工程中常采用無損檢測（Nondestructive Testing簡寫為NDT）的方法檢測設備與構件的缺陷，傳統的NDT方法有超聲、渦流、磁粉、著色等。但這些方法只能檢測已經發展成形的缺陷，對于因應力集中而引發的疲勞斷裂的早期診斷問題則無能為力。另一方面，傳統的NDT方法具有設備體積大、勞動強度大、操作復雜、對人員素質要求高等缺點，且每一種方法都有各自的局限性。為了及時準確的對早期損傷特別是尚未成形的隱性不連續性變化進行評價，就必須開發出新的無損檢測方法。

1997年在美國舊金山舉行的第50屆國際焊接學術會議上，俄羅斯科學家提出被譽為21世紀的NDT新技術--金屬磁記憶（MMM）技術［3］.MMM檢測技術可以準確探測出被測對象上以應力集中區為特征的危險部件和部位，是迄今為止對金屬部件進行早期診斷唯一行之有效的NDT方法。與現有的漏磁檢測方法相比，磁記憶方法利用構件或設備在地磁場中的自磁化現象而不需要專門的磁化設備，不須對被檢工件的表面進行清理或其他預處理，提離效應的影響很小，設備輕便、操作快速便捷、靈敏度高，重復性與可靠性好， 可快速確定應力集中區域，適用于大面積的普查。本文采用PIC單片機，設計了高性價比的便攜式磁記憶檢測儀，具有低成本、低功耗和快速檢測等特點，可以滿足各種場合，特別是難以到達部位的應力集中區檢測。

PIC單片機（Peripheral Interface Controller）是一種用來開發的去控制外圍設備的集成電路（IC）。一種具有分散作用（多任務）功能的CPU.與人類相比，大腦就是CPU，PIC 共享的部分相當于人的神經系統。PIC單片機有計算功能和記憶內存像CPU并由軟件控制允行。然而，處理能力-存儲器容量卻很有限，這取決于PIC的類型。但是它們的最高操作頻率大約都在20MHz左右，存儲器容量用做寫程序的大約1K-4K字節。時鐘頻率與掃描程序的時間和執行程序指令的時間有關系。但不能僅以時鐘頻率來判斷程序處理能力，它還隨處理裝置的體系結構改變（1*）。如果是同樣的體系結構，時鐘頻率較高的處理能力會較強。

磁記憶檢測

鐵磁性工件在受到應力作用時，在應力集中處會有漏磁場的切向分量出現最大值、同時法向分量改變符號且過零值點的現象。金屬磁記憶無損檢測技術正是根據這一現象探測出受力金屬部件上應力集中部位。為從理論上解釋這一現象，本論文所做的主要工作和結論概括如下： 1.總結與磁記憶檢測技術相關的鐵磁學、金屬力學和電磁學的基本理論。磁記憶無損檢測技術是專門針對受力鐵磁性材料實施早期診斷的新型無損檢測技術，其檢測的范疇還是屬于電磁方法檢測，因此有關鐵磁學的基本理論、金屬的力學特性以及電磁特性等是研究磁記憶無損檢測的理論基礎，本論文針對有關這方面的一些基本知識作了簡要的總結。 2.地磁場中受力鐵磁性材料有效場表達式的推導。本論文以材料力學實驗中常用的鐵磁性桿件作為研究對象，將其放置于地磁場中，受到應力的作用。基于鐵磁性的唯像理論，根據分子場理論，利用有效場的概念，得到了地磁場中受應力作用的鐵磁桿件的有效場表達式。 3.分子場參數表達式的推導。通過分析所研究試樣的能量組成，寫出了試樣總能量表達式；根據能量最小原理，利用應力、應變之間的關系和磁致伸縮系數、磁應變之間的關系，得到了分子場參數表達式。 4.磁記憶檢測機理的理論解釋。根據所得到的地磁場中受力鐵磁性材料有效場表達式，通過分析討論，解釋了受拉力作用的正磁致伸縮鐵磁材料和受壓力作用的負磁致伸縮材料在應力集中處漏磁場切向分量出現最大值、同時法向分量為零值的現象。 5.仿真計算。為直觀地顯示上面的分析結果，利用Matlab計算機語言編寫程序進行了仿真計算，作出了分布曲線圖。

磁記憶檢測儀的硬件設計

便攜式磁記憶檢測儀主要由傳感器、單片機、運算放大器、LCD顯示器和相應軟件組成（見圖1）。

便攜式磁記憶檢測儀以單片機PIC16LF873A為核心，用HMC1052兩軸磁阻傳感器檢測法向分量Hp（y）的X分量和Y分量，經過信號放大后，送單片機PIC16LF873A的A/D轉換通道，獲得的數據經計算得到Hp（y）值，送LCD顯示。為檢測方便，設置了兩個檢測通道，作為應力集中線Hp（y）符號比較的依據。置位/復位電路對磁阻傳感器施加置位/復位電流，避免地球磁場對測量結果影響。

單片機采用PIC16LF873A，它有4KB FLASH 存儲器，192字節RAM、128字節EEPROM、10位A/D轉換器等，幾乎不需要外圍擴展電路就可以直接使用。RA口設置成A/D轉換功能，用于處理雙通道磁阻傳感器信號。RB口的中斷功能用于鍵盤處理，設有校驗、置位/復位、通道1、通道2和ON/OFF5個功能鍵。RC口中的六個引腳，用于LCD顯示器控制。采用兩個SMS0801B兩線制串行LCD顯示器，電源由單片機RC口的一個引腳供電，這樣便于對LCD顯示器控制，降低系統功耗。顯示器可以顯示每個通道的磁場強度（單位是Gs）、鍵盤信息、電池電壓低和超量程等信息。EEPROM用于保存修正值。

磁阻傳感器HMC1052

磁阻傳感器HMC1052是利用磁原理，測量工件表面散射磁場法向分量Hp（y）沿坐標X-Y分量，通過數值計算、誤差校正，得到Hp（y）值。HMC1052是一個雙軸線性磁傳感器，每個傳感器有一個由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋。當橋路加上供電電壓，傳感器將磁場強度轉換為電壓輸出。其輸出電壓以電源電壓的一半為基準。磁場范圍是±6Gs，靈敏度是1.0mV/V/Gs。HMC1052包含兩個敏感元件，其敏感軸X和Y互相垂直。HMC1052采用10引腳小型表貼封裝，尺寸只有3mm×3mm×1mm。

磁阻傳感器外圍電路

磁阻傳感器在制造過程中，選定沿著薄膜長度方向為軸，當玻膜合金薄膜受到強磁場干擾時（大于20Gs）薄膜磁化極性會受到破壞，對這個磁場需要對傳感器施加一個瞬態強磁場來恢復或保持傳感器特性，這個過程需要一個置位或復位脈沖。圖2中S/R+和S/R-就是用于置位的元件，其標準阻值是4Ω。

圖2中Q1、C2、C3、R11、R12構成簡單的置位電路，可以為HMC1052提供大電流脈沖。用單片機完成電路的控制。當SET/RESET輸出低電平時，Q1截止，C2充電到VCC，C3放電到0V。當SET/RESET輸出由低到的高電平時，R12和C3使Q1導通，由C2、Q1和HMC1052的S/R+（6引腳）S/R-（8引腳）間電阻構成回路，形成大約0.5A的置位脈沖，脈沖寬度約2μs。SET/RESET輸出由高到低的時候，由R11限流形成復位脈沖。為節省電池能量，置位/復位電路每十分鐘工作一次。電路以一種倒轉的方式改變傳感器輸出極性，即驅動置位脈沖讀數一次，在驅動復位脈沖讀數一次，兩次讀數相減可以消除因溫度漂移和電路參數等共模信號造成的影響，從而得出一個與絕對磁場成正比例的輸出。

Q2和R13是數據采集通道的電源控制電路，進行數據采集時，雙通道的控制分別進行，輪流檢測。

工件應力集中區的磁場法向分量Hp的變化，將引起傳感器輸出電壓的變化。HMC1052的4、10引腳輸出磁場Hy坐標（X-Y）中測量方向（Y軸）的電壓變化。2、7引腳輸出磁場Hy坐標（X-Y）中左右方向（X軸）的電壓變化。便攜式磁記憶檢測儀測量的Hp磁場范圍為±5Gs。HMC1052的靈敏度是1.0mV/V/Gs。當傳感器的電源電壓為3V時，任何電橋上最大的輸出電壓是：±5（Gs）×1.0（mV/V/Gs）×3（V）=±15mV。

本電路采用MCP6042低電壓、低功耗雙運算放大期。要使電壓對應單片機A/D轉換器模擬輸入端0到3V的電壓范圍，需要放大200倍。電阻R2、R3、R7和R9用于設置放大倍數。輸入電阻應是橋路電阻的4-10倍。選擇1KHz帶寬，則電容C1為150P，防止EMI/RFI干擾。經放大的模擬電壓送單片機的A/D轉換器，其中Y-OUT表示磁場的測量方向Y分量，X-OUT表示磁場的X分量。

便攜式磁記憶檢測儀在電源電壓和功耗上要求苛刻，為了降低功耗，采用以下措施：

·所有集成電路都選擇低工作電壓和低功耗芯片。

·盡量減少使用外圍元器件，PIC16LF873A外圍功能強大，比其他系列單片機使用的元件少。

·低工作電壓、低振蕩時鐘（采用4MHz）。

·采用低功耗LCD顯示器，電源由單片機提供，需要顯示時才供電。

·信號通道單獨供電，需要測量時再供電。

·采用單片機“睡眠”功能，不測量時處于睡眠狀態。所有輸入引腳保證有確定電平，輸出引腳以不向外圍電路提供電流為準則。

·關閉RB口中斷“弱上拉電阻”，有按鍵時高電平中斷。

實驗證明，采用以上設計方式，電池電壓為3.6V時，便攜式磁記憶檢測儀的靜態功耗小于85μA。

磁記憶檢測儀的軟件設計

軟件是便攜式磁記憶檢測儀另一個核心部分，主要完成系統初始化、數據采集、數據顯示、鍵盤處理和校驗等功能。

·主程序：完成系統的初始化工作，進行各傳感器的置位和復位，然后進入睡眠狀態。

·通道按鍵中斷服務子程序：向檢測數據通道供電，采集Y數據和X數據測量時，法向分量Hp與X、Y數據的關系是：Hp=√X2+Y2。Hy的符號與測量基準方向Y的符號相同。對PIC16LF873A單片機，10位A/D轉換器0Gs對應1.5V電壓和數字量為512，+5Gs對應

3V電壓和數字量為1023，-5Gs對應0V電壓和數字量為0。每個數字對應電壓2.9mV和9.765mGs。Hy值的符號與Y分量符號相同。數字量≥512的數據，進行以下運算：實際數據=（Y數據-512）×0.009765Gs-修正值。數字量≤512的數據，進行以下運算：實際數據=-（511-Y數據）×0.009765Gs-修正值。LCD顯示器可以顯示8位數字，最高顯示位為Hp符號，有效數字是7位。可以連續測量，直到再一次按鍵，返回主程序。

·校驗按鍵中斷服務子程序：將傳感器置于磁屏蔽中，各通道測量出0Gs值，將測量結果作為修正值存入EEPROM中。

實驗和數據分析

實驗方式：便攜式磁記憶檢測儀與俄羅斯TSCM-2FM應力集中檢測儀同時對工件相同點進行應力檢測，便攜式磁記憶檢測儀的檢測結果如表1。

應力集中線的位置與俄羅斯TSCM-2FM應力集中檢測儀檢測的結果相同。經過實驗檢測，便攜式磁記憶檢測儀可以實時顯示被測工件的磁場Hp值的大小和符號，雙通道配合使用，磁感應強度為零的連接線為應力集中線。

結語

基于PIC16LF873A單片機的便攜式磁記憶檢測儀，具有成本低、功耗低、精度高、體積小和使用方便等特點，對操作人員無專業計數要求。特別適用于在工件結構復雜窄小的環境使用。便攜式磁記憶檢測儀是一款性能價格比很高的磁記憶檢測儀器，在石油、化工、冶金、機械、鐵路、建筑、橋梁和航空等部門的無損檢測中具有十分廣闊的前景。