基于ARM的鋼鐵材料裂紋電磁無損檢測電路設(shè)計及研究-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于ARM的鋼鐵材料裂紋電磁無損檢測電路設(shè)計及研究-設(shè)計應(yīng)用引言

鋼材是關(guān)系到國計民生的重要大宗商品。鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，它涉及面廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、消費拉動大，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展、財政稅收、國防建設(shè)以及穩(wěn)定就業(yè)等方面發(fā)揮著重要作用。所以，鋼材的質(zhì)量很是重要。目前，鋼鐵材料質(zhì)量檢查和故障診斷的智能化和自動化的研究成為無損檢測技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方向。然而現(xiàn)有的電磁無損檢測儀器對于鋼鐵材料裂紋質(zhì)量檢測還存在許多難題，因而研發(fā)高效、智能和快速的檢測儀器仍然是這一領(lǐng)域的亮點。本文將ARM技術(shù)應(yīng)用于電磁無損檢測電路設(shè)計中，一種新的有效的快速檢測方式。

1初始磁導(dǎo)率法的檢測原理

初始磁導(dǎo)率法是基于電磁無損檢測方法檢測鋼鐵的材質(zhì)，因其非破壞性、簡便、快速及可實現(xiàn)100%逐件檢測等優(yōu)點，在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。初始幅值磁導(dǎo)率法檢測的原理如圖1所示，當(dāng)一個空心的磁化線圈中通以交流激磁電流之后，線圈內(nèi)產(chǎn)生一個軸向的磁場強度Hp。被測的鐵磁性工件放入該線圈時，在交變磁場的作用下鋼鐵件被交變磁化，從而大大增加原來的磁場強度Hp。但同時，由于非無限長工件的退磁場強度和鋼鐵件中感應(yīng)出的渦流產(chǎn)生的附加交變磁場，兩者之和Hs又總是削弱原外加磁場Hp。因此，為了處理方便引入了有效磁導(dǎo)率μeff。這樣，用一組測量線圈同軸繞制于激磁線圈上時，必然在測量線圈上產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢E。

初始磁導(dǎo)率是鋼鐵材料的磁化曲線在原點處的斜率，即磁感應(yīng)強度隨磁場強度線性增加范圍內(nèi)的磁導(dǎo)率在此磁場范圍內(nèi)，工件磁化后無剩磁。而裂紋、內(nèi)裂等損傷是由于鋼鐵材料在生產(chǎn)和加工過程中受熱應(yīng)力和組織應(yīng)力等因素造成的，根據(jù)應(yīng)力理論，鋼鐵材料的應(yīng)力越大，其初始磁導(dǎo)率下降越大。

2系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要由激勵部分、傳感器部分、信號處理部分和系統(tǒng)控制部分組成。其中系統(tǒng)控制部分包括控制器件S3C2440A芯片、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器件、液晶顯示、鍵盤和聲光報警6部分。設(shè)計的系統(tǒng)總體框圖如2圖所示。

3系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

3.1激勵部分

本設(shè)計的激勵方波采用S3C2440A控制芯片的PWM功能的定時器產(chǎn)生，激勵方波的頻率與占空比是通過軟件編程對PWM進(jìn)行配置，由于從S3C2440A控制芯片的I/O口輸出的是3.3V電壓，為了提高激勵方波電壓值，可在經(jīng)過電壓補償電路后提高達(dá)到±5V電壓。將處理器的J7引腳（TOUT2）配置成PWM輸出，然后將輸出的信號經(jīng)過模擬電路處理得到需要的方波激勵信號。

3.2傳感器部分

傳感器部分由激勵線圈和檢測線圈組成，采用自比較式的差動設(shè)計，用2個線圈同時在鋼鐵試樣上實施檢測。鋼鐵器件檢測的相鄰部位的材料物理性能與幾何參數(shù)等通常都相差較小，對在鋼鐵材料上勻速水平移動的傳感器的干擾一般較小。設(shè)計中，選用初始磁導(dǎo)率較高的U型錳鋅鐵氧體作為傳感器的磁芯，如果鋼鐵試樣中的應(yīng)力越大，則初始磁導(dǎo)率下降越快。激勵線圈與檢測線圈的繞線匝數(shù)為1:4，盡量地增大有效磁導(dǎo)率，進(jìn)而提高鋼鐵材料損傷檢測的靈敏度，并且可以明顯降低傳感器激勵線圈的功率。

3.3信號處理部分

前置信號處理部分主要由整流電路、濾波電路、放大電路3部分組成。經(jīng)過信號處理部分后可以使檢測到的信號減少噪聲干擾、提高信噪比，使檢測信號盡可能不失真地傳輸?shù)胶罄m(xù)電路。設(shè)計中選用741運放與RC電網(wǎng)組成濾波放大電路，對從橋式全波整流電路出來的信號進(jìn)行濾波和放大，放大100倍后可以得到比較清晰的檢測信號，然后將得到的模擬信號傳輸給A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化為便于分析處理的數(shù)字量。這種電路能夠抑制各種外來干擾因素，而且結(jié)構(gòu)簡單。前置信號處理電路如圖3所示。

3.4系統(tǒng)控制部分

S3C2440A是近年來推出的一款基于ARM920T架構(gòu)的高性能、低功耗的嵌入式Soc處理器。其典型主頻400MHz，可達(dá)533MHz，CPU內(nèi)部集成SDRAM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART、I2C總線、I2S總線、SD接口、PWM定時器、觸摸屏接口、8通道10位A/D控制器、camera接口等，非常方便系統(tǒng)開發(fā)，因此應(yīng)用十分廣泛，也得到了很好的評價。在本設(shè)計中，S3C2440A控制芯片連接A/D轉(zhuǎn)換器、外接控制鍵盤、液晶顯示和存儲電路。相信會達(dá)到很好的效果。

3.4.1A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器選用TI公司的ADS1110芯片。ADS1110是精密的連續(xù)自校準(zhǔn)△-∑型A/D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率，提供內(nèi)置的2.048V的基準(zhǔn)電壓，使用可兼容的I2C串行接口，可以在2.7V至5.5V的單電源下工作，ADS1110可以每秒采樣240次/s進(jìn)行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)可編程的增益，放大器PGA提供高達(dá)8倍的增益并且允許以高分辨率對較小的信號進(jìn)行測量，使用靈活，可擴(kuò)展性強。ADS1110在設(shè)計中的應(yīng)用電路如圖4所示。

本設(shè)計使用了單端輸入的方式，因此在信號輸入前，使用了一個加法電路保證輸入端電壓IN為正；同時為了保護(hù)ADS1110，防止過壓和瞬間電流沖擊，在輸入端設(shè)計了分壓和限流保護(hù)電路。I2C接口的數(shù)據(jù)端SDA和時鐘端SCL分別與S3C2440X控制器的M9、U8管腳相接，管腳配置成I2C工作模式。

3.4.2鍵盤及其他控制電路

鍵盤電路的設(shè)計采用ZLG7290控制芯片，鍵盤控制電路如圖5所示。鍵盤主要完成設(shè)置硬件系統(tǒng)各項功能的參數(shù)，包括選擇不同的脈沖電流值、工作模式、基本參數(shù)設(shè)置等，并且為了適應(yīng)今后硬件系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，特別預(yù)留了F0～F45個按鍵作為候補功能按鍵使用。響應(yīng)通過延時處理程序，進(jìn)行按鍵的中斷完成，并且在處理程序中判斷按鍵是否彈起，保證每按鍵的有效性和準(zhǔn)確性，鍵盤按鍵的延長時間設(shè)定為50ms。

設(shè)計的外部存儲器采用2MB的NorFlash（SST39VF160）、64MB的NandFlsh（K9F1208）、2片32MB的SDRAM（HY57V561620FTP），其中NorFlash用于存放執(zhí)行代碼，NandFlsh用于存儲鋼鐵材料數(shù)據(jù)參數(shù)值，SDRAM用于存放運行代碼。

顯示電路由外接液晶屏構(gòu)成，因為S3C2440A內(nèi)置了LCD控制器，并且支持STN液晶屏與TFT液晶屏，尺寸從3.5寸到12.1寸，屏幕分辨率可以達(dá)到1024×768像素。為了簡化電路，充分發(fā)揮ARM的性能，采用3.5寸TFT液晶屏，使用S3C2440A內(nèi)置了LCD控制器直接進(jìn)行控制。使在各種功能齊全的同時有效控制處理器的大小。

聲光報警電路由峰鳴器和紅色發(fā)光二極管構(gòu)成。當(dāng)檢測到損傷裂紋時，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲，報警的同時LED燈閃亮。能更有效的清楚的直觀的讓人知道發(fā)現(xiàn)損傷。

4測試實驗

試驗選用形狀相同的30根鋼管試樣進(jìn)行裂紋分選，采用分段二乘法對A/D采樣的數(shù)值進(jìn)行算法處理，為達(dá)到試驗效果，其中部分鋼管人為造成各種表面裂紋，1號工件為理化檢測的標(biāo)準(zhǔn)工件。試驗表明本設(shè)計的電路系統(tǒng)對鋼鐵件表面損傷的檢測非常有效。選取部分鋼件，試驗結(jié)果如表1所示，該試驗可以使用多個性能指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)樣。為了說明儀器檢測數(shù)據(jù)的差異性，表中的測量值為儀器的直接測量值。

測量顯示數(shù)據(jù)可以看出，測量值大于標(biāo)準(zhǔn)1號工件值32200時表示試樣無裂紋，當(dāng)測量值小于標(biāo)準(zhǔn)1號工件值時表示試樣有裂紋，從而驗證了鋼鐵儀器損傷后應(yīng)力發(fā)生變化，使得初始磁導(dǎo)率值下降，實驗達(dá)到了預(yù)期的效果。

結(jié)論

本系統(tǒng)針對鋼鐵材料損傷檢測問題，依據(jù)電磁無損檢測原理，在ARM微處理器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計了一套以S3C2440A控制芯片為的鋼鐵件裂紋檢測電路。簡單地討論了初始磁導(dǎo)率法的檢測原理，著重闡述了系統(tǒng)功能模塊的電路設(shè)計。試驗表明，該電路可以快速地檢測出鋼鐵材料損傷的存在并且及時發(fā)出報警，同時能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲。本系統(tǒng)在電路設(shè)計上，以ARM微處理器為中心，充分利用了ARM處理器的豐富資源，簡化了硬件設(shè)計。尤其是在激磁產(chǎn)生和人機(jī)接口部分，通過使用ARM處理器的PWM、I2C以及LCD控制器，使相關(guān)電路大大簡化，并且易于軟件控制。設(shè)計電路簡單、界面友好、各功能實現(xiàn)模塊化，具有良好的開放性，有利于功能擴(kuò)展和系統(tǒng)升級。

參考文獻(xiàn):

[1].S3C2440Adatasheet/datasheet/S3C2440A_589563.html.[2].ARM920Tdatasheet/datasheet/ARM920T_139814.html.[3].ADS1110datasheet