涡流探伤仪检测系统设计毕业设计说明书.pdf

1/47 目录目录 摘 要.3 第 1 章 引言.1 1.1 设计概述.1 1.2 设计目标与意义.2 1.3 章节安排.2 第 2 章 方案论证与选型.4 2.1 设计任务分析.4 2.2 设计思路.4 2.3 方案论证与选择.4 方案一：.5 方案二：.5 方案三：.6 2.4 方案确定.8 第 3 章 硬件电路设计.9 3.1 原理分析.9 3.2 涡流探伤仪系统设计电路总体框图.9 3.3 子电路.9 3.3.1 探头线圈.9 3.3.2 检波电路.13 3.3.3 测量比较电路.13 3.3.4 报警电路.15 3.4 硬件选型.16 3.4.1 三极管（8050）.16 3.4.2 集成运放 LM324.18 3.4.3 NE.20 3.4.4 可调电阻.21 3.4.5 稳压二极管.24 3.4.6 整流二极管.26 3.5 布局布线.28 第 4 章 产品调试.29 4.1 调试的设备.29 4.2 元器件安装焊接及系统调试.29 4.3 焊接注意的基本事项.30 4.4 焊接注意的基本事项.31 4.5 故障分析.31 第 5 章 产品使用说明.33 5.1 功能描述.33 5.2 使用说明.33 第 6 章 心得体会.34 致 谢.35 2/47 参 考 文 献.36 附录.37 附件一总原理图.37 附件二元件清单.38 附近三安装接线图.39 附件四设计流程图.41 附件五装配图、零件图.42 3/47 摘摘 要要 涡流探伤仪一般为无损探伤，专供造船、石油、化工、机械、航天、交通和建筑等工业部门检查船体、管道、高压容器、锅炉、飞机、车辆和桥梁等材料、零部件加工焊接质量，检测时，线圈不需要接触工件，也无需耦合介质，所以检测速度快；对工件表面或近表面的缺陷，有很高的检出灵敏度，且在一定的范围内具有良好的线性指示，可用作质量管理与控制；可在高温状态、工件的狭窄区域、深孔壁（包括管壁）进行检测；能测量金属覆盖层或非金属涂层的厚度；检测信号为电信号，可进行数字化处理，便于存储、再现及进行数据比较和处理。涡流探伤技术是一项应用广泛、方兴未艾的无损检测技术，具有超声、射线及其他无损探伤技术所不可替代的独特作用，在国民经济建设中占有重要位置，可创造出目大经济效益，有 E 益广阔的应用前景。涡流探伤技术本质上属于物理检测的范畴，是多种技术方法的综合集成，己成为以电磁学为基础，以电子学、机械学、计算机、自动控制乃至化学等学科为手段的交叉学科技术，其高新技术含量不断提高。我国应大力加强涡流探伤技术及其他无损探伤技术综合性的基础研究与应用研究，特别要注重涡流探伤技术中高新技术的发展研究。金属在交变磁场中产生涡流，金属涡流探伤仪由探头线圈、检波及测量比较电路、信号处理报警显示及电源等部分组成。当金属材料表面有缺陷或裂纹存在时，通过探头线圈的磁通量发生变化，根据涡流大小及分布可检测出影响线圈电特性的参数，从而发现材料缺陷。关键字：涡流、信号、探伤 张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 1 第第 1 1 章章 引言引言 1.11.1 设计概述设计概述 涡流现象的发现已经有近二百年的历史。汉斯奥斯特在 1820 在一次演讲中意外地发现了电流磁效应，即当通电导体周围存在磁场。随后，安培、法拉第、麦克斯韦等不断研究电磁现象，这些电磁现象的研究基础成为涡流检测的理论基础。1879 年，休斯是第一个将涡流检测应用于实际的人，他利用涡流检测判断不同的金属盒合金，进行材质分选。德国的福斯特博士在理论和实际上完善了涡流检测技术，极大地促进了涡流检测技术的发展。随着涡流检测设备的发展极大发展了涡流无损检测和评估的应用范围。国外著名的电磁设备生产厂家如，加拿大 RD 公司、德国 Forest 公司、美国 zetec 公司、英国 Hocking 公司等先后做了大量的开发性工作。美国，法国，前苏联，英国，日本等国先后发表了大量的相关论文，并且研制了多种高水平的涡流检测设备。20 世纪 60 年代近年国内开始对涡流检测进行研究工作，FQR7501 型和FQR7502 型涡流电导仪、FQR7503 型和 FQR7503 型测厚仪、FQR7502 型涡流探伤仪等一系列涡流检测仪相继在 70 年代成功研制出来。近年来数字型涡流检测设备也广泛应用。国内涡流检测技术在开发应用方面也取得了突破性新进展。我国成功研制出多种涡流检测设备。爱德森、欧能达、龙俊公司等都在积极研制新型多功能电磁检测设备。从国内外的发展上看，检测技术方面，渐渐地由较单一的涡流电磁检测方法发展为涡流技术和其他无损探伤技术综合应用的综合无损检测技术；硬件方面，大规模的集成电路的应用不仅在体积上有了极大地缩小是电路集成话，而且降低了成本；软件方面，计算机性能的大幅度提升也提高了检测仪器智能化水平，这使在检测信号处理方面变得简单快捷，也大大简化了人工操作的部分。涡流检测以它特有的技术特点和广泛的实用能力而在世界各国得到快速的发展。国际标准化组织（ISO）制定的标准中有五项是关于电磁涡流检测标准的。其中三项是讲覆盖层厚度测量方面的标准代号分别是 ISO2178、ISO2360 以及ISO2361。还有两项是讲钢管的电磁涡流检测方面的标准，代码分别是 ISO9302和 ISO9304。美国材料试验协会（ASTM）组织设有专门从事无损检测技术标准化工作的委员会，其委员会下有专门负责电磁和涡流检测方法标准的制定部门。该委员会编制的关于涡流检测的标准有近二十份，内容最为广泛和系统。在国内，由于涡流检测技术在个行业部门的广泛应用比较晚，我国第一批制定的标准是在 1985 年颁布的，这些标准有 GB/T 4956-1985、GB/T 4957-1985、GB/T 5126-1985 和 GB/T 5248-19856。在以后的几年中，我国也相继颁布了张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 2 七份涡流检测标准，其中包括关于钢管涡流探伤方法及其他涡流检测标准。对于这些标准，国家也在不断地对其进行修改以适应当前需要。1.21.2 设计目标与意义设计目标与意义 涡流检测就是运用电磁感应原理，将正弦波电流激励探头线圈，当探头 接近金属表面时，线圈周围的交变磁场在金属表面产生感应电流。对于平 板金属，感应电流的流向是以线圈同心的圆形，形似旋涡，称为涡流。同 时涡流也产生相同频率的磁场，其方向与线圈磁场方向相反。涡流通道的 损耗电阻，以及涡流产生的反磁通，又反射到探头线圈，改变了线圈的电 流大小及相位，即改变了线圈的阻抗。因此，探头在金属表面移动,遇到 缺陷或材质、尺寸等变化时，使得涡流磁场对线圈的反作用不同，引起线 糊阻抗变化，通过涡流检测仪器测量出这种变化量就能鉴别金属表面有无 缺陷或其它物理性质变化。影响涡流场的因素有很多，诸如探头线圈与被 测材料的耦合程度，材料的形状和尺寸、电导率、导磁率、以及缺陷等等。因此，利用涡流原理可以解决金属材料探伤、测厚、分选等问题。涡流探伤仪应用领域十分广泛，例如:轴承外圈、轴承内圈、齿轮坯、环型金属零件、汽车零部件的无损探伤;铜管、钢管、不锈钢管、焊接管、铝塑管、钢丝、双层管、铜包铝、铜包钢、铝丝金属棒材等生产线在线及 离线上的无损探伤;石油套管、抽油杆、空心轴等无损探伤;冷凝器管、空调器管、汽车油管等检测;适合于各种金属管棒线材的无损探伤。涡流智能金属探伤仪就是利用涡流检测仪器测量出这种变化量就能鉴別金属表面有无缺陷或其它物理性质变化。影响涡流场的因素有很多，诸如 探头线圈与被测材料的耦合程度，材料的形状和尺寸、电导率、导磁率、以及缺陷等等。因此，利用涡流原理可以解决金属材料探伤、测厚、分选 等问题。当然，涡流智能金属探测仪要实现其智能化就需要采用单片机和 数模转换器，LED 数码管等等 1.31.3 章节安排章节安排 本设计报告大致可分为四部分：第一部设计目标与方案选择，包含第一章至第二章；第二部分硬件电路设计，包含第三章，给出每个部分电路图；第三部分：产品调试与使用说明，包含第四章至第五章；第四部分包括第六章，是对设计成果的总结及心得体会。设计成果报告，内容具体组织安排如下：第一章，引言：这一章主要对实际目标、设计要求做一个简单的介绍。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 3 第二章，方案论证与选型：这一章主要对设计方案、方案的选择做一个简单的介绍。第三章，硬件电路设计：这一章主要有硬件电路的原理、控制电路、显示电路等内容。第四章，产品调试：这一章主要就调试过程中出现的问题以及结果做一个简单的说明。第五章，产品说明书：这一章主要就产品的使用及说明做一个简单的阐述。第六章，心得体会 附录：主要把产品的原理图、原件清单、实物图。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 4 第第 2 2 章章 方案论证与选型方案论证与选型 2.12.1 设计任务分析设计任务分析 本课题设计的是涡流探伤仪检测系统，为了完成设计要求，我们需要采用测量比较电路和报警显示电路两部分组成。2.22.2 设计思路设计思路 设计包括两部分，一个是硬件设计，另一部分是软件设衬。再设计完成后，进行调试与仿真。硬件设计可以利用 Proteus 软件模拟仿真来实现，软件设计则是利用 Keli 软件来实现。利用 Keli 软件设计软件的步骤:1)启动 Keli 软件，仓建 1 个项目文件夹，并从器件数据库中选择 1 款合适的 CPU;2)创建 1 个新的源程序文件，并把这个源文件添加到项目中;3)为该单片机芯片添加或配置启动程序源代码:4)设置工具选项，使之适合目标硬件;5)编译项目并创造 1 个可供 PROM编程的.HEX 文件。利用 Proteus 软件设计硬件步骤:1)打开 Proteus 软件，新建设计文件夹;2)设定图纸大小;3)添加元器件;4)放置、移动、旋转、删除对象:5)防止电源、地;6)布线 7)设置修改元件属性;8)建立网络表;9)电器检测:10)存盘及输出报表最后进行调试于仿真，在 Keli 中调试程序。在 Proteus 中调试程序,将 Keli 中生成的.HEX 文件放入单片机中，运转硬件仿真，看是否运行符合要求。如果不符合要求，检查程序设计和硬件设计是否符合功能要求，不符合时进行修改。仿真成功后，设计 PCB 板。然后将系统做成实物，进行 COI 数据测量，看系统是否满足设计要求。2.32.3 方案论证与选择方案论证与选择 经过对设计任务的分析，我们有三套套方案可以完成设计要求；张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 5 方案一：本课设可分为三个部分进行设计和实验。第一部分是 LC 振荡电路，此部分运用电感、电容等元器件组成电容三点式振荡电路，以达到产生正弦波的目的；第二部分是整流滤波电路，此部分由 555 电路以及其它部件组成；第三部分是显示电路，此部分用单片机作为主控部件，用数码管进行显示。如图2-1 图 2-1 方案一框架图 方案二：本课题可分为四部分进行设计和实验。第一部分是探头线圈，此部分主要是检测信号；第二部分是检波电路，此部分由整流二极管、电容以及电阻组成；第三部分是测量比较电路，此部分由三极管、集成运放以及相关部件组成；第四部分是报警显示电路，此电路由 555 单稳态电路组成。如图 2-2 所示。LC振荡电路 滤波电路 单片机控制电路 频率显示电路 探头线圈 检波电路 测量比较电路 报警显示 图 2-2 方案二框架图张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 6 方案三：系统主程序要实现对模数转换进行数据采样和转换的控制，当然，在数模转换完成后还要实现对数据传输的控制。这就要求要程序设置一是列的初始值和检测语句和控制语句。由于单片机与数模转换器之间存在数据和信息交流，则需要设置波特率。由于 L 印 D 显示管是一位一位显示，因此程序需要对模数转换器传输过来的数据处理，分别得到个、十、百位數。程序中需要用到中断子程序，因此要设置中断入口地址。得到个、十、百位數，程序要实现显示功能。在中端程序设置好初始值之后，主程序需要对当前值与初始值进行比较，比较后得出结论。当前值大于初始值，调用报警程序，使蜂鸣器报警;当前值小于初始值，调用取消报警程序，使蜂鸣器停止报警。然后，程序重复以上过程。程序的数据传送过程和处理过程有点繁琐和复杂，因此在一开始便为其预留了特定的存储空间。系统中断程序要实现报警基准值的设定。为了不丢失数据，一进入中断就进行现场保护，在设置报警基准值后，对现场还原。如图 2-3 张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 7 图 2-3 方案三框架图 开始 定义缓存器 设置初始值 开始并接收模数转换 分别得到个、十、百位数 是否有中断 数是否大于基准值 中断子程序 开始 开始 启动报警 取消报警 结束 开始 开始 张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 8 2.42.4 方案确定方案确定 单纯的单片机主要是在数字、逻辑功能方面可以完成一些具有一定智能型的任务，这是模拟电路不能做到的，但是模拟电路可以对模拟信号进行精确的、实时的处理，这又是单片机做不了的。现在有些高性能的单片机具有一定程度的模拟功能（如模数转换、数模转换等），这样的单片机就具有更大的优势。但是对于微弱信号的放大仍然是单片机无能为力的。方案三呈现效果最好，但是没有侧重主题。所以我选择方案二，对实验结果体现的更明显。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 9 第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 3.13.1 原理分析原理分析 本电路采用探头线圈、检波电路、测量比较电路、报警电路组成，通过对采集到的信号进行比较，当信号无缺失时蜂鸣器不报警，当信号有缺失时，蜂鸣器发出报警。3.23.2 涡流探伤仪系统设计电路总体框图涡流探伤仪系统设计电路总体框图 此电路的设计思路及框图如图 3-1 所示 3.33.3 子电路子电路 3.3.1 探头线圈 如图 3-2 所示为电涡流传感器基本原理图，如果把提个励磁线圈置于金属导体附近，当线圈中通以正弦交变电源 w，时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场 H，12L 使置于此磁场中的金属导体中感应出电涡流 I,，I 又产生新的交变磁场 H2.8.1-sMiz 根据楞次定律，H:将反抗原磁场 H,导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。金属导体的电阻率 p、磁导率山、线圈与金属导体的距离 x 以及线圈励磁电流的角频率。等参数，都将提高涡流效 Cue,r a)应和磁效应与线圈阻抗联系。若能保持其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样能形成传感器的线圈阻抗 Z 与此参数的单值函数。再通过传感器的测量转换电路测出阻抗 Z 的变化量，即 I 可实现对该参数的非电量测量，这就是代内涡流传感器的基本工作原理 探头线圈 检波电路 测量比较电路 报警显示 图3-1电路总体框图 张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 10 图 3-2 涡流效应示意图 利用电涡流传感器检查金属表面(已涂防锈漆)的裂纹以及焊接处的缺陷等 在探伤中，传感器与被测导体保持距离不变。检测过程中，由于缺陷将引起导 电导率、磁导率的变化，使电涡流 1,变小，从而引起输出电压突变。用电涡流探头检测高压输油关表面的裂纹示意图。两只导向辊用耐不导电的聚四氣乙烯制成，有的表面还刻有螺旋导向槽，并以相同的方向旋转油管在它们的驱动下，匀速地在楔型电涡流探头下方作 360“转动，并向前挪动探头对油管表面进行逐点扫描，得到输出信号。当油管存在裂纹时，电涡流所走的路程大为增加,所以电涡流突然减小，输出“尖峰”波形。该信号十分素乱，用肉眼很难辨出缺陷性质。该信号通过带通滤波器，沈去表面不平整、抖动等造成的输出异常后，得到两个尖峰信号。调节电压比较器的阀值电压，得到真正的缺陷信号（时域信号）。计算机还可以根据得到的信号计算电涡流探头线圈的阻抗，得到的“8”字花瓣状阻抗图。根据长期积累的探伤经验，可以从该复杂的阻抗图中判断出裂纹的长短、深浅、走向等参数。图中的黑色边框为反视报警区。当“8”字花瓣状图形超出报警区时即视为超标，产生报警信号。上述系统的最大特点是非接触测量，不磨损探头，检测速度可达每秒几米。对机械系统稍作改造，还可以用于轴类，滚子类的缺陷检测。检测线圈在涡流检验中，为了适应不同探伤目的，按照检测线圈和被检构件 的相互关系分为穿过式线圈、内通式线圈和放里式线圈三大类。如需将工件插入 并通过线圈检测时采用穿过式线圈。对管件进行检测时，有时必须把线圈放入管 子内部进行检验，则采用内通式线圈。采用放 t 式(点式)线圈时，把线圈放置于 被查的工件表面进行检测。这种线圈体积小、线圈内部一般带有磁芯，灵敏度高，便于携带，适用于大型构件以及板材、带材等表面裂纹检验。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 11 按照检测线圈的使用方式，可分为绝对线圈式、标准比较线圈式和自比较 式等三种型式。只用一个检测线圈称为绝对线圈式.用两个检测线圈接成差动形 式，称为标准比较线圈式。影响涡流探伤的因素;(1)试件的性质须导电。(2)检测线图及涡流探伤仪器的结构和性能。(3)检测线圈和被检测试件的配合，包括间距、相对运动等。(4)传动机架性能的好坏，如同心度、直度、振动、速度稳定性等。(5)作为相对检测比较基准的校准块的质量、形状、尺寸、精度等的影响。涡流探伤的优越性：1、对小裂纹和其它缺陷的敏感性 2、检测表面和近表面缺陷速度快，灵敏度高 3、检验结果是即时性的 4、设备接口性好 5、仅需要作很少的准备工作 6、测试探头不需要接触被测物 7、可检查形状尺寸复杂的导体 涡流线圈是用金属导线绕制而成的，它的等效电路一般包括电阻、电感以及电容，但是对于各匝线圈间的电容可以忽略。如图 3-3 涡流线圈的等效电路可以用电阻和电感的串联来表示，阻抗 Z 可以表示为：Z=R+jX=R+jwL 式中：R表示电阻；X表示电抗；表示角频率，=2f。图 3-3 线圈等效电路 在检测过程中涡流线圈不断靠近导体，这时可以把导体看做是匝数为 1 的次级线张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 12 圈，检测线圈和次级线圈相互耦合，当我们在检测线圈通上交变电流 I，如图 3-3a所示，根据上述分析，整个耦合电路可以等效电路成如图 3-3b 所示。次级线圈电路阻抗通过互感反映到检测线圈，等效阻抗 zb：bbbJXRz 121212RXRXRb 121212XXRXXb 式中：1R次级线圈的电阻；1X次级线圈的电抗，1X=1L；X互感抗，X=M；bR 等效电阻；bx等效阻抗。我们将次级线圈的等效阻抗和初级线圈的阻抗相加就可以知道整个感应后的电路的阻抗 Z，如图 3-3c 所示：JXRLLRMLJRLRMRXXJRRZBB1212120121212000)()()()()(次级线圈电路中阻抗的变化引起初级线圈的变化，所以通过观测 Z 的变化即可知道对应导体内部是否有变化。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 13 3.3.2 检波电路 为了发现检测线圈的感生电动势变化，借鉴了收音机的检波原理，从而利用检波电路把检测线圈中的高频信号包络线检测出来。一般用于检波的理想器件是点接触型半导体二极管。根据输入信号的大小，检波二极管工作在其特性曲线的线性区（直线部分）或非线性区（弯曲部分），前者用于大信号检波，后者用于小信号检波。由于来自测量线圈的输入信号幅度较大，要求二极管工作在线性区大信号检波，这与整流过程一样，都是利用二极管的单向导电性，其工作原理如图 3-3 所示，图中输入信号 E 为测量线圈的感性电动势，电阻 R4 为负载，C3 为一个小容值电容。检波过程：在输入信号的前 1/4 周期内，电动势 E 对电容 C3 充电，由于 C3 容值很小，充电时间常数很小，C3 的充电电压很快跟随 E值变化，从而使 R4 两端的电压逐渐升高，直到达 E 的峰值电压；在第二个 1/4周期内，电动势 E 的电压开始减小，而电容 C3 为储能原件，C3 转而开始放电而电阻 R4 充电，使得电阻 R4 两端的电压并不跟随 E 而变小，轨迹开始发生新变化，直到轨迹再次与电动势 E 的电压轨迹相遇、E 的电压高于 C3 两端的电压时，E再次对 C3 充电，从而使电阻 R4 两端的电压再次升高；如此周而复始，则从电阻R4 两端的电压检出了电压波形。可见，输入信号的频率越高，电容 C3 的放电时间越短，则电阻 R4 两端的输出电压就越逼近于电动势 E 的电压峰值。因此把电阻 R4 两端的电压提取出来，就得到了电动势 E 的电压幅值包络线的近似图形，于是就检测了所需要的测试信号。信号包络检波是高频输入信号的振幅大于 0.5 伏时，利用二极管对电容c 充电，加反向电压时截止，电容 c 上电压对电阻 R 放电这一特性实现的。分析时采用折线法 1 包络检波电路及工作原理1(a)是二极管峰值包络检波器的原理电路。它是由输入回路、二极管 VD 和 RC 低通滤波器组成。1/WcCR 式中,c为输入信号的载频,在超外差接收机中则为中频 I 为调制频率。在理想情况下,RC 网络的阻抗 Z 应为 Z(Wc)=0 Z()=R 3.3.3 测量比较电路 E 图 3-4 检波电路 张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 14 测量比较电路用来判断从二极管检波电路取得的包络线是否带有表面被测试件表面有、无缺陷的电信号，它主要由三极管 Q1、稳压二极管 D2、滑动电阻R6 和运放 LM324 组成，其电路图如图 3-4 所示。三极管 Q1 起低放作用，电阻 R1、R2 分别为基极、集电极的偏置电阻。电容 C4为 10uf 的大电容，C5为 0.01uf 的小电容。由于大电容的时间常数很大，对于高频信号近似于断路，对于低频信号相当于短路；而小电容时间常数小，对于低频信号相当于断路，对于高频信号相当于短路。而该电路的输入信号包络线波形为低频信号，因此该信号能通过电容 C4 送到三极管 Q1 的基极，而输入信号由高频成分（噪声）则会通过小电容 C5 接地，使 C5 起到屏蔽信号高频分量的作用。当探头线圈当探头线圈检测到被测试件表面有气隙时，测量线圈输出的交流信号幅值会减小;该信号经检波后得到一个向下弯曲的电压曲线，其弯曲部分就代表了探测到试件缺陷对涡流的影响;此时三极管 Q1 基极输入电压减小、集电极输出电压增大。输入的包络线信号经 Q1 放大后输的波形形状更为明显，由集电极输出并送入比较器电路。电压比较器的功能是比较两个电压(输入信号和参考电压)的大小并输出高、低电因设计采用单电源供电，比较器电路用 LM324 运放实现。运放用于电平表示比较结果。压比较器电路时工作在开环状态下，这里采用反相输入的非零电平比较器，同相端的参考电压由电路中的稳压管 D2 输出电压经精密变阻器 u1分压输出提供，这样使比较器的参考电压更为精确，能针对测量要求适当调整门槛电压和稳定测试精度，并防止由于电源电压不稳定影响测量结果。三极管 Q1的集电极输出电压从比较器反相端输入，当探头线圈探测到被测试件表面无缺陷时，反相端输入电压小于门槛电压值，比较器输出高电平;当探头线圈探测到被测试件表面有不可忽视的缺陷时，反相端输入电压增大，大于门槛电压时比较器就输出低电平，表示探头线圈探测到了金属表面的缺陷;之后当探头线圈又接触到无缺陷部分时，反向端输入电压再一次减小，比较器又重新输出高电平。因此，比较器电路的输出是否为低电平表明了被测试件有、无缺陷。图 3-5 测量比较电路 张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 15 运放的同向端接地=0V，反向端和同向端虚短，所以也是 0V，反向输入端输入电阻很高，虚断，几乎没有电流注入和流出，那么 R1和 R2 相当于是串联的，流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的，即流过 R1 的电流和流过 R2的电流是相同的。流过 R1 的电流I1=(Vi-V-)/R1 a 流过 R2 的电流I2=(V-Vout)/R2 b V-=V+=0 c I1=I2 d 求解上面的初中代数方程得 Vout=(-R2/R1)*Vi 这就是传说中的反向放大器的输入输出关系式了 Vi 与 V-虚短，则 Vi=V-a 因为虚断，反向输入端没有电流输入输出，通过R1和 R2 的电流相等，设此电流为 I，由欧姆定律得：I=Vout/(R1+R2)b Vi等于 R2上的分压，即：Vi=I*R2 c 由 abc 式得 Vout=Vi*(R1+R2)/R2 这就是传说中的同向放大器的公式了 由虚短知：V-=V+=0 a 由虚断及基尔霍夫定律知，通过 R2 与 R1的电流之和等于通过 R3 的 电 流，故(V1 V-)/R1+(V2 V-)/R2=(Vout V-)/R3 b 代入 a 式，b 式变为V1/R1+V2/R2=Vout/R3 如果取 R1=R2=R3，则上式变为 Vout=V1+V2，这就是传说中的加法器了 因为虚断，运放同向端没有电流流过，则流过 R1 和 R2 的电流相等，同理流过 R4和 R3的电流。3.3.4 报警电路 报警电路用来对测量比较电路的输出信号进行处理，使其由单一的电信号转化为易于让人察觉的声、光等信号，从而实现报告检测结果的目的。一般而言，测量比较电路的输出电平可直接驱动发光二极管亮、灭，但由于探头线圈相对被测试件表面的划动速度很快，因此偶尔有缺陷时二极管的亮、灭改变只是瞬间动作，有时很难直接用肉眼观测到其变化，故要考虑此输出信号以显著形式表现出来。测量比较电路输出的低电平是有用信号，其宽度不定，但该电平总有一个“高-低-高”的跳变过程。根据这一特性,采用由集成 555 定时器组成的单稳态触发器构成报警电路，该电路的输入、输出不依赖于输入电平的具体状态，而仅与“高-低”或“低-高”的跳变触发及其本身的电路特性有关，因此可以很好解决显示报警信号的问题。，这里以 NE555 型号为例说明报警电路的组成结构如图 3-5 所示，用 NE555 构成的单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态。在触发脉冲作用下,电路从稳态翻转到暂稳态，停留一段时间后，又自动返问稳态;暂稳态的维 张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 16 持时间取决于电路本身的参数,与触发脉冲的宽度无关。555 的输入取测量比较电路的输出，其输出再通过三极管 Q3 放大后由集电极驱动一个发光二极管。当探头线圈探测的被测试件表面没有缺陷时，555 的输出为低电平,则三极管Q3 截止,集电极上没有电流二极管不亮;当探头线圈探测到被测试件表面有缺陷时，555 输出持续一段时间的高电平,在这段时间内三极管 Q3 导通，其集电极上有电流通过,发光二极管点亮;这样，由于延时显示，检测到的有用信号就变成了易于察觉的光信号，从而实现了报警功能。报警电路工作中的输入信号 u,、输出信号 u。和电容两端的电压 u 波形，u(0)=0 为 C 充电时的起始电压值,VPP 为 C,充电时的终值电压 u2(o)。当充电时间 t=tw 时，ue(tW)=2Vpo/3,这是暂稳态结束时的转换电平。由图可见，暂稳态时输出的高电平持续时间为正脉冲宽度 t,它由充电回路的时间常数 t=R,C,决定,用过渡过程公式：Uc（t）=Uc()-Uc()-Uc(0)-t/i 可求得 tw,则：Tw=iln Uc()-Uc(0)/Uc()-Uc(ti)=RtCtln VDD/VDD-2/3VDD 本设计中 R9，选用 330k ,电 容 选 用 0.1puF,由 此 推 算 出 的 暂 稳 态 持 续 时 间 为：tw=0.1x10-6x620 x1031.1=0.07s 3.43.4 硬件选型硬件选型 3.4.1 三极管（8050）三极管 8050 是非常常见的 NPN 型晶体三极管，在各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，主要用于高频放大。如图 3-7 所示。图 3-4 测量比较电路 图 3-4 测量比较电路 图 3.5 报警电路 图 3-6 报警电路 张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 17 图 3-7 S8050 三极管 简介：8050 是非常常见的 NPN 型晶体三极管，在各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，主要用于高频放大。也可用作开关电路。3.4.1.13.4.1.1 三极管管脚的识别三极管管脚的识别 (a)判定基极。用万用表 R100 或 R1k 挡测量管子三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。当用第一根表笔接某一电极，而第二表笔先后接触另外两个电极均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极 b。这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极 b。黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻值都较小，则可判定被测管子为 PNP 型三极管；如果黑表笔接的是基极 b，红表笔分别接触其他两极时，测得的阻值较小，则被测三极管为 NPN型管如 8050，9014,9018 （b）判定三极管集电极 c 和发射极 e。(以 PNP 型三极管为例)将万用表置于 R100 或 R1K 挡，红表笔基极 b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的两个电阻值会是一个大一些，一个小一些。在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。不拆卸三极管判断其好坏的方法：在实际应用中，小功率三极管多直接焊接在印刷电路板上，由于元件的安装密度大，拆卸比较麻烦，所以在检测时常常通过用万用表直流电压挡，去测量被测管子各引脚的电压值，来推断其工作是否正常，进而判断三极管的好坏。如果是像 8050，9014 一样 NPN 的用万用表检测他们的引脚，黑表笔接一个极，用红笔分别接其它两极，两个极都有 5K 阻值时，黑表笔所接就是 B 极。这时用黑红两表笔分别接其它两极，用舌尖同时舔（其实也可以先用舌头舔湿一下手指然后用手指去摸，反正都不卫生）黑表笔所接那个极和 B 极，表指示阻值小的那个黑表所接就是 C 极。（以上所说为用指针表所测，数字表为红笔数字万用表内部的正负级是和指针表相反的。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 18 3.4.1.23.4.1.2 基本参数基本参数 类型：NPN 耗散功率：0.625W（贴片：0.3W）集电极电流：0.5A 基极电压：40V 发射极击穿电压：25V 发射极饱和电压：0.6V 特征频率：最小 150MHz 按三极管后缀号分为 B C D 档 贴片为 L H 档 放大倍数：B85-160 C120-200 D160-300 L100-200 H200-350 管脚排列顺序：E、B、C 或 E、C、B 3.4.2 集成运放 LM324 LM324 系列器件带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比它有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到 3 0 伏或者高到 32 伏的电源下静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一。共模输)范围包括负电源因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图 1 所示的符号来表示它有 5 个引出脚，其中为两个信号输入端V+”.V-为正、负电源端，V0 为输出端。两个信号输入端中，Vi-()为反相输入端，表示运放输出端 VO 的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端 VO 的信号与该输入端的相位相同。LM324 系列由四个独立的高增益，内部频率补偿运算放大器其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如可直接操作的 LM324 系列，这是用来在数字系统中轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的土 15V电源标准的 5V 电源电压。LM324 是四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器，它有 5 个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 19 输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM324 的引脚排列见 LM324 内部结构如下图 3-8 所示 图 3-8 集成运放 LM324 这个是最常用的运算放大器 1,2 3 脚是一组 5.6,7 脚是一组 8,9，10 脚是一组，12 13,14 脚是一组剩下的两个脚是电源 1,7,8,14 是各组放大器的输出脚其它的就是输入脚。单位增益内部频率补偿：大直流电压增益 100 C B 的 高带宽(单位增益)1 兆赫(温度补偿)电源范围宽:单电源 3V 至 32V 电源或双电源土 1.5V 至+16V 极低的电源漏电流(700uA)基本上是独立的电源电压 低输入偏置电流 45 NA(温度补偿)低的输入失调电压为 2mV 和失调电流:5 NA 输入共模电压范围包括地面 差分输入电压范围的电源电压等于 大输出电压摆幅 OV 至 V+-1.5V 交流信号三分配放大器 此电路可将输入交流信号分成三路输出，三路信号可分别用作指示控制、分析等用途。而对信号源的是响极小。因运放 Ai 输入电阻高运放 A1-A4 均把输出端直接接到负输入端，信号输入至正输入端相当于同相放大状态时 Rf=0 的情兄故各放大电压放大倍数均为 1，与分立元件组成的射极跟随器作用相同。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 20 3.4.3 NE 参数功能：供应电压 4.5-18V 供应电流 10-15ma 输出电流 225mA(max)上升/下降时间 100ns 主要特点：1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。2.它的操作电源范围极大，可与 TTL,CMOS 等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。NE555 引脚图和工作原理如下图 3-9 所示 图 3-9NE555 引脚图 Pin1(接地)-地线(或共同接地)，通常被连接到电路共同接地。Pin2(触发点)-这个脚位是触发 NE555 使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于 2/3VCC,下缘须低于 1/3VCC。Pin3(输出)-当时间周期开始 555 的输出输出脚位，移至比电源电压少 1.7 伏的高电位。周期的结束输出回到 0 伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约 200mA。Pin4(重置)-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin5(控制)-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下，这输入能用来改变或调整输出频率。Pin6(重置锁定)-Pin6 重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书 21 1/3VCC 电压以下移至 2/3VCC 以上时启动这个动作。Pin7(放电)-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON 时为 LOW，对地为低阻抗，当输出为 OFF 时为 HIGH,对地为高阻抗。Pin8(V+)-这是 55 个计时器 IC 的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5V(MIN)至+16V(MAX)。N55 定时器由 3 个阻值为 5kQ 的电阻组成的分压器，两个电压比较器 C100 虑线边沿标注的数字为管基本 RS 触发器、放电三极管 TD 和缓冲反相器 G4 组成。脚号。其中，1 脚为接地端;2 脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉中，。脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲:4 脚为复位端，输入负脉神(或使在此端外加电压其电压低于 0.7V)可使 555 定时器直接复位;5 脚为电压控制端，可以改变比较器的参考电压，不用时，经 0.01UF 的电容接地，以防止引入干扰;7脚为放电端，555 定时器输出低