 Journal of Sensor Technology and Application 传感器技术与应用, 2013, 1, 9-15 http://dx.doi.org/10.12677/jsta.2013.12002 Published Online October 2013 (http://www.hanspub.org/journal/jsta.html) Sensor Design for 3D Pyromagnetic Field Detection in Prefabricated Defects Polymer Materials* Jianxin Su1, Yongzhon g Zhang2, Shengming Chen3, Hui Su4, Y ingshe Luo3 1College of Information Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 2College of Electronic and Information Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 3Hunan Provincial Key Laboratory of Engineering Rheology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 4Department of Information Engineering, Changsha Nanfang Professional College, Changsha Email: lys0258@sina.com Received: Sep. 15th, 2013; revised: Sep. 23rd, 2013; accepted: Sep. 27th, 2013 Copyright © 2013 Jianxin Su et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: A sensor system suit for three-dimensional pyromagnetic field detecting is presented. That weak magnetic field concomitantly occurs with deformation heat on loading procedure of prefabricated defects polymer materials. The main technical parameters of sensors and the technical measures to improve sensor sensitivities are briefly introduced, including the treatment method for background magnetic field. The hardware structure and the software flow of data acquisition system for this three-dimensional pyromagnetic field detecting are provided. As an applied result, a sort of 3D component curves of weak magnetic field variation are obtained, which come from a PVC plate specimen under a constant tensile displacement load. Keywords: Pyromagnetic Field; Background Magnetic Field; Two-Way Polarization; Data Acquisition; High Polymer 含缺陷高聚物板材热致磁场三维检测传感器设计* 粟建新 1，张永忠 2，陈胜铭 3，粟 慧4，罗迎社 3 1湘潭大学信息工程学院，湘潭 2中南林业科技大学计算机与信息工程学院，长沙 3中南林业科技大学工程流变学湖南省重点实验室，长沙 4长沙南方职业学院，长沙 Email: lys0258@sina.com 收稿日期：2013 年9月15 日；修回日期：2013年9月23日；录用日期：2013 年9月27日 摘 要：本文提出了一种对于含缺陷高聚物材料在加载过程中形成微弱热致磁场进行三维测量的传感器系统。 简要介绍了传感器的主要技术参数，提高传感器测量灵敏度的技术措施以及背景磁场的处理方法；给出了该三 维磁场测量传感器数据采集系统的硬件结构和软件流程。采用该传感器系统实验获得了聚合物 PVC 板材在恒定 拉伸速率下微弱热致磁场变化规律的三维分量曲线图。 关键词：热致磁场；背景磁场；双向极化；数据采集；高聚物 1. 引言 含缺陷高聚物材料或铁磁材料在加载过程中会 形成微弱热致磁场[1,2]，定量测量出该热致磁场的量值 和变化规律，对于研究材料在载荷作用下破坏机理具 有重要意义。文献[1,2]主要研究材料在载荷作用下裂 纹尖端的热磁效应。人们知道，材料一旦出现裂纹并 开始扩展，表明材料即将破坏并不可逆转。显然，理 *国家自然科学基金项目(10672191, 11072270)资助。 Copyright © 2013 Hanspub 9  含缺陷高聚物板材热致磁场三维检测传感器设计 论、实验和数值模拟相结合地研究材料受载后产生弹 粘塑性损伤破坏的全过程及全域的热致磁场等流变 特性，这对于建立材料在复杂服役条件下的失效准 则、破坏理论和寿命预测；对合理使用材料和设计新 型材料；对事故防范、安全生产和国民经济发展等均 具有重要的理论和实践意义[3-7]。由于该热致磁场十分 微弱，且材料加载实验往往要在由钢铁材料所做成的 材料试验机上进行，材料试验机体积庞大，钢铁部件 在制造过程中可能存在剩磁，在长期加载工作过程中 某些部件可能受到磁化，导致材料试验机工作区域存 在磁场是一个客观的事实，这种磁场的大小，分布规 律对不同的材料试验机可能存在较大差异，即使对于 非铁磁材料的高聚物材料，要将实验材料和加载设备 的磁致效应加以区分也并非易事。消除或分离背景磁 场的影响，是实现高聚物微弱热致磁场定量测量的关 键。文献[3-9]在多个国家自科基金的资助下，进行了 长达 10 多年的探索和尝试，取得一批重要成果，但 均是针对二维问题。本文介绍一种能够定量测量该微 弱热致磁场的三维测量传感器系统，并给出克服背景 磁场的方法，采用该传感器系统实验获得了聚合物 PVC 板材在恒定拉伸速率下微弱热致磁场变化规律 的三维分量曲线图。 2. 热致磁场三维测量传感器系统组成 磁场的三维测量就是用三维传感器对测量点处 磁场向量的三维量值进行测量，特点是可以显示测量 点处磁场的大小和方向。热致磁场三维测量传感器系 统结构框图如图 1所示。 主要由 HMC2003 构成的三维磁场测量传感器组 [10-12]，磁滞效应外围电路，背景磁场外围电路，多路 选择开关，A/D 转换器，单片机，串口通信等电路组 成，所获得的数据通过串口与上位机通信，由上位机 实现数据的即时显示与记录。图中传感器选用国际著 名传感器制造公司 HoneyWell生产的高灵敏度三轴磁 场传感器 HMC2003作为测量核心元件，该传感器采 用近年发展起来的巨磁电阻作为敏感元件，配合低漂 移仪表放大器 AMP04 作为放大元件，该仪表放大器 放大倍数只与增益电阻有关，不受电源波动的影响， 利用恒流源为测量桥供电，克服电源波动对检测灵敏 度的影响，所以，HMC2003 是一种高灵敏度，高稳 定度的三轴磁场测量传感器，其主要技术指标如表1 Figure 1. Acquisition system chart for pyromagnetic field 图1. 热致磁场采集系统框图 Table 1. Main technical parameters of sensors 表1. 传感器主要技术参数表 CharacteristicsConditionsMinimum Type MaximumUnits Sensitivity - 0.98 1 1.02 V/gauss Null field output - 2.3 2.5 2.7 V Resolution - - - 40 μ/gauss Field range Maximum magnetic flux density −2 - 2 gauss Output voltage Each magne- tometer axis output 0.5 - 4.5 V Temperature Operating; Storage −40; −55 - +85; +125˚C Linearity error 1 gauss applied field sweep - 0.5 2 %FS Supply voltage- 6 - 15 VDC Supply current- - - 20 mA 所示。 3. 传感器外围电路设计 3.1. 磁滞效应消除电路设计 该传感器测量元件由巨磁电阻构成，巨磁电阻在 外部磁场的作用下，其内部磁畴会出现不规则的排 列，降低测量灵敏度，为解决这一问题，厂家在传感 器内部设置了沿传感器轴向的激磁线圈，只要在该线 圈上施加足够的激磁电流，就可以使巨磁电阻材料磁 畴实现沿测量轴向的整齐排列，其排列的方向与外加 激磁电流方向一致，实现双向极化的电路称为磁开关 技术[12]，其原理如图 2所示。 图3所示是对产生双向极化 Set/Reset 信号的要 求，Set/Reset 信号不允许有过零反向脉冲出现，否则 会降低测量灵敏度。 Copyright © 2013 Hanspub 10  含缺陷高聚物板材热致磁场三维检测传感器设计 Figure 2. Magnetization circuit chart of dual polarity 图2. 双向极化激磁电路图 Figure 3. Magnetic impulse circuit chart of dual polarity 图3. 双向极化激磁脉冲电路图 3.2. 背景磁场消除方法与电路设计 由于材料拉伸机为钢铁材料构成，在加工和使用 过程中所有零件均未做消磁处理，其工作区域存在背 景磁场是一个客观的事实，该背景磁场的大小和方向 是在制造与使用过程中随机形成的。在预研实验中发 现，该磁场的强弱与材料拉伸机夹头位置有关，在一 定的使用条件下，其大小和方向是不变的，利用这一 特点，消除背景磁场有两种方法，一是硬件消磁法， 即利用传感器内部的消磁线圈，由于 HMC2003 由 HMC2001 和HMC1001 组合而成，其芯片内部分别集 成了独立的二维和一维消磁线圈[12]，该消磁线圈的轴 线分别平行于X、Y、Z轴方向，在线圈中通过不同大 小和方向的直流电流，就可以在三个不同方向产生不 同大小和方向的磁场分量，如果该磁场分量的大小与 背景磁场分量的大小相等，方向相反，则可以使背景 磁场得到完全消除。图 4所示是一个消磁外围电路。 为了尽量减小电路不对称对传感器的影响，消磁 线圈两端采用大小相等，极性相反的驱动电压 VCC 和 VEE，调整电位器 RP的位置，可以实现磁场大小和方 向的调节。这种消除背景磁场的方法适合于静态强背 Figure 4. Elimination circuit of static background magnetic field 图4. 静态背景磁场消除电路 景磁场。对于非恒定背景磁场，则必须采用自动调零 方式，利用单片机的 D/A转换器输出一个直流电取代 RP处的电压，同时启动数据采集，比较输出数据，使 输出向偏差减小的方向变化。如果现场磁场比较微 弱，不会使传感器输出接近饱和，则可以采用背景磁 场软件消除法，即利用背景磁场的强度与位置精确对 应，分别进行空载与实验两次采样，采用实验与空载 两次对应坐标所测量的磁场值相减的方法消磁背景 磁场。背景磁场软件消除法适合弱背景磁场，对于强 背景磁场下的精确测量，需要将硬件消除法和软件消 除法结合使用。 4. 数据采集系统硬件与软件设计 4.1. 数据采集电路硬件设计 该三维磁场测量传感器系统由 5个HMC2003 三 维磁场传感器组成，每个磁场传感器有X、Y、Z三个 模拟信号输出端，在传感器板上每个传感器的 X、Y、 Z输出端分别由一个 8选1多路开关 4051 转换为一路 信号[13-16]，所以 5个传感器各自的 X、Y、Z输出信号 经过 3个多路开关转换为三路模拟信号 Vx，Vy，Vz， 所以选用的 A/D 转换器最好提供三路以上模拟 信号 输入通道，最后设计的数据采集系统硬件如图 5所示。 图中单片机选用宏晶科技公司[17]生产的高速、高 可靠、在线编程单片机 STC89C54RD+，它具有加密 性强，超强抗干扰，超低功耗等特点，5 V电源下工 作频率最高 80 M，内含程序存储器16 K，数据存储 器1280 字节，不需要扩展程序和数据存储器，从而 简化了系统结构；A/D 转换选用BB 公司生产[18]的高 性能模数转换器件 ADS7825，它具有 4路模拟输入通 道，5 V 单电源供电，16 位并行输出等独特性能，可 以满足数据采集系统对通道数、分辨率和速度的要 求。该芯片的主要特点如下：1) 最大 25 μs的采样和 转换时间，保证信号采集系统能够实现同步采样；2) 单电源 5 V供电，内部集成4选1多路开关和采样/ Copyright © 2013 Hanspub 11  含缺陷高聚物板材热致磁场三维检测传感器设计 Copyright © 2013 Hanspub 12 Figure 5. Hardware design of data acquisition system 图5. 数据采集系统硬件设计 令。ADS7825 在并行输出模式情况下，根据通道选择 方式的不同，还可以分为连续转换方式和可编程通道 选择方式。在 CS、R/C 和PWRD 同时接低电平的情 况下，若CONTC (pin25)脚为高电平时，ADS7825 处 于连续转换工作模式，CONTC 为低电平，则为可编 程通道选择方式。本设计CONTC 接P1.2，可以根据 需要灵活选择工作模式。模拟输入通道的选择是由程 序控制指令完成的。控制器发出数据转换指令和要转 换的通道号，通过P1.0，P1.1 接口控制 ADS 7825 的A0 和A1 通道，选择控制端实现 VX，VY，VZ模拟通道的 切换，3个模拟多路开关 4051 的切换控制端 A、B、 C由P2.0、P2.1、P2.2 三根口线控制，由于传感器的X， Y，Z三轴要求同时切换，所以三个 4051多路开关的 选择控制端 A，B，C是并联的。 保持器，简化外围电路，使所设计电路的可靠性显著 提高；3) 4个单端模拟输入通道，支持复杂的信号采 集系统，能提供大动态范围信号输入；4) 内置 2.5 V 误差 8%参考电源；5) 内部带有信号幅度变换电路， 容许正负 10 V范围的模拟信号输入，确保大动态范 围信号的正确响应，特别是在单电源 5 V 供电方式下， 此项指标更显重要；6) 串行/并行数据输出方式可选， 适应不同电路的设计要求。其中16 位并行输出数据 分两次读取，当 BYTE 引脚为高电平时，输出高 8位 字节；BYTE 为低电平时。输出低8位字节；7) 高转 换率，低功耗。ADS7825 可提供40 kHz的采样速率， 这对于 4通道输入16位并行输出的模数转换来说已 是很高的速度，更何况此时的最大功耗只有 50 mW， 掉电模式下更只有 50 μw的功耗。在并行输出方式下， 启动初始化过程是由 R/C (pin22)脚变为低电平并至 少保持 40 ns开始，启动转换。BUSY (pin24)脚变为 低电平，并保持到数据转换和数据输出寄存器刷新完 毕。如果 BYTE (pin21)脚为低电平，在BUSY 的上升 沿，触发输出信号的高 8位数字信号；相反，若BYTE 脚为高电平，输出信号的低 8位数字信号。最终转换 的数据以 BCD补码格式输出。VREF 是外部参考电压 输入端或内部参考 2.5 V电压输出端。此引脚应与一 个2.2 µF电容相连，并与 VREF 脚的输出阻抗构成一 个低通滤波器滤除高频噪声。CAP为内部参考电压的 缓冲输出端，也应与一个 2.2 µF 电容相连 ，在ADS7825 的转换周期内，这样连接可提供给内置 D/A 转换器最 佳的转换输入电流，同时对缓冲输出也是一种补偿。 另外，在BUSY 为低电平期间，不再接受新的转换指 4.2. 数据采集系统软件设计 三维磁场测量传感器系统要求完成功能包括系 统初始化，输出Set/Reset 信号，实现多通道数据采集， 数字滤波和数据通信等功能，程序框图如图 6所示， 其工作过程是：在 Set 信号作用后，分别对 X，Y，Z 连续进行50 次采样，接着加 Reset 信号，再分别对 X， Y，Z连续进行 50次采样，分别计算X，Y，Z轴在 Set 信号和 Reset 信号作用下的平均值，求出两者差值的 平均值，作为该传感器在该时刻的三维磁场输出信号 VX，VY，VZ这时就完成了一个点的数据采集。当5个 传感器全部的采样完成以后，即完成了一帧数据采 集，单片机检查有无上位机的数据请求，如果有数据 请求，转入数据通信，否则进入下一帧数据采集。通  含缺陷高聚物板材热致磁场三维检测传感器设计 Figure 6. Flow chart of data acquisition system program 图6. 数据采集系统程序流程图 信程序要求每次发送一帧数据和校验和，由上位机检 验是否正确，返回确认码，如果确认码不正确，则重 复发送数据。确认码正确，转入下一帧数据采集。 5. 传感器测试方法与实验结果 含缺陷高聚物热致磁场三维检测传感器，属于 “含缺陷高聚物材料热致磁效应多场耦合集成测试 仪器”的子系统，该子系统的上位机设计了一个基于 Labwindows/CVI 综合集成测控软件[19,20]，该软件完成 材料试验机控制，红外摄像仪控制，以及磁场数据信 息的显示，因此，对于“含缺陷高聚物热致磁场三维 检测传感器”的检验，完全由该集成测控软件来完成， 该集成测控软件工作界面如图7所示。 Figure 7. Multi-scope measuring named Labwindows/CVI 控制部分，。图 7中左边上部 又分三个显示区域，分别对应于载荷– 位移曲线 个专用数据查看 界面 显示区域。一个是速度–位移 –拉 图7. Labwindows/CVI 集成测控显示界面 取 右面为参数显示部分 为系统操作控制部分，包括液压系统开启，控制参数 设定，如：PID 参数设定，采样周期设定，位移，拉 伸速度，压力设定，系统实验开始与停止控制。实验 开始前，根据实验要求，设定PID 参数，采样周期， 位移，拉伸速度，压力等参数。图7左边中部为磁场 参数显示部分。该部分又分为两个部分，靠左边部分 为磁场传感器阵列，总数安排了4 × 4个传感器，点 取不同的按键位置，对应选择了传感器编号，也可以 直接输入传感器 ID 号来选定显示输出信号，靠右边 部分用不同颜色分别显示X，Y，Z三个磁场分量的单 位和实时数值。图 7左边下部为红外摄像机的红外图 像显示区。 图7右面 ；磁场–位移曲线，温度–位移曲线，该三 组曲线在实验时同步绘制、显示并保存，有利于适时 观察和分析三者之间的对应关系。 为了方便数据的分析，设计了一 ，如图 8所示。 该查看界面有两个 力–磁场–温度综合显示区，通过数据载入按 键，载入实验数据，然后通过通道选择的下拉按钮展 开待显示数据下拉列表，点击选中待显示的数据，则 该数据以选定的颜色按时间显示其变化的曲线，另一 个是红外图像专用显示区。图 8是一次实验采集的磁 场，拉力，位移和红外热像仪采集的在试件 A点处温 度随时间变化曲线图。由于数据查看是一个综合显示 界面，其显示的参数由下拉列表框任意选取，所以， 图7中控制界面分左右两大部分，左面为参数选 Copyright © 2013 Hanspub 13  含缺陷高聚物板材热致磁场三维检测传感器设计 Copyright © 2013 Hanspub 14 三号传感器三维磁场3X，3Y，3Z 随拉 其图上的坐标表示的物理量是根据显示的参数而变 化的，具体显示的物理量单位在通道选择列表框中显 示，具体数值对应定点查询坐标点的数值栏显示。由 图8右下部分可知，绿色矩形框窗口与热致磁感应强 度的测量相关联。 图9显示的是第 力变化关系曲线，单位为 µT，由图 9可以看出， 随着拉应力(绿色曲线)的增加，X，Y，Z三维磁场的 强度(分别用紫色、红色、蓝色表示)曲线均有明显的 变化，说明传感器能够检测到聚合物 PVC 板材在恒 定拉伸速率下产生的微弱热致磁场的变化规律，这些 数据可以提供给力学、物理、材料等相关专业领域科 技人员进行分析研究。由于传感器为国际权威传感器 公司生产和标定，其灵敏度和线性得到保证，系统误 Figure 8. Multi-viewer for experimental data based on Labwindows/CVI 图8. 基于 Labwindows/CVI 实验数据查看界面 Figure 9. The curves of 3D magnetic field vs. displacement 图9. 三维磁场随位移变化曲线图  含缺陷高聚物板材热致磁场三维检测传感器设计 括传感器误差，A/D 转差应该包 换器误差。设 A/D 转 换器为线性器件，由于没有进一步放大，故不存在线 性误差的变化，且采用了软件背景磁场消除，实际上 所有器件的零点误差均被消除，最后显示的是磁场变 化值，其测量误差完全由传感器确定，这也是本文选 用国际著名传感器制造公司 HoneyWell生产的高灵敏 度三轴磁场传感器HMC2003 作为测量核心元件的主 要原因。对于某点磁场矢量的计算，可以从曲线图读 得VX，VY，VZ值，由下式计算获得： 222 XY Z V VVV arctg,arctg ,arctg YZ XY VV VV X Z V V 6. 结论 含缺陷高聚物材料热致磁效应首次实现由 二维 料热致磁效应测量传感器 系统 该传感器灵敏度高，工作可靠，整 个采 获国家自然科学基金项目(1067 219 1107 nces) 断裂过程区的热力学性和电 磁性[J]. 湘潭大学自然科学学报, 1997, 19(3): 29-37. ch on surveying system of pyromagnetic effect during outh yromagnetic effect. Journal of Central South [J]. 湘潭大学自然科学学报, 系统[J]. 仪表技术与传感器, 2010, 6(1): ation. NVE GMR sensor applications. ensors.com 教育出版社, 2003: , 2008: 77-103. 09: 08-15. m A/D. atasheet-pdf/pdf/56561/BURR- 012: 4-24. 11: 3-30. (1) 对 到三维检测的跨越。 (2) 对含缺陷高聚物材 中任意一个传感器单元，都可以在系统软件实验 界面观察到三维磁场随时间的变化规律，通过查看界 面可以获取实验过程任意时刻在试件某点处磁感应 强度的瞬时值。 (3) 实验表明 集系统设计合理、运行平稳、操作简便，在完全 消除背景磁场的情况下，能精确测量 PVC 板材在拉 伸过程中所产生的微弱热致磁场，为相关领域的科技 工作者提供了全新的测试手段和方法。 7. 致谢 本文 1, B 2270)资助；同时得到中南林业科技大学任嘉，邓 瑞基，罗树凌和湘潭大学邓旭华等老师及部分研究生 同学提供的帮助，在此一并表示衷心感谢！ 参考文献 (Refere [1] 袁龙蔚. 带缺陷流变性材料裂尖 [2] 梁伟. 磁力耦合作用下的材料变形和断裂[D]. 清华大学, 2002. [3] Y. S. Luo, J. X. Su, X. H. Deng, et al. Exploitation and applicat- ing resear rupture process of PVC sheet with defects. International Journal of Applied Mechanics and Engineering, 2003, 8: 277-282. [4] Z.-Y. Yang, Y.-S. Luo, J.-X., Su, et al. Thermomechanical cou- pling effect of PVC sheet with defects. Journal of Central S University of Technology, 2008, 15(s1): 568-572. [5] Y. S. Luo, S. M. Chen, L. Zhang, et al. Experimental studies on elastic cooling and pyromagnetic effect of polyvinal chloride sheets with defects. Korea-Australia Rheology Journal, 2012, 24(3): 205-210. [6] Y.-Z. Zhang, Y.-S. Luo, J.-X., Su, et al. 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