1、渦流探傷儀初步設(shè)計(jì)方案一、概述1.1、渦流檢測(cè)原理渦流檢測(cè)就是運(yùn)用電磁感應(yīng)原理，將正弦波電流激勵(lì)探頭線圈，當(dāng)探頭接近金屬表面時(shí)，線圈周?chē)慕蛔兇艌?chǎng)在金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流。對(duì)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(chēng)為渦流。同時(shí)渦流也產(chǎn)生相同頻率的磁場(chǎng)，其方向與線圈磁場(chǎng)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(dòng)，遇到缺陷或材質(zhì)、尺寸等變化時(shí)，使得渦流磁場(chǎng)對(duì)線圈的反作用不同，引起線圈阻抗變化，通過(guò)渦流檢測(cè)儀器測(cè)量出這種變化量就能鑒別金屬表面有無(wú)缺陷或其它物理性質(zhì)變化1.2、渦流檢測(cè)

2、儀的基本組成渦流檢測(cè)系統(tǒng)通常分為三個(gè)部分：激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、磁場(chǎng)測(cè)量單元和信號(hào)采集單元，不同的渦流檢測(cè)儀又依據(jù)對(duì)探頭的輸出信號(hào)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(hào)發(fā)生器隔直濾波放大電路探頭放大電路SPGA自動(dòng)增益放大器輸出顯示大器 圖1二、部件詳述2.1、信號(hào)發(fā)生器 信號(hào)源作為現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(cè)中激勵(lì)信號(hào)的穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的有效工作起著十分關(guān)鍵的作用，信號(hào)不穩(wěn)定會(huì)使后續(xù)處理十分困難，甚至直接影響檢測(cè)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(jī)作為控制芯片，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。芯片AD9850是美國(guó)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(shí)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(shí)鐘源和寫(xiě)入頻率相位控制字之后就可產(chǎn)生一個(gè)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(hào)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(shí)鐘下，32 位的頻率控制字可使AD9850 的輸出頻率分辨率達(dá)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(jī)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(hào)，為了方便渦流檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔直濾波和放大。渦流檢測(cè)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(hào)幅度很低，帶有直流偏置的正弦信號(hào)并包含有高次諧波分量，不能直接作為探頭

5、的激勵(lì)信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)濾波、放大和驅(qū)動(dòng)電路后才能加載到檢測(cè)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(cè)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(hào)通過(guò)。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(cè)中，可選C1= 10uF，R1 = 1.5kQ，R2=5kQ，Rf為50kQ可調(diào)的變阻器，此時(shí)阻帶截止頻率為106 Hz，增益為0dB到20dB可調(diào)。2.2測(cè)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(guò)電磁效應(yīng)來(lái)完成測(cè)量的，所以其前端

6、只能為非金屬材料通過(guò)對(duì)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(hù)探頭內(nèi)部元件，又不屏蔽電磁場(chǎng)，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(gè)探頭外殼精密接合，密封嚴(yán)密，可以防止外部腐蝕性氣體進(jìn)入傳感器內(nèi)部，能有效保護(hù)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(wèn)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(qiáng)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(jì) 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(yàn)公式，線圈自感系數(shù)為線圈導(dǎo)線的直徑可對(duì)線圈的內(nèi)阻R1產(chǎn)生影響，從而對(duì)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(shí)，可通過(guò)改變傳感器探頭線圈導(dǎo)線的直徑來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(huì)降低；如果線圈外徑小，線圈的線性范圍就會(huì)減小，但靈敏度會(huì)有

8、所提高線圈的內(nèi)徑一般對(duì)線性范圍和靈敏度的影響不大線圈厚度較小時(shí)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(cè)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(shí)應(yīng)考慮加工的可操作性 2.2.3探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jiān)固，不易變形在某些場(chǎng)合還要求探頭材料耐高溫、耐高壓及不受油類(lèi)介質(zhì)的影響線圈的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以繞成一個(gè)扁平圓形線圈，粘貼于框架上，也可以在框架上開(kāi)一條槽，由導(dǎo)線繞制在槽內(nèi)而形成本設(shè)計(jì)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(shù)脂對(duì)線圈進(jìn)行整體封在高

9、溫情況下，線圈的電阻有一定的變化，被測(cè)導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)也會(huì)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(gè)完全相同線圈，一個(gè)線圈用作測(cè)量，一個(gè)用作差動(dòng)補(bǔ)償，構(gòu)成差動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)同時(shí)在電路上也采屑嘉灞煽嘴疼理，電路設(shè)計(jì)完全對(duì)稱(chēng)，使得兩個(gè)線圈回路的溫度漂移及時(shí)轉(zhuǎn)為共模信號(hào)相互抵消，從而有效補(bǔ)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(hào)幅度或功率的電子電路。應(yīng)用放大電路實(shí)現(xiàn)放大的裝置稱(chēng)為放大器。“放大”的本質(zhì)是實(shí)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(hào)來(lái)控制另一個(gè)能源，使輸出端的負(fù)載上得到能量比較大的信號(hào)。放大的對(duì)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(jí)放大電路是由三運(yùn)放構(gòu)成的精密放大器也叫儀表放大器。其特點(diǎn)具有穩(wěn)定的、足夠大的放大倍數(shù)，可以用于弱信號(hào)的發(fā)大，并且還具有高輸入電阻和高共模抑制比。第二級(jí)放大器為反相比例放大器，第一級(jí)與第二級(jí)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(jí)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(jì)是電子設(shè)計(jì)中最基本也是最重要的一環(huán)，廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、通信、自動(dòng)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(shí)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(jì)方法。 同時(shí)，為了獲得更好的性能和更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，還準(zhǔn)備使用MAX275專(zhuān)用芯片設(shè)計(jì)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(hào)，也能對(duì)一些信號(hào)進(jìn)行波形變換。他所達(dá)到的高精度是日常所設(shè)計(jì)的有源濾波器所無(wú)法做到的，而且實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)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(jì)只需改變外圍的

12、R1R4這4個(gè)電阻就能夠完成。 圖82.6可編程自動(dòng)增益放大器電路在小信號(hào)虛擬測(cè)試儀器的開(kāi)發(fā)研究中，首先需要采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，而此類(lèi)信號(hào)由于來(lái)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(hào)接近AD模塊的滿量程值本方案擬利用AD526和單片機(jī)AT89C52設(shè)計(jì)了能夠進(jìn)行自動(dòng)增益控制的放大器PAGA(programmableaoto-，gainamplifier)，先將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)根據(jù)要求自動(dòng)調(diào)整到適合AD轉(zhuǎn)換的最佳輸入范圍，再進(jìn)行轉(zhuǎn)換，有效保證了在低輸入時(shí)的轉(zhuǎn)換精度，擴(kuò)大了采集系統(tǒng)的動(dòng)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(jī)ISA總線的的高速數(shù)據(jù)采

13、集卡。用于小信號(hào)的采集和傳輸。為了擴(kuò)大采集系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)增益放大器部分與AD模塊共同構(gòu)成了浮點(diǎn)AD轉(zhuǎn)換器，目的是根據(jù)輸入信號(hào)的大小變化，自動(dòng)調(diào)整放大增使其適應(yīng)AD模塊對(duì)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(dòng)控制芯片AT89C52單片機(jī)AD585為單片采樣保持放大器，內(nèi)含保持電容，3Ps建立時(shí)間，孔徑寬度05ns，通過(guò)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(shí)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(jī)AT89C52自帶4K字節(jié)在板可編程FLASH存儲(chǔ)器，128字節(jié)RAM，6個(gè)中斷源，其引腳與指令系統(tǒng)與MCS-51兼容，工作頻率最高達(dá)24MHz 2.6.3工作原理下面通過(guò)一次數(shù)據(jù)采樣、AD轉(zhuǎn)換和增益調(diào)整過(guò)程說(shuō)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(zhǎng) 25V5V，對(duì)應(yīng)量程的AD編碼為0100000011111111小子125V的信號(hào)需經(jīng)過(guò)二次比較調(diào)整過(guò)程得到最佳增益后再開(kāi)始AD轉(zhuǎn)換，當(dāng)然較小的信號(hào)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(kāi)始先進(jìn)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(hào)給AD7821作為AD啟動(dòng)信號(hào)（/WR下降沿）。現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)AD585采樣保持放大器送AD526，按增益1放大后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換AD7821在WR-RD模式下轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)送1NT信號(hào)給 89C52p2.0，經(jīng)查詢(xún)后由RD發(fā)讀選通信號(hào)