三维金属磁记忆检测仪器及检测方法

摘要

三维金属磁记忆检测仪器及检测方法，属于金属无损检测领域，基于高分辨率弱磁三维磁场传感器，构造一个三维磁记忆检测仪器。具体方法包括以下步骤：1）利用三维磁场传感器，测得磁场信号；2）将信号通过信号调理电路并进行差分放大；3）将三个通道的数据通过差分多通道数字控制模拟开关实现三路通道的选择性导通；4）将三路模拟信号送至A/D芯片转换为数字信号；5）利用温度传感器实现温度采集；6）将数字信号及温度信息送至单片机进行综合处理；7）处理后信息显示于LCD；8）通过上位机开发软件，实现数据的显示、分析，达到对机器设备状态监测与故障诊断的目的。本仪器具有功耗低，轻巧便携，数据检测实时、准确等特点。

说明书

技术领域

本发明公开了一种三维金属磁记忆检测仪器，属于工业测量仪器 技术领域。

现有技术

无损检测技术的发展，为工业中机械设备的检修和潜在故障的发 现带来了极大的方便。金属磁记忆检测技术作为无损检测技术中新兴 的技术近年也不断发展。技术的进步催生了相应的设备，而相应检测 设备的发展是金属磁记忆检测理论能否得到实际应用的关键。

检测设备的核心是磁敏传感器的研制。很多敏感器件如霍尔磁 敏元件、铁磁线圈和磁敏电阻等，从原理和技术指标衡量，都可以应 用于磁记忆传感器的研制。进行针对弱磁测量的传感器研制，是磁记 忆检测技术研究的一个重要方面。继俄罗斯动力诊断公司推出第一台 磁记忆检测传感器后，国内已经相继推出了基于霍尔元件的磁记忆传 感器和基于磁敏电阻的磁记忆传感器。

目前这类设备主要依靠国外进口，价格昂贵，功能也相对简单， 不够完善。未来发展主要朝着小型化，便携，操作和处理数据，传输 数据的简单方向发展。如图中一维磁记忆检测传感器部分体积较大， 对相对小的细节就不容易探测和采集数据，进行三维磁记忆检测设备 的研发，具有重要应用价值。

发明内容

本发明的目的在于实现金属磁记忆信号的三维检测，解决目前 对金属磁记忆检测仅停留在一维信号的检测，二维信号测量仪器亦较 少。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本磁记忆检 测系统包括硬件功能模块：锂电池供电模块1、电压转换模块2、传 感器置位/复位供电模块3、传感器置位/复位控制模块4、信号调理模 块5、多路选择模块6、AD转换模块7、单片机模块8、主程序模块、 温度采集模块9、LCD显示模块10、磁场获取及转换模块11、通信 接口模块。具体方法步骤简述为：

锂电池供电模块1通过电压转换模块2输入端，将14V电压转 换5V后由输出端为单片机8供电，将输出电压5V通过传感器置位/ 复位供电模块3将电压转化为20V，为传感器置位/复位控制模块4 供电，其输出端与单片机模块8相连，结合单片机模块8控制，产生 电流脉冲实现传感器的置位/复位功能，然后磁场获取及磁场转换模 块11测得的电压信号，经过信号调理调理模块5处理，利用一个外 部电阻设置增益，实现信号的放大调理，再经过多路选择模块6选择， 将所测X、Y、Z三路信号分别送至AD转换模块7，输出时钟端SCK， 数据端SDO，使能端CNV分别与单片机模块8相连，读取AD转换 后的数据，并利用温度采集模块9采集温度数据，经过单片机模块8 综合处理之后，在LCD模块10上显示出来，同时可通过单片机模块 8上的通信串口把磁场及温度数据传输到上位机，利用图形用户软件 实现数据采集与处理，通过小波变换、固有时间尺度分解等方法分析 磁场强度、梯度等相关信息，简单实现所测设备故障判断。以上为检 测仪整体电路的工作过程。

所述锂电池供电模块，采用4片锂电池和锂电池保护芯片设计， 其供电电压14.4-16.8V，电池的容量高达7000mAH，能平衡各电池 间电压，避免充电时电流过大或放电时电流过大对电池造成损坏。

所述电压转换模块，锂电池是系统的电源供应，为实现对单片 机供电，需将14.4-16.8V之间的电压，转换为5V供电，其第1管脚 为输入端，第2管脚为输出端=。

所述传感器置位/复位供电模块，将电压转换模块的输出电压5V 通过此模块转化为20V的电压，输出至传感器置位/复位电路，其第 5管脚为输入端，第6管脚为输出端。

所述传感器置位/复位控制模块，用于和单片机配合，控制传感 器的置位和复位。将其置位与复位输出端与单片机相连，其置位端 SET与单片机P2.7口连，复位端RESET与单片机P2.6口连，电流 输入端与传感器第5管脚SR+端连。

所述信号调理模块，所测金属表面的磁场信号为静态量，用调 理电路进行差分放大，便于AD进行模数转换，采用高精度仪表放大 器AD620，X轴信号输入input+端与传感器第3管脚OUT+X连，输 入input-与传感器第15管脚OUT-X连，放大后信号输出端output与 多路选择模块CD4502中iuput-1端连；Y轴信号输入端与传感器第 6管脚OUT+Y，第1管脚OUT-Y，输出端与CD4502中input-2端连； Z轴信号输入端与传感器第11管脚OUT+Z，第10管脚OUT-Z端连， 输出端与CD4502中input-3端连。

所述多路选择模块，用于选择传感器和AD之间的通道，为实 现3路通道的选择性导通，通道转换共用一个AD，以实现对三维磁 场信号的转换和读取，输出端与AD7684第2管脚input+连。

所述AD转换模块，用于将调理之后的电压值转换为数字，选 用Analog公司的16位数模转换器AD7694，输出时钟端SCK，数 据端SDO，使能端CNV分别与单片机P2.0，P2.1，P2.2口连。

所述单片机模块，是系统控制的核心部分，起编程控制处理、 协调系统的作用。本设计采用AT89S52，输出端第10，11管脚 INTERFACE2用于上位机串口通信，输入端分别与传感器置位/复位 控制模块，多路选择模块，AD转换模块，温度采集模块，LCD显示 模块连。

所述磁场获取及转换模块，主要包含了AD数据转换、单片机 对置位/复位逻辑的控制、单片机对通道的选择控制，实现磁场值的 获取及转换。

所述温度采集模块，为提高磁场检测精度，需要对环境温度进 行测量，用于数据处理过程中的温度补偿计算，并提供了一个温度采 集函数接口，以便自动获取温度数据并且将其转换为ASCLL码供 LCD显示其输出端第2管脚DQ与单片机P2.5口连。

所述LCD显示模块，包括显示的初始化及刷新，用于显示温度 和三维磁场的值，其输出端与单片机P1口连。

以上检测系统的软件部分，均采用C51实现模块化编程。

所述通信串口模块，由磁场获取模块采集原始数据，经上述处 理后通过单片机串口与上位机通信回收经单机上采集数据，结合操作 系统上图形用户程序，实现图形化控制数据采集及分析。通过Visual Basic软件数据采集与处理，软件设计界面可实现信号采集，数据保 存，信号显示及处理功能，并对采集到的x、y、z三维磁记忆信号随 时间变化显示对应磁场强度，梯度，峰峰值等信息显示，针对于磁记 忆信号易受环境磁场干扰，采用基于固有时间尺度分解分析法，消除 噪声信号干扰，重新得到梯度值、峰峰值等有效信号指标用于分析； 并提出基于Hermitian小波分析方法，空间尺度幅图识别相对切向分 量，空间尺度相图识别相对法向分量，以实现磁记忆信号的全信息检 测，用于监测所测机器设备运行状态及故障判断，其输入端为与单片 机INTERFACE2串口。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

1、设计中所用HMC1043磁场传感器体积小，灵敏度高，适合 在工业现场作检测仪器探头，且实现三维磁场的测量，对比现有技术 更具意义。

2、由于传感器分辨率对温度较敏感，需要对环境温度进行测量， 用于数据处理过程中的温度补偿计算，以此提高磁场检测精度。

3、基于Visual Basic软件编写的图形用户软件：具有强大的数据 显示及分析功能，提供了时频域、小波变换等常用分析方法，用于判 断简单的设备故障诊断。

附图说明

图1检测仪整体电路图

图2电压转换电路原理图

图3置位/复位供电原理图

图4置位/复位电路原理图

图5信号调理电路原理图

图6多路选择电路连接图

图7AD转换电路连接图

图8单片机硬件原理图

图9温度采集原理图

图10LCD显示原理图

图11磁场获取函数流程图

图12磁场转换函数流程图

图13温度获取函数流程图

图14检测仪整体硬件架构框图

图中：1、锂电池供电模块，2电压转换电路模块；3置位/复位 供电模块；4置位/复位电路模块；5信号调理电路模块；6多路选择 电路模块；7AD转换电路模块；8单片机模块；9温度采集模块； 10LCD显示模块11磁场获取及转换模块12基准电压源模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利做进一步说明：

如图1检测仪整体电路图所示，首先，将锂电池供电模块1提 供14V电压，经过电压转换模块2，将电压转换5V后由输出端为单 片机模块8供电，通过传感器置位/复位供电模块3再将电压转化为 20V，为传感器置位/复位控制模块4供电，然后将磁场获取及转换模 块11测得的原始信号，经过信号调理模块5的放大调理，经过多路 选择电路6的选择，送至AD转换电路模块7放大调理7，其中基准 电压源模块12为AD转换电路提供基准电压，再由单片机模块8读 取转换后数据，并读取温度采集模块9的温度信息。综合处理之后， 在LCD显示模块10上显示出来，同时通过单片机上的通信串口把数 据传输到上位机，利用图形用户软件作进一步分析。

如图2电压转换电路原理图所示，电压转换模块将14.4-16.8V之 间的电压，转换为5V供电。其中，电容C1为滤波电容，可滤去电 源输入端供电电压中的交流成分；电感L1起储存能量作用，为避免 发热过大，选用小电阻电感；肖特基二极管起续流作用，并通过第4 端口的反馈形成闭环控制，输出5V稳定电压。

如图3置位/复位供电原理图所示，置位/复位需要短暂的电流脉 冲，采用max662a芯片，实现电压的转换功能。图中该电路功能是5 号管脚输入5V电压，输出20V，30mA的供电。

如图4置位/复位电路原理图所示，磁场传感器进行置位时，需 要从SR+至SR-的电流；复位时，需要从SR-至SR+的反电流，其中 SR表示置位/复位电阻带。采用IRF7106实现单刀双掷开关的功能， 结合单片机通过SET及RESET端来控制开关闭合，实现置位及复位 功能，另加入R12和C10，避免电路初始化时发生短路，同时保障置 位复位所需电压。

如图5信号调理电路原理图所示，选用AD620放大器，仅需要一 个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10，000。AD620的增益通 过电阻R_G进行编程，即通过引脚1和8之间存在的任何阻抗进行编程。 对于G=1，R_G引脚不连接（R_G=∞）。

对于任意增益，可用下式计算R_G：

$R_G=\frac{49.4\mathrm{k\Omega }}{G-1}$

本设计需要的放大倍数为100，因此

$R_G=\frac{49.4\mathrm{k\Omega }}{100-1}$

得到R_G＝499Ω，R_G采用的是精度为千分之一的电阻，式中R_G表示增益， G表示放大倍数。图中电容C18起滤波作用，增加系统稳定性， △V＝V_input+-V_input-，V_output＝V_ref-(100×△V)，式中V_cc表示电路电压，V_ref表示基准电压，V_input+表示正输入电压，V_input-表 示负输入电压，△V表示电压变化，V_output表示输出电压。

如图6多路选择电路连接图所示，采用一差分4通道数字控制 模拟开关CD4052，由第10管脚A、第9管脚B两个二进制控制输 入端和第6管脚INH输入进行控制。当INH输入端=“1”时，所有 通道截止。当INH输入端=“0”时，由二位二进制输入信号选通4 对通道中的一个通道。A和B控制input-1、input-2、input-3三个方 向的输入，由output端输出。

如图7AD转换电路连接图所示，选用AD7694转换器。在CNV （使能端）上升沿，AD7694对第2管脚IN+与第3管脚IN-之间的 模拟输入电压差进行采样，范围从0V至REF，基准电压（REF）由 外部提供。

所图8单片机硬件原理图所示，设计中选用的AT89S52单片机。 如图中所示单片机采用上电复位方式，C12是上电复位用的电阻，电 容C14与C15及晶振组成单片机时钟电路，电容C13起单片机供电 滤波作用，增强单片机工作稳定性，INTERFACE2串口用于上位机 连接。

如图9温度采集原理图所示，设计选用DS18B20温度传感器采 集温度信息，采用“一线总线”设计，可直接将温度转化成串行数字 信号供处理器处理，图表示与单片机硬件连接。

如图10LCD显示原理图所示，采用ZX12864R汉字图形点阵液 晶显示模块，可显示汉字及图形，图所示为LCD液晶屏与硬件连接 图。如图11磁场获取函数流程图所示，循环开始，先设定初始值循 环次数j为零，磁场传感器进行置位，读取3个轴向磁场数值分别和 X、Y、Z（用于存放磁场数据，初始值为零）相加，然后磁场传感器 复位，读取相应轴向数据并分别与X、Y、Z相减，这样循环i次之 后，得到的X、Y、Z再分别除i，即得到重复i次循环得到的均值， 将均值除于7.629493，计算结果是即为磁场值。其中X、Y、Z代表 三个方程的磁场数据，初始值为零，i表示总循环次数，j当前循环次 数，当j≥i时，循环结束。X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2分别为磁场 传感器三个方向置位及复位时所测电压经AD转换后数值，数字 7.629493结合AD传感器位数、磁场传感器基本参数计算所得。

如图12磁场转换函数流程图所示，将磁场传感器采集的原始数 据转换成ASCLL码，图中abc_x2、abc_y2、abc_z2表示存放三个方 向磁场数据的数组，例如abc_x2[7]，第一位存放正负信息，即如果 磁场数值小于0，则存放“-”；如果磁场数值大于等于0，则存放 “+”。第二位到第七位存放分别存放磁场的千位、百位、十位、个 位、小数点后第一位、小数点后第二位）图中总共处理了3个轴的数 据，每个轴的数据处理过程一致，故只说明X轴的数据处理过程。 程序开始，先判断X轴磁场数据abc_x2的值的正负，若为正则处理 结果是abc_x2[0]中储存了“+”的ASCLL码；若为负，则储存“-” 的ASCLL码，然后提取千位、百位、十位、个位、小数点后第1位 和小数点后第二位数值，分别存放于abc_x2[1]、abc_x2[2]、abc_x2[3]、 abc_x2[4]、abc_x2[5]、abc_x2[6]等相应位置，以上数据均由相应倍数 换算所得，0x30表示将数值转换为相应ASCLL码。

如图13温度获取函数流程图所示，用于温度采集模块，此函数 对芯片的复位并发送相关指令获取数据，经过正负温度的判断、数据 的处理、相应位的提取和ASCLL码的转换，最终结果显示于LCD。 首先对温度传感器进行复位，将温度信息转化为二进制数据并储存， 再次复位后进行数据读取，然后对温度数据进行正负判断并存放于 tem[0]，分别读取低8位、高8位作为小数和整数部分，将十位、个 位、小数点后第一位，第二位数据存放于tem[1]、tem[2]、tem[3]、tem[4] 等相应位置，经过倍数换算后由LCD显示。

如图14检测仪整体硬件架构框图所示，磁记忆检测仪器由锂电 池供电模块、电压转换模块、传感器置位/复位供电模块、传感器置 位/复位控制模块、信号调理模块、多路选择模块、AD转换模块、单 片机模块、磁场获取及转换模块、温度采集模块、LCD显示模块、 通信接口模块、计算机（上位机）组成。