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漏磁检测旋转探头供电及信号的无线传输研究
发布时间：2017-11-22
在漏磁检测中,对回转体材料(如棒料和管料)的纵向缺陷进行检测时有两种方式,即探头旋转,被测材料直线前进。探头不动,材料螺旋前进。采用前一种方式的设备具有设计简单、维护方便等优点。但由于探头要连续旋转,检测元件的稳定供电和检测信号的无畸变输出就成为首先要解决的问题。以下研究了一种简单易行、成本低廉的电源和信号无线传输系统,其工作流程见图1。通过无线供电系统,检测元件获得需要的工作电压,所得信号经过放大、调理以及压频(V/F)转换变成数字信号后,由红外发射部分发射。接收部分接收到信号后,通过频压(F/V)转换、放大调理和模/数(A/D)转换后,输入计算机进行显示和分析。
1基于电磁耦合的无线供电系统设计
在探头旋转的工作方式中,供电电源的安全传输是整个设备设计中的难点,也是影响系统工作可靠性的主要因素。采用滑环供电时,接触部位存在摩擦阻力、磨损和发热等问题,容易现电源供给不稳定,工作寿命短以及转速不能过高等问题。而采用电池供电虽然方便、简单,但其供电量有限,不适用于长时间连续检测的系统[1]。为此,利用电磁耦合原理,设计了无线供电系统。
无线供电系统装置原理如图2所示,其中线圈L1固定在检测设备的支座上,是静止不动的。而L2则与探头一起高速旋转。在机械结构上需保证L1和L2同心。线圈的尺寸需根据所检材料的尺寸而定,其要求是被检材料能无干涉地通过线圈。这样通过向L1供电使其产生交变磁场,根据互感原理可在L2上产生出感应电压。
为了最大限度地减少漏磁通,提高能量传送效率,线圈L1和L2绕制成图3所示的结构。将铜线绕制在数个如图所示的均匀分布在L1周围的硅钢片上,线圈L1通以交流电后会在对应的L2上感应出电动势。这样,分离的感应线圈采用串联或并联方式即可获得合适的电压和电流。
将线圈L2上的感应电压通过整流和稳压后获得直流供电电源,再由稳压模块(VI-J20-CZ)稳压以保证检测元件稳定的电压供给。电路结构见图4。
2信号的无线传输系统设计
旋转探头中输送的均是微弱的检测信号,所以在传输过程中必然要保证信号不失真且具有较强的抗干扰性能。常用信号耦合系统有碳刷、滑环和电容等,但都普遍存在信号不稳定、维护不方便和抗干扰性差等缺点。为此采用非接触红外传输作为检测信号的传输方式。该方式中,如果直接对连续性的模拟检测信号进行传输,那么传输距离、传输过程的干扰以及发光器件的电光转换性能都将引起信号失真,导致检测结果不准确[2]。而将连续性的模拟信号转换成开关式的数字信号,就可以使传输变得简单,干扰也将大为减小。
因此,系统在发射部分采用压频转换器将模拟信号转化为数字信号,而在接收部分采用频压转换
器将数字信号还原为模拟信号[3]。其工作原理为,将检测信号经过放大和滤波处理后,进入压频转换器转换为频率信号,此压频转换器输出的信号频率与检测信号的电压呈正比关系。然后频率信号经放大后驱动红外二极管发光,即以压频转换电路的输出频率进行闪烁。同时在另一部分用光敏三极管接收,经过放大和整形等环节处理后进入频压转换器,还原为电压模拟信号,从而完成非接触式信号传输。
2.1压频/频压转换器设计
压频转换器可将模拟信号转换成频率信号,其输出频率与输入信号电压呈正比。
AD654是典型的压频转换器[4],主要由低漂移输入放大器、精密震荡系统和高电流输出级组成,只需一个RC(电阻-电容)网络就可设置高达500kHz的任何满量程频率。满量程250kHz的线性误差仅为0.03%,并且有80dB的动态范围。其非线性误差典型值为(0.0005%~0.01%)满度值,用于压频转换器的工作原理如图5。其中A1为低漂移多功能运算放大器,其用途是为转换和调整输入电压信号,给T1跟随器一个驱动电流。在满量程输入电压,即1mA驱动电流送入多谐振荡器(电流/频率转换器)时,达到最佳的性能。采用适当偏置方案允许振荡器在100nA~2mA输入电流范围内提供低的非线性。振荡器输出方波信号驱动NPN功率晶体管T2工作,T2采用开路式集电极输出。图5接法为正电压输入标准压频转换器,是AD654基本连接方式,其输入放大器件对输入电压呈极高的阻抗。
AD650既可作压频转换器,又可作频压转换器[5],只需更换外围电路即可完成功能的转换。其频压转换器的基本原理是,内部数字电路按照被输入脉冲触发的频率开关内部的精密电流源、积分电容和内部电阻不断对电流脉冲积分,产生正比于输入频率的电压输出,从而完成频率到电压的转换。
2.2红外发射和接收电路的设计
信号无线传输装置有红外发射和接收两部分。
由于无线供电装置只能提供单一的电源电压,所以在此采用AD654作为压频转换器时,其发射电路如图6所示。V1为电压输入端,AD654的输入电压要求为0~1V,而检测信号经运算放大器放大之后输出电压的范围在0~5V左右,所以有必要将输入电压经过R1和R2分压后再输入AD654的电压输入脚(如图6所示第4脚)。AD654的1脚为
频率输出端,其频率值为输出的频率信号经过整形电路和三极管放大电路后驱动发光二极管发出一定频率的红外光。
接收部分频压转换器选用芯片AD650,该芯片满刻度频率高、非线性度小且功耗低,其作红外接收部分的电路原理如图7所示。光敏三极管接收到红外光后导通、驱动放大三极管,转变为与发射红外光相同频率的脉冲信号,然后经后续电路的放大和整形后,进入频压转换器AD650,从AD650的1脚输出模拟电压信号。输入频率FIN和输出电压Vout的关系式为
式中K―――常数
可知Vout是频率FIN的线性函数,即输出电压是输入频率的线性函数。此时可通过调节增益调整电阻R4的值,使发射部分电压和此时的接收电压相同。
2.3信号传输装置的结构
由于发射部分和探头一起旋转,而接收部分必需静止,所以在设计上要保证发射部分转到的任何位置,光敏三极管都能接收到红外光。为了满足上述要求,将多个光敏三极管均布在与发射部分红外二极管同心的圆盘上,所有三极管均通过导线并联起来,从而保证任何一个三极管接收到信号后系统都会响应。由于接收光电管放在发光二极管的正前方,无需精确对准就能正确地接收到频率信号。但需注意三极管的数量不宜太多,否则将导致接收部分电容过大,影响对发射信号的响应。根据红外光的发射角度,经过反复试验和验证,相应增加发射二极管的数量来消除因为三极管而产生的接收盲区。
3试验验证
在标样杆上纵向刻三条宽度相同且依次加深的裂纹。分别采用有线电源(信号的有线传输)和无线电源(信号的红外无线传输)两种方式,得到如图8和9所示两种波形。可见信号无线传输及电源供给均能满足检测需要.
4结语
以上装置已在实际测试中得到了成功应用,测得的缺陷信号准确可靠。应用电磁耦合技术设计的无线供电系统能够保证长时间、稳定的电压供给。而采用红外无线传输方法的信号传输系统灵活地结合了V/F转换和光电耦合技术,简单地实现了信号传输的功能,且能克服传输过程的噪声和畸变影响。
摘自：中国计量测控网
