4079.一种高聚物热致磁效应测量系统的研究

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1、一种高聚物热致磁效应测量系统的研究摘要本文设计的系统是国家自然科学基金—《高聚物热磁效应全域测量系统开发及实验系统研究》的主要测量设备。根据实验系统的特点，本文设计了一个对全域磁场进行连续采集的传感器阵列，文章对不定向微弱磁场的信号处理及温度补偿设计了一种科学的方案，同时，在计算机上利用Labwindows/CVI编程环境，采用C语言编写了采集控制系统的专用软件，系统实现了以计算机作为主机，自动、连续地对不定向磁场微弱进行阵列采集，并适时、直观显示磁场的变化情况。关键词：高聚物热磁效应，全域磁场，传感器阵列，热磁效应实验系统1.前言根据袁龙蔚教授的理论研究，含缺陷流变性材料的破

2、坏过程会产生电磁场[1-4]，罗迎社教授等在国家自然科学基金的资助下，历经数年，研制成功材料破坏过程中裂纹尖端热磁效应峰值点随动跟踪测量系统，并应用该系统测量了含缺陷PVC板材破坏过程中产生的热磁效应[5-6]。然而，上述测量系统只是对热磁效应的峰值点（也就是热致磁场中的最大磁感应强度的点）进行跟踪测量，得到的只是含缺陷流变性物体在广义外载荷作用下裂尖断裂过程区的磁感应强度最大点随时间的变化曲线[1-3]。为了进一步深入研究高聚物材料在广义外载荷作用下破坏过程中热致磁效应，国家自然科学基金再一次资助，对高聚物材料热致磁效应进行全域测量并用实验系统进行论证，而不只是对裂纹尖端磁感

3、应强度峰值位置的坐标值及其演变过程进行量测[5-6]。作为这个课题的实验系统，本文采用计算机测量技术，研制了一种全域磁场采集分析系统，能在带缺陷高聚物板材拉伸过程中自动利用计算机采集磁感应强度的变化情况，并利用计算机灵活的编程能力，对采集数据进行各种不同方法的分析研究。2.电路系统结构与信号处理图1全域磁场采集系统框图试件在拉伸过程中会产生约80*80毫米的变形区域，我们的目的是真实记录这个区域内的磁感应强度变化情况，并用方便研究的方法显示出来。在测量过程，试件会有较高的温升，为了降低温度对磁感应强度传感器的影响，传感器阵列必须经过温度补偿才能真实地输出磁感应强度信号，这些信号

4、经过放大、滤波等处理后，送给受计算机控制的采集卡，由计算机进行连续采集后以文件形式保存到计算机硬盘。2.1传感器信号处理这是本系统的关键，采用集成磁场传感器SS495A1采集磁感应强度[7]。据初步估测，本系统的磁感应强度小于1高斯，为了进一步定量测量，我们对传感器的处理电路如图2所示。图2信号处理电路原理图图中，U2和U3为霍尔传感器SS495A1，其输出的信号经过一个八选一模拟开关送给U4放大，由于我们要测量的磁感应强度在1高斯的量级，而传感器的灵敏度为3.125mV/Gas，计算机采集卡的精度为12位，采用±5V的输入方式时，分辨率为2.44mV，如果直接对传感器的信号进

5、行采集，则磁感应强度的分辨率约为0.78高斯，在本系统中显然不够。所以采用U4将信号放大约43倍，则系统分辨率约为：(10*1000/4095)/3.125/43=0.0182(高斯)这就基本能满足分辨率要求。2.2信号中零漂的影响与处理根据传感器的数据手册，在零磁环境下，其信号输出在0±0.075V，当经过本系统43倍放大后，输出的零漂移将高达3.225V，整个电路将进入饱和状态，所以，U4同时还负责对输出信号调零。由计算机通过DA转换送出一个模拟电压，经过R3和R4进行10倍衰减后与传感器信号相减，这样能基本减去传感器的零漂，将没有信号时的输出调整到电路的线性范围。由于DA

6、转换分辨率的影响，输出不可能调整到完全的“零”输出，其残差则需要计算机在采样时减去。详见软件设计部分。2.3温度漂移的影响与处理根据SS495A1的数据手册可知，传感器的最大温度漂移为±0.04%/℃,我们在实验时，试件的温升最高可达到40℃，如果按最大温漂0.04%/℃计算，将在输出端产生5*0.04%*40=0.08V的温度漂移，这个信号通过43倍放大后，其对测量结果的影响将非常巨大。本系统方案中，设计了一个温度信号消减的传感器组件，经过对200个相同批次的传感器温度漂移特性的测量，选择两个相同温度特性的传感器组成一对，在安装时，将两个传感器背靠背安装，这样，磁感应强度信号

7、在两个传感器中产生的信号极性是相反的，但其温度漂移却是一致的，所以将两路信号相减后，结果中将不再有温度的影响，或者说温度的影响将可以怱略不计，而磁感应强度的信号却由于极性相反，相减后结果为原来的两倍。2.4拉伸机夹头对测量的影响与处理由于本测量系统灵敏度高，而拉伸机夹头通常采用钢材这类高剩磁材料制造，它们在放置一段时间后，将会产生一定的剩磁，这些剩磁如果不采取有效措施将对测量结果产生严重影响。我们对200毫米长的试件进行测量时，发现其“磁感应强度—时间”曲线与不安装试件只有夹头运动时的曲线有