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漏磁檢測旋轉(zhuǎn)探頭供電及信號的無線傳輸研究
發(fā)布時間：2017-11-22
在漏磁檢測中,對回轉(zhuǎn)體材料(如棒料和管料)的縱向缺陷進行檢測時有兩種方式,即探頭旋轉(zhuǎn),被測材料直線前進。探頭不動,材料螺旋前進。采用前一種方式的設(shè)備具有設(shè)計簡單、維護方便等優(yōu)點。但由于探頭要連續(xù)旋轉(zhuǎn),檢測元件的穩(wěn)定供電和檢測信號的無畸變輸出就成為首先要解決的問題。以下研究了一種簡單易行、成本低廉的電源和信號無線傳輸系統(tǒng),其工作流程見圖1。通過無線供電系統(tǒng),檢測元件獲得需要的工作電壓,所得信號經(jīng)過放大、調(diào)理以及壓頻(V/F)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號后,由紅外發(fā)射部分發(fā)射。接收部分接收到信號后,通過頻壓(F/V)轉(zhuǎn)換、放大調(diào)理和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后,輸入計算機進行顯示和分析。
1基于電磁耦合的無線供電系統(tǒng)設(shè)計
在探頭旋轉(zhuǎn)的工作方式中,供電電源的安全傳輸是整個設(shè)備設(shè)計中的難點,也是影響系統(tǒng)工作可靠性的主要因素。采用滑環(huán)供電時,接觸部位存在摩擦阻力、磨損和發(fā)熱等問題,容易現(xiàn)電源供給不穩(wěn)定,工作壽命短以及轉(zhuǎn)速不能過高等問題。而采用電池供電雖然方便、簡單,但其供電量有限,不適用于長時間連續(xù)檢測的系統(tǒng)[1]。為此,利用電磁耦合原理,設(shè)計了無線供電系統(tǒng)。
無線供電系統(tǒng)裝置原理如圖2所示,其中線圈L1固定在檢測設(shè)備的支座上,是靜止不動的。而L2則與探頭一起高速旋轉(zhuǎn)。在機械結(jié)構(gòu)上需保證L1和L2同心。線圈的尺寸需根據(jù)所檢材料的尺寸而定,其要求是被檢材料能無干涉地通過線圈。這樣通過向L1供電使其產(chǎn)生交變磁場,根據(jù)互感原理可在L2上產(chǎn)生出感應(yīng)電壓。
為了最大限度地減少漏磁通,提高能量傳送效率,線圈L1和L2繞制成圖3所示的結(jié)構(gòu)。將銅線繞制在數(shù)個如圖所示的均勻分布在L1周圍的硅鋼片上,線圈L1通以交流電后會在對應(yīng)的L2上感應(yīng)出電動勢。這樣,分離的感應(yīng)線圈采用串聯(lián)或并聯(lián)方式即可獲得合適的電壓和電流。
將線圈L2上的感應(yīng)電壓通過整流和穩(wěn)壓后獲得直流供電電源,再由穩(wěn)壓模塊(VI-J20-CZ)穩(wěn)壓以保證檢測元件穩(wěn)定的電壓供給。電路結(jié)構(gòu)見圖4。
2信號的無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計
旋轉(zhuǎn)探頭中輸送的均是微弱的檢測信號,所以在傳輸過程中必然要保證信號不失真且具有較強的抗干擾性能。常用信號耦合系統(tǒng)有碳刷、滑環(huán)和電容等,但都普遍存在信號不穩(wěn)定、維護不方便和抗干擾性差等缺點。為此采用非接觸紅外傳輸作為檢測信號的傳輸方式。該方式中,如果直接對連續(xù)性的模擬檢測信號進行傳輸,那么傳輸距離、傳輸過程的干擾以及發(fā)光器件的電光轉(zhuǎn)換性能都將引起信號失真,導(dǎo)致檢測結(jié)果不準確[2]。而將連續(xù)性的模擬信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)式的數(shù)字信號,就可以使傳輸變得簡單,干擾也將大為減小。
因此,系統(tǒng)在發(fā)射部分采用壓頻轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,而在接收部分采用頻壓轉(zhuǎn)換
器將數(shù)字信號還原為模擬信號[3]。其工作原理為,將檢測信號經(jīng)過放大和濾波處理后,進入壓頻轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為頻率信號,此壓頻轉(zhuǎn)換器輸出的信號頻率與檢測信號的電壓呈正比關(guān)系。然后頻率信號經(jīng)放大后驅(qū)動紅外二極管發(fā)光,即以壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸出頻率進行閃爍。同時在另一部分用光敏三極管接收,經(jīng)過放大和整形等環(huán)節(jié)處理后進入頻壓轉(zhuǎn)換器,還原為電壓模擬信號,從而完成非接觸式信號傳輸。
2.1壓頻/頻壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計
壓頻轉(zhuǎn)換器可將模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率信號,其輸出頻率與輸入信號電壓呈正比。
AD654是典型的壓頻轉(zhuǎn)換器[4],主要由低漂移輸入放大器、精密震蕩系統(tǒng)和高電流輸出級組成,只需一個RC(電阻-電容)網(wǎng)絡(luò)就可設(shè)置高達500kHz的任何滿量程頻率。滿量程250kHz的線性誤差僅為0.03%,并且有80dB的動態(tài)范圍。其非線性誤差典型值為(0.0005%~0.01%)滿度值,用于壓頻轉(zhuǎn)換器的工作原理如圖5。其中A1為低漂移多功能運算放大器,其用途是為轉(zhuǎn)換和調(diào)整輸入電壓信號,給T1跟隨器一個驅(qū)動電流。在滿量程輸入電壓,即1mA驅(qū)動電流送入多諧振蕩器(電流/頻率轉(zhuǎn)換器)時,達到最佳的性能。采用適當偏置方案允許振蕩器在100nA~2mA輸入電流范圍內(nèi)提供低的非線性。振蕩器輸出方波信號驅(qū)動NPN功率晶體管T2工作,T2采用開路式集電極輸出。圖5接法為正電壓輸入標準壓頻轉(zhuǎn)換器,是AD654基本連接方式,其輸入放大器件對輸入電壓呈極高的阻抗。
AD650既可作壓頻轉(zhuǎn)換器,又可作頻壓轉(zhuǎn)換器[5],只需更換外圍電路即可完成功能的轉(zhuǎn)換。其頻壓轉(zhuǎn)換器的基本原理是,內(nèi)部數(shù)字電路按照被輸入脈沖觸發(fā)的頻率開關(guān)內(nèi)部的精密電流源、積分電容和內(nèi)部電阻不斷對電流脈沖積分,產(chǎn)生正比于輸入頻率的電壓輸出,從而完成頻率到電壓的轉(zhuǎn)換。
2.2紅外發(fā)射和接收電路的設(shè)計
信號無線傳輸裝置有紅外發(fā)射和接收兩部分。
由于無線供電裝置只能提供單一的電源電壓,所以在此采用AD654作為壓頻轉(zhuǎn)換器時,其發(fā)射電路如圖6所示。V1為電壓輸入端,AD654的輸入電壓要求為0~1V,而檢測信號經(jīng)運算放大器放大之后輸出電壓的范圍在0~5V左右,所以有必要將輸入電壓經(jīng)過R1和R2分壓后再輸入AD654的電壓輸入腳(如圖6所示第4腳)。AD654的1腳為
頻率輸出端,其頻率值為輸出的頻率信號經(jīng)過整形電路和三極管放大電路后驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)出一定頻率的紅外光。
接收部分頻壓轉(zhuǎn)換器選用芯片AD650,該芯片滿刻度頻率高、非線性度小且功耗低,其作紅外接收部分的電路原理如圖7所示。光敏三極管接收到紅外光后導(dǎo)通、驅(qū)動放大三極管,轉(zhuǎn)變?yōu)榕c發(fā)射紅外光相同頻率的脈沖信號,然后經(jīng)后續(xù)電路的放大和整形后,進入頻壓轉(zhuǎn)換器AD650,從AD650的1腳輸出模擬電壓信號。輸入頻率FIN和輸出電壓Vout的關(guān)系式為
式中K―――常數(shù)
可知Vout是頻率FIN的線性函數(shù),即輸出電壓是輸入頻率的線性函數(shù)。此時可通過調(diào)節(jié)增益調(diào)整電阻R4的值,使發(fā)射部分電壓和此時的接收電壓相同。
2.3信號傳輸裝置的結(jié)構(gòu)
由于發(fā)射部分和探頭一起旋轉(zhuǎn),而接收部分必需靜止,所以在設(shè)計上要保證發(fā)射部分轉(zhuǎn)到的任何位置,光敏三極管都能接收到紅外光。為了滿足上述要求,將多個光敏三極管均布在與發(fā)射部分紅外二極管同心的圓盤上,所有三極管均通過導(dǎo)線并聯(lián)起來,從而保證任何一個三極管接收到信號后系統(tǒng)都會響應(yīng)。由于接收光電管放在發(fā)光二極管的正前方,無需精確對準就能正確地接收到頻率信號。但需注意三極管的數(shù)量不宜太多,否則將導(dǎo)致接收部分電容過大,影響對發(fā)射信號的響應(yīng)。根據(jù)紅外光的發(fā)射角度,經(jīng)過反復(fù)試驗和驗證,相應(yīng)增加發(fā)射二極管的數(shù)量來消除因為三極管而產(chǎn)生的接收盲區(qū)。
3試驗驗證
在標樣桿上縱向刻三條寬度相同且依次加深的裂紋。分別采用有線電源(信號的有線傳輸)和無線電源(信號的紅外無線傳輸)兩種方式,得到如圖8和9所示兩種波形。可見信號無線傳輸及電源供給均能滿足檢測需要.
4結(jié)語
以上裝置已在實際測試中得到了成功應(yīng)用,測得的缺陷信號準確可靠。應(yīng)用電磁耦合技術(shù)設(shè)計的無線供電系統(tǒng)能夠保證長時間、穩(wěn)定的電壓供給。而采用紅外無線傳輸方法的信號傳輸系統(tǒng)靈活地結(jié)合了V/F轉(zhuǎn)換和光電耦合技術(shù),簡單地實現(xiàn)了信號傳輸?shù)墓δ?且能克服傳輸過程的噪聲和畸變影響。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
