铁磁材料复杂形状差异的自动鉴别方法及装置

摘要

一种铁磁材料复杂形状差异的自动鉴别方法,在被测介质的特征部位及附近设置有多个霍尔Hall器件,测量这些霍尔Hall器件,得到磁场分布的特征,霍尔Hall电压经过特定的放大电路放大以后进行记录和显示,其装置测量电路中霍尔Hall片各连接两级差动放大电路,后级差动放大器的同相输入端是连接单片机所连接控制的标准形状对应的标准电压D/A部分,而反向输入端是连接第1级放大器的输出端;数字及控制电路部分,第2级输出端连接8031单片机本发明的优点是:测量系统高智能,自动高,测量异型几何形状使用快捷。

说明书

本发明属于铁磁材料自动鉴别方法及装置，特别涉及一种铁磁材料复杂形状差异的自动鉴别方法及装置。

目前在许多地方(如生产线上)需要快速地测量不规则形状物体的几何尺寸，以判断该物体是否满足要求。由于不规则物体的几何形状比较复杂，很难用数学方法进行描述，并且在测量和判断这类奇异形状是否符合要求时存在很多困难并且工作量也相当大，所以在很多情况下，传统的测量方法不能得以使用，而且实时性也差。

本发明的目的是提供一种铁磁材料复杂形状差异的自动鉴别方法及装置，通过测量磁场来间接测量铁磁质材料的异型结构尺寸是否符合要求的快速实时方法，是一种非接触测量方法。克服现有技术的缺点和不足。

本发明的目的是这样实现的：

一种铁磁材料复杂形状差异的自动鉴别方法，其特征为：在被测介质的铁磁材料特征部位及重要部位附近设置有多个霍尔Hall器件，测量这些霍尔Hall器件，得到磁场分布的特征，霍尔Hall电压经过特定的放大电路放大以后进行记录和显示，另外，系统还包括数字控制部分及A/D和D/A部分。

铁磁材料复杂形状差异的自动鉴别方法的装置，多个霍尔Hall片分别设置于被测介质的铁磁材料的多个顶角，在测量电路中霍尔Hall片各连接两级差动放大电路，差动放大器的第1级是用μA741构成的高精度、高稳定100倍反向放大器，将霍尔Hall电压由几个毫伏放大到几伏，第2级是用LM324构成的100倍普通差动放大器，用于被测介质的铁磁材料的放大形状的差别引起的电压差异，后级差动放大器的同相输入端是连接单片机所连接控制的标准形状对应的标准电压D/A部分，而反向输入端是连接第1级放大器的输出端；数字及控制电路部分，第2级输出端连接8031单片机，此电路除了包括以8031为核心的最小系统外，还连接用于测量2级放大器输出的A/D转换器、连接用于产生2级放大器同相输入电压的D/A转换器和连接用于键盘输入和连接显示输出的Intel 8279控制器。

本发明的优点是：

本方法及装置简单，测量系统高智能，自动高，测量异型几何形状使用快捷。

下面结合附图说明实施例：

图1是测量使用的各种车刀示意图

图2是铁磁材料复杂形状差异的自动鉴别方法装置两级放大电路原理图

图3是8031控制的数字及模拟系统框图

图4是8031单片机程序框图

图5是铁磁材料复杂形状差异的自动鉴别方法装置图

1测量原理

由电磁学理论可知^[1，2]，有介质存在时的空间某点的磁场B等于无介质存在时此处的磁场B₀与介质磁化后，磁化介质在此处产生的附加场B’之和，即：

B＝B₀+B’           (1)

当介质为铁磁质时，磁场在铁磁质表面满足的边界条件为：

n^*(B₂-B₁)＝0        (2)

n×(H₂-H₁)＝0       (3)如果介质各项均匀，则B＝μH。其中μ为磁导率，角标1表示磁介质内部，角标2表示磁介质外部。由于磁介质外部为空气，故其磁导率可按真空处理。类比计算导体周围电场的方法，可认为磁介质表面有一定的磁荷分布，并由式(2)、(3)给出的边界条件作为约束条件，可得到磁介质表面的磁荷，再由表面磁荷得到磁荷产生的磁场，即由方程(1)得到空间任意点的磁场强度或磁感应强度。如果磁介质的形状已知，从理论上可由上面3个方程，并采用一些数学处理方法计算出空间任意一点的磁场^[3]。

磁场的分布与磁介质的形状有一一对应的关系，知道一个就可得到另一个。通过测量空间的磁场分布，我们也可得到反映磁介质表面形状分布的参数。

有许多方法可以测量磁场强度H或磁感应强度B^[1，4]，其中霍尔Hall法是一种普遍使用的测磁方法之一^[1]。在我们的测量系统中也采用了此方法。在稳定状态下，测量磁场的霍尔Hall器件上的霍尔Hall电压V与通过霍尔Hall器件的电流I及垂直于霍尔Hall器件的磁感应强度B成正比。

    V＝KBI                      (4)

如果通过霍尔Hall器件的电流I一定，通过测量霍尔Hall电压V就可得到相应的磁场强度H或磁感应强度B。由于V与B成正比，所以B与磁介质的形状关系可用V与介质形状的关系代替，即用测量得到的空间位置的霍尔Hall电压V的变化就可描述磁介质的形状特征。2测量电路

为了快速地测量表征磁介质形状特征的霍尔Hall电压，我们在介质特征部位或重要部位设置了多个霍尔Hall器件，使用这些霍尔Hall器件同时测量磁场来得到磁场分布的特征，而不是采用比较费时的移动单个霍尔Hall器件测量磁场分布的方法。由于霍尔Hall器件的霍尔Hall电压信号比较小，所以霍尔Hall电压必须经过特定的放大电路放大以后才能进行记录和显示。另外，系统还包括数字控制部分及A/D和D/A部分。我们按模拟和数字两部分对测量系统的电路作作简单介绍。2.1模拟电路部分

对于要测量的车刀形状差别(如图1)，我们使用了4个霍尔Hall片分别放置于车刀的4个顶角(a，b，c，d)上。由于我们仅对车刀形状的差别感兴趣，所以在测量电路中采用了特殊设计的两级放大电路。差动放大器的第1级是用μA741构成的高精度、高稳定100倍反向放大器，将霍尔Hall电压由几个毫伏放大到几伏。第2级是用LM324构成的100倍普通差动放大器，用于放大车刀形状的差别引起的电压差异。后级差动放大器的同相输入端是所谓的标准形状对应的标准电压，它由单片机控制的D/A提供。而反向输入端是第1级放大器的输出信号(如图2)。共有四个独立的两级放大电路分别放大四个车刀顶角处的霍尔Hall器件的霍尔Hall电压。2.2数字及控制电路部分

这部分电路是由8031单片机控制工作的。此电路除了包括以8031为核心的最小系统^[5]外，还有用于测量2级放大器输出的A/D转换器、用于产生2级放大器同相输入电压的D/A转换器和用于键盘输入和显示输出的Intel 8279控制器(如图3)。3系统工作原理

整个测量系统是在8031单片机控制下工作。每次测量过程分为两步，第一步是校准，第二步才是测量。

在校准过程中，首先在由Helmholtz线圈产生的均匀磁场中放置标准异型件(标准车刀)。用计算机控制由D/A输入到第2级放大器同相端不同的模拟输出电压，D/A输出采用递增或递减的方法改变值的大小，直至第2级输出达到零或最小为止。此时的第2级放大器的同相输入端的电压就是标准车刀形状对应的电压。第二级放大电路输出的电压是用A/D转换后由CPU续取并判断的。    

在测量过程中，在LM324同相电压输入端始终保持使用此标准电压，在放置标准异型件的地方放置待测件并将标准件移开，那么此差动放大器输出的电压幅度就反映异型件形状。

第2级放大器输出的电压，即异型件与标准件之间形状差的数字体现，经A/D转换后，Intel8279在显示板上的八段数码管上显示。程序流程图如图4.4测量结果

系统测量装置结构如图5.我们以车刀样品A作为标准，对两种其他形状的车刀进行了测量，三种车刀形状如图1.车刀的横截面基本相同，只是端面形状不同。刀头分别为尖、钝和园，而刀尾分别是30°、90°和60°角。

实验系统测得的数据如表1.此测量值为放大后的霍尔Hall电压差值，电压的单位为伏。通过计算机处理，也可将此值变换为描述形状差异的其它无量纲量。

在实验上实现的，由8031单片机控制的模拟及数字电路系统可达到实时测量车刀形状的目的。