盲孔法残余应力检测系统设计.docx
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盲孔法残余应力检测系统设计
盲孔法残余应力检测系统设计
摘要
机械零部件和构件在制造时,材料内部会产生残余应力,不恰当的残余应力分布会影响构件尺寸稳定性,以及使用安全,因此,如何测量构件内部的残余应力分布就成为一项关乎构件使用安全的重要内容。
本文在对目前常用的各种应力检测方法进行分析比较的基础上,选用目前可靠性最高的一种方法——盲孔法作为研究对象,在对该方法进行研究过程中,对盲孔法所用的应力测试系统进行了设计。
本文在盲孔法残余应力测试系统设计硬件方面的工作包括:
针对盲孔法应力测试需要,对测试用应变片,单片机和显示屏进行优选,同时对测试系统的电源、信号放大、AD转换以及相关接口电路等进行了设计。
本文在软件方面的工作包括:
下位机总体软件架构,定时器程序,A/D转换程序,主程序,LCD显示程序以及键盘程序的设计。
本文通过对应力测试系统硬件和软件的设计,来实现盲孔法残余应力的测试。
关键词:
残余应力盲孔法应变测试单片机
Blindholemethodofresidualstressdetectionsystemdesign
ABSTRACT
Mechanicalpartsandcomponentsatthetimeofmanufacture,materialinternalresidualstress,inappropriateresidualstressdistributionwillaffectthestabilityofcomponentsize,aswellastheuseofsafety,therefore,howtomeasuretheresidualstressdistributionofthecomponentshasbecomeoneofthemostimportantcontentstothesafetyofusingcomponents.
Inthispaper,onthebasisofanalysisandcomparisonofavarietyofstressdetection,selectionofthehighestreliabilityofamethod——Blindholemethodforthestudy,themethodsoftheresearchprocess,stresstestsystemsusedbytheblindholemethoddesign.
Theblindholemethodofresidualtestsystemdesignintermsofhardwareinclude:
theneedforstresstestingoftheblindholemethod,Optimizationoftheteststraingage,microcontrolleranddisplay,atthesametime,designedthesignalamplification,ADconversionandinterfacecircuitoftestsystem.
Thesoftwareinclude:
designofthemachineoverallsoftwarearchitecture,thetimerprogram,theA/Dconversionprocess,themainprogram,theLCDdisplayprogram,andakeyboardprogram.
Inthispaper,throughthedesignofthestresstestsystemhardwareandsoftware,realizedtheblindholemethodofresidualstresstest.
KEYWORDS:
ResidualstressBlindholemethodStrainTestSinglechipmicrocomputer
中文摘要
ABSTRACT
第一章绪论
1.1研究目的和意义
构件在制造过程中,将受到来自各种工艺等因素的作用与影响;当这些因素消失之后,若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失,仍有部分作用与影响残留在构件内,则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。
机械零部件和构件在制造时,各种加工工艺,比如,焊接、锻压、铸造和各种热处理工艺等,都会在材料中产生残余应力,有时,残余应力的水平会超过材料的屈服极限(如焊接残余应力)。
过大的残余应力会严重影响机械零部件和构件的疲劳强度、抗应力腐蚀能力和尺寸稳定性,从而影响到它们的使用安全性。
对残余应力检测进行研究的目的在于,通过对构件内部残余应力的分布状况进行检测,实现残余应力的控制或消除,降低和消除它所带来的负面影响。
1.2研究现状和发展趋势
1.2.1残余应力研究现状和发展趋势
残余应力的测量技术始于20世纪30年代,发展至今共形成了数十种测量方法。
残余应力的测量方法可分为机械释放测量法和非破坏无损伤测量法两种。
机械释放测量法,是将具有残余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放,然后测量其应变的变化求出残余应力。
它主要包括钻孔法、分割切条法释放法、逐层铣削法等。
其优点是测量的精度较高,但对构件的损伤较大。
非破坏性方法,包括x射线衍射法、中子衍射法、磁性法、超声波法、电子散斑干涉法等。
它对被测构件无损害,但成本较高。
目前,国内外常用测定残余应力的方法有机械释放测量法:
1)钻孔法、2)切条法、3)逐层铣削法;非破坏性测量方法有:
1)X射线衍射法、2)中子衍射法、3)磁性法、4)超声波法、5)电子散斑干涉法、6)金属磁记忆法。
除了以上测量方法外。
近年来有一批新的测试技术应用而生,如用屈服条件确定残余应力,无损电测法,脆性涂层法,云纹法,反向叠加应力法,热评估法,硬度法,数字散斑法以及压痕叠加应力测量法等,有时也可根据具体情况将各种测试方法综合起来应用。
在过去的近几十年,计算机对科学技术的深远影响是无庸置疑的,它大大的拓展了工程问题的可解范围,工程领域中大多数力学问题和场问题,如固体力学中的位移场、应力场问题,热传导中的稳态和瞬态温度场分析,流体力学中的流场问题,量子场理论,材料相转化的起源,金属裂纹的传播问题等,只有很少部分能够用解析方法解决,往往是在给定边界条件下求解常微分和偏微分方程的问题,尽管有时可得到它们的基本方程和边界条件,但有时因其边界条件、结构形体、外加荷载过于复杂,往往无法求得其精确的解析解,处理此类复杂工程问题的途径一般是:
引入简化假设和采用数值模拟方法,前者常因为假设不合理导致结果出现较大的误差而不可信,故随着计算机技术的发展和现代数学以及力学理论的成熟与完善,利用计算机数值模拟技术来获取满足工程精度的数值近似解,是目前工程仿真领域的一大突破。
有限单元法(FElV0、边界元法(BEM)、有限差分法(EDM)和离散单元法(DEM)己成为工界常用的数值模拟方法,其中最具广泛性和实用性的是有限单元法,其基本思想是将问题的求解域分成许多单元,单元之间由节点相互连接,只要单元满足问题的收敛要求,则随着单元尺寸的减小和求解区域内单元数的增多,近似解将最终收敛于精确解,有限单元法的基本思想在上世纪四十年代初就被提出,五十年代最先应用于航空工业中飞机结构的矩阵分析,1960年美国克拉夫在其发表的题为“平面应力分析的有限单元法’’的论文中首次使用,其后的半个世纪以来,有限单元法数值模拟技术借助计算机在工程中得以广泛应用,基于此编制的较大型的面向工程的有限元通用程序以使用方便,计算精度高,其模拟结果己成为工程产品设计和性能分析的可靠依据,以ANSYS为代表的有限元模拟分析软件,己成为目前结构工程学、宇航工程学、岩土力学、热传导及流体力学、生物医学等众多研究领域有力的分析工具,在减少工业设计和制造费用,优化设计和降低成本,性能评估设计等方面发挥着重要的作用。
测量残余应力的各种方法在国内外学者的努力下,己经广泛应用于实际工程中。
1.2.2应变仪的发展现状和发展趋势
以前采用交流电桥,结构复杂,需电容平衡,很难实现桥路的自动平衡与自动标定,采用载波放大,相敏检波,主要是当时直流放大器性能不高,因此只能采用交流放大。
直流结构简单,不需考虑桥路分析电容的影响,因此可实现桥路的自动平衡,自动标定,但电源精度,桥路线路都会产生影响测量精度,因此在国内直流桥路测量大都用在静态应变中。
在动态应变测量中,国际上大都采用直流供电,测量信号范围已达30KHz,结构简单,精度高。
相应地中高端应变仪几乎都被日、美、德等国所垄断。
在国内,还不能很好地解决测量电路和直流电源精度,测量距离,温度,湿度对实际测量精度有较大的影响等一系列问题。
目前国内做的比较好的应变仪有华东电子仪器厂、靖江东华、扬州泰司、北戴河兰德公司等,国外有日本东京测器、日本共和和美国的NEFF公司等。
电阻应变仪按被测对象的应变变化频率及相应的电阻应变仪的工作频率范围将其分为静态电阻应变仪、静动态电阻应变仪、动态电阻应变仪、超动态电阻应变仪、遥测电阻应变仪:
(1)静态电阻应变仪:
主要是用于静态应变或静力试验中的有关力学量的测量。
一般采用手动平衡,载频在50--1000HZ范围内。
早期国产的有YJ-25,现在有靖江东华公司的DH3¥15N等。
该仪器主要特点是将放大后的信号经A/D转换器变成数码显示,读数方便准确,其原理框图如图1-1所示。
图1-1静态电阻应变仪原理框图
(2)静动态电阻应变仪:
这类电阻应变仪除了可测量静态应变,还可以测量频率在100--200HZ以下的动态应变。
早期国产的有YJD.17型,现在有靖江东华的DH3817等。
(3)动态电阻应变仪:
主要是用于测量结构或机械动应力,尤以研究振动应力为多。
例如国内的有YD.21、YD28、DH5935等,国外的有东京测器的DA系列、日本共和的DPM.600系列,其原理框图如图1-2所示。
图1-2动态电阻应变仪原理框图
(4)超动态电阻应变仪:
用于测量爆炸或冲击引起的瞬态变化的应力。
国产的有Y6C.9型。
电阻应变仪按其放大器工作原理可分为两大类:
直流放大式电阻应变仪和载波放大式电阻应变仪。
(1)载波放大式电阻应变仪的电桥是用数千赫兹的正弦交流电压供电,放大器用窄带交流放大器,交流载波放大器具有灵敏度高,稳定性好,外界干扰和电源影响小及造价低廉等明显优点,但工作频率较低(一般只能测到几百赫兹),长导线时分布电容影响大的缺点。
这种应变仪也可以采用矩形波电压供电,这样抗干扰能力强,分布电容影响较小,但技术要求很高,很少采用。
(2)直流放大式电阻应变仪的供桥电压为直流电压,放大器采用差动式直流放大器或调制型直流放大器,其工作频率较高,且供桥电压为直流电压,实际使用中可忽略分布电容的影响,误差较小,但在90年代以前由于直流放大器的零点漂移和稳定性都没有很好的解决,因此,无法有效地放大μv级的信号。
90年代以后,随着集成电路的发展,目前已有零漂小,稳定性好,精度高的直流放大器出现,其采用的是直流电桥测量电路,分布电容对桥路的平衡不产生影响,且操作简单,测量频率范围也较高(DC·30KHz)。
直流电桥与交流电桥相比有诸多优点,如:
方便、廉价、测量信号频率范围宽、无分布电容的影响及易于实现自动平衡和标定等诸多优点,因此,直流电电桥代替交流电桥成为发展的趋势。
目前,全球科学仪器产品在技术上正朝向数字化、网络化、微型化方向发展。
数字化:
由于微电子技术的进步,仪器产品进一步与微处理器,PC技术融合,仪器的数字化,智能化水准不断提高。
网络化:
当前国际上现场总线与智能仪表的发展呈现多种总线及其仪表共存发展的局面。
多种智能化仪器已陆续推向市场,仪器正面临深度的智能化变革,整合测试系统也走向了网络化。
微型化:
应用微机电技术的微型仪器被称为芯片上的仪器,广泛应用于环境科学、航天、生物医疗、汽车工业、军事、工业控制等领域。
由于集成电路和计算机的发展,现在应变测量技术有很大的变化。
应变测量技术的发展路线是:
直流电桥代替交流电桥;高性能的直流放大器取代交流放大器;数字显示或自动数据采集取代机械式的指示装置;在测量多路应变信号时:
直接使用多路放大,而弃用预调平衡箱,由于高性能运放有较高的频响,因此应变仪不再有静态,动态之分,而是静,动态通用。
应变仪集数字显示和模拟输出于一体,模拟输出电平与通用的AD卡匹配,以构成微机化自动测试系统。
随着电子技术和计算机技术发发展,应力测试的发展重点主要集中在以下三方面:
(1)高精度
由于集成电路的发展,高性能的芯片不断涌现,各种误差解决方式的不断完善,使得未来的应变仪具有更高的精度。
(2)高速化
随着高速A/D和高处理能力的处理器的,测量速度也随之高速化,且处理功能不断充实,放大系数和校准系数的运算,应力的分析和图表都可以由应变仪直接来完成。
(3)与计算机联系更加紧密
基于微电子技术和计算机技术的应用,未来的应变仪和计算机联系将更加密切,联系方式可以采用串、USB、IEEEl394各种总线及无线传输等,测试的控制和测量值(自动平衡、采样控制、自动修正、数据存贮、数据处理和分析,生成和打印试验报告等)的处理都可以由计算机来完成,而且可以实现实时控制和分析。
1.3本文研究内容和方法
1.3.1本文主要研究内容
本文在盲孔法残余应力测试系统设计硬件方面的工作包括:
针对盲孔法应力测试需要,对测试用应变片,单片机和显示屏进行优选,同时对测试系统的信号放大、AD转换以及相关接口电路等进行了设计。
(1)对现有的盲孔法残余应力测试系统进行研究,确定设计的总体方案。
(2)对应力测试系统的硬件部分进行选取与设计,主要包括:
对应变片,电桥电路,单片机和显示屏的优选,并对电源、信号放大、AD转换和相关接口电路等进行设计。
(3)对盲孔法残余应力测试仪相关软件部分进行编程,主要包括:
下位机总体软件架构,A/D转换程序,主程序,LCD显示程序以及键盘程序。
1.3.2本文主要研究方法
(1)通过查阅有关残余应力测试仪的文献资料以及市场在售残余应力测试仪的资料,在对现有资料进行研究和分析的基础上,确定本文所研究的残余应力测试仪总体方案。
(2)根据残余应力测试仪的具体使用要求,对应变片,电桥电路,单片机和显示屏的选择,以及对电源、放大器以及相关接口电路进行了设计。
(3)利用单片机对残余应力测试仪的软件部分进行编程,实现残余应力检测的功能。
第二章残余应力测试仪总体设计方案
本文对残余应力测试仪的设计主要包括硬件和软件设计两部分。
盲孔法相对于其他应力测试方法,具有如下优点:
(1)对材料破坏性小且打孔、测量操作都十分方便,可以更广泛地应用于各种零部件和构件的实际测量中;
(2)打孔直径小,可以测量较小范围内的应力,适于测量梯度变化比较大的残余应力场。
因此,本文对盲孔法残余应力测试方法进行研究。
本文是基于STC89C52单片机进行盲孔法残余应力测试仪设计的。
该系统由STC89C52单片机控制,通过液晶屏自动显示主应力。
其电路构成主要有测量电路,放大电路,A/D转换电路,单片机控制电路、液晶显示电路、键盘控制电路。
测量电路利用粘帖在被打孔物件表面的应变片由于应力变化产生变形所产生的应变信号,将其转化成相应大小的电信号,通过运放放大电路将电信号放大,达到AD芯片能够识别的范围,从而将电信号转换成对应的数字信号,并传送给单片机处理,最终在液晶上显示出主应力σ1,σ2以及最大主应力夹角θ。
2.1残余应力测试仪硬件设计
STC89C52单片机芯片负责采集应变数据和对数据进行运算。
并由单片机实现键盘,数码显示和功能选择控制等功能,硬件框图如图2-1所示。
图2-1残余应力测试仪硬件框图
硬件设计涉及内容如下:
(1)放大电路:
本文选用三运放差分放大电路,其有高输入阻抗、高共模抑制比CMRR、低噪声、低漂移等特点。
(2)A/D转换器:
本文选用的是由美国国家半导体公司生产的外接A/D转换器ADC0809进行模数转换,它是逐次逼近式A/D转换器,可以和单片机直接接口。
(3)单片机:
本文选用STC89C52单片机芯片负责采集应变数据和对数据进行运算。
(4)液晶屏:
本文选用LCD12864作为显示屏,能显示4*8的中文字符,并且可以显示字母,数字等,只需将液晶显示模块的接口与单片机连接,就可以控制液晶显示器和数据传输。
(5)键盘:
本文选用4*4矩阵键盘。
矩阵式键盘由行线和列线组成,按键位于行列的交叉点上,行线通过上拉电阻接到高电平。
行列式键盘可节省I/O口,适合按键数较多的场合。
本文的4*4键盘占8个I/O口。
2.2残余应力测试仪软件设计
本仪器软件部分由C语言编制而成,分为主程序、A/D转换与信号采集、键盘输入、数码显示等部分,软件框图如图2-2所示。
图2-2残余应力测试仪软件框图
图2-2中,应变片采集完数据后,进行A/D转换,单片机接收到A/D转换后的信号和键盘输入的数据,并对这些数据进行处理,最后由LED屏显示处理结果。
第三章残余应力测试仪硬件部分
3.1信号采集部分
盲孔法为在有残余应力的器件上钻一个小孔,因小孔附近的残余应力被释放,孔区附近的残余应力场发生变化,只要测出该局部区域的应变变化量,即可计算出板上钻孔处释放前的残余应力值σ1、σ2。
以下应变片和电桥电路为传感器部分,负责信号采集,因此,信号采集调理电路设计是检测系统硬件设计中的关键部分,是将模拟量信号转变为数字量信号的中间过程,是影响检测准确性的最为关键的部分。
3.1.1应变片
图3-1应变片图3-2应变片粘贴示意图
当使用盲孔法进行残余应力检测时,需要对所测量器件打孔,小孔周围便会产生形变以至于周围所贴应变片(如图3-1)也产生形变,导体或半导体材料在外界作用力下(拉伸或压缩)产生机械变形,其阻值将发生变化,这种现象称为“应变效应”。
依据这种效应制成的应变片粘贴于被测材料上,则被测材料受外界作用所产生的应变就会传送到应变片上,从而使应变片的阻值发生变化。
通过测量阻值的变化量,就可反映出外界作用力的大小。
应变测量时,将一定阻值的电阻应变片粘贴在待测试件处,当试件受外力作用产生变形,应变片阻值将发生变化,在一定范围内,应变片电阻的相对变化量△R/R与试件的相对变化量(即应变ε)成线性关系,即有:
(3-1)
式中:
——相对拉伸量;
K——电阻应变片的灵敏系数,它的数值与电阻丝的材料及绕线方式有关,一般K值在2.0左右。
在小孔周围,有3个方向的应变片(如图3-2),通过分别测得这三个方向的应力变化就可测得主应力σ1.2,本文中的3个方向应变片的分布和布置方向如图3-2所示。
对主应力的相关计算见式(3-2)、(3-3)和(3-4)。
(3-2)
(3-3)
(3-4)
式中:
σ1,σ2——最大、最小主应力;
ε1,ε2,ε3——相应各应变计钻孔后测得的释放应变;
——最大主应力与应变片参考轴1如图(3-2)之间的夹角,顺时针取向;
A,B——应变释放系数,与孔径、孔深、应变花的几何尺寸以及被测材料的弹性模量E有关。
3.1.2惠斯登电桥电路
由于应变很小,一般以微应变计算,很难直接测得,只要测得ΔR,就可以求得应变ε。
应变片的测量电路通过应变片可以将试件的应变信号转换成电阻变化,通常这种电阻变化是很小的,必须用适当的方法检测电阻微小变化。
为此,需把应变片接入某种电路,此电路将应变片的电阻变化信号转换成电信号。
常用的电路有三种,即电位计、惠斯登电桥和双恒流源电路。
其中惠斯登电桥有结构简单,精度高等优点。
图3-3惠思登电桥电路
如图3-3所示,R9为工作应变片,R10为温度补偿应变片,R11、R12是固定电阻。
电桥中只有一个桥臂(常用AB臂)是参与机械变形的电阻片,其它三个桥臂的电阻都不参与机械变形。
档电桥后面接放大器时,放大器的输入阻抗很高,比电桥输出电阻大很多,可以把电桥输出端看成看路,这时,电桥的输出式为:
(3-5)
电桥的平衡条件与式(3-5)相同。
应变片工作时,其电阻变化
,此时有不平衡电压输出:
(3-6)
设桥臂比n=R2/R1,由于电桥初始平衡时有R2/R1=R4/R3,通常
,略去分母中的
。
可得:
(3-7)
电桥灵敏度定义为:
(3-8)
于是可以得到单臂工作应变片的电桥电压灵敏度为:
(3-9)
当n=1时,可计算出电桥的电压输出为:
(3-10)
3.2电源
本文选用AMS1117对STC89C52单片机、ADC0809模数转换器、LCD12864显示频提供5V的电源。
(1)概述
AMS1117是一个正向低压降稳压器,在1A电流下压降为1.2V。
AMS1117有两个版本:
固定输出版本和可调版本,固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V;具有1%的精度;固定输出电压为1.2V的精度为2%。
AMS1117内部集成过热保护和限流电路,是电池供电和便携式计算机的最佳选择。
(2)特点
固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V和可调版本,具有1%的精度。
固定输出电压为1.2V的精度为2%。
低漏失电压:
1A输出电流时仅为1.2V
限流功能。
过热切断。
温度范围:
-40°C~125°C。
(3)应用
膝上型电脑,掌上电脑和笔记本
电脑。
电池充电器。
SCSI-II主动终端。
移动电话。
无绳电话。
电池供电系统。
便携式设备。
SMPS波斯特稳压器。
(4)电路图如图3-4所示
图3-4AMS1117电源电路
3.3信号采集调理部分
信号采集调理电路设计是检测系统硬件设计中的关键部分,是将模拟量信号转变为数字量信号的中间过程,是影响检测准确性的最为关键的部分。
3.3.1信号放大部分
由于通过惠斯登电桥输出的信号一般是mV级,本文选用的STC89C52单片机中的A/D转换器只能识别V级,所以需要放大器将信号放大。
本文选用三运放差分放大电路对信号进行放大,可将放大倍数放大1000倍,其具体电路如图3-4所示。
三运放差分放大电路特点:
(1)高输入阻抗。
被提取的信号是不稳定的高内阻源的微弱信号,为了减少信号源内阻的影响,必须提高放大器输入阻抗。
一般情况下,信号源的内阻为100kΩ,则放大器的输入阻抗应大于1MΩ。
(2)高共模抑制比CMRR。
信号工频干扰以及所测量的参数以外的作用的干扰,一般为共模干扰,前置级须采用CMRR高的差动放大形式,能减少共模干扰向差模干扰转化。
(3)低噪声、低漂移。
主要作用是对信号源的影响小,拾取信号的能力强,以及能够使输出稳定。
I级II级
图3-5三运放差分放大电路
三运放差分放大电路工作原理:
如图3-4所示,三运放差分放大电路的第I级主要用来提高整个放大电路的输入阻抗,第II级采用差动电路用以提高共模抑制比。
电路中输入级由A3、A4两个同相输入运算放大器电路并联,再与A5差分输入串联的三运
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