高聚物熱致磁效應測量系統(tǒng)研究

1、一種高聚物熱致磁效應測量系統(tǒng)的研究* 張永忠，男，碩士，副教授，主要研究方向：智能檢測與自動控制，Tel: , .羅迎社（通訊作者），男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向：流變學理論及其應用，Tel:, .基金項目：國家自然科學基金資助項目（No.10672191）, 湖南省自然科學基金重點資助項目（No.06JJ2059）, 低維材料及其應用技術(湘潭大學)教育部重點實驗室基金資助項目（No.KF0607）.張永忠1，羅迎社2，*，粟建新3, 馬敏偉2，楊占宇2，張亮21中南林業(yè)科技大學電子與信息工程學院，湖南長沙，4100042中南林業(yè)科技大學流變力學與材料工程研究所，湖南長沙，410

2、0043湘潭大學信息工程學院, 湖南湘潭，411105 摘 要本文設計的系統(tǒng)是國家自然科學基金高聚物熱磁效應全域測量系統(tǒng)開發(fā)及實驗系統(tǒng)研究的主要測量設備。根據實驗系統(tǒng)的特點，本文設計了一個對全域磁場進行連續(xù)采集的傳感器陣列，文章對不定向微弱磁場的信號處理及溫度補償設計了一種科學的方案，同時，在計算機上利用Labwindows/CVI編程環(huán)境，采用C語言編寫了采集控制系統(tǒng)的專用軟件，系統(tǒng)實現(xiàn)了以計算機作為主機，自動、連續(xù)地對不定向磁場微弱進行陣列采集，并適時、直觀顯示磁場的變化情況。關鍵詞：高聚物熱磁效應，全域磁場，傳感器陣列，熱磁效應實驗系統(tǒng) 1. 前言根據袁龍蔚教授的理論研究，含缺陷流變性材

3、料的破壞過程會產生電磁場1-4，羅迎社教授等在國家自然科學基金的資助下，歷經數年，研制成功材料破壞過程中裂紋尖端熱磁效應峰值點隨動跟蹤測量系統(tǒng)，并應用該系統(tǒng)測量了含缺陷PVC板材破壞過程中產生的熱磁效應5-6。然而，上述測量系統(tǒng)只是對熱磁效應的峰值點（也就是熱致磁場中的最大磁感應強度的點）進行跟蹤測量，得到的只是含缺陷流變性物體在廣義外載荷作用下裂尖斷裂過程區(qū)的磁感應強度最大點隨時間的變化曲線1-3。為了進一步深入研究高聚物材料在廣義外載荷作用下破壞過程中熱致磁效應，國家自然科學基金再一次資助，對高聚物材料熱致磁效應進行全域測量并用實驗系統(tǒng)進行論證，而不只是對裂紋尖端磁感應強度峰值位置的坐標值

4、及其演變過程進行量測5-6。作為這個課題的實驗系統(tǒng)，本文采用計算機測量技術，研制了一種全域磁場采集分析系統(tǒng)，能在帶缺陷高聚物板材拉伸過程中自動利用計算機采集磁感應強度的變化情況，并利用計算機靈活的編程能力，對采集數據進行各種不同方法的分析研究。2. 電路系統(tǒng)結構與信號處理圖1 全域磁場采集系統(tǒng)框圖試件在拉伸過程中會產生約80*80毫米的變形區(qū)域，我們的目的是真實記錄這個區(qū)域內的磁感應強度變化情況，并用方便研究的方法顯示出來。在測量過程，試件會有較高的溫升，為了降低溫度對磁感應強度傳感器的影響，傳感器陣列必須經過溫度補償才能真實地輸出磁感應強度信號，這些信號經過放大、濾波等處理后，送給受計算機控

5、制的采集卡，由計算機進行連續(xù)采集后以文件形式保存到計算機硬盤。2.1 傳感器信號處理這是本系統(tǒng)的關鍵，采用集成磁場傳感器SS495A1采集磁感應強度7。據初步估測，本系統(tǒng)的磁感應強度小于1高斯，為了進一步定量測量，我們對傳感器的處理電路如圖2所示。圖2 信號處理電路原理圖圖中，U2和U3為霍爾傳感器SS495A1，其輸出的信號經過一個八選一模擬開關送給U4放大，由于我們要測量的磁感應強度在1高斯的量級，而傳感器的靈敏度為3.125mV/Gas，計算機采集卡的精度為12位，采用±5V的輸入方式時，分辨率為2.44mV，如果直接對傳感器的信號進行采集，則磁感應強度的分辨率約為0.78高斯

6、，在本系統(tǒng)中顯然不夠。所以采用U4將信號放大約43倍，則系統(tǒng)分辨率約為：(10*1000/4095)/3.125/43 = 0.0182(高斯)這就基本能滿足分辨率要求。2.2信號中零漂的影響與處理根據傳感器的數據手冊，在零磁環(huán)境下，其信號輸出在0±0.075V，當經過本系統(tǒng)43倍放大后，輸出的零漂移將高達3.225V，整個電路將進入飽和狀態(tài)，所以，U4同時還負責對輸出信號調零。由計算機通過DA轉換送出一個模擬電壓，經過R3和R4進行10倍衰減后與傳感器信號相減，這樣能基本減去傳感器的零漂，將沒有信號時的輸出調整到電路的線性范圍。由于DA轉換分辨率的影響，輸出不可能調整到完全的“零”

7、輸出，其殘差則需要計算機在采樣時減去。詳見軟件設計部分。2.3溫度漂移的影響與處理根據SS495A1的數據手冊可知，傳感器的最大溫度漂移為±0.04%/,我們在實驗時，試件的溫升最高可達到40，如果按最大溫漂0.04%/計算，將在輸出端產生5*0.04%*40=0.08V的溫度漂移，這個信號通過43倍放大后，其對測量結果的影響將非常巨大。本系統(tǒng)方案中，設計了一個溫度信號消減的傳感器組件，經過對200個相同批次的傳感器溫度漂移特性的測量，選擇兩個相同溫度特性的傳感器組成一對，在安裝時，將兩個傳感器背靠背安裝，這樣，磁感應強度信號在兩個傳感器中產生的信號極性是相反的，但其溫度漂移卻是一致

8、的，所以將兩路信號相減后，結果中將不再有溫度的影響，或者說溫度的影響將可以怱略不計，而磁感應強度的信號卻由于極性相反，相減后結果為原來的兩倍。2.4拉伸機夾頭對測量的影響與處理由于本測量系統(tǒng)靈敏度高，而拉伸機夾頭通常采用鋼材這類高剩磁材料制造，它們在放置一段時間后，將會產生一定的剩磁，這些剩磁如果不采取有效措施將對測量結果產生嚴重影響。我們對200毫米長的試件進行測量時，發(fā)現(xiàn)其“磁感應強度時間”曲線與不安裝試件只有夾頭運動時的曲線有很大的相似性，有的甚至肉眼無法區(qū)分。通過試驗，當將試件長度延長到550毫米時，這種夾頭效應基本可以怱略不計。一個傳感器組件包含16個單個的傳感器，可以測量一個平面內

9、各點的磁感應強度。3. 軟件設計LabWindows/CVI是美國NI公司推出的基于C語言的虛擬儀器專用開發(fā)平臺8，在虛擬儀器和工業(yè)控制領域具有廣泛的應用，是本課題編程平臺的首選。根據系統(tǒng)硬件設計的要求，程序需要提供以下幾個主要功能：適時采集磁感應強度、采集速度可調、采集時自動切換傳感器通道、以“磁感應強度時間”曲線顯示采集數據、以不同的對比方式同時顯示多個采集數據的結果、自動調零放大電路、自動記錄并在采集數據時處理各傳感的零點誤差。程序界面如圖3所示。 圖3 控制程序主界面系統(tǒng)采用PCI2306采集卡對模擬量進行AD轉換，采集卡的16路數字輸出端控制傳感器切換開關，放大器的信號輸出端接模數轉

10、換的通道0，采集卡的模擬量輸出（DA輸出）接放大電路和調零端。自動校準：本功能的作用是對每個傳感器的“零點”進行調整，以便使放大電路在整個工作過程中不會由于信號零漂而進入非線性區(qū)，程序流程圖如圖4，每個通道的最后DA值與放大器輸出的零漂殘差值都以文件形式保存下來（本程序以固定文件名“set.set”保存），在正式采集時，計算機先送出一個傳感器調零所需要的DA值，再對放大器信號進行采樣，然后將采樣結果與這個傳感器的零漂殘差值相減就得到這個傳感器的最終輸出。預采集開始：本功能的作用是起動系統(tǒng)以正常速度和程序進行數據采集，并適時繪制“磁感應強度時間曲線”。但由于系統(tǒng)正式采集與自動校準時的工作條件不一

11、定完全相同，這會造成正式采集時零點誤差消除不徹底，為了進一步在正式采集時徹底消除零漂殘差，程序以本次預采集的最后一幀數據作為零點誤差保存，并在正式采集時相減。程序設置了一個定時器，定時時間可能通過采樣速度欄進行設置，一般windows操作系統(tǒng)中應大于20ms，每次定時時間到則執(zhí)行圖5所示程序，采集的數據暫時存放在一個數組中。重新采集開始：本功能程序流程與“預采集開始”相同，只是在開始時重新計算零點誤差，并清除預采集的數據，在結束時可以用“保存”功能將數組中的數據以文件的形式保存在硬盤中。圖4 自動校準程序流程圖打開文件功能：用于打開已經保存的數據文件，打開后以“磁感應強度時間”曲線形式在曲線板

12、上顯示出來，為了便于分析，可以同時打開幾個文件或幾個點進行對比，并以不同的顏色顯示。在數據采集時，為便于觀察，顯示時16個通道的信號依次排列，這樣可以看出試驗過程中是否有比較大的信號出現(xiàn)，但在打開文件的顯示中，主要是需要分析每個傳感器的信號與時間的關系，所以在這里顯示時，需要將每個傳感器的信號分開顯示，為了便于觀察，曲線板只顯示一個傳感器的信號，但可以在“傳感器通道選擇”欄里設置想要顯示的通道號（范圍：015）。圖5 數據采集程序流程圖4. 試驗結果圖6展示了某次試驗時幾個傳感器信號的曲線，在采集時，每20毫秒采集一個傳感器，依次采集一幀需要320毫秒。圖中橫坐標為采樣時間，以320毫秒為一個

13、時間單位，縱坐標為磁感應強度，以高斯為單位。從圖可以看出，在曲線中段均有先向上后向下的“龜背”型出現(xiàn)，表明試件在拉伸的過程中，傳感器檢測到的磁感應強度信號在開始是增強的，隨著試件拉伸的斷裂，磁感應強度會逐漸減弱。 圖6 磁感應強度曲線5. 結束語以上設計方案中，由于在信號通道中采用了開關切換，且受系統(tǒng)硬件的影響，切換速度不能太快，所以數據采集還不能實現(xiàn)真正的同步，且由于系統(tǒng)的放大倍數較大，造成電路系統(tǒng)的噪聲也比較大，對我們的定量帶來了一定的困難。但實驗證明，以上設計在高聚物破壞速度不非常大時，是能觀察到熱致磁效應現(xiàn)象的，下一步的工作將主要是提高電路系統(tǒng)的性能，對磁感應強度進行定量測量，并進一步

14、研究溫度與磁感應強度的同步采集問題，以及拉伸過程中溫度與磁感應強度的關系。參考文獻：1 袁龍蔚著，缺陷體流變學，北京：國防工業(yè)出版社，1994， 93105，2102222 袁龍蔚，帶缺陷流變性材料裂尖斷裂過程區(qū)的熱力學性和電磁性，湘潭大學自然科學學報，1997，19（3）：29373 袁龍蔚著，含缺陷流變性材料破壞理論及其應用，北京：科學出版社，2001，320334，4945214 Yuan L.W. On the basic equation group in consideration of pyromagnetic effect for rheological material with defects.Nat Sci J Xiangtan Univ. 22(3),121-130(2000).5 羅迎社，粟建新，含缺陷流變性材料破壞過程中熱致磁效應變化規(guī)律的實驗研究報告，湘