渦流探傷儀設(shè)計方案

1、渦流探傷儀初步設(shè)計方案一、概述1.1、渦流檢測原理渦流檢測就是運用電磁感應(yīng)原理，將正弦波電流激勵探頭線圈，當(dāng)探頭接近金屬表面時，線圈周圍的交變磁場在金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流。對于平板金屬，感應(yīng)電流的流向是以線圈同心的圓形，形似旋渦，稱為渦流。同時渦流也產(chǎn)生相同頻率的磁場，其方向與線圈磁場方向相反。 渦流通道的損耗電阻，以及渦流產(chǎn)生的反磁通，又反射到探頭線圈，改變了線圈的電流大小及相位，即改變了線圈的阻抗。因此，探頭在金屬表面移動，遇到缺陷或材質(zhì)、尺寸等變化時，使得渦流磁場對線圈的反作用不同，引起線圈阻抗變化，通過渦流檢測儀器測量出這種變化量就能鑒別金屬表面有無缺陷或其它物理性質(zhì)變化1.2、渦流檢測

2、儀的基本組成渦流檢測系統(tǒng)通常分為三個部分：激勵信號發(fā)生單元、磁場測量單元和信號采集單元，不同的渦流檢測儀又依據(jù)對探頭的輸出信號分析方法處理方式不同，大致分為相位分析發(fā)、頻率分析法和幅度分析法三種。本方案選擇了頻率分析法，系統(tǒng)組成圖1所示：濾波電路整流電路信號發(fā)生器隔直濾波放大電路探頭放大電路SPGA自動增益放大器輸出顯示大器 圖1二、部件詳述2.1、信號發(fā)生器 信號源作為現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)中的重要工具,必須滿足高精度、高速度、高分辨率等要求。渦流檢測中激勵信號的穩(wěn)定性對整個檢測系統(tǒng)的有效工作起著十分關(guān)鍵的作用，信號不穩(wěn)定會使后續(xù)處理十分困難，甚至直接影響檢測的結(jié)果。本方案基于 DDS (

3、Direct Digital Synthesis ,直接數(shù)字頻率合成)技術(shù)，采用AD9850 DDS芯片，采用AT89C52單片機作為控制芯片，實現(xiàn)了信號發(fā)生器的設(shè)計。芯片AD9850是美國AD公司推出的基于DDS技術(shù)的高集成度頻率合成器，它工作的最高時鐘為125MHZ，包含40 bit頻率/相位控制字，其中32bit用于頻率控制，5bit用于相位控制，1bit用于掉電控制，2bit廠方保留工作方式選擇位。其工作原理圖2所示： AD9850 在接上精密時鐘源和寫入頻率相位控制字之后就可產(chǎn)生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號源或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出

4、23。在125MHz 的時鐘下，32 位的頻率控制字可使AD9850 的輸出頻率分辨率達0.0291Hz ；并具有5 位相位控制位。 圖2接口電路圖3是52單片機與AD9850芯片的接口電路，其中P3口作為數(shù)據(jù)接口，P4.0、P4.1、P4.2和AD9850的W_CLK、FQ_UD、RESET相連作為控制引腳。圖3AD9850和AD9854直接輸出的均為帶有直流偏置的正弦信號，為了方便渦流檢測系統(tǒng)的應(yīng)用，需要對信號進行隔直濾波和放大。渦流檢測系統(tǒng)的工作緬密而攆諾蚪0 Hz1MHz，因此隔直濾波電路AD9850輸出的正弦波信號幅度很低，帶有直流偏置的正弦信號并包含有高次諧波分量，不能直接作為探頭

5、的激勵信號，必須經(jīng)過濾波、放大和驅(qū)動電路后才能加載到檢測探頭之上。在這里準(zhǔn)備采用具有一定電壓放大和緩沖功能的有源濾波器。渦流檢測系統(tǒng)的工作頻率一般為0 Hz1MHz，因此隔直濾波電路的截止頻率應(yīng)當(dāng)保證10HZ以上的信號通過。圖4中截止頻率f由C1和R1決定，放大倍數(shù)由AuH由R2和Rf決定。圖4 在一般渦流檢測中，可選C1= 10uF，R1 = 1.5kQ，R2=5kQ，Rf為50kQ可調(diào)的變阻器，此時阻帶截止頻率為106 Hz，增益為0dB到20dB可調(diào)。2.2測試探頭2.2.1 選擇探頭的材料電渦流傳感器探頭由外殼、線圈骨架、線圈等部件組成電渦流傳感器是通過電磁效應(yīng)來完成測量的，所以其前端

6、只能為非金屬材料通過對不同材料的比較，可加工的陶瓷材料符合要求，陶瓷材料耐高溫、抗腐蝕，可以有效保護探頭內(nèi)部元件，又不屏蔽電磁場，可提高傳感器的使用壽命傳感器探頭外殼后端采用不銹鋼材料，具有抗腐蝕的性能整個探頭外殼精密接合，密封嚴密，可以防止外部腐蝕性氣體進入傳感器內(nèi)部，能有效保護探頭內(nèi)部線圈等部件。電渦流傳感器內(nèi)部線圈骨架一般采用聚四氟乙烯、高頻陶瓷、聚酰亞胺、玻璃鋼等材料考慮環(huán)境溫度高的問題，傳感器內(nèi)部線圈骨架采用可加工的陶瓷材料，其耐高溫且熱膨脹系數(shù)較小 電渦流傳感器所用的導(dǎo)線一般為高強度漆包線。如果要求高，也可以使用銀合金線采用不同線徑組合的多股漆包線繞制線圈，能得到較好的穩(wěn)定性。2.

7、2.2線圈尺寸設(shè)計 設(shè)電渦流傳感器的線圈是具有矩形截面的扁平線圈，根據(jù)佩利經(jīng)驗公式，線圈自感系數(shù)為線圈導(dǎo)線的直徑可對線圈的內(nèi)阻R1產(chǎn)生影響，從而對傳感器的溫度穩(wěn)定性產(chǎn)生影響影響傳感器探頭溫度穩(wěn)定性的因素有兩種：一是傳感器探頭骨架的材料和形狀；二是傳感線圈形狀和內(nèi)阻當(dāng)傳感器探頭骨架材料和形狀及傳感器線圈形狀確定時，可通過改變傳感器探頭線圈導(dǎo)線的直徑來進行溫度補償，即傳感器線圈導(dǎo)線的直徑由傳感器探頭溫度穩(wěn)定性實驗確定 電渦流傳感器量程以及靈敏度主要取決于傳感器中測量線圈的形狀和大小如果線圈外徑大，線圈的線性范圍就相應(yīng)增大，但是線圈的靈敏度會降低；如果線圈外徑小，線圈的線性范圍就會減小，但靈敏度會有

8、所提高線圈的內(nèi)徑一般對線性范圍和靈敏度的影響不大線圈厚度較小時可提高線圈的靈敏度在滿足量程的條件下，要盡可能提高傳感器測量線圈的靈敏度提高靈敏度的措施有：在滿足量程的情況下，線圈要盡可能小，線圈厚度應(yīng)盡可能薄，但同時應(yīng)考慮加工的可操作性 2.2.3探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計 探頭是電渦流傳感器最重要的組成部分，通常采用非金屬材料制作，要求堅固，不易變形在某些場合還要求探頭材料耐高溫、耐高壓及不受油類介質(zhì)的影響線圈的結(jié)構(gòu)簡單，可以繞成一個扁平圓形線圈，粘貼于框架上，也可以在框架上開一條槽，由導(dǎo)線繞制在槽內(nèi)而形成本設(shè)計采用導(dǎo)線繞在框架上的形式，為使線圈不易變形，保證性能更加穩(wěn)定，采用環(huán)氧樹脂對線圈進行整體封在高

9、溫情況下，線圈的電阻有一定的變化，被測導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)也會有所變化，為了提高電渦流傳感器的溫度穩(wěn)定性，傳感器采用兩個完全相同線圈，一個線圈用作測量，一個用作差動補償，構(gòu)成差動補償結(jié)構(gòu)同時在電路上也采屑嘉灞煽嘴疼理，電路設(shè)計完全對稱，使得兩個線圈回路的溫度漂移及時轉(zhuǎn)為共模信號相互抵消，從而有效補償溫度漂移。 圖5探頭2.3放大電路放大電路即增加電信號幅度或功率的電子電路。應(yīng)用放大電路實現(xiàn)放大的裝置稱為放大器?！胺糯蟆钡谋举|(zhì)是實現(xiàn)能量的控制，即能量的轉(zhuǎn)換：用能量比較小的輸入信號來控制另一個能源，使輸出端的負載上得到能量比較大的信號。放大的對象是變化量，放大的前提是傳輸不失真。本方案擬采用的放大電路

10、由兩極放大電路組成，第一級放大電路是由三運放構(gòu)成的精密放大器也叫儀表放大器。其特點具有穩(wěn)定的、足夠大的放大倍數(shù)，可以用于弱信號的發(fā)大，并且還具有高輸入電阻和高共模抑制比。第二級放大器為反相比例放大器，第一級與第二級發(fā)大器為阻容耦合，有防止失真的作用。如圖6所示。因此即 = 且所以輸出電壓所以 第二級放大倍數(shù)倍因此總放大倍數(shù)為倍 圖6 放大電路2.4整流電路如圖4所示當(dāng)輸入電壓Ui0時，D1管導(dǎo)通，D2管截止。因而輸出電壓Uo=Ui。當(dāng)輸入電壓Ui0時，D1管截止，D2管導(dǎo)通。根據(jù)虛短、虛斷可知A1為虛地。所以Uo=Ui, 因此 UO=|Ui|因而本電路可以實現(xiàn)全波整流。圖7 整流電路2.5濾波

11、電路濾波器的設(shè)計是電子設(shè)計中最基本也是最重要的一環(huán)，廣泛應(yīng)用于信號處理、通信、自動控制等領(lǐng)域。從工作頻率上劃分，可以分為低通、帶通和高通濾波器；從性能特性上分可以分為巴特沃茲、切比雪夫、貝賽爾等。其中巴特沃茲濾波器具有最干坦的幅頻特性，因而在實際應(yīng)用中使用較多。本方案擬采用巴特沃茲濾波器的設(shè)計方法。 同時，為了獲得更好的性能和更簡單的設(shè)計，還準(zhǔn)備使用MAX275專用芯片設(shè)計巴特沃茲濾波器。MAX275能夠從復(fù)雜的干擾中提取特定頻率的信號，也能對一些信號進行波形變換。他所達到的高精度是日常所設(shè)計的有源濾波器所無法做到的，而且實現(xiàn)非常簡單。中心頻率F0，品質(zhì)因數(shù)Q值以及放大倍數(shù)的設(shè)計只需改變外圍的

12、R1R4這4個電阻就能夠完成。 圖82.6可編程自動增益放大器電路在小信號虛擬測試儀器的開發(fā)研究中，首先需要采集現(xiàn)場信號，而此類信號由于來源不同，變化范圍差異很大為了保證高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，要求輸入信號接近AD模塊的滿量程值本方案擬利用AD526和單片機AT89C52設(shè)計了能夠進行自動增益控制的放大器PAGA(programmableaoto-，gainamplifier)，先將現(xiàn)場信號根據(jù)要求自動調(diào)整到適合AD轉(zhuǎn)換的最佳輸入范圍，再進行轉(zhuǎn)換，有效保證了在低輸入時的轉(zhuǎn)換精度，擴大了采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍。2.6.1 PAGA的硬件組成及工作原理本方案的采集系統(tǒng)是基于PC機ISA總線的的高速數(shù)據(jù)采

13、集卡。用于小信號的采集和傳輸。為了擴大采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，本系統(tǒng)增加了用AD526為核心的可編程自動增益放大器部分與AD模塊共同構(gòu)成了浮點AD轉(zhuǎn)換器，目的是根據(jù)輸入信號的大小變化，自動調(diào)整放大增使其適應(yīng)AD模塊對輸入的要求，PAGA硬件結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。 圖9 PAGA硬件結(jié)構(gòu)圖模塊介紹PAGA主要包括采樣保持放大器AD585、可編程放大器AD526，高速AD轉(zhuǎn)換器AD7821和自動控制芯片AT89C52單片機AD585為單片采樣保持放大器，內(nèi)含保持電容，3Ps建立時間，孔徑寬度05ns，通過反饋連接可以提供+1、一1和4-2放大增益 AD7821采樣串為1MHz，8位分辨

14、率輸出，具有跟蹤保持功能，最大允許輸入帶寬100kHz，不需外部時鐘，有單、雙兩種極性輸入方式；0一十5V或一25十25V該模塊有RD和WR-RD兩種工作模式，這里采用WR-RD模式 單片機AT89C52自帶4K字節(jié)在板可編程FLASH存儲器，128字節(jié)RAM，6個中斷源，其引腳與指令系統(tǒng)與MCS-51兼容，工作頻率最高達24MHz 2.6.3工作原理下面通過一次數(shù)據(jù)采樣、AD轉(zhuǎn)換和增益調(diào)整過程說明PAGA的工作原理首先為可編程增益 放大器設(shè)定增益調(diào)整窗口，即調(diào)整下限和上限下限一般設(shè)定為最大滿量程的14，而上限為滿量程，這樣調(diào)整窗口為L 25V5V，對應(yīng)量程的AD編碼為0100000011111111小子125V的信號需經(jīng)過二次比較調(diào)整過程得到最佳增益后再開始AD轉(zhuǎn)換，當(dāng)然較小的信號采用最大增益后也不一定落入窗口內(nèi)，但還是可以增加轉(zhuǎn)換后的有效位數(shù)，提高轉(zhuǎn)換精度。 圖10 一次數(shù)據(jù)采集流程 轉(zhuǎn)換開始先進行初始化，89C52由P1.0、P1.1、 P1.2送增益代碼給AD526，將放大器增益預(yù)設(shè)為1，然后由P2.2發(fā)/WR信號給AD7821作為AD啟動信號（/WR下降沿）?，F(xiàn)場信號經(jīng)AD585采樣保持放大器送AD526，按增益1放大后進行AD轉(zhuǎn)換AD7821在WR-RD模式下轉(zhuǎn)換結(jié)束時送1NT信號給 89C52p2.0，經(jīng)查詢后由RD發(fā)讀選通信號