基于电磁法的切应变检测系统的设计

        传统的机械构件切应变多采用电阻应变片法检测。电阻应变片法测定构件线应变属于接触式检测,连接导线多,导线的布置和信号处理繁琐,而且由于导线接触电阻的不稳定性、线间电容及热电动势等都将使检测结果的准确性和检测精度降低,同时也难以实现对动态构件切应变的在线检测。

    笔者采用的电磁检测法是直接在被测构件上贴上磁钢,通过被测构件与检测器的相对运动实现应变的测试,且被检测构件与检测器间无接触,检测旋转构件时检测信号引出方便。该方法应用了磁电转换技术、微电子技术和计算机定量处理技术,把需测试的物理量用磁信号及其再生信号作载体,实现机械量的电量测试[1]。通过对这些电信号的处理可实现机械构件切应变的非接触实时在线定量检测。

1　检测系统的硬件设计及检测原理     

检测系统由试验台、传感器电路及由MCS251语言编程的单片机系统构成的二次仪表电路组成基于电磁检测法的应变检测原理如图1所示,搭建加载扭矩的试验台,在被测构件表面贴上磁钢,即图1中的位置1和2(试验选用20 mm,磁感应强度B=12 mT,厚1.5 mm的磁钢),然后在试验台上沿被测构件的周向在图1中位置1和2的正上方分别布置两个霍尔传感器。当霍尔传感器与被测构件间有相对转动时,传感器就会产生一系列类似于半正弦的非标准电压信号,这些信号经传感器电路处理(图2)转换成标准的数字电压送到二次仪表中处理。若构件受扭力产生切应变,则两霍尔传感器将输出两个频率相同但相位不同的信号(图2中信号1和2)。两信号的相位差与构件的切应变成正比。

式中l为两磁钢的中心距离。因此只要测出扭角即可测试构件的切应变。由处理后的波形可以看出在波形中对应相应的时间t,而传感器旋转一周的角度是2π,若再测出旋转一周的时间T就有

    考虑到贴磁钢时的位置误差,试验时可先测出两列信号的初始相位差φ,因此就有

系统中二次仪表的主要任务就是测出t和T。

2　传感器电路及二次仪表

2.1　传感器电路

    霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作,具有结构简单、体型小、频率响应宽、动态范围大、无接触和寿命长等特点。该系统设计的霍尔传感器THS103A型,信号预处理电路主要由不等位电势补偿电路、差动放大电路、电压比较电路及异或电路组成[2]。THS103A的供电电压是5 V,输出电压是50~120 mV,不平衡率20%。不等位电势是由元件本身的物理加工缺陷造成的,因此在把感应电压送至下一处理电路前需要进行零点校正。它可通过图3中的电路进行补偿,其中电阻R1可用来进行零点调整,实现不等位电势的补偿。补偿后的霍尔传感器在零外加磁场中,输出为0 V。差动放大电路主要放大霍尔传感器产生的微弱信号,并把两路信号变成一路信号送至电压比较器。电压比较器是由CF3140组成的零电压比较器,双电源供电,电压±5 V。该电路要求放大器的失调电压Vio很小,最好调到零。使用时,器件不能在线路带电的情况下接入和断开,以免瞬态电压变化引起损坏,而电源断开时输入端也不能加信号[3]。信号经零电压比较器后产生两路0~+5 V电压信号,再经过斯密特整形电路处理就能获得标准方波信号,两路方波信号送至异或电路进行逻辑处理即可得到两传感器的输出信号,如图2中异或处理信号。