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精品文档涡流探伤仪初步设计方案一、概述1.1 、涡流检测原理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，引起线圈阻抗变化，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1.2 、涡流检测仪的基本组成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，系统组成图1 所示：信号发生器隔直滤波放大电路探头放大电路输出显示大器SPGA自动增益放滤波电路整 流 电路图 1二、部件详述2.1 、信号发生器信号源作为现代电子产品设计和生产中的重要工具,必须满足高精度、高速度、高分辨率等要求。涡流检测中激励信号的稳定性对整个检测系统的有效工作起着十分关键的作用，信号不稳定会使后续处理十分困难，甚至直接影响检测的结果。本方案基于 DDS( Direct Digital Synthesis ,直接数字频率合成)技术，采用 AD9850 DDS 芯片，采用 AT89C52单片机作为控制芯片，实现了信号发生器的设计。2.1.1 AD9850 芯片AD9850 是美国AD 公司推出的基于DDS 技术的高集成度频率合成器，它工作的最高时钟为 125MHZ，包含40 bit 频率/相位控制字，其中32bit 用于频率控制，5bit 用于相位控制，1bit 用于掉电控制，2bit 厂方保留工作方式选择位。其工作原理图2 所示：AD9850 在接上精密时钟源和写入频率相位控制字之后就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出，此正弦波可直接用作频率信号源或经内部的高速比较器转换为方波输出23。在 125MHz 的时钟下，32 位的频率控制字可使AD9850 的输出频率分辨率精品文档达 0.0291Hz ；并具有 5 位相位控制位。正弦波输出DACLPF微控制器相位控制字相位累加器方波输出正弦查询表比较器频率控制字相位寄存器图 22.1.2 接口电路图 3 是 52 单片机与 AD9850 芯片的接口电路，其中 P3 口作为数据接口，P4.0、P4.1、P4.2 和 AD9850 的 W_CLK、FQ_UD、RESET 相连作为控制引脚。图 3AD9850 和AD9854 直接输出的均为带有直流偏置的正弦信号，为了方便涡流检测系统的应用，需要对信号进行隔直滤波和放大。涡流检测系统的工作缅密而撵诺蚪 0 Hz1MHz，因此隔直滤波电路图 4AD9850 输出的正弦波信号幅度很低，带有直流偏置的正弦信号并包含有高次谐波分量， 不能直接作为探头的激励信号，必须经过滤波、放大和驱动电路后才能加载到检测探头之上。 在这里准备采用具有一定电压放大和缓冲功能的有源滤波器。涡流检测系统的工作频率一般 为 0 Hz1MHz，因此隔直滤波电路的截止频率应当保证10HZ 以上的信号通过。图 4 中截 止频率f 由C1 和 R1 决定，放大倍数由AuH 由 R2 和 Rf 决定。在一般涡流检测中，可选 C1= 10uF，R1 = 1.5kQ，R2=5kQ，Rf 为 50kQ 可调的变阻器， 此时阻带截止频率为 106 Hz，增益为 0dB 到 20dB 可调。2.2 测试探头2.2.1 选择探头的材料电涡流传感器探头由外壳、线圈骨架、线圈等部件组成电涡流传感器是通过电磁效应 来完成测量的，所以其前端只能为非金属材料通过对不同材料的比较，可加工的陶瓷材料 符合要求，陶瓷材料耐高温、抗腐蚀，可以有效保护探头内部元件，又不屏蔽电磁场，可提高传感器的使用寿命传感器探头外壳后端采用不锈钢材料，具有抗腐蚀的性能整个探头 外壳精密接合，密封严密，可以防止外部腐蚀性气体进入传感器内部，能有效保护探头内部 线圈等部件。电涡流传感器内部线圈骨架一般采用聚四氟乙烯、高频陶瓷、聚酰亚胺、玻璃钢等材 料考虑环境温度高的问题，传感器内部线圈骨架采用可加工的陶瓷材料，其耐高温且热膨胀系数较小电涡流传感器所用的导线一般为高强度漆包线。如果要求高，也可以使用银合金线采用不同线径组合的多股漆包线绕制线圈，能得到较好的稳定性。2.2.2 线圈尺寸设计设电涡流传感器的线圈是具有矩形截面的扁平线圈，根据佩利经验公式，线圈自感系数为线圈导线的直径可对线圈的内阻R1 产生影响，从而对传感器的温度稳定性产生影响影响传感器探头温度稳定性的因素有两种：一是传感器探头骨架的材料和形状；二是传感线圈形状和内阻当传感器探头骨架材料和形状及传感器线圈形状确定时，可通过改变传感器探头线圈导线的直径来进行温度补偿，即传感器线圈导线的直径由传感器探头温度稳定性实验确定电涡流传感器量程以及灵敏度主要取决于传感器中测量线圈的形状和大小如果线圈外 径大，线圈的线性范围就相应增大，但是线圈的灵敏度会降低；如果线圈外径小，线圈的线 性范围就会减小，但灵敏度会有所提高线圈的内径一般对线性范围和灵敏度的影响不大线 圈厚度较小时可提高线圈的灵敏度在满足量程的条件下，要尽可能提高传感器测量线圈的 灵敏度提高灵敏度的措施有：在满足量程的情况下，线圈要尽可能小，线圈厚度应尽可能薄，但同时应考虑加工的可操作性2.2.3 探头结构设计探头是电涡流传感器最重要的组成部分，通常采用非金属材料制作，要求坚固，不易 变形在某些场合还要求探头材料耐高温、耐高压及不受油类介质的影响线圈的结构简单， 可以绕成一个扁平圆形线圈，粘贴于框架上，也可以在框架上开一条槽，由导线绕制在槽内 而形成本设计采用导线绕在框架上的形式，为使线圈不易变形，保证性能更加稳定，采用 环氧树脂对线圈进行整体封在高温情况下，线圈的电阻有一定的变化，被测导体的电涡流 效应也会有所变化，为了提高电涡流传感器的温度稳定性，传感器采用两个完全相同线圈， 一个线圈用作测量，一个用作差动补偿，构成差动补偿结构同时在电路上也采屑嘉灞煽嘴 疼理，电路设计完全对称，使得两个线圈回路的温度漂移及时转为共模信号相互抵消，从而 有效补偿温度漂移。2.3 放大电路图 5 探头放大电路即增加电信号幅度或功率的电子电路。应用放大电路实现放大的装置称 为放大器。“放大”的本质是实现能量的控制， 即能量的转换 ：用能量比较小的输入 信号来控制另一个能源， 使输出端的负载上得到能量比较大的信号。 放大的对象是变化量， 放大的前提是传输不失真。本方案拟采用的放大电路由两极放大电路组成，第一级放大电路是由三运放构成的精密 放大器也叫仪表放大器。其特点具有稳定的、足够大的放大倍数，可以用于弱信号的发大， 并且还具有高输入电阻和高共模抑制比。第二级放大器为反相比例放大器，第一级与第二级 发大器为阻容耦合，有防止失真的作用。如图6 所示。因此R()æ2RöU- U=6i1i 2R+U- U0102U- Uç1 +R 5 ÷ (U- U)62R65即0102 = èøi1i 2且U= - R 9 (U03R014- U)02所以输出电压R2R20 æ2 ´ 2 öA1 = - R9所以4(1 +RR 5 ) = -6ç1 +1 è÷ = -1001ø第二级放大倍数A2 = -16 = -60 /1 = -60R15倍因此总放大倍数为 A = A1* A2 = 600 *100 = 6000 倍图 6 放大电路2.4 整流电路整流,就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件,可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。如图 4 所示当输入电压Ui0 时，D1 管导通，D2 管截止。因而输出电压Uo=Ui。当输入电压Ui0 时，D1 管截止，D2 管导通。根据虚短、虚断可知A1 为虚地。(0 - Ui)/ R11= (U0- 0)/ R12 所以Uo=Ui, 因此 UO=|Ui|因而本电路可以实现全波整流。2.5 滤波电路图 7 整流电路滤波器的设计是电子设计中最基本也是最重要的一环，广泛应用于信号处理、通信、 自动控制等领域。从工作频率上划分，可以分为低通、带通和高通滤波器；从性能特性上分 可以分为巴特沃兹、切比雪夫、贝赛尔等。其中巴特沃兹滤波器具有最干坦的幅频特性，因而在实际应用中使用较多。本方案拟采用巴特沃兹滤波器的设计方法。 同时，为了获得更好的性能和更简单的设计，还准备使用MAX275 专用芯片设计巴特沃兹滤波器。MAX275 能够从复杂的干扰中提取特定频率的信号，也能对一些信号进行波形变换。他所达到的高精度是日常所设计的有源滤波器所无法做到的，而且实现非常简单。中心频率 F ，品质因数 Q0值以及放大倍数的设计只需改变外围的R R 这 4 个电阻就能够完成。14图 82.6 可编程自动增益放大器电路在小信号虚拟测试仪器的开发研究中，首先需要采集现场信号，而此类信号由于来源不同，变化范围差异很大为了保证高精度的模数转换结果，要求输入信号接近 AD 模块的满量程值本方案拟利用 AD526 和单片机 AT89C52 设计了能够进行自动增益控制的放大器PAGA(programmableaoto-，gainamplifier)，先将现场信号根据要求自动调整到适合 AD 转换的最佳输入范围，再进行转换，有效保证了在低输入时的转换精度，扩大了采集系统的动态范围。2.6.1 PAGA 的硬件组成及工作原理本方案的采集系统是基于 PC 机 ISA 总线的的高速数据采集卡。用于小信号的采集和传输。为了扩大采集系统的动态范围，提高模数转换的精度，本系统增加了用AD526 为核心的可编程自动增益放大器部分与 AD 模块共同构成了浮点 AD 转换器，目的是根据输入信号的大小变化，自动调整放大增使其适应 AD 模块对输入的要求，PAGA 硬件结构图如图 9 所示。图 9 PAGA 硬件结构图2.6.2 模块介绍PAGA 主要包括采样保持放大器 AD585、可编程放大器 AD526，高速 AD 转换器AD7821 和自动控制芯片 AT89C52 单片机AD585 为单片采样保持放大器，内含保持电容，3Ps 建立时间，孔径宽度05ns，通过反馈连接可以提供+1、一 1 和 4-2 放大增益AD7821 采样串为 1MHz，8 位分辨率输出，具有跟踪保持功能，最大允许输入带宽 100kHz，不需外部时钟，有单、双两种极性输入方式；0 一十 5V 或一 25十 25V该模块有 RD 和 WR-RD 两种工作模式，这里采用 WR-RD 模式 单片机 AT89C52 自带 4K 字节在板可编程 FLASH 存储器，128 字节 RAM，6 个中断源，其引脚与指令系统与 MCS-51 兼容，工作频率最高达 24MHz2.6.3 工作原理下面通过一次数据采样、AD 转换和增益调整过程说明PAGA 的工作原理首先为可编程增益 放大器设定增益调整窗口，即调整下限和上限下限一般设定为最大满量程的14，而上限为满量程，这样调整窗口为L 25V5V，对应量程的AD 编码为 0100000011111111小子 125V 的信号需经过二次比较调整过程得到最佳增益后再开始AD 转换，当然较小的信号采用最大增益后也不一定落入窗口内，但还是可以增加转换后的有效位数， 提高转换精度。图 10 一次数据采集流程转换开始先进行初始化，89C52 由P1.0、P1.1、 P1.2 送增益代码给AD526，将放大器增益预设为 1，然后由P2.2 发/WR 信号给AD7821 作为AD 启动信号（/WR 下降沿）。现场信号经AD585 采样保持放大器送AD526，按增益 1 放大后进行AD 转换AD7821 在WR-RD 模式下转换结束时送1NT 信号给 89C52p2.0，经查询后由RD 发读选通信号给AD7821 将转换结果读进p0 口89C52 在软件中判断此 信号是否在调整窗口范围内，若是则不需调整增益，否则根据计算确定合适增益代码再送AD526 调整其增益大小，并重复第一次转换过程经两次增益调整转换后数据为调整后的结果，相当于尾数，而增益值相当于 阶码，为了简化PC 机的数据处理过程，在送PC 机总线之前，89C51 根据阶码将调整后结果进行还原，然后送到与总线相连的高速大容量缓存器中缓存，这样一次完整的数据采集， 调整、还原和缓存过程结束整个流程及工作时序如图10 所示。