基于DSP的便携式应力检测仪设计

刘宗斌，车华军，刘宗苏

(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院，江苏无锡 461000；2.江苏大学，江苏镇江 212013；3.常州工学院，江苏常州 213022)

0 引言

随着城市化进程的加快，铁磁性材料在轨道交通建设、日常生活以及工业生产中得到了广泛的应用，而铁磁性材料在恶劣工况下的高强度使用，容易产生裂纹、断裂，造成难以估量的危害[1]。因此对铁磁性材料的应力检测至关重要，传统的检测设备操作复杂、体积庞大，为了克服这些缺点，本文设计了一种基于巴克豪森原理的便携式应力检测设备。其创新点是建立巴克豪森(MBN)噪声与铁磁性材料之间的关系，通过提取MBN信号的特征值从而实现对铁磁性材料应力的间接测量，该种测量方式为无损检测，不会损害待测的铁磁性材料[2-3]。

1 巴克豪斯检测原理

当铁磁性材料置于交变的磁场中，其会改变磁场的分布，即产生磁化现象[4]。若无外界因素作用，铁磁性材料对外不显示磁性，当有外应力或交变磁场时，铁磁性材料内部的磁畴的方向会发生变化，而磁畴的的这种变化会在铁磁性材料里面产生一系列的脉冲信号，此种信号称为巴克豪森信号(MBN)。利用相关传感器可以准确的提取到巴克豪森信号，而外加磁场的强度和频率对巴克豪森信号有着决定性的影响，因此在实际测量时，必须选取适当的激励信号频率。系统在分析处理时，提取巴克豪森噪声信号的平均值、均方根、峰值等特征值，通过对比巴克豪森信号的这3个特征值来计算应力的大小，通过标定特征值与应力的关系实现对应力的检测。

2 系统硬件设计

便携式应力检测仪的设计主要是由应力检测探头、功率放大电路、信号产生电路、信号调理电路、数据采集电路以及DSP最小系统组成[5]。首先微控制器DSP用于产生交变的激励信号，此信号并不能直接驱动应力检测探头，经功率放大电路后再去激励应力检测探头。待测的特磁性材料再受到施加的交变磁场后，会产生巴克豪森信号，利用信号调理电路和数据A/D转换电路来提取、分析巴克豪森信号，最终实现对铁磁性材料的应力检测。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2.1 信号产生电路

MBN信号产生的前提是由铁磁性材料外加交变磁场和应力，激励信号的准确性是系统测量精度的重要保证。系统通过DSP的I/O口外加高精度14位DAC转换芯片AD9754实现驱动信号的产生[6]。AD9754是高精度模数转换器，其采样率能够达到125 MSPS，具有14位分辨率，工作功耗185 mW，内部本身自带有1.2 V参考稳定电压，单端供电4.5～5.5 V，差分输出电流范围2～20 mA。信号产生电路图如图2所示。

图2 信号产生电路

DSP的I/O口输出的14位数字量通过AD9754的DB0～DB13数据口输入到芯片内部，芯片内部根据数字量的时序产生相应的正弦模拟电压信号。

2.2 功率放大电路

AD9754输出的正弦交流信号并不能直接去激励应力检测探头，需要经过功率放大之后再去驱动应力检测探头[7]。系统利用甲乙类互补放大电路来对AD9754输出的正弦波信号进行放大，将正弦信号的峰峰值提高到20 V，功率放大电路如图3所示。

图3 功率放大电路

电路中R33、R34、D1、D2为Q1、Q2提供直流偏置，使两管处于微导通状态，避免交叉失真，以便得到光滑的正弦波信号，再将此正弦波信号经过变压器T1进行放大后再去激励应力检测探头。

2.3 信号调理电路

应力检测探头输出的信号为微弱的电压信号，约为mV级，无法直接对此电压信号进行分析处理，普通的放大电路干扰较多，放大信号时容易造成失真[8-9]。因此如何准确放大应力检测探头输出的信号是本文研究的重点，系统利用专用仪表放大器INA128U对信号进行放大，INA128U是一款低功耗、高精度的仪表放大器，专用于放大微弱信号。信号调理电路图如图4所示。

图4 信号调理电路

电阻R43用于调整仪表放大器INA128的放大倍数，R44为0 Ω电阻。INA128仪表放大器的最大倍数为1 000倍，在放大应力检测探头信号的同时，噪声信号也随着被放大了，因此经过高精度运放TSZ121组成的低通滤波电路，滤除信号中的高频干扰[10]。

2.4 A/D转换电路

A/D转换电路的作用是将信号调理电路输出的模拟信号转换为可被DSP处理的数字信号，A/D转换电路的速度和精度直接影响着系统的检测结果[11]。系统选用高精度A/D转换芯片AD7606实现信号的模数转换，AD7606具有8个模拟采样通道，可采用FSMC总线与DSP进行通讯，最高采样速度高达200 kHz，A/D转换电路图如图5所示。

图5 A/D采样电路

图中RESET是AD7606转换器的复位引脚；BUSY为高电平时，表示正在进行数据转换，转换完成之后BUSY变为低电平信号；CONVST为通道选择引脚，当CONVST接高电平时，表示同时开启8路转换；FSMC_NE1为AD7606的片选信号，而FSMC_NOE为AD7606的时钟信号。OS1、OS2用于设置芯片的采样速率，最高可设为200 kHz，RANGE用于设置采样电压的范围，本系统设置为-10～10 V之间。

3 软件设计

软件设计是系统的重要组成部分，系统程序包括传感器激励信号产生程序、定时中断程序、外部中断程序、A/D采样程序、串口通讯以及DSP最小系统程序等。系统上电后首先执行传感器复位操作，当接收到外部启动按钮时，启动系统开始测量。应力检测仪首先产生正弦波激励信号去驱动应力检测探头，再利用信号调理电路接收铁磁性材料产生的巴克豪森噪声信号，利用高精度的A/D采样芯片将模拟量转换为可被DSP处理的数字量，最终在DSP内部计算得到巴克豪森信号的平均值、均方根、峰值等特征值，最终根据应力与特征值的关系推算出应力值，系统软件流程图如图6所示。

图6 软件流程图

4 实验数据分析

4.1 MBN信号与施加压力关系

设计完系统之后开始对系统进行稳定性和准确性实验，搭建如图7所示的实验环境，将待测的钢板固定在实验台架上，将应力检测探头置于钢板中间，通过压力标定机向钢板施加不同的压力，通过压力标定机下端的数字表读出当前所施加的压力，并利用系统采集钢板此时的MBN信号。

图7 实验装置

通过施加不同的力来采集钢板的MBN信号，施加的压应力在0～250 MPa之间，每隔15 MPa采集1次钢板MBN信号对应的特征值，分别记录钢板的MBN信号与施加应力的关系，得出MBN信号平均值、均方根、峰值3个特征值与压应力的关系，关系曲线分别如图8～图10所示。

图8 MBN信号的平均值与压应力的关系

图9 MBN信号均方根与压应力的关系

图10 MBN信号峰值与压应力的关系

由图8～图10可知，在特磁性材料的弹性范围内，MBN信号的平均值、均方根以及峰值都随着压应力的增加而减小。根据通过大数据分析，提取MBN信号平均值、均方根以及峰值3个特征值与压应力的关系，从而计算出特磁性材料所收到的压应力大小。

4.2 测试数据对比

利用以上测试数据对系统进行标定，分别得到压应力与MBN信号3个特征值之间的关系。再通过拟合的数据曲线反推出特磁性材料受到的压应力。表1为利用MBN信号平均值推算出压应力与实际压力的对比结果。

表1 数据对比结果

测试结果表明，通过MBN信号峰值计算得到的压应力误差较大，高达17%；通过MBN信号平均值计算得到的压应力比较准确，相对误差不超过5%；通过MBN信号均方根计算得到的压应力准确度相对较高，相对误差约为9.8%。因此可以得出结论，利用MBN信号的特征值可有效检测出铁磁性材料的压应力，其中利用平均值计算时，准确性较高，相对误差均不超过5%。

5 结论

本文设计了一种基于巴克豪森效应的应力检测仪，该检测仪将传感器技术与微电子技术结合，利用相关电路检测铁磁性材料产生的巴克豪森噪声信号，通过分析巴克豪森信号的特征值来判断铁磁性材料的应力。该检测方式是无损检测的一种，不会破坏待测铁磁性材料的原有结构。实际测试结果表明，本文设计的应力检测仪能有效的检测出铁磁性材料的应力大小，且检测精度相对较高。