系統，為科學精確研究多場耦合條件下的熱致磁效應提供了堅實基礎。


圖1是五點位三維磁場測量裝置的總體原理框圖；圖2是五個磁傳感器布置在PCB板上的位置示意圖；圖3是五點位三維磁場測量裝置的多路選擇及模數轉換電路的原理圖；圖4是多通道採樣流程圖；圖5是恆流源電路圖；圖6是置位/復位脈衝示意圖；圖7是置位/復位脈衝電路原理圖。圖8為偏置電流帶外圍電路(之一)；圖9為偏置電流帶外圍電路(之二)；
圖10為本發明的基於熱致磁效應的多場耦合綜合測試系統的總體框圖；圖11為控制櫃的結構示意圖；圖12為應變式壓力傳感器的結構圖(圖a)和電路圖(圖b);圖13為光電編碼器安裝示意圖；圖14為試件的正面結構示意圖。圖15為20mm/min速率下試件表面的熱致磁感應強度-時間關係曲線圖。圖16為控制軟體界面示意圖；圖17為含有實驗系統的各檢測量的曲線的實驗結果界面。標號說明:1_拉繩；2_光電編碼器同軸滑輪；3_光電編碼器軸；4-支架；5-定滑輪；6_重物。
具體實施例方式以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明:如圖1-16,—種熱致磁效應多場稱合綜合測試方法,其特徵在於,將試樣夾裝在液壓拉伸試驗機的上夾頭和下夾頭之間；試樣的中心部位開有一孔該孔的作用為運用應力集中原理，保證板材拉伸時從有孔的位置處斷裂，以方便各傳感器採集數據；採用上位機和下位機的模式實施綜合檢測,其中上位機連接紅外相機以檢測試樣的溫度變化場；紅外相機的鏡頭正對試樣正面的中部；上位機與作為下位機的控制器通信連接，

控制器分別通過三維磁場測量裝置、拉力測量裝置和位移測量裝置分別檢測試樣在拉伸過程中的三維磁場、液壓拉伸試驗機的上夾頭施加給試樣的拉力以及上夾頭的位移量；三維磁場測量裝置的檢測板位於試樣的後側；控制器還通過液壓控制裝置控制液壓拉伸試驗機的上夾頭動作；測試過程為:啟動液壓拉伸試驗機使得上壓頭對試樣施加拉力，並控制上壓頭施加的拉力大小及上拉頭的上升速度，由上位機同步啟動紅外相機、三維磁場測量裝置、拉力測量裝置和位移測量裝置以實時採集試樣在拉伸過程中的溫度場、多點位的三維磁場、液壓拉伸試驗機的上夾頭施加給試樣的拉力以及上夾頭的位移量；最終獲得在試樣被拉伸過程中的溫度場和磁場的同步變化數據。採用分段式PID控制策略控制拉伸速度；(I)當拉伸力小於 5OKN 時，PID 參數為 Kp = 100，Ti = 1000, Td = O ；(2)當拉力大於或等於 50KN 時，PID 參數為 Kp = 500，Ki = 100，Kd = 20 ；(3)當拉力開始下降時，PID參數為Kp = 300，Ki = 1000, Kd = O ；所述的分段式PID控制策略對應閉環控制系統，通過控制液壓系統的比例控制閥以控制液壓油的流量，最終控制拉伸速度；控制器的輸出為與液壓系統的流量成比例的電壓值；反饋量為位移測量裝置採集的拉伸位移量；閉環控制系統的給定為預設拉伸速度值。採用基於熱致磁效應的多場耦合綜合測試系統實施綜合測試；所述的基於熱致磁效應的多場耦合綜合測試系統包括液壓拉伸試驗機、溫度測量裝置、三維磁場測量裝置、拉力測量裝置、位移測量裝置、液壓控制裝置、控制器和上位機；
溫度測量裝置為基於紅外相機的測溫裝置；溫度測量裝置與上位機(即工控機)連接；紅外相機的鏡頭正對試樣正面的中部；三維磁場測量裝置、拉力測量裝置、位移測量裝置和液壓控制裝置均與控制器連接;由液壓拉伸試驗機夾持住試條板狀的試樣並對試樣上端施加拉力使得試樣產生形變；紅外相機的鏡頭正對試樣的正面以測量試樣的實時溫度數據；三維磁場測量裝置設置在背面以檢查試樣在被拉伸的過程中產生的實時三維磁場數據；液壓控制裝置驅動液壓拉伸試驗機；拉力測量裝置和位移測量裝置分別檢測液壓拉伸試驗機對試樣施加的拉力以及液壓拉伸試驗機的上夾持部產生的實時位移；控制器與上位機通信連接；上位機控制液壓拉伸試驗機、溫度測量裝置和三維磁場測量裝置同時啟動，並由上位機同步收集實時數據,所述的實時數據包括:實時溫度數據、三維磁場數據、拉力及液壓拉伸試驗機的上夾持部產生的實時位移數據。拉力測量裝置通過 應變式壓力傳感器測量液壓拉伸試驗的油缸中油壓以間接測量夾持部對試樣的拉力；應變式壓力傳感器為圓筒式結構，應變式壓力傳感器主體為一個帶有一個軸向盲孔的圓筒，圓筒的開口端設有用於連接油缸的外螺紋；圓筒的外壁上設有4片應變片:R1 R4 ;其中Rl和R2在設置在圓筒外壁的一側，R3和R4設置在圓筒外壁的相對的另一側；且Rl和R3橫向平齊並位於圓筒的實心段(非盲孔段)的外側，R2和R4橫向平齊並位於圓筒的盲孔段外側，橫向指圓筒的徑向；Rl R4連接成橋式檢測電路:即Rl和R4依次串聯後與直流電源並接；R2和R3依次串聯後與直流電源並接，Rl與R4的連接點即為c點，R2與R3的連接點即為d點，c點和d點間的電壓即為傳感器的輸出電壓，該輸出電壓即反映了拉力測量裝置需要檢測的壓力；位移測量裝置為基於增量式編碼器的位移測量裝置，包括支架(4)、定滑輪(5)、光電編碼器同軸滑輪(2)、拉繩⑴和重物(6);支架(4)固定在下夾頭上，定滑輪(5)和光電編碼器同軸滑輪(2)均安裝在支架(4)上；拉繩(I)的上端固定在液壓拉伸試驗機的上夾頭上，拉繩(I)的下端吊裝有所述的重物￠)，且重物￠)自然下垂；拉伸(I)的中段繞過光電編碼器同軸滑輪和定滑輪；光電編碼器同軸滑輪作為定滑輪安裝；光電編碼器軸
(3)輸出反映位移量的脈衝信號；所述的三維磁場測量裝置為五點位三維磁場測量裝置，包括單片機、磁傳感器、多路選擇器、模數轉換器、磁滯效應消除電路和串口通信電路；所述的磁傳感器為5個，對稱設置於PCB正面的5個點位上，且其中的4個設置在PCB板的四角處，另一個設置在PCB板的中央；每一個磁傳感器具有3個信號輸出通道，分別輸出X、Y、Z三個方向的磁感應信號；磁傳感器依次通過多路選擇器和模數轉換器與單片機的輸入接口連接；多路選擇器的通道選擇端接單片機的輸出埠；
磁滯效應消除電路的兩個輸入端分別接單片機的復位端和置位端(set8和reset8);復位端和置位端均為單片機的IO埠 ；磁滯效應消除電路的輸出端與磁傳感器中的脈衝極化電路相連；單片機通過所述的串口通信電路與上位機連接；所述的磁傳感器採用HMC2003晶片，所述的多路選擇器包括3個多路開關:即第一多路開關、第二多路開關和第三多路開關，模擬多路開關採用具有8路信號輸入通道和I個信號輸出通道的74HC4051晶片；模數轉換器採用十六位的ADS7825晶片；ADS7825晶片具有四個模擬信號輸入端；5個磁傳感器的X信號輸出通道分別與第一多路開關的5個信號輸入通道相接；5個磁傳感器的Y信號輸出通道分別與第二多路開關的5個信號輸入通道相接；5個磁傳感器的Z信號輸出通道分別與第三多路開關的5個信號輸入通道相接；3個多路開關的3個信號輸出通道分別與模數轉換器的3個模擬信號輸入端相接；3個多路開關的三個數字選擇端(即A、B、C)對應並聯；磁滯效應消除電路為基於功率MOSFET管的脈衝產生電路，功率MOSFET管採用IRF7106 晶片；IRF7106晶片的5_8腳短接後通過第一電容(C83)與磁傳感器中的脈衝極化電路相接；IRF7106晶片的I腳和3腳分別接地和直流電源正端VCCl ；

IRF7106晶片的2腳(Gl)接所述的復位端(reset8)；單片機的另一個IO埠作為置位端(set8)，置位端(set8)通過第一電阻(R81)接NPN型的三極體(Q18)的基極；三極體(Q18)的射極接地，三極體(Q18)的集電極通過第二電阻(R82)接VCCl ;三極體(Q18)的集電極還通過第二電容(C81)接IRF7106晶片的4腳(G2端)；IRF7106晶片的4腳與VCCl之間接有第三電阻(R83) ;VCC1與地之間接有第三電容(C82)；串口通信電路採用專用通信器件MAX232，單片機採用STC89C54RD晶片；所述的基於熱致磁效應的多場耦合綜合測試系統還包括一體式的控制櫃，所述的控制櫃內集成有所述的上位機和控制器，所述的上位機為工控機，所述的控制器為ARM嵌入式控制系統，控制櫃的頂部設有連接工控機的顯示器，控制櫃內設有推拉式的鍵盤板，鍵盤板上設有連接工控機的鍵盤和滑鼠；控制櫃的底部設有液壓控制裝置和液壓泵油缸是在拉力試驗機上，油泵用於將液壓油加壓，加壓後的高壓液壓油用於驅動油缸，圖中液壓控制部件包括油泵及驅動電機和一些用於控制液壓油的開關控制閥、比例控制閥等ARM嵌入式控制系統具有用於連接三維磁場測量裝置、拉力測量裝置、位移測量裝置和液壓控制裝置的接口，工控機上設有連接溫度測量裝置的USB接口。控制器通過三維磁場測量裝置檢測三維磁場的方法如下:在檢測區域的5個點位分別設置5個能輸出三維磁感應信號的磁傳感器；磁傳感器輸出的15路信號經多路選擇器選擇後，每一米樣周期內輸出一個磁傳感器的三維磁感應信號，再通過模數轉換器形成數位訊號送入單片機中；最後由單片機對採集的所有數據處理後上傳至上位機，完成三維磁場的測量；
在所述的測量過程中，單片機通過磁滯效應消除電路產生正反向極化脈衝並輸出給磁傳感器，以消除在磁場測量過程中磁傳感器被磁化；測量步驟為:步驟1:依次循環完成對5個點位的磁場測量；每一個點位的磁場測量包括依次測量X、y和z方向的磁場；步驟2:當5個點位的三維磁場測量全部完成以後，就完成了一幀數據的測量，並返回步驟I進行下一次循環；每一個點位處的磁傳感器單方向的磁場測量過程為:A/D轉換開始前，單片機先輸出一個置位信號SET使傳感器獲得正向極化，接著啟動模數轉換器進行A/D轉換，為了防止隨機幹擾造成A/D轉換誤差，採用100個採樣值求平均值AVG1，接著單片機輸出一個復位信號RESET使磁傳感器獲得反向極化，然後啟動模數轉換器再獲得100個採樣值，並求得平均值AVG2，然後將兩次獲得的平均值AVGl和AVG2經過數值計算Vott = (AVGl+AVG2)/2，得到一個數值作為一個該單方向的磁場測量值；所述的和的單方向指x、y或z方向。試樣的尺寸:長800mm,寬85mm,中心孔直徑5mm,中段長度100mm,中段寬度75mm,中段與端部的過渡部分採用圓角，圓角的半徑為5mm ;拉伸速度為3-40mm/min,將採樣速度設置為每0.5秒米樣一次。實施例1:如圖10-15，整個硬體系統在一臺拉力試驗機上改造，採用上下位機結構:上位機由工業控制計算機系統組成，主要功能是進行拉伸過程的速度閉環控制、溫度場的熱紅外數據採集、磁感應強度場 的數據採集以及所有數據的顯示與保存。下位機由嵌入式(ARM)系統組成,主要完成數據採集及對上位機下傳的命令解釋執行。上、下位機採用USB接口連接。通過上位機設置液壓試驗系統的參數，並通過USB 口發送控制參數與控制指令給嵌入式控制系統，通過USB 口接收嵌入控制系統發出的各種採集數據，並顯示且保存；通過另一個USB 口定時接收紅外熱像儀送出的溫度場數據，並以溫度紅外圖像格式顯示，以圖像格式保存；上位機的功能為處理控制，以及處理數據文件:用戶可以在所有的採集數據中任意選擇四個採集量，並同時將4個採集量顯示在時間軸上，這樣就可以分析拉伸位移、溫度、磁感應強度以及拉伸速度之間的關係了。(程序實現部分為現有技術)嵌入式控制系統嵌入式控制系統作為下位機，在本系統中完成拉力、位移數據的採集並接收磁傳感器的數據一同傳輸給上位機的功能。同時上位機將這些數據接收後通過控制策略的運算生成的控制量再回傳給下機，下位機再控制液壓系統完成勻速拉伸動作。本系統採用了恩智浦(NXP)公司的基於ARM Cortex_M3內核的嵌入式微控制器LPC1765。該為控制器具有較強的運算能力和豐富的外設組件。具體針對本控制系統應用了如下功能: 片內12位的AD轉換，解析度及採樣速度滿足拉力採樣的需要。 正交編碼器接口可由硬體直接完成位移測量編碼器的解碼工作而不佔用處理器的運算資源。
^PWM輸出執行上位機的控制量，控制電液比例閥調整液壓以達到控制拉力的目的。.USB接口功能，取代了以往上下位機常用的串口通信方式。其優點是數據傳輸速度快、通用性強。特別適合沒有串口的筆記本電腦，方便現場調試。速度控制:為了研究方便，拉伸時速度控制範圍為每分鐘0_40mm，具體試驗速度由用戶在控制軟體界面設定，且要求是勻速拉伸，所以在正常拉伸時採用PID控制。但試驗發現:在拉伸的起始階段，由於比例閥及液壓系統的起動惰性，會造成這個階段控制控制精度很差，超調量很大，所以我們實際控制時，採用分段PID控制:當拉伸力小於50KN時，說明拉處於起始階段，這時由於比例閥的惰性，以及夾頭存在咬合過程，導致輸入明顯置後，所以，控制參數以比例參數為主，經過試驗採用第一套PID的控制參數(Kp = 100，Ti = 1000, Td = O),且對輸出增加限幅功能。當拉伸力大於50KN時，表明試件開始進入正常拉伸階段時，這時應該開始按設定的速度勻速拉伸，，這時，應該按採用第二套PID參數(Kp = 500，Ki = 100，Kd = 20)。當拉力開始下降時，表明拉伸處於塑性變形階段，這時採用第三套PID控制參數(Kp = 300, Ki = 1000, Kd = O)。經試驗,這種分段PID控制,可以有效保證在高聚物板材的整個拉伸過程中，始終能保持拉伸速度的一致性。試樣:材質:純聚氯乙烯(PVC)硬板厚度δ = 1 Qmm 拉力測量油缸中的油壓同時反映了拉伸力的大小。因此測得油缸中的油壓，即可獲得拉伸力的大小。在油缸底部開孔，安裝壓力傳感器以測量油缸中油壓。原WE-30型萬能材料試驗機的油缸活塞直徑為D = 140_，可算得油缸活塞的面積為:S = 31 (D/2)2 = 3.14Χ (0.14/2)2 = 0.015m2 (2.1)試驗機的最大載荷為30噸，約合300KN。則油缸內的最大壓強為:3 X 105/0.015 = 2 X IO7Pa = 20MPa (2.2)考慮過載的情況，本系統採用SM25Y01型應變式壓力傳感器，其最大量程為25MPa，滿足系統的要求。應變式傳感器由彈性元件及應變片組成，油壓使彈性元件產生變形，再用應變片將變形轉換為電信號輸出。傳感器結構簡圖如圖12(a)所示，通過傳感器測量油壓間接反映試驗時拉力的大小。傳感器結構形式為圓筒式。它是一個一端有盲孔的薄壁圓筒，盲孔深度為筒高的一半左右，孔端有螺紋可與油壓系統連接。圓孔的空心部分及實心部分的外壁上各粘貼有兩片應變片，敏感柵方向與軸線垂直，並按圖12(b)接成橋路。當內腔油壓增高時，薄壁圓筒產生腰鼓形變形，應變片R2及R4受拉伸，而Rl及R3不變，只起溫度補償作用。工作時，
a,b端接電源，則在c，d端的輸出電壓信號將正比與變形量成正比，因而也與壓力成正比。由於試驗機在工作過程中，油的溫度會升高，因此，傳感器應在一定溫度範圍內能穩定、正常工作。SM25Y01型應變式壓力傳感器主要性能指標如下:# 量程 25MPa
.溫度零漂彡 0.03% FS/°C.非線性度彡0.3% FS.滯後誤差彡0.3% FS.不重複性誤差彡0.15% FS.精度 0.3% FS總的來說，採用應變式壓力傳感器測量的優點是安裝使用方便，通用性強，特別是測量大負荷時，更顯得小巧簡便。其缺點是精度沒有負荷傳感器高，當活塞與油缸間的摩擦力較大時測力誤差比較大M。為了儘量減小壓力傳感器的測量誤差，需要在標定力值時儘量多取標定點，特別在小力值段。油壓信號實際測量的是壓強，根據試驗機的結構，拉力實際應為液壓油缸產生的壓力減去夾頭與油缸的自重，拉力F = kV-g，其中k與g為常數，g為夾頭與油缸的自重，K為與整個硬體系統有關的係數，V為壓力傳感器輸出的信號經過放大後的電壓值，k和g的求法:採用已經校準的拉力測試儀(非本發明的拉力測量裝置，而是標準的拉力測量儀器)實測2個不同的拉力值:F1和F2，再測得該兩個拉力值對應的電壓值Vl和V2，將這2組值代入F = kV-g,即可求得k和g。位移測量在試驗中，高聚物試件被拉伸大約30_80mm後將會發生斷裂。因此系統要求位移的測量範圍是O-1OOmm且解析度為0.1mm0雖然精度要求不是很高，但是一般的線性位移傳感器還是不能滿足要求。光柵尺雖然能滿足量程及測量精度的要求，但是在改造安裝上不太方便。因此本系統中採用光電編碼器來實現位移的測量。光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈衝或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器之一。光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置兩大部分組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形透光孔。檢測時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極體等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈衝信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈衝的個數就能反映出被測量的轉角或轉速。根據光刪盤的刻度方法及信號輸出形式，光電編碼器可分為增量式、絕對式以及混合式三種:(I)增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈衝A、B和Z相；A、B兩組脈衝相位差90度，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈衝，用於基準點定位。它的優點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗幹擾能力強，可靠性高，適合於長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。(2)絕對式編碼器是利用自然二進位或循環二進位(葛萊碼)方式進行光電轉換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在於圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。(3)混合式絕對值編碼器，它輸出兩組信息:一組信息用於檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。考慮到本系統只需要測量高聚 物的拉伸位移情況，因此在本系統中採用增量式編碼器即可。光電編碼器的安裝如圖13所示。支架安裝在下夾頭上，拉繩上端固定於上夾頭，重物自然下垂。當兩夾頭發生相對位移時，即可通過拉繩帶動光電編碼器旋轉測得。
光電編碼器選用HTR-3A-1000型光電編碼器[10]，其解析度可達1000脈衝/圈。光電編碼器輸出軸上安裝的滑輪經過精密加工得到其值徑D為15.92mm，則其周長L為:L= JiD = 3.14X15.92mm = 49.98_。因此該位移測量機構的解析度為:49.98mm/1000< 0.05mm滿足解析度大於0.1mm的設計要求。整個測量過程在工業控制計算機的協調下全自動完成，用戶只需要在安裝好試件後，點擊開始試驗，計算機就將同時採集所有數據，並以曲線形式適時顯示、保存，以便進一步研究各數據之間的關係。1、將PVC板材(即純聚氯乙烯硬質板)按圖14方式加工成試樣，並在正中心打一個直徑為5mm的圓孔；2、將試驗機的液壓油泵開關打開，當氣溫低於10°C時，需要預熱10分鐘後再開始試驗；打開控制系統電源；3、用控制軟體操作上、下夾頭移動，使上、下夾頭的距離約為620mm ；4、將試樣夾在上、下夾頭之間，並將試樣的中心孔與磁傳感器的中心齊；5、設置紅外熱釋儀(即紅外相機)，對準中心孔，通過USB 口連接紅外熱釋儀至控制計算機；6、設置拉伸速度為10mm/min,將米樣速度設置為每0.5秒米樣一次,然後開始拉伸；在溫度圖像窗口設置4個測溫點，在整個試驗過程中，這4個位置的溫度將作為典型溫度以溫度——時間方式顯示實時溫度曲線；7、點擊試驗開始，控制軟體將要求用戶輸入試件編號，這個編號也將是試驗數據保存的文件名，用戶 輸入編號後，控制系統將按設定參數開始試驗，拉伸過程中，嵌入式計算機按設置速度控制拉伸速度，按採樣速度採集所有的數據，並將位移、拉力兩組數據按採樣時間顯示在液壓曲線中；同時，也將採集整個過程中的溫度、磁感應強度等數據，以曲線圖形式顯示，並同時將所以採集數據保存8、當試件拉斷後，點擊試驗停止，則試驗完成；9、整個試驗過程中，可以點擊暫停、開始來控制試驗的暫停或重新開始試驗。3個多路開關的三個數字選擇端(即A、B、C)對應並聯即3個多路開關的A端並聯，3個多路開關的B端並聯，3個多路開關的C端並聯。74HC4051是8通道模擬多路選擇器/多路分配器，帶有3個數字選擇端(SO至S2，也即A、B、C端)，I個低有效使能端(E)，8個獨立輸入/輸出端(YO至Y7)和I個公共輸入/輸出端(Z)。E為低時，8個開關的其中之一將被SO至S2選中(低阻態)。E為高時，所有開關都進入高阻態，直接無視SO至S2。VCCl = 20V基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量裝置由五點傳感器測量板和多路數據採集板兩部分層疊而成，五點傳感器測量板傳感器布置如圖2所示，採用這種布置方案是根據PVC板材在拉伸過程中最大熱致磁場產生的位置確定的。即五個三維傳感器布置在聚合物板材在拉伸過程中最有可能出現磁場強度最大的位置；五點三維傳感器電原理框圖如圖1所示。圖中HMC2003(l-5)是由5個HMC2003組成的五點三維微弱磁場傳感器組，這是整個傳感器的核心單元，其排列方式如圖2所示；多路選擇器由三個74HC4051模擬多路開關組成，三個74HC4051模擬多路開關分別選通5個HMC2003的X，Y，Z三維輸出信號，進入模數轉換器的三個輸入端INO，INI，IN2，三個74HC4051模擬多路開關的選擇控制端A，B，C是並聯的，其選擇控制由單片機執行，單片機採用STC89C54RD+八位單片機，改變A，B, C的狀態，可以實現任意一個傳感器X，Y，Z信號的同時切換，即每一個傳感器X，Y，Z輸出信號是同時到達模數轉換器的，模數轉換器是ADS7825十六位A/D轉換器，有四個輸入端ΙΝΟ,ΙΝΙ，ΙΝ2，ΙΝ3，只要分時選通四個通道，就可以實現輸入模擬量的轉換，本系統選用INO，INI, ΙΝ2三個輸入端分別作為X，Y，Z三維微弱磁場的信號輸入端。磁滯效應消除外圍電路是為了消除在磁場測量過程中傳感器被磁化而降低測量靈敏度而設置的正反向極化脈衝產生電路，能夠產生正、反向峰值電流達4Α的瞬態尖峰脈衝，該脈衝作用於HMC2003內部的脈衝極化電路，實現巨磁電阻的瞬間極化，以提高巨磁電阻的測量靈敏度，正反向極化脈衝是由單片機發出的SET，RESET信號控制的。A/D轉換開始前，先輸出一個SET信號，使傳感器獲得正向極化，接著啟動A/D轉換器進行A/D轉換，為了防止隨機幹擾造成A/D轉換誤差，採用100個採樣值求平均值的方法進行數字濾波，接著單片機輸出一個RESET信號，使傳感器獲得反向極化，接著啟動A/D轉換器再進行100次A/D轉換，並求平均值，然後將兩次獲得的平均值經過數值計算VOUT =(AVGl+AVG2)/2得到一個數值作為一個測量值，當一個傳感器的三維信號全部處理完畢，則完成了一個點的三維磁場測量，當5個傳感器的三維磁場全部完成以後，就完成了一幀數據的測量。當單片機完成一幀數據採集以後，檢測串口通信有無上位機發來的數據請求信號，如果有上位機發來的請求信號，則按照約定格式將一幀數據發出，完成數據傳輸以後，單片機進入下一個採用周期。串口通信由專用通信器件MAX232構成。圖中HMC2003為三維高靈敏度磁場測量傳感器，5個HMC2003按照圖2所示排列，磁滯效應消除外圍電路與HMC2003內部脈衝消磁電路配合，完成巨磁電阻正反向極化，使傳感器具有最高測量靈敏度；數據採集板由多路選擇器，模數轉換器和單片機構成，多路開關為三維傳感器通道選擇開關，將5個三維傳感器的X，Y，Z分別分時選通至A/D轉換器ADS7825的三個輸入通道，ADS7825是16位A/D轉換器，單片機為8位STC單片機。HMC2003晶片內部包括三維巨磁電阻測量橋，橋路恆流供電電源，精密基準電壓源，三維精密儀表放大器，脈衝消磁電路和背景磁場對消線圈，它的作用是在零磁場狀態將微弱磁場的變化量轉化為輸出電壓的變化量，根據磁場與電壓的對應關係推算出微弱磁場的變化量值。其中三維巨磁電阻測量橋是測量微弱磁場的最基本單位，微弱磁場就是由巨磁電阻測量橋轉換為差分輸出電壓。橋路恆供電電源為三維磁場測量提供恆定的電流源，以減小電源波動對信號源的影響，降低了系統誤差。精密基準電壓源是為背景磁場對消線圈提供一個基準電壓。三維精密儀表放大器將微弱差分電壓信號放大輸出，以便於電壓信號的傳輸與轉換。脈衝消磁電路和磁滯效應外圍電路二者結合組成磁滯效應消除電路，使巨磁電阻測量橋始終處於無磁滯效應的最高靈敏狀態，用來消除磁滯效應對測量靈敏度的影響。背景磁場對消線圈電路和背景磁場外圍電路組成背景磁場消除電路，用來消除工作環境背景磁場，使傳感器實際工作於零磁場環境，實現微弱磁場的精密測量。
多路選擇器的作用是將5個測量點共15個單元測量傳感器輸出的模擬信號電壓傳輸到一個A/D轉換器，實現由一個A/D轉換器完成15路模擬信號的轉換。單片機作為系統控制單元，完成數據採集與各種功能的協調。GMR傳感器是一種測量磁場強度的元件，與很多其他器件不同的是，它直接測量磁場強度而並非感應磁場的變化速率，所以測量微弱磁場是十分方便的。GMR傳感器具有體積小、靈敏度高、線性範圍寬，使用溫度高、成本低等優點本設計中的巨磁電阻傳感器選用的是HMC2003，這類磁阻傳感器按4元件惠斯頓電橋配置，具有集成置位/復位帶，可降低溫度漂移效應、非線性誤差和由於高磁場的存在，導致的輸出信號的丟失。並且具有集成偏置帶，可消除硬鐵幹擾的影響。三維磁場傳感器HMC2003，可以測出微弱磁場的三維(X，y，z)方向。HMC2003外圍的放大電路為現有技術，在此不做詳細說明。背景磁場對消技術在巨磁電阻周圍通電線圈以及地磁場的影響下，巨磁電阻周圍有很強的背景磁場，背景磁場嚴重影響了巨磁電阻對微弱磁場的測量，為提高巨磁電阻傳感器檢測磁場微弱變化場的分辯力，在巨磁電阻上繞上一匝線圈，通過線圈給巨磁電阻傳感器一個大小相同、方向相反的「補償磁場」與背景磁場對消，使巨磁電阻工作於零磁場狀態。施加補償磁場消除背景磁場是通過偏置電流帶來進行補償的，偏置電流帶還可以驅動電流通過電流帶，精確地抵消測量磁場，這被稱作閉環結構。磁場偏置帶(偏置+和偏置_)能夠生成一個與正被測量的施加磁場相同方向的磁場。HMC2003的電流帶每通過50mA電流可提供IOe的磁場,HMC2003的電流帶每通過5mA電流可提供IOe的磁場。(空氣中I高斯=IOe)。偏置電流帶看起來像是一個在偏置+和偏置-引腳間的標稱電阻。偏置電流帶可以用作閉環電路內的反饋元件。利用電流反饋環路內的偏置電流帶可以測到期望值。若要達到此目的，要將電橋放大器的輸出端連接到驅動偏置電流帶的電流源。利用環路內的高增益和反向反饋。這將使磁阻橋路輸出為O (輸出+ =輸出_)。這種方法可以給出極佳的線性度和溫度特性，始終以平衡的電阻模式操作磁阻電橋。即，無論測量什麼樣的磁場，通過偏置電流帶的電流都會將之消除。電橋始終「看到」一個零磁場條件，用來消除施加磁場的合成電流是此磁場強度的一個直接試題，並且可以被轉換成磁場值。正向極化與反向極化消除磁滯效應大多數低磁場傳感器會受到大的磁場幹擾(> 4 20高斯)的影響，可能導致輸出信號的衰變。為了減少這種影響和最大化信號輸出，可以在磁阻電橋上應用磁開關切換技術，消除過去磁歷史的影響。置位/復位電流帶的目地就是把磁阻傳感器恢復到測量磁場的高靈敏度狀態。這可以通過將大電流脈動通過S/R電流帶實現。S/R電流帶看起來像加在SR+和SR-引腳之間的一個電阻。此電流帶與偏置電流帶不同，因為它是以垂直軸或不敏感的方向磁耦合到磁阻傳感器上的。一旦傳感器被置位(或復位)，可實現低噪音和高靈敏度的磁場測量。當磁阻傳感器暴露於幹擾磁場中，傳感器元件會分成若干方向隨機的磁區域，從而導致靈敏度衰減。峰值電流高於最低要求電流的脈衝電流(置位)通過置位/復位電流帶將生成一個強磁場，此磁場可以重新將磁區域對準統一到一個方向上，這樣將確保高靈敏度和可重複的讀數。反向脈衝(復位)可以以相反的方向旋轉磁區域的方向，並改變傳感器輸出的極性。如果不出現幹擾磁場，這種磁區域的狀態可以保持數年。晶片內的S/R應通過脈衝電流來重新對準，或「翻轉」傳感器內的磁區域。此脈寬可短至2微秒,連續脈衝時平均耗電小於ImA (DC)。可選定為每50ms有一個2 μ s脈寬的脈衝，或者更長，以節電。唯一的要求是每個脈衝只在一個方向上施加。即，如果+3.5A的脈衝被用來「置位」傳感器，則脈衝衰減不應低於O電流。任何負(低於額定電流)電流脈衝信號都會導致「無法置位」傳感器，並且不會得到最佳的靈敏度。利用S/R電流帶，可以消除或減少許多影響，包括:溫度漂移、非線性錯誤、交叉軸影響和由於高磁場的存在而導致信號輸出的丟失。三維微弱磁場的原理便是利用巨磁電阻阻值隨著磁場的變化而變化，而要測得電阻阻值的變化，可以給電阻一個特定的電流然後測其輸出電壓的變化，因為我們測的是電壓，所以電流最好是一個恆定值，如此才能不影響電壓與電阻之間的線性變化關係，而給電阻一個恆流源，便可避免電流受電阻變化的影響，從而避免了電源波動對信號源的影響.圖5是利用運算放大器組成的恆流源電路。因為理想的運算放大器輸入兩端電壓相等，而A點電壓不受影響，所以恆定，相應的B點電壓也恆定，所以明顯可得電流I。恆定輸出。電路中的場效應管起到一個固定壓降的作用。置位/復位脈衝電路(即磁滯效應消除電路)為了消除背景磁場，必須由外圍電路為磁場效應消除電路提供一個置位/復位脈衝，要求其波形圖如圖6所示。在本設計中的置位/和復位信號是由單片機控制輸出，然後要由外圍電路將其轉換為脈衝信號。如圖7所示就是利用IRF7106產生的置位/復位脈衝電路。IRF7106裡面有兩個場效應管，一個是N溝道增強型場效應管，一個是P溝道增強型場效應管，如圖7，當set端即圖中的set8為低電平時，三極體Q18截止，電容C81兩端都是高電平，IRF7106的4引腳也是高電平，s2和G2之間無電壓，所以D2端無電流輸出，當reset端即圖中的reset8為低電平時，si和Gl之間無電壓,所以Dl端也無電流輸出。綜上所述，因為當set端和reset端是低電平時，Dl端和D2端均無電流輸出，且set端和reset端是交替性的置位/復位，所以我們分析時只需要分析set端和reset端置高電平的那個場效應管。當set即圖中的set8置I時(高電平)，三極體Q18導通，電容C81的左端突變為低電平，在這突變的瞬間，電容C81還未充電，所以電容C81右端(IRF7106的4引腳)也是低電平，P溝道場效應管導通，D2端有反向電流輸出，當電容C81充電完畢時，IRF7106的4引腳又變為高電平，P溝道場效應管截止，無電流輸出，所以當set置I時，SR+8有反向脈衝電流輸出。當reset即圖中的reset8置I時(高電平)，N溝道場效應管導通，Dl端有正向電流輸出(假設為I)，又因為輸出端有電容C83，所以只有當電流從O跳變為I時，SR+8有正向脈衝電流輸出。
綜中所述，此電路滿足了磁滯效應消除電路對置位/復位脈衝的要求。磁場對消偏置電流控制電路設計
偏置電流帶的作用就是消除背景磁場，三維磁場傳感器中有三個巨磁電阻傳感器，在這裡只分析一個巨磁電阻傳感器的外圍電路。當直流電流在偏置電流帶內通過時偏置電流帶可以有多種工作模式。(I)平衡掉外部不需要的磁場。(2)將電橋偏置設置為零。(3)電橋輸出可驅動偏置電流帶來消除閉環迴路內的磁場。(4)接到命令時橋路增益可以系統內自動校準。特定大小的電流渡過偏置電流帶時偏置電流帶將產生一個與被測磁場方向相反的磁場，所以可以消除任何環境磁場。偏置電流帶每通過50m電流可提供IOe的磁場。基於以上偏置電流帶的特性，偏置帶可以用作閉環電路內的反饋元件。此種應用中，將電橋放大器的輸出端連接到偏置帶的驅動電流源上，利用一路內的高增益和負反饋使電橋的輸出為零。無論測量什麼樣的磁場，通過偏置電流帶的電流都會將之消除，電橋始終看到一個零磁場條件。這種方法具有很好的線性度和溫度特性。用來消除外部磁場的電流是此磁場的一個直接度量，而且可以直接轉換成磁場值。偏置電流帶還可以用來自動校準磁阻電橋，它對偶爾校對電橋增益或在大溫度擺範圍內作調整是非常有用的。可以在上電或正常操作期間的任何時候進行。其原理是:沿一線路取兩點，並確定該線的斜度，即增益。當電橋正在測量穩定的外部磁場時，輸出交保持恆定。記錄穩定磁場的讀數，記為Hl.此時施加特定電流通過偏置電流帶，然後記錄該讀數，記為H2。導致磁阻傳感器測量的磁場的變化稱之為施加磁場增量(AHa)，磁阻傳感器增益可如下計算: Gain = (H2-H1) / Δ Ha.
除了以上所述外，偏置電流帶還有許多其它用途，關鍵是外部環境磁場和偏置磁場可以簡單地相互疊加，被磁阻傳感器作為單一磁場進行測量。如圖8和圖9所示就是偏置電流帶的外圍電路，這兩個電壓跟隨器主要是起到緩衝隔離的作用。這兩個電壓跟隨器的輸出埠分別接到HMC2003背景磁場對消線圈的兩端Xoff+Ι與Xoff-1。其中一個電壓跟隨器輸入口接精密基準電壓源，另一個電壓跟隨器輸入由單片機進行控制，因為電壓跟隨器的主要作用便是緩衝隔離，所以背景磁場對消線圈兩端的電壓可以不受電路影響，如此便可以給巨磁電阻傳感器提供一個穩定的「補償磁場」。數據採集系統說明本設計主要完成傳感器及外圍電路設計，但傳感器檢驗必須有外圍電路的配合，而外圍電路的控制由單片機數據採集系統實現，為了說明單片機對傳感器的控制原理和工作時序，現對數據採集與控制部分進行簡要介紹，使設計的思路更加清晰明了。本設計中的數據採集系統是一個以單片機為核心的集控制、A/D轉換和通信的小系統。在數據採集系統中需要將模擬量轉換為數據量，而A/D是將模擬量轉換為數字量的器件，他需要考慮的指標有:解析度、轉換時間、轉換誤差等等。而單片機是該系統的基本的微處理系統，它完成數據讀取、處理及邏輯控制，數據傳輸等一系列的任務。在該系統中我們採用89C52系列的單片機。。
該數據採集電路圖包括以下三個部分。A/D模數轉換器在本設計中選用ADS7825作為模數轉換器。ADS7825是美國B-B公司生產的4通道，16位模數轉換器。它由單-5V電源供電，數據採樣及轉換時間不超過25 μ s，可輸入-1OV IOV的模擬電壓。A/D轉換後的數據可並行輸出，也可串行輸出，數據轉換模式還可設置為4通道間連續循環轉換，使用極其方便。使用ADS7825晶片時，將茂置0，然後給R/F腳加一下降沿即可以啟動AD轉換。此時，MU 腳的輸出保持低電平，直至數據轉換完畢且內部輸出寄存器的內容被更新。在此期間，ADS7825不再響應新的轉換命令。必須注意，在腳輸出為高電平前，R/C必須置為高電平，否則會導致數據尚未讀完，新的轉換就已開始，從而使數據丟失。由於ADS7825轉換的數據即可並行輸出，也可串行輸出，所以數據的讀取也須分並行和串行兩種方式來討論。本設計中是將PAR / @置為高電平，選用並行輸出方式，所以在數據讀取時將腳置低電平，即選中ADS7825晶片後，給R/C腳輸入一負脈衝，啟動AD轉換。ad轉換及數據鎖存時間為25μ S。檢測IIii 腳的輸出電平可以判斷數據轉換狀態，當狀態標誌位=0時，數據轉換仍在進行，此時不可讀取數據。BUBY =1時，表明數據轉換已結束且數據已進入輸出寄存器，此時方可讀取數據。令並行數據輸出選擇位BYTE=0，即可讀出高8位數據，BYTE = 1，讀出低8位數據。模擬信號分別從INO、INK IN2引腳輸入，由ADRO、ADRl和CONTC引腳確認轉換的方式和地址，當CONTC = I時，選擇連續轉換模式，當石、Λ/石和PWRD端均為低電平時，AD轉換和讀數將在INO IN3四個通道間連續循環進行。當^F在本次轉換結束轉為高電平後，AO和Al腳將輸出下次採樣所用的通道地址，究竟從哪個輸入通道開始進行循環轉換，取決於CONTC置為高電平之前，AO和Al腳的輸入值。AO和Al腳的輸出和被採樣通道之間的關係如表5.1.1所列。

CONTC置為低電平時，採用間歇轉換模式。AO和Al腳作為輸入端，其輸入值和採樣通道關係如表5.1.2所列本設計中，ADRO、ADRl、CONTC, BUSY引腳都是由單片機輸出信號控制，所以它的轉換方式應該也是由單片機來控制。表5.1.1連續轉換時的通道選擇
ΓΤ1K次採樣通
Al ft裾有效通道說_
O道
00 kmAm ' Μ/sr腳的輸出由----
U^__髓.鳩帳
_J—^0 Am__AIX2 時,AO和Al腳的輸出
1IAIX2AIX3 將行動史改表5.1.2間歇轉換時的通道選擇
權利要求
1.一種熱致磁效應多場稱合綜合測試方法，其特徵在於，將試樣夾裝在液壓拉伸試驗機的上夾頭和下夾頭之間；試樣的中心部位開有一孔；採用上位機和下位機的模式實施綜合檢測,其中上位機連接紅外相機以檢測試樣的溫度變化場；紅外相機的鏡頭正對試樣正面的中部；上位機與作為下位機的控制器通信連接， 控制器分別通過三維磁場測量裝置、拉力測量裝置和位移測量裝置分別檢測試樣在拉伸過程中的三維磁場、液壓拉伸試驗機的上夾頭施加給試樣的拉力以及上夾頭的位移量；三維磁場測量裝置的檢測板位於試樣的後側；控制器還通過液壓控制裝置控制液壓拉伸試驗機的上夾頭動作； 測試過程為: 啟動液壓拉伸試驗機使得上壓頭對試樣施加拉力，並控制上壓頭施加的拉力大小及上拉頭的上升速度，由上位機同步啟動紅外相機、三維磁場測量裝置、拉力測量裝置和位移測量裝置以實時採集試樣在拉伸過程中的溫度場、多點位的三維磁場、液壓拉伸試驗機的上夾頭施加給試樣的拉力以及上夾頭的位移量； 最終獲得在試樣被拉伸過程中的溫度場和磁場的同步變化數據。
2.根據權利要求1所述的熱致磁效應多場耦合綜合測試方法，其特徵在於，採用分段式PID控制策略控制拉伸速度； (1)當拉伸力小於50KN 時，PID 參數為 Kp = 100，Ti = 1000，Td = O ； (2)當拉力大於或等於50KN時，PID參數為Kp= 500，Ki = 100，Kd = 20 ； (3)當拉力開始下降時，PID參數為Kp= 300，Ki = 1000, Kd = O ； 所述的分段式PID控制策略對應閉環控制系統，通過控制液壓系統的比例控制閥以控制液壓油的流量，最終控制拉伸速度；控制器的輸出為與液壓系統的流量成比例的電壓值；反饋量為位移測量裝置採集的拉伸位移量；閉環控制系統的給定為預設拉伸速度值。
3.根據權利要求1或2所述的熱致磁效應多場耦合綜合測試方法，其特徵在於，採用基於熱致磁效應的多場耦合綜合測試系統實施綜合測試； 所述的基於熱致磁效應的多場耦合綜合測試系統包括液壓拉伸試驗機、溫度測量裝置、三維磁場測量裝置、拉力測量裝置、位移測量裝置、液壓控制裝置、控制器和上位機；溫度測量裝置為基於紅外相 機的測溫裝置；溫度測量裝置與上位機(即工控機)連接；紅外相機的鏡頭正對試樣正面的中部； 三維磁場測量裝置、拉力測量裝置、位移測量裝置和液壓控制裝置均與控制器連接； 由液壓拉伸試驗機夾持住試條板狀的試樣並對試樣上端施加拉力使得試樣產生形變； 紅外相機的鏡頭正對試樣的正面以測量試樣的實時溫度數據； 三維磁場測量裝置設置在背面以檢查試樣在被拉伸的過程中產生的實時三維磁場數據； 液壓控制裝置驅動液壓拉伸試驗機； 拉力測量裝置和位移測量裝置分別檢測液壓拉伸試驗機對試樣施加的拉力以及液壓拉伸試驗機的上夾持部產生的實時位移； 控制器與上位機通信連接； 上位機控制液壓拉伸試驗機、溫度測量裝置和三維磁場測量裝置同時啟動，並由上位機同步收集實時數據，所述的實時數據包括:實時溫度數據、三維磁場數據、拉力及液壓拉伸試驗機的上夾持部產生的實時位移數據。
4.根據權利要求3所述的熱致磁效應多場耦合綜合測試方法，其特徵在於，拉力測量裝置通過應變式壓力傳感器測量液壓拉伸試驗的油缸中油壓以間接測量夾持部對試樣的拉力；應變式壓力傳感器為圓筒式結構，應變式壓力傳感器主體為一個帶有一個軸向盲孔的圓筒，圓筒的開口端設有用於連接油缸的外螺紋；圓筒的外壁上設有4片應變片:R1 R4 ;其中Rl和R2在設置在圓筒外壁的一側，R3和R4設置在圓筒外壁的相對的另一側；且Rl和R3橫向平齊並位於圓筒的實心段(非盲孔段)的外側，R2和R4橫向平齊並位於圓筒的盲孔段外側，橫向指圓筒的徑向； Rl R4連接成橋式檢測電路:即Rl和R4依次串聯後與直流電源並接；R2和R3依次串聯後與直流電源並接，Rl與R4的連接點即為c點，R2與R3的連接點即為d點，c點和d點間的電壓即為傳感器的輸出電壓，該輸出電壓即反映了拉力測量裝置需要檢測的壓力；位移測量裝置為基於增量式編碼器的位移測量裝置，包括支架(4)、定滑輪(5)、光電編碼器同軸滑輪(2)、拉繩(I)和重物￠);支架(4)固定在下夾頭上，定滑輪(5)和光電編碼器同軸滑輪(2)均安裝在支架(4)上；拉繩(I)的上端固定在液壓拉伸試驗機的上夾頭上，拉繩(I)的下端吊裝有所述的重物￠)，且重物￠)自然下垂；拉伸(I)的中段繞過光電編碼器同軸滑輪和定滑輪；光電編碼器同軸滑輪作為定滑輪安裝；光電編碼器軸(3)輸出反映位移量的脈衝信號； 所述的三維磁場測量裝置為五點位三維磁場測量裝置，包括單片機、磁傳感器、多路選擇器、模數轉換器、磁滯效應消除電路和串口通信電路； 所述的磁傳感器為5個，對稱設置於PCB正面的5個點位上，且其中的4個設置在PCB板的四角處，另一個設置在PCB板的中央；每一個磁傳感器具有3個信號輸出通道，分別輸出X、Y、Z三個方向的磁感應信號； 磁傳感器依次通過多路選擇器和模數轉換器與單片機的輸入接口連接；多路選擇器的通道選擇端接單片機的輸出埠； 磁滯效應消除電路的兩個輸入端分別接單片機的復位端和置位端(set8和resets)；復位端和置位端均為單片機的IO埠 ；磁滯效應消除電路的輸出端與磁傳感器中的脈衝極化電路相連； 單片機通過所述的串口通信電路與上位機連接； 所述的磁傳感器採用HMC2003晶片，所述的多路選擇器包括3個多路開關:即第一多路開關、第二多路開關和第三多路開關，模擬多路開關採用具有8路信號輸入通道和I個信號輸出通道的74HC4051晶片；模數轉換器採用十六位的ADS7825晶片；ADS7825晶片具有四個模擬信號輸入端； 5個磁傳感器的X信號輸出通道分別與第一多路開關的5個信號輸入通道相接； 5個磁傳感器的Y信號輸出通道分別與第二多路開關的5個信號輸入通道相接； 5個磁傳感器的Z信號輸出通道分別與第三多路開關的5個信號輸入通道相接； 3個多路開關的3個信號輸出通道分別與模數轉換器的3個模擬信號輸入端相接； 3個多路開關的三個數字選擇端對應並聯； 磁滯效應消除電路為基於功率MOSFET管的脈衝產生電路，功率MOSFET管採用IRF7106-H-* I I心片； IRF7106晶片的5-8腳短接後通過第一電容(C83)與磁傳感器中的脈衝極化電路相接； IRF7106晶片的I腳和3腳分別接地和直流電源正端VCCl ； IRF7106晶片的2腳(Gl)接所述的復位端(reset8)； 單片機的另一個IO埠作為置位端(set8)，置位端(set8)通過第一電阻(R81)接NPN型的三極體(Q18)的基極；三極體(Q18)的射極接地，三極體(Q18)的集電極通過第二電阻(R82)接VCCl ;三極體(Q18)的集電極還通過第二電容(C81)接IRF7106晶片的4腳(G2端)；IRF7106晶片的4腳與VCCl之間接有第三電阻(R83) ；VCC1與地之間接有第三電容(C82)； 串口通信電路採用專用通信器件MAX232，單片機採用STC89C54RD晶片； 所述的基於熱致磁效應的多場耦合綜合測試系統還包括一體式的控制櫃，所述的控制櫃內集成有所述的上位機和控制器，所述的上位機為工控機，所述的控制器為ARM嵌入式控制系統，控制櫃的頂部設有連接工控機的顯示器，控制櫃內設有推拉式的鍵盤板，鍵盤板上設有連接工控機的鍵盤和滑鼠；控制櫃的底部設有液壓控制裝置和液壓泵ARM嵌入式控制系統具有用於連接三維磁場測量裝置、拉力測量裝置、位移測量裝置和液壓控制裝置的接口，工控機上設有連接溫度測量裝置的USB接口。
5.根據權利要求4所述的熱致磁效應多場耦合綜合測試方法，其特徵在於，控制器通過三維磁場測量裝置檢測三維磁場的方法如下: 在檢測區域的5個點位分別設置5個能輸出三維磁感應信號的磁傳感器；磁傳感器輸出的15路信號經多路選擇器選擇後，每一米樣周期內輸出一個磁傳感器的三維磁感應信號，再通過模數轉換器形成數位訊號送入單片機中；最後由單片機對採集的所有數據處理後上傳至上位機，完成三維磁場的測量； 在所述的測量過程中，單片機通過磁滯效應消除電路產生正反向極化脈衝並輸出給磁傳感器，以消除在磁場測量過程中磁傳感器被磁化；測量步驟為: 步驟1:依次循環完成對5個點位的磁場測量； 每一個點位的磁場測量包括依次測量X、y和z方向的磁場； 步驟2:當5個點位的三維磁場測量全部完成以後，就完成了一幀數據的測量，並返回步驟I進行下一次循環； 每一個點位處的磁傳感器單方向的磁場測量過程為: A/D轉換開始前，單片機先輸出一個置位信號SET使傳感器獲得正向極化，接著啟動模數轉換器進行A/D轉換，為了防止隨機幹擾造成A/D轉換誤差，採用100個採樣值求平均值AVG1，接著單片機輸出一個復位信號RESET使磁傳感器獲得反向極化，然後啟動模數轉換器再獲得100個採樣值，並求得平均值AVG2，然後將兩次獲得的平均值AVGl和AVG2經過數值計算Vtm = (AVGl+AVG2)/2，得到一個數值作為一個該單方向的磁場測量值； 所述的和的單方向指X、y或z方向。
6.根據權利要求5所述的熱致磁效應多場耦合綜合測試方法，其特徵在於，試樣的尺寸:長800mm,寬85mm,中心孔直徑5mm,中段長度100mm,中段寬度75mm,中段與端部的過渡部分採用圓角，圓角的半徑為5_ ;拉伸速度為3-40mm/min,將採樣速度設置為每0.5秒採樣一次。
全文摘要
本發明公開了一種熱致磁效應多場耦合綜合測試方法，採用上位機和下位機的模式實施綜合檢測，其中上位機連接紅外相機以檢測試樣的溫度變化場；控制器分別通過三維磁場測量裝置、拉力測量裝置和位移測量裝置分別檢測試樣在拉伸過程中的三維磁場、液壓拉伸試驗機的上夾頭施加給試樣的拉力以及上夾頭的位移量。該熱致磁效應多場耦合綜合測試方法集成了三維磁場、溫度和壓力\位移的測量模塊，能實現多個物理量的同步、綜合採集，且自動化程度高。本發明集成度高，控制精度高，易於操控，能實現溫度-拉力-磁感應強度的同步、綜合測量，是一種全新的測試方法，為科學精確研究多場耦合條件下的熱致磁效應提供了基礎。
文檔編號G01N27/72GK103196988SQ20131013157
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月16日 優先權日2013年4月16日
發明者羅迎社, 陳勝銘, 羅樹凌, 鄧瑞基, 鄧彪, 李卉, 張永忠, 任嘉 申請人:中南林業科技大學