涡流探伤仪检测系统毕业设计.pdf

1/38目录摘要.2第 1 章 引言.11.1 设计概述.11.2 设计目标与意义.11.3 章节安排.2第 2 章 方案论证与选型.32.1设计任务分析.32.2方案论证与选择.32.2.1 方案一.32.2.2 方案二.42.3方案确定.43.1原理分析.53.2涡流探伤仪系统设计电路总体框图.53.3子电路.53.3.1 探头线圈.53.3.2 报警电路.83.3.3 检波电路.93.3.4 测量比较电路.103.4 硬件选型.123.4.1二极管.123.4.2 NE555.143.4.3 运算放大器 LM324.163.4.4 三极管.183.5PCB 布局布线.20第 4 章产品调试.204.1 调试的设备.214.2调试步骤.214.3焊接注意的基本事项.214.4调试步骤.224.5故障分析.23第 5 章 产品使用说明.245.1功能描述.245.2使用说明.24心得体会.25致谢.27参 考 文 献.28附 录.29附件一：总原理图:.29附件二：元件清单.30附件三：安装接线图.31附件四：设计流程图.33附件六：装配图、零件图.342/38摘摘要要涡流无损探伤机已成为管材、线材、棒材等半成品检验的工业标准。它是唯一能够以每分钟从零到数百米速度在产品生产线作自动化非破坏性探伤的方法。涡流探伤仪有简单易行、完全不接触和不污染弄湿产品及低成本等优点。适合采用涡流探伤的产品有：油管、套管、锅炉管、高频焊管、弹簧钢丝、轴承钢棒等。除此之外，作为无损见的一种手段，涡流检测也被广泛应用于机械零部件制造业中，对比超声波、射线、磁粉和渗透方法，其独特之处在于能快速、低成本、无污染地完成检测过程，使大批产品生产的自动化探伤得以实施。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 章章引引言言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。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。涡流探伤技术是常规无损探伤技术之一，现多频涡流，脉冲涡流及低频涡流等探伤方法已得到成功应用.一些国家还制定并实施了各种涡流探伤标准.我国从 60 年代中期开始研究此项技术,70年代中期发展较快，到 80年代已能研制成套的涡流探伤仪器设备，并制定了探伤标准.目前，我国涡流探伤技术已应用于冶金，机械，航空,航天，电力，化工，军用及民用各个部门，其作用与应用范围日趋扩大.到本世纪末，包括涡流探伤，超声探伤在内的无损探伤技术的设备市场需求量平均年增长率将达到 6.2,预计亚洲国家最高年增长率可达到7.9,充分显示出涡流探伤技术应用发展的前景。1.21.2设计目标与意义设计目标与意义涡流探伤是以交流电磁线圈在金属构件表面感应产生涡流的无损探伤技术。它适用于导电材料，包括铁磁性和非铁磁性金属材料构件的缺陷检测。由于涡流探伤，在检测时不要求线圈与构件紧密接触，也不用在线圈与构件间充满 藕合剂，容易实现检验自动化。但涡流 探伤仅适 用于导电材料，只能检测表面或近 表面层的缺陷，不便使用于形状复杂的构件。在火力发电厂中主要应用于检张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书2测凝汽器管、汽轮机叶片、汽轮机转子中心孔和焊缝等。原理当交流电通入线圈时，若所用的电压及频率不变，则通过线圈的电流也将不变。如果在线圈中放入一金属管，管子表面感生 周向电流，即涡流。涡流磁场方向与外加电流的磁化方向相反，因此将抵消一部分外加电流，从而使线圈的阻抗、通过电流的大小相位均发生变化。管的直径、厚度、电导率和磁导 率的变化以及有缺陷存在时，均会影响线圈的阻抗。若保持其他因素不变，仅将缺陷引起阻抗的信号取出，经仪器放大并予检测，就能达到 探伤目的。涡流信号不仅能给出缺陷的大小，同时由于涡流探伤时可以根据表面下的涡流滞后于表面涡流一定相位，采用相位分析 能判断出缺陷的位 t(深度).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。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。采用两个线圈放于同一被检构件的不同部位，作为比较标准线圈，称自比较式，是标准比较线圈式的特例。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。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3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，我们有两套套方案可以完成设计要求；2.2.1 方案一涡流检测系统通常分为三个部分:激励信号发生单元、磁场测量单元和信号采集单元，不同的涡流检测仪又依据对探头的输出信号分析方法处理方式不同，大致分为相位分析发频率分析法和幅度分析法三种。本方案选择了频率分析法如图2-1。图 2-1 设计框架图张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书42.2.2 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。探头线圈检波电路测量比较电路报警显示图 2-2 设计框架图2.32.3方案确定方案确定方案一所涉及到的知识很广，有些部分不熟悉，不知道其工作原理，所以在实际实际操作中会很难，不容易做出来；方案二所设计到的东西都是一些平时用的，对它的原理也比较清楚。综合两种方案我选择方案一。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书5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涡流探伤仪系统设计电路总体框图电路总体框图此电路的设计思路及框图如图 3-1 所示探头线圈检波电路测量比较电路报警显示图 3-1 设计思路3.33.3子电路子电路3.3.13.3.1 探头线圈探头线圈根据电磁感应原理可知，当一个导体处在变化的磁场中或者导体相对于磁场在运动时，导体内部就会产生感应电流，由于这些闭合电路的磁通量不断发生变化，导体的圆周方向就会产生感应电动势和感应电流，这些电流回路就像一圈圈的旋涡，所以称其为涡旋电流，即涡流。具体做法是在一根导体周围绕上线圈，并让线圈通入交变电流，如图 3-2。图 3-2 涡流效应示意图张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书6涡流探伤就是建立在电磁感应的理论基础上，具体是将交变的电流激励线圈靠近导体，由于交变电流线圈的激励作用，在导体表面产生感应电流即涡流，同时还会产生另一个磁场，该磁场的方向是与原来磁场方向相反的。这个反方向的磁场会作用到原磁场，会使检测线圈的电阻和电感即阻抗发生变化，也是电流的大小及相位发生变化。这些变化导体本身的物理性质，所以一般情况下我们用激励线圈去作用于金属，只要它的物理性质没有发生变化，反过来电阻和电感的变化也是不变的，但是，如果导体的表面发生裂痕，软点等缺陷时检测线圈的阻抗就会发生不一样的变化，通过观察检测线圈阻抗的变化就能对试件的物理性能及有无缺陷做出判断了。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。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：张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书7Z=R+jX=R+jL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，根据上述分析，整个耦合电路可为等效电路。次级线圈电路阻抗通过互感反映到检测线圈，等效阻抗 zb：bbbJXRz121212RXRXRb121212XXRXXb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：张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书8JXRLLRMLJRLRMRXXJRRZBB1212120121212000)()()()()(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。3.3.23.3.2 报警电路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 3-4 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蜂鸣器。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,集电极上没有电流蜂鸣器不响;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,蜂鸣器响;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：张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书9Tw=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图 3-4 报警电路3.3.33.3.3 检波电路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 3-5 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U1张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书10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。测量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)=0Z()=R图 3-5 检波电路3.3.43.3.4 测量比较电路测量比较电路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 3-6 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;EU张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书11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。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-)/R1a 流过 R2 的电流。I2=(V-Vout)/R2bV-=V+=0cI1=I2d 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)bVi 等于 R2上的分压，即：Vi=I*R2c 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的流之和等于通过 R3 的 电 流，故：(V1V-)/R1+(V2V-)/R2=(VoutV-)/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 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。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书12图 3-6 测量比较电路3.43.4 硬件选型硬件选型3.4.13.4.1二极管二极管二极管又称晶体二极管简称二极管(diode),另外,还有早期的真空电子二极管;它是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个 PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。一般来讲，晶体二极管是一个由 p 型半导体和 n型半导体烧结形成的 p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于 p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服 PN结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后，PN 结内电场被克服，二极管导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。反向性：外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流，由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。击穿：外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为电击穿。U0U1张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书13引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。电击穿时二极管失去单向导电性。如果二极管没有因电击穿而引起过热，则单向导电性不一定会被永久破坏，在撤除外加电压后，其性能仍可恢复，否则二极管就损坏了。因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。二极管是一种具有单向导电的二端器件，有电子二极管和晶体二极管之分，电子二极管现已很少见到，比较常见和常用的多是晶体二极管。二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。二极管的管压降:硅二极管(不发光类型)正向管压降 0.7V,锗管正向管压降为03V,发光二极管正向管压降会随不同发光颜色而不同。主要有三种颜色，具体压降参考值如下:红色发光二极管的压降为 20-22V,黄色发光二极管的压降为1.8-2.0V,绿色发光二极管的压降为 3.0-32V,正常发光时的额定电流约为 20mA。1.稳压二极管稳压二极管是一种用于稳定电压的单 PN 结二极管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很少的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性，稳压管主要被作为稳压 器或电压基准元件使用。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。如图 3-7 所示。图 3-7 稳压二极管工作原理：稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。2.整流二极管张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书14利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电。如图 3-8 所示。图 3-8 整流二极管正向性：外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服 PN结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后，PN 结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。当二极管两端的正向电压超过一定数值，内电场很快被削弱，特性电流迅速增长，二极管正向导通。反向性：外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。一般硅管的反向电流比锗管小得多，小功率硅管的反向饱和电流在 nA 数量级，小功率锗管在 PA 数量级。温度升高时，半导体受热激发，少数载流子数目增加，反向饱和电流也随之增加。整流电路就是利用了二极管的这种单向导电特性。当电源正向时，二极管导通，电路正常;当电源反向时，二极管截止，电路不通。从而使得电源只有正向时通电，达到整流效果。3.4.23.4.2 NE555NE555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，也就是它的输张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书15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 引脚图如图 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)。NE555 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 定时器输出低电平时，放电晶体管 TD 导通，外接电容元件通过 TD 放电;3 脚为输出端，输出高电压约低于电源电压 1V-3V,输出电流可达200mA,因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等;8 脚为电源端，可在张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书165V-18V 范围内使用。X565定时器工作时过程分析如下:5 脚经 0.01UF 电容接地，比较器 C1 和 C2 的比较电压为:UR1=2/3VCCR2=1/3VCC。当 V112/3vcC,VI21/3vCC 时，比较器 C1 输出低电平，比较器 C2 输出高电平，基本 RS 触发器置 0，G3 输出高电平放电三极管 TD 导通，定时器输出低电平。当 VI11/3VCC 时，比较器 CI 输出高电平，比较器 C2 输出高电平，基本 RS 触发器保持原状态不变，555 定时器输出状态保持不来。当 VI12/3VCC，VI21/3VCC 时，比较器 CI 输出低电平，比较器 C2 输出低电平，基本 RS 触发器两端都被置 l,G3 输出低电平，放电三极管 TD 截止，定时器输出高电平。当 VI12/3VCC,VI21/3VCC 时，比较器 C1 输出高电平，比较器 C2 输出低电平，基本 RS 触发器置 1,G3 输出低电平，放电三极管 TD 截止，定时器输出高电平。3.4.33.4.3 运算放大器运算放大器 LM324LM324LM324 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 30 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。参数：运放类型:低功率放大器数目:4带宽:1.2MHZ张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书17针脚数:14工作温度范围 0%Cto+70C封装类型:SOIC3dB 带宽增益乘积:1.2MHZ变化斜率:0.5V/US器件标号:324器件标记 LM324AD增益带宽:1.2MHZ工作温度最低:09C工作温度最高:70%C放大器类型:低功耗温度范围商用电源电压最大:32V电源电压最小 3V芯片标号:324表面安装器件:表面安装输入偏移电压最大:7mV运放特点高增益频率补偿运算逻辑功能号 324额定电源电压，+:15V1.短路保护输出2.真差动输入级3.可单电源工作:3V32V4.低偏置电流:最大 100nA5.每封装含四个运算放大器。6.具有内部卜偿的功能。7.共模范围扩展到负电源8.行业标准的引脚排列9.输入端具有静电保护功能LM324 内部结构如图 3-10 所示张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书18图 3-10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。3.4.43.4.4 三极管三极管三极管 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 3-11 所示。图 3-11 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。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。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书19（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。参数:类型:开关型;极性:NPN;材料:硅;最大集电极电流(A):0.5A;直流电增益:10to60;功耗:625mW;最大集电极-发射极电压（VCEO）:25;特征频率:150MHzPE8050 硅 NPN30V1.5A1.1W3DG8050 硅 NPN25V1.5AFT=190*K2SC8050 硅 NPN25V1.5AFT=190*KMC8050 硅 NPN25V700mA200mW150MHzCS8050 硅 NPN25V1.5AFT=190*K张家界航空工业职业技术学院毕