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漏磁檢測旋轉探頭供電及信號的無線傳輸研究
發布時間：2017-11-22
在漏磁檢測中,對回轉體材料(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,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備具有設計簡單、維護方便等優點。但由于探頭要連續旋轉,檢測元件的穩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,其工作流程見圖1。通過無線供電系統,檢測元件獲得需要的工作電壓,所得信號經過放大、調理以及壓頻(V/F)轉換變成數字信號后,由紅外發射部分發射。接收部分接收到信號后,通過頻壓(F/V)轉換、放大調理和模/數(A/D)轉換后,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設計
在探頭旋轉的工作方式中,供電電源的安全傳輸是整個設備設計中的難點,也是影響系統工作可靠性的主要因素。采用滑環供電時,接觸部位存在摩擦阻力、磨損和發熱等問題,容易現電源供給不穩定,工作壽命短以及轉速不能過高等問題。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檢測的系統[1]。為此,利用電磁耦合原理,設計了無線供電系統。
無線供電系統裝置原理如圖2所示,其中線圈L1固定在檢測設備的支座上,是靜止不動的。而L2則與探頭一起高速旋轉。在機械結構上需保證L1和L2同心。線圈的尺寸需根據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供電使其產生交變磁場,根據互感原理可在L2上產生出感應電壓。
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所示的結構。將銅線繞制在數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的L2上感應出電動勢。這樣,分離的感應線圈采用串聯或并聯方式即可獲得合適的電壓和電流。
將線圈L2上的感應電壓通過整流和穩壓后獲得直流供電電源,再由穩壓模塊(VI-J20-CZ)穩壓以保證檢測元件穩定的電壓供給。電路結構見圖4。
2信號的無線傳輸系統設計
旋轉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。常用信號耦合系統有碳刷、滑環和電容等,但都普遍存在信號不穩定、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光器件的電光轉換性能都將引起信號失真,導致檢測結果不準確[2]。而將連續性的模擬信號轉換成開關式的數字信號,就可以使傳輸變得簡單,干擾也將大為減小。
因此,系統在發射部分采用壓頻轉換器將模擬信號轉化為數字信號,而在接收部分采用頻壓轉換
器將數字信號還原為模擬信號[3]。其工作原理為,將檢測信號經過放大和濾波處理后,進入壓頻轉換器轉換為頻率信號,此壓頻轉換器輸出的信號頻率與檢測信號的電壓呈正比關系。然后頻率信號經放大后驅動紅外二極管發光,即以壓頻轉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,經過放大和整形等環節處理后進入頻壓轉換器,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/頻壓轉換器設計
壓頻轉換器可將模擬信號轉換成頻率信號,其輸出頻率與輸入信號電壓呈正比。
AD654是典型的壓頻轉換器[4],主要由低漂移輸入放大器、精密震蕩系統和高電流輸出級組成,只需一個RC(電阻-電容)網絡就可設置高達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的動態范圍。其非線性誤差典型值為(0.0005%~0.01%)滿度值,用于壓頻轉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,其用途是為轉換和調整輸入電壓信號,給T1跟隨器一個驅動電流。在滿量程輸入電壓,即1mA驅動電流送入多諧振蕩器(電流/頻率轉換器)時,達到最佳的性能。采用適當偏置方案允許振蕩器在100nA~2mA輸入電流范圍內提供低的非線性。振蕩器輸出方波信號驅動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既可作壓頻轉換器,又可作頻壓轉換器[5],只需更換外圍電路即可完成功能的轉換。其頻壓轉換器的基本原理是,內部數字電路按照被輸入脈沖觸發的頻率開關內部的精密電流源、積分電容和內部電阻不斷對電流脈沖積分,產生正比于輸入頻率的電壓輸出,從而完成頻率到電壓的轉換。
2.2紅外發射和接收電路的設計
信號無線傳輸裝置有紅外發射和接收兩部分。
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作為壓頻轉換器時,其發射電路如圖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過整形電路和三極管放大電路后驅動發光二極管發出一定頻率的紅外光。
接收部分頻壓轉換器選用芯片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通、驅動放大三極管,轉變為與發射紅外光相同頻率的脈沖信號,然后經后續電路的放大和整形后,進入頻壓轉換器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的關系式為
式中K―――常數
可知Vout是頻率FIN的線性函數,即輸出電壓是輸入頻率的線性函數。此時可通過調節增益調整電阻R4的值,使發射部分電壓和此時的接收電壓相同。
2.3信號傳輸裝置的結構
由于發射部分和探頭一起旋轉,而接收部分必需靜止,所以在設計上要保證發射部分轉到的任何位置,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射部分紅外二極管同心的圓盤上,所有三極管均通過導線并聯起來,從而保證任何一個三極管接收到信號后系統都會響應。由于接收光電管放在發光二極管的正前方,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量不宜太多,否則將導致接收部分電容過大,影響對發射信號的響應。根據紅外光的發射角度,經過反復試驗和驗證,相應增加發射二極管的數量來消除因為三極管而產生的接收盲區。
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?？梢娦盘枱o線傳輸及電源供給均能滿足檢測需要.
4結語
以上裝置已在實際測試中得到了成功應用,測得的缺陷信號準確可靠。應用電磁耦合技術設計的無線供電系統能夠保證長時間、穩定的電壓供給。而采用紅外無線傳輸方法的信號傳輸系統靈活地結合了V/F轉換和光電耦合技術,簡單地實現了信號傳輸的功能,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
