專利名稱：非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料研究與測(cè)量領(lǐng)域，具體是一種非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤 測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
含缺陷流變物體在外載荷作用下會(huì)出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展過(guò)程，其中所說(shuō)的含缺陷 流變物體是指其內(nèi)部含有微孔洞、微裂紋或其它缺陷的物體。這類物體受到外 載荷(如拉應(yīng)力)作用時(shí)，其內(nèi)部缺陷會(huì)隨著拉應(yīng)力的增加而不斷擴(kuò)展。隨著 塑性變形的增加和變形熱的產(chǎn)生，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中將伴隨一微弱熱致磁效應(yīng)。 即使象聚合物這樣的非鐵磁體材料也是如此，只是此效應(yīng)的大小不同、及剩磁 保留的時(shí)間長(zhǎng)短不同而已?，F(xiàn)有研究主要是針對(duì)硬磁材料(又稱永磁材料或恒 磁材料)或軟磁材料在外加電磁場(chǎng)作用下的物理力學(xué)性能等展開的研究，主要 研究這些鐵磁材料或鐵氧體材料的磁致伸縮現(xiàn)象。未見(jiàn)對(duì)高聚物這類非鐵磁材 料在廣義外載荷作用下所產(chǎn)生的熱致磁效應(yīng)進(jìn)行跟蹤測(cè)量的報(bào)道。當(dāng)前，袁龍 蔚從理論上研究了含缺陷流變性材料裂尖斷裂過(guò)程區(qū)的熱力學(xué)性和電磁性，指 出材料的破壞過(guò)程不是純粹的力學(xué)過(guò)程，認(rèn)為熱傳導(dǎo)方程應(yīng)包括電磁場(chǎng)的貢獻(xiàn)， 并且導(dǎo)出了電磁能通量矢量的整體動(dòng)量平衡和能量平衡方程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是基于現(xiàn)有技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一種非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤測(cè)量
系統(tǒng)及其測(cè)量方法，對(duì)含缺陷PVC板材破壞過(guò)程中裂紋尖端熱致磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)
行了跟蹤測(cè)量，驗(yàn)證了熱致磁效應(yīng)的理論，為含缺陷流變性物體的材料破壞機(jī) 理研究提供了新的測(cè)試方法和手段。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是 一種非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值 軌跡跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，包括傳感器組、位置伺服機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、單片機(jī)控 制器，所述傳感器組包括在檢測(cè)平面上呈"十"字型排列的五個(gè)線性霍爾傳感 器、與線性霍爾傳感器連接的超低漂移運(yùn)算放大器，和與超低漂移運(yùn)算放大器 連接的模擬多路開關(guān)；所述位置伺服機(jī)構(gòu)包括X軸伺服機(jī)構(gòu)、Y軸伺服機(jī)構(gòu)， 且均連接有步進(jìn)電機(jī)；其中傳感器組接入單片機(jī)控制器，單片機(jī)控制器的信號(hào)
輸出端接入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸入端，最后步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出端 接入與傳感器組連接的位置伺服機(jī)構(gòu)。
進(jìn)一步的，所述單片機(jī)控制器和傳感器組之間安裝有電平轉(zhuǎn)換電路、且有 鍵盤操作系統(tǒng)與所述單片機(jī)控制器雙向連接。
另外，本發(fā)明還提供一種與上述系統(tǒng)相應(yīng)的非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤測(cè)
量方法，根據(jù)探測(cè)試件得出的磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值和X-Y位置增量，繪制出裂紋
擴(kuò)展路徑以及磁感應(yīng)強(qiáng)度與裂紋位置之間的關(guān)系曲線，并記錄下材料受拉過(guò)程 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)而建立載荷與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，所述磁感應(yīng)強(qiáng)
度的峰值和X-Y位置增量的測(cè)量方法為采用傳感器探測(cè)出試件的X-Y平面內(nèi) 5個(gè)樣點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，其中X-Y平面內(nèi)5個(gè)樣點(diǎn)為十字型排列，比較上下和 左右對(duì)稱的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，判斷是否為峰值位置，根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度的偏差信 號(hào)相應(yīng)的控制傳感器向峰值位置移動(dòng)，并記錄下磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值和X-Y位置 增量。
本發(fā)明所述非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，可以得出， 該磁場(chǎng)成一定梯度分布，其峰值位置大約位于裂紋前端附近，且磁感應(yīng)強(qiáng)度隨 裂紋擴(kuò)展而加強(qiáng)，準(zhǔn)確地跟蹤其峰值位置，同時(shí)能記錄此峰值位置的X-Y坐標(biāo) 值，并測(cè)量出峰值位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度，建立裂紋擴(kuò)展與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系， 為含缺陷流變性物體的材料破壞機(jī)理研究提供測(cè)試手段；并且所述非勻強(qiáng)變磁
場(chǎng)峰值軌跡跟蹤測(cè)量系統(tǒng)靈敏性、穩(wěn)定度高，所述非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤
測(cè)量方法的測(cè)量準(zhǔn)確度高和跟蹤準(zhǔn)確性好。
以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明工作原理進(jìn)行詳細(xì)描述


圖1為非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖； 圖3為本發(fā)明中線性霍爾傳感器的電原理圖； 圖4為本發(fā)明中五個(gè)線性霍爾傳感器的排列圖； 圖5為磁感應(yīng)強(qiáng)度分布示意圖6為實(shí)施例中線性霍爾傳感器SS495的輸出特性圖。
在附圖中
l-線性霍爾傳感器 2-超低漂移運(yùn)算放大器 3-模擬多路開關(guān) 4-步進(jìn)電機(jī) 5-Y軸伺服機(jī)構(gòu) 6-X軸伺服機(jī)構(gòu)
7-步進(jìn)電機(jī)
io-單片機(jī)控制器
13-位置伺服機(jī)構(gòu)
8-鍵盤操作系統(tǒng) 11-電平轉(zhuǎn)換電路
9-步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 12-試件
具體實(shí)施例方式
一個(gè)非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖l所示，包括傳感
器組、位置伺服機(jī)構(gòu)13、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9、單片機(jī)控制器IO，其中傳感器組 包括線性霍爾傳感器1、與線性霍爾傳感器1連接的超低漂移運(yùn)算放大器2、與 超低漂移運(yùn)算放大器2連接的模擬多路開關(guān)3;所述位置伺服機(jī)構(gòu)13包括均連 接有步進(jìn)電機(jī)4、 7的X軸伺服機(jī)構(gòu)5、 Y軸伺服機(jī)構(gòu)6;且傳感器組接入單片機(jī)控制器10，單片機(jī)控制器10的信號(hào)輸出端接入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9的信號(hào)輸 入端，最后步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9的信號(hào)輸出端接入與傳感器組連接的位置伺服機(jī)
構(gòu)13。圖中高靈敏度線性霍爾傳感器1采用SS495，超低漂移運(yùn)算放大器2采 用0P77線性放大器，模擬多路開關(guān)3采用MAX395, Y軸步進(jìn)電機(jī)4和X軸步進(jìn) 電機(jī)7采用BF70反應(yīng)式歩進(jìn)電機(jī)，X軸伺服機(jī)構(gòu)5和Y軸伺服機(jī)構(gòu)6為絲桿、 螺母推動(dòng)的軌道。圖2中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9為美國(guó)SHAPH0N CO. LTD監(jiān)制的 DC24~40V/3AA的驅(qū)動(dòng)器。單片機(jī)控制器10由AT89C51和A/D轉(zhuǎn)換器組成，操 作鍵盤8為一個(gè)自定義4X4矩陣式鍵盤。由于SS495內(nèi)部帶有高靈敏度的放大 器，結(jié)合外加的低漂移放大器，其探測(cè)靈敏度很高，適合聚合物破壞過(guò)程中微 弱熱致磁場(chǎng)的探測(cè)，且由于SS495內(nèi)部帶有溫度補(bǔ)償以及0P77為超低漂移運(yùn)算 放大器，其穩(wěn)定度高。
當(dāng)試件12受拉應(yīng)力作用^致內(nèi)部微缺陷擴(kuò)展時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生一微弱熱致磁 場(chǎng)，傳感器組探測(cè)試件12的X-Y平面內(nèi)5個(gè)樣點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，經(jīng)單片機(jī)控 制器10進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理后發(fā)出的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)4和7，帶動(dòng)Y 軸伺服機(jī)構(gòu)5和X軸伺服機(jī)構(gòu)6，使由高靈敏度的線性霍爾傳感器1，超低漂移 運(yùn)算放大器2，模擬多路開關(guān)3組成的傳感器組向峰值位置移動(dòng)，同時(shí)記錄下 磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值和X-Y位置增量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，就可以繪制出裂紋擴(kuò)展路徑 以及磁感應(yīng)強(qiáng)度與裂紋位置之間的關(guān)系曲線。通過(guò)液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)自身 攜帶的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線繪制系統(tǒng)，記錄下材料受拉過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線， 進(jìn)而建立載荷與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線。
其中由于裂紋擴(kuò)展方向與速度具有隨機(jī)性，機(jī)械伺服機(jī)構(gòu)的慣性較大，不 可能用一片hall傳感器通過(guò)移動(dòng)位置來(lái)探測(cè)磁場(chǎng)的峰值位置，并進(jìn)行跟蹤測(cè) 量，因此，所述傳感器組中共包括5片hall傳感器和超低漂移運(yùn)算放大器。傳
感器電原理圖如圖3所示，由于需探測(cè)的磁場(chǎng)很弱，為滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)
電平的要求，相應(yīng)的使用5片超低漂移運(yùn)算放大器2作二次放大，再經(jīng)模擬多 路開關(guān)3，輸入單片機(jī)控制器10中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
其中磁場(chǎng)峰值位置探測(cè)具體方法如下所述
傳感器組件中五片hall傳感器排列如圖4所示，其中l(wèi)、 2、 3號(hào)hall傳 感器用于探測(cè)X方向磁感應(yīng)強(qiáng)度的三個(gè)樣點(diǎn)值，4、 2、 5號(hào)hall傳感器用于探 測(cè)Y方向磁感應(yīng)強(qiáng)度的三個(gè)樣點(diǎn)值，裂紋處的磁場(chǎng)分布示意圖如圖5所示。由 圖5可知磁場(chǎng)上下對(duì)稱。若微孔洞或微裂紋處于拉伸試件中心位置，左右也 將對(duì)稱。若以裂紋尖端前磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值位置為中心，則左右兩邊的熱致磁感 應(yīng)強(qiáng)度將不會(huì)對(duì)稱，但其峰值還是比較明顯的，這就決定了進(jìn)行峰值跟蹤探測(cè) 的可行性。
下面以Y方向跟蹤為例，說(shuō)明跟蹤探測(cè)方法
由圖5可知，當(dāng)V4二V5時(shí)，則V2位于磁場(chǎng)Y方向的峰值位置，不必移動(dòng)傳 感器；當(dāng)V4〉V5時(shí)，磁場(chǎng)Y方向的峰值偏于傳感器的下方，傳感器應(yīng)向下偏移； 當(dāng)V4〈V5時(shí)，傳感器應(yīng)向上移動(dòng)，才能使V2對(duì)準(zhǔn)Y方向的磁場(chǎng)峰值。移動(dòng)的距 離與偏差的程度有關(guān)，為了減化運(yùn)算，采用逐次逼近法進(jìn)行跟蹤，每次步進(jìn)電
機(jī)的運(yùn)行步數(shù)由下式給出
"=/t|r4-F5| ， 與上次運(yùn)行方向相同；
"=yfc|r4-K5| + ，與上次運(yùn)行方向相反。
為消除絲桿間隙而加的修正值，實(shí)際移動(dòng)的距離為
j = h ， 與上次運(yùn)行方向相同； } = ，與上次運(yùn)行方向相反。
實(shí)踐證明，運(yùn)行兩次就可達(dá)到較高的跟蹤精度。X方向的跟蹤方法與上述Y 方向跟蹤方法相同。
hall傳感器SS495的輸出特性如圖6所示，輸出特性的線性度較好，經(jīng)實(shí) 測(cè)，同一批產(chǎn)品中不同元件^。值略有不同，必須加以修正，才能保證跟蹤準(zhǔn)確，
因此，需要進(jìn)行傳感器輸出電壓零點(diǎn)偏差的校正，將傳感器置于零磁場(chǎng)環(huán)境中， 啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)每片hall傳感器輸出進(jìn)行采樣，并將其值r^ r^保存
為零點(diǎn)校正值，K ^經(jīng)零點(diǎn)校正后，再計(jì)算偏差值。進(jìn)行伺服機(jī)構(gòu)傳動(dòng)間隙
的校準(zhǔn)，消除了傳動(dòng)間隙對(duì)X-Y坐標(biāo)所造成的誤差，且每一個(gè)hall傳感器輸出
信號(hào)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)校正，所有傳感器輸出一致性好，能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，準(zhǔn)確度高。
權(quán)利要求
1、一種非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，包括傳感器組、位置伺服機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、單片機(jī)控制器，其特征在于，所述傳感器組包括在檢測(cè)平面上呈“十”字型排列的五個(gè)線性霍爾傳感器、與線性霍爾傳感器連接的超低漂移運(yùn)算放大器，和與超低漂移運(yùn)算放大器連接的模擬多路開關(guān)；所述位置伺服機(jī)構(gòu)包括X軸伺服機(jī)構(gòu)、Y軸伺服機(jī)構(gòu)，且均連接有步進(jìn)電機(jī)；其中傳感器組接入單片機(jī)控制器，單片機(jī)控制器的信號(hào)輸出端接入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸入端，最后步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出端接入與傳感器組連接的位置伺服機(jī)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于， 所述單片機(jī)控制器和傳感器組之間安裝有電平轉(zhuǎn)換電路、且有鍵盤操作系統(tǒng)與 所述單片機(jī)控制器雙向連接。
3、 一種非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤測(cè)量方法，根據(jù)探測(cè)試件得出的磁感應(yīng) 強(qiáng)度的峰值和X-Y位置增量，繪制出裂紋擴(kuò)展路徑以及磁感應(yīng)強(qiáng)度與裂紋位置 之間的關(guān)系曲線，并記錄下材料受拉過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，建立載荷與磁感應(yīng) 強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，其特征在于，所述磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值和X-Y位置增量的 測(cè)量方法為采用傳感器探測(cè)出試件的X-Y平面內(nèi)5個(gè)樣點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，其 中X-Y平面內(nèi)5個(gè)樣點(diǎn)為十字型排列，比較上下和左右對(duì)稱的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小 后，判斷是否為峰值位置，根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度的偏差信號(hào)相應(yīng)控制傳感器向峰值 位置移動(dòng)，并記錄下磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值和X-Y位置增量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，包括傳感器組、位置伺服機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、單片機(jī)控制器，其中傳感器組中有五個(gè)線性霍爾傳感器，在檢測(cè)平面上呈“十”字型排列。本發(fā)明還公開了一種非勻強(qiáng)變磁場(chǎng)峰值軌跡跟蹤測(cè)量方法，hall傳感器探測(cè)出試件的X-Y平面內(nèi)5個(gè)樣點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度的偏差信號(hào)相應(yīng)的控制傳感器向峰值位置移動(dòng)，并記錄下磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值和X-Y位置增量，繪制出裂紋擴(kuò)展路徑以及磁感應(yīng)強(qiáng)度與裂紋位置之間的關(guān)系曲線，并記錄下材料受拉過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)而建立載荷與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線。本發(fā)明為含缺陷流變性物體的材料破壞機(jī)理研究提供了新的測(cè)試方法和手段。
文檔編號(hào)G01N33/00GK101187659SQ20071019269
公開日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者粟建新, 羅迎社, 鄧旭華, 陳勝銘 申請(qǐng)人:中南林業(yè)科技大學(xué)