引言

金属构件和零部件发生损坏的主要原因，是各种微观和宏观机械应力集中导致疲劳失效，其基本特征表现为材料在低于静强度极限的交变应力持续作用下。

生成多种类型的微观内部缺陷，并逐渐演化为宏观裂纹，裂纹扩展最终导致结构破坏。因此，进行疲劳分析，有效评价应力变形状况，测定未来裂缝发展的位置、大小和方向，成为评价金属零部件与构件结构强度和可靠性的一个重要依据。为了及时准确的找出最大机械应力变形区域，20世纪90年代后期，以杜波夫为代表的俄罗斯学者率先提出一种崭新的诊断技术—金属磁记忆检测。本文采用PIC单片机，设计了高性价比的便携式磁记忆检测仪，具有低成本、低功耗和快速检测等特点，可以满足各种场合，特别是难以到达部位的应力集中区检测。

磁记忆检测

铁磁学研究表明，当弹性应力作用于铁磁材料时，铁磁体不但会产生弹性应变，还会产生磁致伸缩性质的应变，改变其自发磁化的方向，这就是磁弹性效应。根据“实际存在的状态必定是能量最小的状态”原则，由于磁机械效应的作用引起工件内部的磁畴重新取向排列，以增加磁弹性能的形式来抵消应力能的增加，结果在铁磁工件内部产生的磁场强度将高于地球磁场强度，在应力集中区，形成类似缺陷的漏磁场分布形式，磁场的切向分量Hp(x)为最大值，而法向分量Hp(y)在应力集中线两侧符号发生变化，应力集中线处有过零点。磁记忆检测技术，是基于磁记忆效应原理的全新无损检测方式。磁记忆检测技术在地磁环境下，通过对铁磁材料所制成的工件表面散射磁场法向分量Hp(y)的测量，确定工件应力集中区域，从而有效预测缺陷发生的区域。

磁记忆检测仪的硬件设计

便携式磁记忆检测仪主要由传感器、单片机、运算放大器、LCD显示器和相应软件组成(见图1)。

便携式磁记忆检测仪以单片机PIC16LF873A为核心，用HMC1052两轴磁阻传感器检测法向分量Hp(y)的X分量和Y分量，经过信号放大后，送单片机PIC16LF873A的A/D转换通道，获得的数据经计算得到Hp(y)值，送LCD显示。为检测方便，设置了两个检测通道，作为应力集中线Hp(y)符号比较的依据。置位/复位电路对磁阻传感器施加置位/复位电流，避免地球磁场对测量结果影响。

单片机采用PIC16LF873A，它有4KB FLASH 存储器，192字节RAM、128字节EEPROM、10位A/D转换器等，几乎不需要外围扩展电路就可以直接使用。RA口设置成A/D转换功能，用于处理双通道磁阻传感器信号。RB口的中断功能用于键盘处理，设有校验、置位/复位、通道1、通道2和ON/OFF5个功能键。RC口中的六个引脚，用于LCD显示器控制。采用两个SMS0801B两线制串行LCD显示器，电源由单片机RC口的一个引脚供电，这样便于对LCD显示器控制，降低系统功耗。显示器可以显示每个通道的磁场强度(单位是Gs)、键盘信息、电池电压低和超量程等信息。EEPROM用于保存修正值。

磁阻传感器HMC1052

磁阻传感器HMC1052是利用磁原理，测量工件表面散射磁场法向分量Hp(y)沿坐标X-Y分量，通过数值计算、误差校正，得到Hp(y)值。HMC1052是一个双轴线性磁传感器，每个传感器有一个由磁阻薄膜合金组成的惠斯通桥。当桥路加上供电电压，传感器将磁场强度转换为电压输出。其输出电压以电源电压的一半为基准。磁场范围是±6Gs，灵敏度是1.0mV/V/Gs。HMC1052包含两个敏感元件，其敏感轴X和Y互相垂直。HMC1052采用10引脚小型表贴封装，尺寸只有3mm×3mm×1mm。

磁阻传感器外围电路

磁阻传感器在制造过程中，选定沿着薄膜长度方向为轴，当玻膜合金薄膜受到强磁场干扰时(大于20Gs)薄膜磁化极性会受到破坏，对这个磁场需要对传感器施加一个瞬态强磁场来恢复或保持传感器特性，这个过程需要一个置位或复位脉冲。图2中S/R+和S/R-就是用于置位的元件，其标准阻值是4Ω。

磁记忆检测仪的软件设计

软件是便携式磁记忆检测仪另一个核心部分，主要完成系统初始化、数据采集、数据显示、键盘处理和校验等功能。

主程序：完成系统的初始化工作，进行各传感器的置位和复位，然后进入睡眠状态。

通道按键中断服务子程序：向检测数据通道供电，采集Y数据和X数据测量时，法向分量Hp与X、Y数据的关系是：Hp=√X2+Y2。Hy的符号与测量基准方向Y的符号相同。对PIC16LF873A单片机，10位A/D转换器0Gs对应1.5V电压和数字量为512，+5Gs对应3V电压和数字量为1023，-5Gs对应0V电压和数字量为0。每个数字对应电压2.9mV和9.765mGs。Hy值的符号与Y分量符号相同。数字量≥512的数据，进行以下运算：实际数据=(Y数据-512)×0.009765Gs-修正值。数字量≤512的数据，进行以下运算：实际数据=-(511-Y数据)×0.009765Gs-修正值。LCD显示器可以显示8位数字，最高显示位为Hp符号，有效数字是7位。可以连续测量，直到再一次按键，返回主程序。

校验按键中断服务子程序：将传感器置于磁屏蔽中，各通道测量出0Gs值，将测量结果作为修正值存入EEPROM中。

实验和数据分析

实验方式：便携式磁记忆检测仪与俄罗斯TSCM-2FM应力集中检测仪同时对工件相同点进行应力检测，便携式磁记忆检测仪的检测结果如表1。

应力集中线的位置与俄罗斯TSCM-2FM应力集中检测仪检测的结果相同。经过实验检测，便携式磁记忆检测仪可以实时显示被测工件的磁场Hp值的大小和符号，双通道配合使用，磁感应强度为零的连接线为应力集中线。

结语

基于PIC16LF873A单片机的便携式磁记忆检测仪，具有成本低、功耗低、精度高、体积小和使用方便等特点，对操作人员无专业计数要求。特别适用于在工件结构复杂窄小的环境使用。便携式磁记忆检测仪是一款性能价格比很高的磁记忆检测仪器，在石油、化工、冶金、机械、铁路、建筑、桥梁和航空等部门的无损检测中具有十分广阔的前景。