专利名称：热致磁效应多场耦合综合测试方法
技术领域：
本发明涉及一种热致磁效应多场耦合综合测试方法。
背景技术：
研究表明，有缺陷的高聚物以一定的速度拉伸时，会在裂口周围产生一定的温升，同时伴生一定强度的磁场。为了进一步研究该磁场与拉伸时产生的温升之间的关系，需要在自动控制拉伸速度的同时，对试件的温升与磁感应强度进行同步测量，并以时间同步方式保存所有的测量数据:拉力、位移量、磁感应强度、温度(图像数据)，以研究并确定它们之间的关系。现有的设备虽然单独对某一物理量(如温度，或位移，或磁场)进行测量，但是，无法实现各种检测手段的精确同步，即无法实现多场耦合情况下的综合测量，因而无法客观地研究各物理量的关联关系。另外，现有的手动液压试验机，采用按钮来控制压力大小及加载速度，不但无法灵活设定压力大小和加载速度，而且控制精度差，操作麻烦。如公开号为CN101261245A的专利其名称为含缺陷流变体热致磁效应采集与测试系统(申请号为200810031098)只能实现磁场的检测。因而，在多场耦合条件下的综合同步测量，是本领域的一个关键问题，也是亟待解决的一个技术问题。另外，公开号为CNlO 1261245A的专利，提出了一种磁场检测方案，是基于霍尔传感器阵列采集磁场数据，这种方案存在的最大问题是结构复杂，需要构造传感器阵列，而且需要复杂的供电电路和控制电路 为传感器服务；另外这种传感器只能测量一个方向的磁场数据，无法检测三维磁感应数据，因此局限性大。因此，有必要设计一种全新的热致磁效应多场耦合综合测试方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种热致磁效应多场耦合综合测试方法，该热致磁效应多场耦合综合测试方法集成了三维磁场、温度和压力\位移的测量模块，能实现多个物理量的同步、综合采集，且自动化程度高。易于控制，易于实施。发明的技术解决方案如下:—种热致磁效应多场稱合综合测试方法,其特征在于,将试样夹装在液压拉伸试验机的上夹头和下夹头之间；试样的中心部位开有一孔；采用上位机和下位机的模式实施综合检测，其中上位机连接红外相机以检测试样的温度变化场；红外相机的镜头正对试样正面的中部；上位机与作为下位机的控制器通信连接，控制器分别通过三维磁场测量装置、拉力测量装置和位移测量装置分别检测试样在拉伸过程中的三维磁场、液压拉伸试验机的上夹头施加给试样的拉力以及上夹头的位移量；三维磁场测量装置的检测板位于试样的后侧；控制器还通过液压控制装置控制液压拉伸试验机的上夹头动作；测试过程为:启动液压拉伸试验机使得上压头对试样施加拉力，并控制上压头施加的拉力大小及上拉头的上升速度，由上位机同步启动红外相机、三维磁场测量装置、拉力测量装置和位移测量装置以实时采集试样在拉伸过程中的温度场、多点位的三维磁场、液压拉伸试验机的上夹头施加给试样的拉力以及上夹头的位移量；最终获得在试样被拉伸过程中的温度场和磁场的同步变化数据。采用分段式PID控制策略控制拉伸速度；(I)当拉伸力小于 50KN 时，PID 参数为 Kp = 100，Ti = 1000，Td = O ；(2)当拉力大于或等于 50KN 时，PID 参数为 Kp = 500，Ki = 100，Kd = 20 ；(3)当拉力开始下降时，PID参数为Kp = 300，Ki = 1000, Kd = O ；所述的分段式PID控制策略对应闭环控制系统，通过控制液压系统的比例控制阀以控制液压油的流量，最终控制拉伸速度；控制器的输出为与液压系统的流量成比例的电压值；反馈量为位移测量装置采集的拉伸位移量；闭环控制系统的给定为预设拉伸速度值。采用基于热致磁效应的多场耦合综合测试系统实施综合测试；所述的基于热致磁效应的多场耦合综合测试系统包括液压拉伸试验机、温度测量装置、三维磁场测量装置、拉力测量装置、位移测量装置、液压控制装置、控制器和上位机；温度测量装置为基于红外相机的测温装置；温度测量装置与上位机(即工控机)连接；红外相机的镜头正对试样正面的中部；三维磁场测量装置、拉力测量装置、位移测量装置和液压控制装置均与控制器连接;由液压拉伸试验机夹持住试条板状的试样并对试样上端施加拉力使得试样产生形变；红外相机的镜头正对试样的正面以测量试样的实时温度数据；三维磁场测量装置设置在背面以检查试样在被拉伸的过程中产生的实时三维磁场数据；液压控制装置驱动液压拉伸试验机；拉力测量装置和位移测量装置分别检测液压拉伸试验机对试样施加的拉力以及液压拉伸试验机的上夹持部产生的实时位移；控制器与上位机通信连接；上位机控制液压拉伸试验机、温度测量装置和三维磁场测量装置同时启动，并由上位机同步收集实时数据,所述的实时数据包括:实时温度数据、三维磁场数据、拉力及液压拉伸试验机的上夹持部产生的实时位移数据。拉力测量装置通过应变式压力传感器测量液压拉伸试验的油缸中油压以间接测量夹持部对试样的拉力；应变式压力传感器为圆筒式结构，应变式压力传感器主体为一个带有一个轴向盲孔的圆筒，圆筒的开口端设有用于连接油缸的外螺纹；圆筒的外壁上设有4片应变片:R1 R4 ;其中Rl和R2在设置在圆筒外壁的一侧，R3和R4设置在圆筒外壁的相对的另一侧；且Rl和R3横向平齐并位于圆筒的实心段(非盲孔段)的外侧，R2和R4横向平齐并位于圆筒的盲孔段外侧，横向指圆筒的径向；Rl R4连接成桥式检测电路:即Rl和R4依次串联后与直流电源并接；R2和R3依次串联后与直流电源并接，Rl与R4的连接点即为c点，R2与R3的连接点即为d点，c点和d点间的电压即为传感器的输出电压，该输出电压即反映了拉力测量装置需要检测的压力；位移测量装置为基于增量式编码器的位移测量装置，包括支架(4)、定滑轮(5)、光电编码器同轴滑轮(2)、拉绳⑴和重物(6);支架(4)固定在下夹头上，定滑轮(5)和光电编码器同轴滑轮(2)均安装在支架(4)上；拉绳(1)的上端固定在液压拉伸试验机的上夹头上，拉绳(1)的下端吊装有所述的重物￠)，且重物￠)自然下垂；拉伸(1)的中段绕过光电编码器同轴滑轮和定滑轮；光电编码器同轴滑轮作为定滑轮安装；光电编码器轴(3)输出反映位移量的脉冲信号；所述的三维磁场测量装置为五点位三维磁场测量装置，包括单片机、磁传感器、多路选择器、模数转换器、磁滞效应消除电路和串口通信电路；所述的磁传感器为5个，对称设置于PCB正面的5个点位上，且其中的4个设置在PCB板的四角处，另一个设置在PCB板的中央；每一个磁传感器具有3个信号输出通道，分别输出X、Y、Z三个方向的磁感应信号；磁传感器依次通过多路选择器和模数转换器与单片机的输入接口连接；多路选择器的通道选择端接单片机的输出端口；磁滞效应消除电路的两个输入端分别接单片机的复位端和置位端(set8和reset8);复位端和置位端均为单片机的IO端口 ；磁滞效应消除电路的输出端与磁传感器中的脉冲极化电路相连；单片机通过所述的串口通信电路与上位机连接；所述的磁传感器采用HMC2003芯片，所述的多路选择器包括3个多路开关:即第一多路开关、第二多路开关和第三多路开关，模拟多路开关采用具有8路信号输入通道和I个信号输出通道的74HC4051芯片；模数转换器采用十六位的ADS7825芯片；ADS7825芯片具有四个模拟信号输入端；5个磁传感器的X信号输出通道分别与第一多路开关的5个信号输入通道相接；5个磁传感器的Y信号输出通道分别与第二多路开关的5个信号输入通道相接；5个磁传感器的Z信号输出通道分别与第三多路开关的5个信号输入通道相接；3个多路开关的3个信号输出通道分别与模数转换器的3个模拟信号输入端相接；3个多路开关的三个数字选择端(即A、B、C)对应并联；磁滞效应消除电路为基于功率MOSFET管的脉冲产生电路，功率MOSFET管采用IRF7106 芯片；IRF7106芯片的5-8脚短接后通过第一电容(C83)与磁传感器中的脉冲极化电路相接；IRF7106芯片的I脚和3脚分别接地和直流电源正端VCCl ；IRF7106芯片的2脚(Gl)接所述的复位端(reset8)；单片机的另一个IO端口作为置位端(set8),置位端(set8)通过第一电阻(R81)接NPN型的三极管(Q18)的基极；三极管(Q18)的射极接地，三极管(Q18)的集电极通过第二电阻(R82)接VCCl ;三极管(Q18)的集电极还通过第二电容(C81)接IRF7106芯片的4脚(G2端)；IRF7106芯片的4脚与VCCl之间接有第三电阻(R83) ;VCC1与地之间接有第三电容(C82)；串口通信电路采用专用通信器件MAX232，单片机采用STC89C54RD芯片；所述的基于热致磁效应的多场耦合综合测试系统还包括一体式的控制柜，所述的控制柜内集成有所述的上位机和控制器，所述的上位机为工控机，所述的控制器为ARM嵌入式控制系统，控制柜的顶部设有连接工控机的显示器，控制柜内设有推拉式的键盘板，键盘板上设有连接工控机的键盘和鼠标；控制柜的底部设有液压控制装置和液压泵；ARM嵌入式控制系统具有用于连接三维磁场测量装置、拉力测量装置、位移测量装置和液压控制装置的接口，工控机上设有连接温度测量装置的USB接口。控制器通过三维磁场测量装置检测三维磁场的方法如下:在检测区域的5个点位分别设置5个能输出三维磁感应信号的磁传感器；磁传感器输出的15路信号经多路选择器选择后，每一米样周期内输出一个磁传感器的三维磁感应信号，再通过模数转换器形成数字信号送入单片机中；最后由单片机对采集的所有数据处理后上传至上位机，完成三维磁场的测量；在所述的测量过程中，单片机通过磁滞效应消除电路产生正反向极化脉冲并输出给磁传感器，以消除在磁场测量过程中磁传感器被磁化；测量步骤为:步骤1:依次循环完成对5个点位的磁场测量；每一个点位的磁场测量包括依次测量X、y和z方向的磁场；步骤2:当5个点位的三维磁场测量全部完成以后，就完成了一帧数据的测量，并返回步骤I进行下一次循环；每一个点位处的磁传感器单方向的磁场测量过程为:A/D转换开始前，单片机先输出一个置位信号SET使传感器获得正向极化，接着启动模数转换器进行A/D转换，为了防止随机干扰造成A/D转换误差，采用100个采样值求平均值AVG1，接着单片机输出一个复位信号RESET使磁传感器获得反向极化，然后启动模数转换器再获得100个采样值，并求得平均值AVG2，然后将两次获得的平均值AVGl和AVG2经过数值计算Vott = (AVGl+AVG2)/2，得到一个数值作为一个该单方向的磁场测量值；所述的和的单方向指x、y或z方向。试样的尺寸:长800mm,宽85mm,中心孔直径5mm,中段长度100mm,中段宽度75mm,中段与端部的过渡部分采用圆角，圆角的半径为5mm ;拉伸速度为3-40mm/min,将采样速度设置为每0.5秒米样一次。有益效果:本发明解决了以下技术问题:1、以原来手动液压试验机为基础，设计电控的液压伺服系统，以方便计算机控制；机柜下方为液压系统，包含油泵及集成液压控制系统，嵌入式计算机通过光电编码器采集油缸运行速度，通过与设置的运行速度比较运算后，输出控制信号，控制液压比例阀，调节液压系统流量，以控制油缸的运行速度与设置速度一致。同时采集油缸的压力、位移量，并通过USB 口发送到工业控制计算机。2、设计磁传感器阵列，用于采集高聚物板材附近的磁感应强度，并将采集数据通过串行口送给嵌入式控制系统；3、采用ARM嵌入式CPU设计了一套控制系统，实现对液压系统按恒定拉伸速度控制的同时，采集拉力和磁场，并将采集数据按一定格式通过USB接口送给计算机；本发明的热致磁效应多场耦合综合测试方法的独创性体现在:1、首次将液压拉伸系统、温度场的测量系统、磁感应强度场的测量系统设计成一个统一的试验系统，这样可以实现所有参数的同步采集，为高聚物拉伸破损时多个参数及其耦合机理的研究提供了基本条件。目前市场的试验系统由于无法同步采集全部的试验数据，因而只能分析拉伸破损过程中的单个参数的变化，无法分析多个参数之间的耦合机理。2、将热释红外仪的控制与温度图像采集进行融合，并将试验时同步采集的温度场数据完整地保存下来，用于研究温度与其它参数的耦合关系。3.控制柜结构紧凑，层次合理，操作方便。4.位移检测装置结构巧妙，且能满足测量和控制的精度，易于实施，成本低。5.拉力测量装置采用间接测量方式测量拉力，构思巧妙，易于实施。6.五点位三维磁场测量装置，采用分布在不同点位处的5个三维磁传感器(HMC2003芯片)检测磁场信号，并采用基于74HC4051芯片的多路模拟多路开关实现数据切换，再采用模数转换器将模拟信号转换成数字信号输出到单片机中，完成多点位三维磁场数据的采集。其中，采用多路开关能有效简化电路设计，且充分利用单片机的端口，而且控制方便，一次能同步采集一个磁传感器输出的一组三维磁场数据。另外，本发明还设计了磁滞效应消除电路以消除磁滞、提高磁场检测精度。采用多个具有三维磁场信号输出的传感器，并在多路选择器和模数转换器的配合下实现多点位、三维磁场检测，结构简单，易于控制，易于实施，且采用磁滞效应消除电路后，能进一步提闻装置的检测精度。综上所述，本发明集成度高、自动化程度高、控制精度高，易于操控，能实现温度-拉力-磁感应强度的同步、综合测量，是一种全新的实验系统，为科学精确研究多场耦合条件下的热致磁效应提供了坚实基础。
图1是五点位三维磁场测量装置的总体原理框图；图2是五个磁传感器布置在PCB板上的位置示意图；图3是五点位三维磁场测量装置的多路选择及模数转换电路的原理图；图4是多通道采样流程图；图5是恒流源电路图；图6是置位/复位脉冲示意图；图7是置位/复位脉冲电路原理图。图8为偏置电流带外围电路(之一)；图9为偏置电流带外围电路(之二)；
图10为本发明的基于热致磁效应的多场耦合综合测试系统的总体框图；图11为控制柜的结构示意图；图12为应变式压力传感器的结构图(图a)和电路图(图b);图13为光电编码器安装示意图；图14为试件的正面结构示意图。图15为20mm/min速率下试件表面的热致磁感应强度-时间关系曲线图。图16为控制软件界面示意图；图17为含有实验系统的各检测量的曲线的实验结果界面。标号说明:1_拉绳；2_光电编码器同轴滑轮；3_光电编码器轴；4-支架；5-定滑轮；6_重物。
具体实施例方式以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明:如图1-16,—种热致磁效应多场稱合综合测试方法,其特征在于,将试样夹装在液压拉伸试验机的上夹头和下夹头之间；试样的中心部位开有一孔该孔的作用为运用应力集中原理，保证板材拉伸时从有孔的位置处断裂，以方便各传感器采集数据；采用上位机和下位机的模式实施综合检测,其中上位机连接红外相机以检测试样的温度变化场；红外相机的镜头正对试样正面的中部；上位机与作为下位机的控制器通信连接，
控制器分别通过三维磁场测量装置、拉力测量装置和位移测量装置分别检测试样在拉伸过程中的三维磁场、液压拉伸试验机的上夹头施加给试样的拉力以及上夹头的位移量；三维磁场测量装置的检测板位于试样的后侧；控制器还通过液压控制装置控制液压拉伸试验机的上夹头动作；测试过程为:启动液压拉伸试验机使得上压头对试样施加拉力，并控制上压头施加的拉力大小及上拉头的上升速度，由上位机同步启动红外相机、三维磁场测量装置、拉力测量装置和位移测量装置以实时采集试样在拉伸过程中的温度场、多点位的三维磁场、液压拉伸试验机的上夹头施加给试样的拉力以及上夹头的位移量；最终获得在试样被拉伸过程中的温度场和磁场的同步变化数据。采用分段式PID控制策略控制拉伸速度；(I)当拉伸力小于 5OKN 时，PID 参数为 Kp = 100，Ti = 1000, Td = O ；(2)当拉力大于或等于 50KN 时，PID 参数为 Kp = 500，Ki = 100，Kd = 20 ；(3)当拉力开始下降时，PID参数为Kp = 300，Ki = 1000, Kd = O ；所述的分段式PID控制策略对应闭环控制系统，通过控制液压系统的比例控制阀以控制液压油的流量，最终控制拉伸速度；控制器的输出为与液压系统的流量成比例的电压值；反馈量为位移测量装置采集的拉伸位移量；闭环控制系统的给定为预设拉伸速度值。采用基于热致磁效应的多场耦合综合测试系统实施综合测试；所述的基于热致磁效应的多场耦合综合测试系统包括液压拉伸试验机、温度测量装置、三维磁场测量装置、拉力测量装置、位移测量装置、液压控制装置、控制器和上位机；
温度测量装置为基于红外相机的测温装置；温度测量装置与上位机(即工控机)连接；红外相机的镜头正对试样正面的中部；三维磁场测量装置、拉力测量装置、位移测量装置和液压控制装置均与控制器连接;由液压拉伸试验机夹持住试条板状的试样并对试样上端施加拉力使得试样产生形变；红外相机的镜头正对试样的正面以测量试样的实时温度数据；三维磁场测量装置设置在背面以检查试样在被拉伸的过程中产生的实时三维磁场数据；液压控制装置驱动液压拉伸试验机；拉力测量装置和位移测量装置分别检测液压拉伸试验机对试样施加的拉力以及液压拉伸试验机的上夹持部产生的实时位移；控制器与上位机通信连接；上位机控制液压拉伸试验机、温度测量装置和三维磁场测量装置同时启动，并由上位机同步收集实时数据,所述的实时数据包括:实时温度数据、三维磁场数据、拉力及液压拉伸试验机的上夹持部产生的实时位移数据。拉力测量装置通过 应变式压力传感器测量液压拉伸试验的油缸中油压以间接测量夹持部对试样的拉力；应变式压力传感器为圆筒式结构，应变式压力传感器主体为一个带有一个轴向盲孔的圆筒，圆筒的开口端设有用于连接油缸的外螺纹；圆筒的外壁上设有4片应变片:R1 R4 ;其中Rl和R2在设置在圆筒外壁的一侧，R3和R4设置在圆筒外壁的相对的另一侧；且Rl和R3横向平齐并位于圆筒的实心段(非盲孔段)的外侧，R2和R4横向平齐并位于圆筒的盲孔段外侧，横向指圆筒的径向；Rl R4连接成桥式检测电路:即Rl和R4依次串联后与直流电源并接；R2和R3依次串联后与直流电源并接，Rl与R4的连接点即为c点，R2与R3的连接点即为d点，c点和d点间的电压即为传感器的输出电压，该输出电压即反映了拉力测量装置需要检测的压力；位移测量装置为基于增量式编码器的位移测量装置，包括支架(4)、定滑轮(5)、光电编码器同轴滑轮(2)、拉绳⑴和重物(6);支架(4)固定在下夹头上，定滑轮(5)和光电编码器同轴滑轮(2)均安装在支架(4)上；拉绳(I)的上端固定在液压拉伸试验机的上夹头上，拉绳(I)的下端吊装有所述的重物￠)，且重物￠)自然下垂；拉伸(I)的中段绕过光电编码器同轴滑轮和定滑轮；光电编码器同轴滑轮作为定滑轮安装；光电编码器轴
(3)输出反映位移量的脉冲信号；所述的三维磁场测量装置为五点位三维磁场测量装置，包括单片机、磁传感器、多路选择器、模数转换器、磁滞效应消除电路和串口通信电路；所述的磁传感器为5个，对称设置于PCB正面的5个点位上，且其中的4个设置在PCB板的四角处，另一个设置在PCB板的中央；每一个磁传感器具有3个信号输出通道，分别输出X、Y、Z三个方向的磁感应信号；磁传感器依次通过多路选择器和模数转换器与单片机的输入接口连接；多路选择器的通道选择端接单片机的输出端口；
磁滞效应消除电路的两个输入端分别接单片机的复位端和置位端(set8和reset8);复位端和置位端均为单片机的IO端口 ；磁滞效应消除电路的输出端与磁传感器中的脉冲极化电路相连；单片机通过所述的串口通信电路与上位机连接；所述的磁传感器采用HMC2003芯片，所述的多路选择器包括3个多路开关:即第一多路开关、第二多路开关和第三多路开关，模拟多路开关采用具有8路信号输入通道和I个信号输出通道的74HC4051芯片；模数转换器采用十六位的ADS7825芯片；ADS7825芯片具有四个模拟信号输入端；5个磁传感器的X信号输出通道分别与第一多路开关的5个信号输入通道相接；5个磁传感器的Y信号输出通道分别与第二多路开关的5个信号输入通道相接；5个磁传感器的Z信号输出通道分别与第三多路开关的5个信号输入通道相接；3个多路开关的3个信号输出通道分别与模数转换器的3个模拟信号输入端相接；3个多路开关的三个数字选择端(即A、B、C)对应并联；磁滞效应消除电路为基于功率MOSFET管的脉冲产生电路，功率MOSFET管采用IRF7106 芯片；IRF7106芯片的5_8脚短接后通过第一电容(C83)与磁传感器中的脉冲极化电路相接；IRF7106芯片的I脚和3脚分别接地和直流电源正端VCCl ；
IRF7106芯片的2脚(Gl)接所述的复位端(reset8)；单片机的另一个IO端口作为置位端(set8)，置位端(set8)通过第一电阻(R81)接NPN型的三极管(Q18)的基极；三极管(Q18)的射极接地，三极管(Q18)的集电极通过第二电阻(R82)接VCCl ;三极管(Q18)的集电极还通过第二电容(C81)接IRF7106芯片的4脚(G2端)；IRF7106芯片的4脚与VCCl之间接有第三电阻(R83) ;VCC1与地之间接有第三电容(C82)；串口通信电路采用专用通信器件MAX232，单片机采用STC89C54RD芯片；所述的基于热致磁效应的多场耦合综合测试系统还包括一体式的控制柜，所述的控制柜内集成有所述的上位机和控制器，所述的上位机为工控机，所述的控制器为ARM嵌入式控制系统，控制柜的顶部设有连接工控机的显示器，控制柜内设有推拉式的键盘板，键盘板上设有连接工控机的键盘和鼠标；控制柜的底部设有液压控制装置和液压泵油缸是在拉力试验机上，油泵用于将液压油加压，加压后的高压液压油用于驱动油缸，图中液压控制部件包括油泵及驱动电机和一些用于控制液压油的开关控制阀、比例控制阀等ARM嵌入式控制系统具有用于连接三维磁场测量装置、拉力测量装置、位移测量装置和液压控制装置的接口，工控机上设有连接温度测量装置的USB接口。控制器通过三维磁场测量装置检测三维磁场的方法如下:在检测区域的5个点位分别设置5个能输出三维磁感应信号的磁传感器；磁传感器输出的15路信号经多路选择器选择后，每一米样周期内输出一个磁传感器的三维磁感应信号，再通过模数转换器形成数字信号送入单片机中；最后由单片机对采集的所有数据处理后上传至上位机，完成三维磁场的测量；
在所述的测量过程中，单片机通过磁滞效应消除电路产生正反向极化脉冲并输出给磁传感器，以消除在磁场测量过程中磁传感器被磁化；测量步骤为:步骤1:依次循环完成对5个点位的磁场测量；每一个点位的磁场测量包括依次测量X、y和z方向的磁场；步骤2:当5个点位的三维磁场测量全部完成以后，就完成了一帧数据的测量，并返回步骤I进行下一次循环；每一个点位处的磁传感器单方向的磁场测量过程为:A/D转换开始前，单片机先输出一个置位信号SET使传感器获得正向极化，接着启动模数转换器进行A/D转换，为了防止随机干扰造成A/D转换误差，采用100个采样值求平均值AVG1，接着单片机输出一个复位信号RESET使磁传感器获得反向极化，然后启动模数转换器再获得100个采样值，并求得平均值AVG2，然后将两次获得的平均值AVGl和AVG2经过数值计算Vott = (AVGl+AVG2)/2，得到一个数值作为一个该单方向的磁场测量值；所述的和的单方向指x、y或z方向。试样的尺寸:长800mm,宽85mm,中心孔直径5mm,中段长度100mm,中段宽度75mm,中段与端部的过渡部分采用圆角，圆角的半径为5mm ;拉伸速度为3-40mm/min,将采样速度设置为每0.5秒米样一次。实施例1:如图10-15，整个硬件系统在一台拉力试验机上改造，采用上下位机结构:上位机由工业控制计算机系统组成，主要功能是进行拉伸过程的速度闭环控制、温度场的热红外数据采集、磁感应强度场 的数据采集以及所有数据的显示与保存。下位机由嵌入式(ARM)系统组成,主要完成数据采集及对上位机下传的命令解释执行。上、下位机采用USB接口连接。通过上位机设置液压试验系统的参数，并通过USB 口发送控制参数与控制指令给嵌入式控制系统，通过USB 口接收嵌入控制系统发出的各种采集数据，并显示且保存；通过另一个USB 口定时接收红外热像仪送出的温度场数据，并以温度红外图像格式显示，以图像格式保存；上位机的功能为处理控制，以及处理数据文件:用户可以在所有的采集数据中任意选择四个采集量，并同时将4个采集量显示在时间轴上，这样就可以分析拉伸位移、温度、磁感应强度以及拉伸速度之间的关系了。(程序实现部分为现有技术)嵌入式控制系统嵌入式控制系统作为下位机，在本系统中完成拉力、位移数据的采集并接收磁传感器的数据一同传输给上位机的功能。同时上位机将这些数据接收后通过控制策略的运算生成的控制量再回传给下机，下位机再控制液压系统完成匀速拉伸动作。本系统采用了恩智浦(NXP)公司的基于ARM Cortex_M3内核的嵌入式微控制器LPC1765。该为控制器具有较强的运算能力和丰富的外设组件。具体针对本控制系统应用了如下功能: 片内12位的AD转换，分辨率及采样速度满足拉力采样的需要。 正交编码器接口可由硬件直接完成位移测量编码器的解码工作而不占用处理器的运算资源。
^PWM输出执行上位机的控制量，控制电液比例阀调整液压以达到控制拉力的目的。.USB接口功能，取代了以往上下位机常用的串口通信方式。其优点是数据传输速度快、通用性强。特别适合没有串口的笔记本电脑，方便现场调试。速度控制:为了研究方便，拉伸时速度控制范围为每分钟0_40mm，具体试验速度由用户在控制软件界面设定，且要求是匀速拉伸，所以在正常拉伸时采用PID控制。但试验发现:在拉伸的起始阶段，由于比例阀及液压系统的起动惰性，会造成这个阶段控制控制精度很差，超调量很大，所以我们实际控制时，采用分段PID控制:当拉伸力小于50KN时，说明拉处于起始阶段，这时由于比例阀的惰性，以及夹头存在咬合过程，导致输入明显置后，所以，控制参数以比例参数为主，经过试验采用第一套PID的控制参数(Kp = 100，Ti = 1000, Td = O),且对输出增加限幅功能。当拉伸力大于50KN时，表明试件开始进入正常拉伸阶段时，这时应该开始按设定的速度匀速拉伸，，这时，应该按采用第二套PID参数(Kp = 500，Ki = 100，Kd = 20)。当拉力开始下降时，表明拉伸处于塑性变形阶段，这时采用第三套PID控制参数(Kp = 300, Ki = 1000, Kd = O)。经试验,这种分段PID控制,可以有效保证在高聚物板材的整个拉伸过程中，始终能保持拉伸速度的一致性。试样:材质:纯聚氯乙烯(PVC)硬板厚度δ = 1 Qmm 拉力测量油缸中的油压同时反映了拉伸力的大小。因此测得油缸中的油压，即可获得拉伸力的大小。在油缸底部开孔，安装压力传感器以测量油缸中油压。原WE-30型万能材料试验机的油缸活塞直径为D = 140_，可算得油缸活塞的面积为:S = 31 (D/2)2 = 3.14Χ (0.14/2)2 = 0.015m2 (2.1)试验机的最大载荷为30吨，约合300KN。则油缸内的最大压强为:3 X 105/0.015 = 2 X IO7Pa = 20MPa (2.2)考虑过载的情况，本系统采用SM25Y01型应变式压力传感器，其最大量程为25MPa，满足系统的要求。应变式传感器由弹性元件及应变片组成，油压使弹性元件产生变形，再用应变片将变形转换为电信号输出。传感器结构简图如图12(a)所示，通过传感器测量油压间接反映试验时拉力的大小。传感器结构形式为圆筒式。它是一个一端有盲孔的薄壁圆筒，盲孔深度为筒高的一半左右，孔端有螺纹可与油压系统连接。圆孔的空心部分及实心部分的外壁上各粘贴有两片应变片，敏感栅方向与轴线垂直，并按图12(b)接成桥路。当内腔油压增高时，薄壁圆筒产生腰鼓形变形，应变片R2及R4受拉伸，而Rl及R3不变，只起温度补偿作用。工作时，
a,b端接电源，则在c，d端的输出电压信号将正比与变形量成正比，因而也与压力成正比。由于试验机在工作过程中，油的温度会升高，因此，传感器应在一定温度范围内能稳定、正常工作。SM25Y01型应变式压力传感器主要性能指标如下:# 量程 25MPa
.温度零漂彡 0.03% FS/°C.非线性度彡0.3% FS.滞后误差彡0.3% FS.不重复性误差彡0.15% FS.精度 0.3% FS总的来说，采用应变式压力传感器测量的优点是安装使用方便，通用性强，特别是测量大负荷时，更显得小巧简便。其缺点是精度没有负荷传感器高，当活塞与油缸间的摩擦力较大时测力误差比较大M。为了尽量减小压力传感器的测量误差，需要在标定力值时尽量多取标定点，特别在小力值段。油压信号实际测量的是压强，根据试验机的结构，拉力实际应为液压油缸产生的压力减去夹头与油缸的自重，拉力F = kV-g，其中k与g为常数，g为夹头与油缸的自重，K为与整个硬件系统有关的系数，V为压力传感器输出的信号经过放大后的电压值，k和g的求法:采用已经校准的拉力测试仪(非本发明的拉力测量装置，而是标准的拉力测量仪器)实测2个不同的拉力值:F1和F2，再测得该两个拉力值对应的电压值Vl和V2，将这2组值代入F = kV-g,即可求得k和g。位移测量在试验中，高聚物试件被拉伸大约30_80mm后将会发生断裂。因此系统要求位移的测量范围是O-1OOmm且分辨率为0.1mm0虽然精度要求不是很高，但是一般的线性位移传感器还是不能满足要求。光栅尺虽然能满足量程及测量精度的要求，但是在改造安装上不太方便。因此本系统中采用光电编码器来实现位移的测量。光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器之一。光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置两大部分组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形透光孔。检测时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映出被测量的转角或转速。根据光删盘的刻度方法及信号输出形式，光电编码器可分为增量式、绝对式以及混合式三种:(I)增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90度，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。(2)绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制(葛莱码)方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。(3)混合式绝对值编码器，它输出两组信息:一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。考虑到本系统只需要测量高聚 物的拉伸位移情况，因此在本系统中采用增量式编码器即可。光电编码器的安装如图13所示。支架安装在下夹头上，拉绳上端固定于上夹头，重物自然下垂。当两夹头发生相对位移时，即可通过拉绳带动光电编码器旋转测得。
光电编码器选用HTR-3A-1000型光电编码器[10]，其分辨率可达1000脉冲/圈。光电编码器输出轴上安装的滑轮经过精密加工得到其值径D为15.92mm，则其周长L为:L= JiD = 3.14X15.92mm = 49.98_。因此该位移测量机构的分辨率为:49.98mm/1000< 0.05mm满足分辨率大于0.1mm的设计要求。整个测量过程在工业控制计算机的协调下全自动完成，用户只需要在安装好试件后，点击开始试验，计算机就将同时采集所有数据，并以曲线形式适时显示、保存，以便进一步研究各数据之间的关系。1、将PVC板材(即纯聚氯乙烯硬质板)按图14方式加工成试样，并在正中心打一个直径为5mm的圆孔；2、将试验机的液压油泵开关打开，当气温低于10°C时，需要预热10分钟后再开始试验；打开控制系统电源；3、用控制软件操作上、下夹头移动，使上、下夹头的距离约为620mm ；4、将试样夹在上、下夹头之间，并将试样的中心孔与磁传感器的中心齐；5、设置红外热释仪(即红外相机)，对准中心孔，通过USB 口连接红外热释仪至控制计算机；6、设置拉伸速度为10mm/min,将米样速度设置为每0.5秒米样一次,然后开始拉伸；在温度图像窗口设置4个测温点，在整个试验过程中，这4个位置的温度将作为典型温度以温度——时间方式显示实时温度曲线；7、点击试验开始，控制软件将要求用户输入试件编号，这个编号也将是试验数据保存的文件名，用户 输入编号后，控制系统将按设定参数开始试验，拉伸过程中，嵌入式计算机按设置速度控制拉伸速度，按采样速度采集所有的数据，并将位移、拉力两组数据按采样时间显示在液压曲线中；同时，也将采集整个过程中的温度、磁感应强度等数据，以曲线图形式显示，并同时将所以采集数据保存8、当试件拉断后，点击试验停止，则试验完成；9、整个试验过程中，可以点击暂停、开始来控制试验的暂停或重新开始试验。3个多路开关的三个数字选择端(即A、B、C)对应并联即3个多路开关的A端并联，3个多路开关的B端并联，3个多路开关的C端并联。74HC4051是8通道模拟多路选择器/多路分配器，带有3个数字选择端(SO至S2，也即A、B、C端)，I个低有效使能端(E)，8个独立输入/输出端(YO至Y7)和I个公共输入/输出端(Z)。E为低时，8个开关的其中之一将被SO至S2选中(低阻态)。E为高时，所有开关都进入高阻态，直接无视SO至S2。VCCl = 20V基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量装置由五点传感器测量板和多路数据采集板两部分层叠而成，五点传感器测量板传感器布置如图2所示，采用这种布置方案是根据PVC板材在拉伸过程中最大热致磁场产生的位置确定的。即五个三维传感器布置在聚合物板材在拉伸过程中最有可能出现磁场强度最大的位置；五点三维传感器电原理框图如图1所示。图中HMC2003(l-5)是由5个HMC2003组成的五点三维微弱磁场传感器组，这是整个传感器的核心单元，其排列方式如图2所示；多路选择器由三个74HC4051模拟多路开关组成，三个74HC4051模拟多路开关分别选通5个HMC2003的X，Y，Z三维输出信号，进入模数转换器的三个输入端INO，INI，IN2，三个74HC4051模拟多路开关的选择控制端A，B，C是并联的，其选择控制由单片机执行，单片机采用STC89C54RD+八位单片机，改变A，B, C的状态，可以实现任意一个传感器X，Y，Z信号的同时切换，即每一个传感器X，Y，Z输出信号是同时到达模数转换器的，模数转换器是ADS7825十六位A/D转换器，有四个输入端ΙΝΟ,ΙΝΙ，ΙΝ2，ΙΝ3，只要分时选通四个通道，就可以实现输入模拟量的转换，本系统选用INO，INI, ΙΝ2三个输入端分别作为X，Y，Z三维微弱磁场的信号输入端。磁滞效应消除外围电路是为了消除在磁场测量过程中传感器被磁化而降低测量灵敏度而设置的正反向极化脉冲产生电路，能够产生正、反向峰值电流达4Α的瞬态尖峰脉冲，该脉冲作用于HMC2003内部的脉冲极化电路，实现巨磁电阻的瞬间极化，以提高巨磁电阻的测量灵敏度，正反向极化脉冲是由单片机发出的SET，RESET信号控制的。A/D转换开始前，先输出一个SET信号，使传感器获得正向极化，接着启动A/D转换器进行A/D转换，为了防止随机干扰造成A/D转换误差，采用100个采样值求平均值的方法进行数字滤波，接着单片机输出一个RESET信号，使传感器获得反向极化，接着启动A/D转换器再进行100次A/D转换，并求平均值，然后将两次获得的平均值经过数值计算VOUT =(AVGl+AVG2)/2得到一个数值作为一个测量值，当一个传感器的三维信号全部处理完毕，则完成了一个点的三维磁场测量，当5个传感器的三维磁场全部完成以后，就完成了一帧数据的测量。当单片机完成一帧数据采集以后，检测串口通信有无上位机发来的数据请求信号，如果有上位机发来的请求信号，则按照约定格式将一帧数据发出，完成数据传输以后，单片机进入下一个采用周期。串口通信由专用通信器件MAX232构成。图中HMC2003为三维高灵敏度磁场测量传感器，5个HMC2003按照图2所示排列，磁滞效应消除外围电路与HMC2003内部脉冲消磁电路配合，完成巨磁电阻正反向极化，使传感器具有最高测量灵敏度；数据采集板由多路选择器，模数转换器和单片机构成，多路开关为三维传感器通道选择开关，将5个三维传感器的X，Y，Z分别分时选通至A/D转换器ADS7825的三个输入通道，ADS7825是16位A/D转换器，单片机为8位STC单片机。HMC2003芯片内部包括三维巨磁电阻测量桥，桥路恒流供电电源，精密基准电压源，三维精密仪表放大器，脉冲消磁电路和背景磁场对消线圈，它的作用是在零磁场状态将微弱磁场的变化量转化为输出电压的变化量，根据磁场与电压的对应关系推算出微弱磁场的变化量值。其中三维巨磁电阻测量桥是测量微弱磁场的最基本单位，微弱磁场就是由巨磁电阻测量桥转换为差分输出电压。桥路恒供电电源为三维磁场测量提供恒定的电流源，以减小电源波动对信号源的影响，降低了系统误差。精密基准电压源是为背景磁场对消线圈提供一个基准电压。三维精密仪表放大器将微弱差分电压信号放大输出，以便于电压信号的传输与转换。脉冲消磁电路和磁滞效应外围电路二者结合组成磁滞效应消除电路，使巨磁电阻测量桥始终处于无磁滞效应的最高灵敏状态，用来消除磁滞效应对测量灵敏度的影响。背景磁场对消线圈电路和背景磁场外围电路组成背景磁场消除电路，用来消除工作环境背景磁场，使传感器实际工作于零磁场环境，实现微弱磁场的精密测量。
多路选择器的作用是将5个测量点共15个单元测量传感器输出的模拟信号电压传输到一个A/D转换器，实现由一个A/D转换器完成15路模拟信号的转换。单片机作为系统控制单元，完成数据采集与各种功能的协调。GMR传感器是一种测量磁场强度的元件，与很多其他器件不同的是，它直接测量磁场强度而并非感应磁场的变化速率，所以测量微弱磁场是十分方便的。GMR传感器具有体积小、灵敏度高、线性范围宽，使用温度高、成本低等优点本设计中的巨磁电阻传感器选用的是HMC2003，这类磁阻传感器按4元件惠斯顿电桥配置，具有集成置位/复位带，可降低温度漂移效应、非线性误差和由于高磁场的存在，导致的输出信号的丢失。并且具有集成偏置带，可消除硬铁干扰的影响。三维磁场传感器HMC2003，可以测出微弱磁场的三维(X，y，z)方向。HMC2003外围的放大电路为现有技术，在此不做详细说明。背景磁场对消技术在巨磁电阻周围通电线圈以及地磁场的影响下，巨磁电阻周围有很强的背景磁场，背景磁场严重影响了巨磁电阻对微弱磁场的测量，为提高巨磁电阻传感器检测磁场微弱变化场的分辩力，在巨磁电阻上绕上一匝线圈，通过线圈给巨磁电阻传感器一个大小相同、方向相反的“补偿磁场”与背景磁场对消，使巨磁电阻工作于零磁场状态。施加补偿磁场消除背景磁场是通过偏置电流带来进行补偿的，偏置电流带还可以驱动电流通过电流带，精确地抵消测量磁场，这被称作闭环结构。磁场偏置带(偏置+和偏置_)能够生成一个与正被测量的施加磁场相同方向的磁场。HMC2003的电流带每通过50mA电流可提供IOe的磁场,HMC2003的电流带每通过5mA电流可提供IOe的磁场。(空气中I高斯=IOe)。偏置电流带看起来像是一个在偏置+和偏置-引脚间的标称电阻。偏置电流带可以用作闭环电路内的反馈元件。利用电流反馈环路内的偏置电流带可以测到期望值。若要达到此目的，要将电桥放大器的输出端连接到驱动偏置电流带的电流源。利用环路内的高增益和反向反馈。这将使磁阻桥路输出为O (输出+ =输出_)。这种方法可以给出极佳的线性度和温度特性，始终以平衡的电阻模式操作磁阻电桥。即，无论测量什么样的磁场，通过偏置电流带的电流都会将之消除。电桥始终“看到”一个零磁场条件，用来消除施加磁场的合成电流是此磁场强度的一个直接试题，并且可以被转换成磁场值。正向极化与反向极化消除磁滞效应大多数低磁场传感器会受到大的磁场干扰(> 4 20高斯)的影响，可能导致输出信号的衰变。为了减少这种影响和最大化信号输出，可以在磁阻电桥上应用磁开关切换技术，消除过去磁历史的影响。置位/复位电流带的目地就是把磁阻传感器恢复到测量磁场的高灵敏度状态。这可以通过将大电流脉动通过S/R电流带实现。S/R电流带看起来像加在SR+和SR-引脚之间的一个电阻。此电流带与偏置电流带不同，因为它是以垂直轴或不敏感的方向磁耦合到磁阻传感器上的。一旦传感器被置位(或复位)，可实现低噪音和高灵敏度的磁场测量。当磁阻传感器暴露于干扰磁场中，传感器元件会分成若干方向随机的磁区域，从而导致灵敏度衰减。峰值电流高于最低要求电流的脉冲电流(置位)通过置位/复位电流带将生成一个强磁场，此磁场可以重新将磁区域对准统一到一个方向上，这样将确保高灵敏度和可重复的读数。反向脉冲(复位)可以以相反的方向旋转磁区域的方向，并改变传感器输出的极性。如果不出现干扰磁场，这种磁区域的状态可以保持数年。芯片内的S/R应通过脉冲电流来重新对准，或“翻转”传感器内的磁区域。此脉宽可短至2微秒,连续脉冲时平均耗电小于ImA (DC)。可选定为每50ms有一个2 μ s脉宽的脉冲，或者更长，以节电。唯一的要求是每个脉冲只在一个方向上施加。即，如果+3.5A的脉冲被用来“置位”传感器，则脉冲衰减不应低于O电流。任何负(低于额定电流)电流脉冲信号都会导致“无法置位”传感器，并且不会得到最佳的灵敏度。利用S/R电流带，可以消除或减少许多影响，包括:温度漂移、非线性错误、交叉轴影响和由于高磁场的存在而导致信号输出的丢失。三维微弱磁场的原理便是利用巨磁电阻阻值随着磁场的变化而变化，而要测得电阻阻值的变化，可以给电阻一个特定的电流然后测其输出电压的变化，因为我们测的是电压，所以电流最好是一个恒定值，如此才能不影响电压与电阻之间的线性变化关系，而给电阻一个恒流源，便可避免电流受电阻变化的影响，从而避免了电源波动对信号源的影响.图5是利用运算放大器组成的恒流源电路。因为理想的运算放大器输入两端电压相等，而A点电压不受影响，所以恒定，相应的B点电压也恒定，所以明显可得电流I。恒定输出。电路中的场效应管起到一个固定压降的作用。置位/复位脉冲电路(即磁滞效应消除电路)为了消除背景磁场，必须由外围电路为磁场效应消除电路提供一个置位/复位脉冲，要求其波形图如图6所示。在本设计中的置位/和复位信号是由单片机控制输出，然后要由外围电路将其转换为脉冲信号。如图7所示就是利用IRF7106产生的置位/复位脉冲电路。IRF7106里面有两个场效应管，一个是N沟道增强型场效应管，一个是P沟道增强型场效应管，如图7，当set端即图中的set8为低电平时，三极管Q18截止，电容C81两端都是高电平，IRF7106的4引脚也是高电平，s2和G2之间无电压，所以D2端无电流输出，当reset端即图中的reset8为低电平时，si和Gl之间无电压,所以Dl端也无电流输出。综上所述，因为当set端和reset端是低电平时，Dl端和D2端均无电流输出，且set端和reset端是交替性的置位/复位，所以我们分析时只需要分析set端和reset端置高电平的那个场效应管。当set即图中的set8置I时(高电平)，三极管Q18导通，电容C81的左端突变为低电平，在这突变的瞬间，电容C81还未充电，所以电容C81右端(IRF7106的4引脚)也是低电平，P沟道场效应管导通，D2端有反向电流输出，当电容C81充电完毕时，IRF7106的4引脚又变为高电平，P沟道场效应管截止，无电流输出，所以当set置I时，SR+8有反向脉冲电流输出。当reset即图中的reset8置I时(高电平)，N沟道场效应管导通，Dl端有正向电流输出(假设为I)，又因为输出端有电容C83，所以只有当电流从O跳变为I时，SR+8有正向脉冲电流输出。
综中所述，此电路满足了磁滞效应消除电路对置位/复位脉冲的要求。磁场对消偏置电流控制电路设计
偏置电流带的作用就是消除背景磁场，三维磁场传感器中有三个巨磁电阻传感器，在这里只分析一个巨磁电阻传感器的外围电路。当直流电流在偏置电流带内通过时偏置电流带可以有多种工作模式。(I)平衡掉外部不需要的磁场。(2)将电桥偏置设置为零。(3)电桥输出可驱动偏置电流带来消除闭环回路内的磁场。(4)接到命令时桥路增益可以系统内自动校准。特定大小的电流渡过偏置电流带时偏置电流带将产生一个与被测磁场方向相反的磁场，所以可以消除任何环境磁场。偏置电流带每通过50m电流可提供IOe的磁场。基于以上偏置电流带的特性，偏置带可以用作闭环电路内的反馈元件。此种应用中，将电桥放大器的输出端连接到偏置带的驱动电流源上，利用一路内的高增益和负反馈使电桥的输出为零。无论测量什么样的磁场，通过偏置电流带的电流都会将之消除，电桥始终看到一个零磁场条件。这种方法具有很好的线性度和温度特性。用来消除外部磁场的电流是此磁场的一个直接度量，而且可以直接转换成磁场值。偏置电流带还可以用来自动校准磁阻电桥，它对偶尔校对电桥增益或在大温度摆范围内作调整是非常有用的。可以在上电或正常操作期间的任何时候进行。其原理是:沿一线路取两点，并确定该线的斜度，即增益。当电桥正在测量稳定的外部磁场时，输出交保持恒定。记录稳定磁场的读数，记为Hl.此时施加特定电流通过偏置电流带，然后记录该读数，记为H2。导致磁阻传感器测量的磁场的变化称之为施加磁场增量(AHa)，磁阻传感器增益可如下计算: Gain = (H2-H1) / Δ Ha.
除了以上所述外，偏置电流带还有许多其它用途，关键是外部环境磁场和偏置磁场可以简单地相互叠加，被磁阻传感器作为单一磁场进行测量。如图8和图9所示就是偏置电流带的外围电路，这两个电压跟随器主要是起到缓冲隔离的作用。这两个电压跟随器的输出端口分别接到HMC2003背景磁场对消线圈的两端Xoff+Ι与Xoff-1。其中一个电压跟随器输入口接精密基准电压源，另一个电压跟随器输入由单片机进行控制，因为电压跟随器的主要作用便是缓冲隔离，所以背景磁场对消线圈两端的电压可以不受电路影响，如此便可以给巨磁电阻传感器提供一个稳定的“补偿磁场”。数据采集系统说明本设计主要完成传感器及外围电路设计，但传感器检验必须有外围电路的配合，而外围电路的控制由单片机数据采集系统实现，为了说明单片机对传感器的控制原理和工作时序，现对数据采集与控制部分进行简要介绍，使设计的思路更加清晰明了。本设计中的数据采集系统是一个以单片机为核心的集控制、A/D转换和通信的小系统。在数据采集系统中需要将模拟量转换为数据量，而A/D是将模拟量转换为数字量的器件，他需要考虑的指标有:分辨率、转换时间、转换误差等等。而单片机是该系统的基本的微处理系统，它完成数据读取、处理及逻辑控制，数据传输等一系列的任务。在该系统中我们采用89C52系列的单片机。。
该数据采集电路图包括以下三个部分。A/D模数转换器在本设计中选用ADS7825作为模数转换器。ADS7825是美国B-B公司生产的4通道，16位模数转换器。它由单-5V电源供电，数据采样及转换时间不超过25 μ s，可输入-1OV IOV的模拟电压。A/D转换后的数据可并行输出，也可串行输出，数据转换模式还可设置为4通道间连续循环转换，使用极其方便。使用ADS7825芯片时，将茂置0，然后给R/F脚加一下降沿即可以启动AD转换。此时，MU 脚的输出保持低电平，直至数据转换完毕且内部输出寄存器的内容被更新。在此期间，ADS7825不再响应新的转换命令。必须注意，在脚输出为高电平前，R/C必须置为高电平，否则会导致数据尚未读完，新的转换就已开始，从而使数据丢失。由于ADS7825转换的数据即可并行输出，也可串行输出，所以数据的读取也须分并行和串行两种方式来讨论。本设计中是将PAR / @置为高电平，选用并行输出方式，所以在数据读取时将脚置低电平，即选中ADS7825芯片后，给R/C脚输入一负脉冲，启动AD转换。ad转换及数据锁存时间为25μ S。检测IIii 脚的输出电平可以判断数据转换状态，当状态标志位=0时，数据转换仍在进行，此时不可读取数据。BUBY =1时，表明数据转换已结束且数据已进入输出寄存器，此时方可读取数据。令并行数据输出选择位BYTE=0，即可读出高8位数据，BYTE = 1，读出低8位数据。模拟信号分别从INO、INK IN2引脚输入，由ADRO、ADRl和CONTC引脚确认转换的方式和地址，当CONTC = I时，选择连续转换模式，当石、Λ/石和PWRD端均为低电平时，AD转换和读数将在INO IN3四个通道间连续循环进行。当^F在本次转换结束转为高电平后，AO和Al脚将输出下次采样所用的通道地址，究竟从哪个输入通道开始进行循环转换，取决于CONTC置为高电平之前，AO和Al脚的输入值。AO和Al脚的输出和被采样通道之间的关系如表5.1.1所列。
CONTC置为低电平时，采用间歇转换模式。AO和Al脚作为输入端，其输入值和采样通道关系如表5.1.2所列本设计中，ADRO、ADRl、CONTC, BUSY引脚都是由单片机输出信号控制，所以它的转换方式应该也是由单片机来控制。表5.1.1连续转换时的通道选择
ΓΤ1K次采样通
Al ft裾有效通道说_
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00 kmAm ' Μ/sr脚的输出由----
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_J—^0 Am__AIX2 时,AO和Al脚的输出
1IAIX2AIX3 将行动史改表5.1.2间歇转换时的通道选择
权利要求
1.一种热致磁效应多场稱合综合测试方法，其特征在于，将试样夹装在液压拉伸试验机的上夹头和下夹头之间；试样的中心部位开有一孔；采用上位机和下位机的模式实施综合检测,其中上位机连接红外相机以检测试样的温度变化场；红外相机的镜头正对试样正面的中部；上位机与作为下位机的控制器通信连接， 控制器分别通过三维磁场测量装置、拉力测量装置和位移测量装置分别检测试样在拉伸过程中的三维磁场、液压拉伸试验机的上夹头施加给试样的拉力以及上夹头的位移量；三维磁场测量装置的检测板位于试样的后侧；控制器还通过液压控制装置控制液压拉伸试验机的上夹头动作； 测试过程为: 启动液压拉伸试验机使得上压头对试样施加拉力，并控制上压头施加的拉力大小及上拉头的上升速度，由上位机同步启动红外相机、三维磁场测量装置、拉力测量装置和位移测量装置以实时采集试样在拉伸过程中的温度场、多点位的三维磁场、液压拉伸试验机的上夹头施加给试样的拉力以及上夹头的位移量； 最终获得在试样被拉伸过程中的温度场和磁场的同步变化数据。
2.根据权利要求1所述的热致磁效应多场耦合综合测试方法，其特征在于，采用分段式PID控制策略控制拉伸速度； (1)当拉伸力小于50KN 时，PID 参数为 Kp = 100，Ti = 1000，Td = O ； (2)当拉力大于或等于50KN时，PID参数为Kp= 500，Ki = 100，Kd = 20 ； (3)当拉力开始下降时，PID参数为Kp= 300，Ki = 1000, Kd = O ； 所述的分段式PID控制策略对应闭环控制系统，通过控制液压系统的比例控制阀以控制液压油的流量，最终控制拉伸速度；控制器的输出为与液压系统的流量成比例的电压值；反馈量为位移测量装置采集的拉伸位移量；闭环控制系统的给定为预设拉伸速度值。
3.根据权利要求1或2所述的热致磁效应多场耦合综合测试方法，其特征在于，采用基于热致磁效应的多场耦合综合测试系统实施综合测试； 所述的基于热致磁效应的多场耦合综合测试系统包括液压拉伸试验机、温度测量装置、三维磁场测量装置、拉力测量装置、位移测量装置、液压控制装置、控制器和上位机；温度测量装置为基于红外相 机的测温装置；温度测量装置与上位机(即工控机)连接；红外相机的镜头正对试样正面的中部； 三维磁场测量装置、拉力测量装置、位移测量装置和液压控制装置均与控制器连接； 由液压拉伸试验机夹持住试条板状的试样并对试样上端施加拉力使得试样产生形变； 红外相机的镜头正对试样的正面以测量试样的实时温度数据； 三维磁场测量装置设置在背面以检查试样在被拉伸的过程中产生的实时三维磁场数据； 液压控制装置驱动液压拉伸试验机； 拉力测量装置和位移测量装置分别检测液压拉伸试验机对试样施加的拉力以及液压拉伸试验机的上夹持部产生的实时位移； 控制器与上位机通信连接； 上位机控制液压拉伸试验机、温度测量装置和三维磁场测量装置同时启动，并由上位机同步收集实时数据，所述的实时数据包括:实时温度数据、三维磁场数据、拉力及液压拉伸试验机的上夹持部产生的实时位移数据。
4.根据权利要求3所述的热致磁效应多场耦合综合测试方法，其特征在于，拉力测量装置通过应变式压力传感器测量液压拉伸试验的油缸中油压以间接测量夹持部对试样的拉力；应变式压力传感器为圆筒式结构，应变式压力传感器主体为一个带有一个轴向盲孔的圆筒，圆筒的开口端设有用于连接油缸的外螺纹；圆筒的外壁上设有4片应变片:R1 R4 ;其中Rl和R2在设置在圆筒外壁的一侧，R3和R4设置在圆筒外壁的相对的另一侧；且Rl和R3横向平齐并位于圆筒的实心段(非盲孔段)的外侧，R2和R4横向平齐并位于圆筒的盲孔段外侧，横向指圆筒的径向； Rl R4连接成桥式检测电路:即Rl和R4依次串联后与直流电源并接；R2和R3依次串联后与直流电源并接，Rl与R4的连接点即为c点，R2与R3的连接点即为d点，c点和d点间的电压即为传感器的输出电压，该输出电压即反映了拉力测量装置需要检测的压力；位移测量装置为基于增量式编码器的位移测量装置，包括支架(4)、定滑轮(5)、光电编码器同轴滑轮(2)、拉绳(I)和重物￠);支架(4)固定在下夹头上，定滑轮(5)和光电编码器同轴滑轮(2)均安装在支架(4)上；拉绳(I)的上端固定在液压拉伸试验机的上夹头上，拉绳(I)的下端吊装有所述的重物￠)，且重物￠)自然下垂；拉伸(I)的中段绕过光电编码器同轴滑轮和定滑轮；光电编码器同轴滑轮作为定滑轮安装；光电编码器轴(3)输出反映位移量的脉冲信号； 所述的三维磁场测量装置为五点位三维磁场测量装置，包括单片机、磁传感器、多路选择器、模数转换器、磁滞效应消除电路和串口通信电路； 所述的磁传感器为5个，对称设置于PCB正面的5个点位上，且其中的4个设置在PCB板的四角处，另一个设置在PCB板的中央；每一个磁传感器具有3个信号输出通道，分别输出X、Y、Z三个方向的磁感应信号； 磁传感器依次通过多路选择器和模数转换器与单片机的输入接口连接；多路选择器的通道选择端接单片机的输出端口； 磁滞效应消除电路的两个输入端分别接单片机的复位端和置位端(set8和resets)；复位端和置位端均为单片机的IO端口 ；磁滞效应消除电路的输出端与磁传感器中的脉冲极化电路相连； 单片机通过所述的串口通信电路与上位机连接； 所述的磁传感器采用HMC2003芯片，所述的多路选择器包括3个多路开关:即第一多路开关、第二多路开关和第三多路开关，模拟多路开关采用具有8路信号输入通道和I个信号输出通道的74HC4051芯片；模数转换器采用十六位的ADS7825芯片；ADS7825芯片具有四个模拟信号输入端； 5个磁传感器的X信号输出通道分别与第一多路开关的5个信号输入通道相接； 5个磁传感器的Y信号输出通道分别与第二多路开关的5个信号输入通道相接； 5个磁传感器的Z信号输出通道分别与第三多路开关的5个信号输入通道相接； 3个多路开关的3个信号输出通道分别与模数转换器的3个模拟信号输入端相接； 3个多路开关的三个数字选择端对应并联； 磁滞效应消除电路为基于功率MOSFET管的脉冲产生电路，功率MOSFET管采用IRF7106-H-* I I心片； IRF7106芯片的5-8脚短接后通过第一电容(C83)与磁传感器中的脉冲极化电路相接； IRF7106芯片的I脚和3脚分别接地和直流电源正端VCCl ； IRF7106芯片的2脚(Gl)接所述的复位端(reset8)； 单片机的另一个IO端口作为置位端(set8)，置位端(set8)通过第一电阻(R81)接NPN型的三极管(Q18)的基极；三极管(Q18)的射极接地，三极管(Q18)的集电极通过第二电阻(R82)接VCCl ;三极管(Q18)的集电极还通过第二电容(C81)接IRF7106芯片的4脚(G2端)；IRF7106芯片的4脚与VCCl之间接有第三电阻(R83) ；VCC1与地之间接有第三电容(C82)； 串口通信电路采用专用通信器件MAX232，单片机采用STC89C54RD芯片； 所述的基于热致磁效应的多场耦合综合测试系统还包括一体式的控制柜，所述的控制柜内集成有所述的上位机和控制器，所述的上位机为工控机，所述的控制器为ARM嵌入式控制系统，控制柜的顶部设有连接工控机的显示器，控制柜内设有推拉式的键盘板，键盘板上设有连接工控机的键盘和鼠标；控制柜的底部设有液压控制装置和液压泵ARM嵌入式控制系统具有用于连接三维磁场测量装置、拉力测量装置、位移测量装置和液压控制装置的接口，工控机上设有连接温度测量装置的USB接口。
5.根据权利要求4所述的热致磁效应多场耦合综合测试方法，其特征在于，控制器通过三维磁场测量装置检测三维磁场的方法如下: 在检测区域的5个点位分别设置5个能输出三维磁感应信号的磁传感器；磁传感器输出的15路信号经多路选择器选择后，每一米样周期内输出一个磁传感器的三维磁感应信号，再通过模数转换器形成数字信号送入单片机中；最后由单片机对采集的所有数据处理后上传至上位机，完成三维磁场的测量； 在所述的测量过程中，单片机通过磁滞效应消除电路产生正反向极化脉冲并输出给磁传感器，以消除在磁场测量过程中磁传感器被磁化；测量步骤为: 步骤1:依次循环完成对5个点位的磁场测量； 每一个点位的磁场测量包括依次测量X、y和z方向的磁场； 步骤2:当5个点位的三维磁场测量全部完成以后，就完成了一帧数据的测量，并返回步骤I进行下一次循环； 每一个点位处的磁传感器单方向的磁场测量过程为: A/D转换开始前，单片机先输出一个置位信号SET使传感器获得正向极化，接着启动模数转换器进行A/D转换，为了防止随机干扰造成A/D转换误差，采用100个采样值求平均值AVG1，接着单片机输出一个复位信号RESET使磁传感器获得反向极化，然后启动模数转换器再获得100个采样值，并求得平均值AVG2，然后将两次获得的平均值AVGl和AVG2经过数值计算Vtm = (AVGl+AVG2)/2，得到一个数值作为一个该单方向的磁场测量值； 所述的和的单方向指X、y或z方向。
6.根据权利要求5所述的热致磁效应多场耦合综合测试方法，其特征在于，试样的尺寸:长800mm,宽85mm,中心孔直径5mm,中段长度100mm,中段宽度75mm,中段与端部的过渡部分采用圆角，圆角的半径为5_ ;拉伸速度为3-40mm/min,将采样速度设置为每0.5秒采样一次。
全文摘要
本发明公开了一种热致磁效应多场耦合综合测试方法，采用上位机和下位机的模式实施综合检测，其中上位机连接红外相机以检测试样的温度变化场；控制器分别通过三维磁场测量装置、拉力测量装置和位移测量装置分别检测试样在拉伸过程中的三维磁场、液压拉伸试验机的上夹头施加给试样的拉力以及上夹头的位移量。该热致磁效应多场耦合综合测试方法集成了三维磁场、温度和压力\位移的测量模块，能实现多个物理量的同步、综合采集，且自动化程度高。本发明集成度高，控制精度高，易于操控，能实现温度-拉力-磁感应强度的同步、综合测量，是一种全新的测试方法，为科学精确研究多场耦合条件下的热致磁效应提供了基础。
文档编号G01N27/72GK103196988SQ20131013157
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月16日 优先权日2013年4月16日
发明者罗迎社, 陈胜铭, 罗树凌, 邓瑞基, 邓彪, 李卉, 张永忠, 任嘉 申请人:中南林业科技大学