基于虚拟仪器的应力磁测系统的设计

　　1　引言

　　应力及应变检测是进行机械结构设计、设备工况监测和故障诊断的重要手段。虽然应力检测的方法比较多,但大多都属于破坏性的,无法实现在线检测。 基于铁磁材料受到应力作用时呈现出磁各向异性原理的磁测法,是一种新型的应力检测法。目前,这种应力检测法已应用于传动轴扭矩、大型工件和压力容器的残余 应力和工作应力的测量,也可无接触或无损检测并预测材料或构件的疲劳破坏,受到国内外有关研究机构的广泛重视。

　　采用应力磁测法对大型设备进行工况在线监测,则信号采集点往往很多,而且对于异常的动态信号,需要迅速地分析处理并做出判断,传统的仪器显然难 以满足要求。另外,当采用应力磁测法对大型焊接件或压力容器中的残余应力进行探测时,需要探测的点也很多,并且在探测前先要处理大量的标定数据,因而降低 了测量工作效率。对此,本文研制了一套基于个人PC机,以图形化编程语言LabVIEW为软件平台的虚拟应力磁测系统,可以很好地解决上述问题。

　　2　应力磁测原理和磁测系统的构成

　　2.1　应力磁测原理[1]

　　铁磁性材料磁化状态的变化伴随着材料尺寸变化的现象称之为材料的磁致伸缩效应。反过来,铁磁材料在外力如拉力、扭转力等作用下发生变形,磁化强 度将随之发生变化的现象叫做材料的逆磁致伸缩效应(或磁弹性效应或压磁效应)。在这种情况下,材料产生各向异性,因此应力或应变状态的变化将会引起铁磁材 料磁导率或磁阻的变化。在向磁各向异性传感器提供恒定的磁动势的条件下,磁路中磁阻的变化将引起磁通的变化,传感器上的检测线圈感应出的感生电动势的变化 将反映这种变化。从而可将非电量的应力应变转换成可以测量的电量(如电压),达到应力检测的目的。这就是利用逆磁致伸缩效应测量应力的基本原理。其变换过 程如下

　　F→Δσ→Δμ→ΔRm→ΔV

　　其中,Δσ为应力变化量;Δμ为铁磁材料磁导率的变化量;ΔRm为磁路中磁阻的变化量;ΔV为传感器输出电压的变化量。

　　2.2　磁测系统的构成

　　图1为磁测系统构成简图。振荡器产生频率和幅值一定的三角函数的电流信号,传感器经过电磁感应拾起电压信号,经信号调理电路将微弱的电压信号放大、滤波后。通过A/D卡完成采样输入计算机,由虚拟仪器系统对采集的信号进行分析处理、存储或打印。

　　3　基于虚拟仪器的磁测系统设计

　　3.1　虚拟仪器系统的组成

　　虚拟仪器系统主要由硬件和软件两大部分组成,硬件是虚拟仪器工作的基础,它的主要功能是完成对被测信号的采集、传输和测量结果的显示。虚拟仪器 系统的硬件有计算机和I/O接口设备2部分,其中计算机主要是用来提供实时高效的数据处理性能,而I/O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模 /数转换。不同的总线有其相应的I/O接口硬件设备,其中基于PCI数据采集卡(简称DAQ卡)、GPIB接口和VXI仪器的虚拟仪器是3种基本形式。本 系统采用NI公司推出的基于PCI总线的12位16路数据采集卡PCI-6024E,最大输入范围为-10~+10 V,采样速率为200 kHz/s,其驱动程序直接采用NI提供的DAQ库函数来驱动。利用PCI-6024E数据采集卡可以同时完成多个测点的信号采集。