摘 要：介紹了一種無損檢測的電路系統(tǒng)。系統(tǒng)首先利用傳感器采集到微弱的缺陷信號，再將缺陷信號進(jìn)行低噪聲放大，然后通過電壓比較判決電路將模擬缺陷信號變換成數(shù)字信號，最終將橫、縱兩路的輸出信號送至單片機(jī)處理。在PCB設(shè)計(jì)中，將四路信號的放大、濾波、電壓判決以及與邏輯功能做在一塊板上，若被檢測工件的直徑較大，可以將傳感器的個(gè)數(shù)以四的倍數(shù)增加，處理電路只需增加一個(gè)模塊。

關(guān)鍵詞：無損檢測；放大器；濾波器；傳感器；電壓比較判決

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0314102

Design of Lossless Detection System

DOU Xinhua，XIE Hong

(School of Computer and Information，Hefei University of Technology，Hefei，230009，China)

Abstract：This paper introduces a lossless detected circuit system.Firstly，system gathers slender infrared signal with transducer，then amplifies them with low noise.Through voltage comparator circuit，transforming simulation objection signals to digital signals.Finally，transforming transport landscape orientation and portrait to single chip processing.In design of PCB，the amplifying of quadruplet signal，filter，voltage comparator decree and AND logic function are manufactured in one board.If the diameter of workpiece is long，it can add multiple the number of transducer of four，to wide its range of practice，disposing circuit only need one module.

Keywords：lossless detection;amplifier;filter;transducer;voltage comparator decree

1 引 言

信號檢測和監(jiān)控是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的一種技術(shù)，在檢測過程中必須無損于被測物體，稱為無損檢測。無損檢測是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，是應(yīng)用物理的方法檢測物體表面或內(nèi)部是否存在缺陷，從而判斷被檢物體是否合格的一門應(yīng)用型技術(shù)，在冶金、機(jī)械、石油、化工、航空、航天等各個(gè)領(lǐng)域都有極其廣泛的應(yīng)用，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和工程質(zhì)量上發(fā)揮著愈來愈重要的作用。當(dāng)今的無損檢測體系主要包括：射線檢測(RT)、超聲檢測(UT)、磁粉檢測(MT)、滲透檢測(PT)和電磁檢測(ET)等。

本設(shè)計(jì)利用鐵磁性部件缺陷在外部強(qiáng)磁場的作用下產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象從而使輸出信號發(fā)生變化的原理設(shè)計(jì)的，可應(yīng)用于鋼管等工件的缺陷檢測。從傳感器采集到微弱的缺陷信號，對其進(jìn)行放大，然后將這些模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號就可以送到單片機(jī)和PC機(jī)中進(jìn)行處理，單片機(jī)和PC機(jī)根據(jù)處理結(jié)果做出相應(yīng)的響應(yīng)，在有缺陷的位置做出標(biāo)記。

2 系統(tǒng)簡介

應(yīng)用于漏磁檢測與監(jiān)控系統(tǒng)的基本電路模塊如圖1所示。假設(shè)橫、縱各有四路傳感器進(jìn)行信號檢測。將傳感器接收到的微弱信號經(jīng)放大、濾波后成為較強(qiáng)的電信號，然后再經(jīng)過電壓比較器電路把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字信號中高、低電平分別表示正常信號和缺陷信號。將橫向的四路信號和縱向的四路信號分別通過一個(gè)邏輯芯片輸出橫、縱各一路信號，將這兩個(gè)信號以及紅外信號接入單片機(jī)作為監(jiān)控信號。

圖1 系統(tǒng)框圖

同時(shí)PC機(jī)可以計(jì)算出工件的運(yùn)動(dòng)速度和缺陷離標(biāo)記處的距離從而求出缺陷運(yùn)動(dòng)到標(biāo)記處的時(shí)間。單片機(jī)采用軟件定時(shí)在缺陷到達(dá)標(biāo)記處時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)繼電器對工件進(jìn)行打標(biāo)。整個(gè)過程可在PC機(jī)上顯示，且每個(gè)工件的資料都以數(shù)據(jù)庫的形式保存，可以隨時(shí)調(diào)出進(jìn)行查看。

3 低噪聲放大器

傳感器接收到的信號僅有1～2 mV，非常微弱，很難用作控制信號，因此必須先將其進(jìn)行放大。因?yàn)樾盘柡苄。詫﹄娐返目乖肼曅阅芤筝^高，尤其是在前置放大器中，通常采用低噪聲集成運(yùn)算放大電路，電路原理圖如圖2所示。前級采用同相放大器，可以獲得很高的輸入阻抗，后級采用差分放大器，可以獲得較高的共模抑制比。而且為了進(jìn)一步增強(qiáng)抗噪聲能力，在電路的輸入端并接一個(gè)小電容可濾除高頻成分、降低噪聲，在前后級之間串聯(lián)一個(gè)大電容(4.7～100 μF)可防止前級產(chǎn)生的大電流信號對后級產(chǎn)生影響，去除耦合并消除信號輸入對后級放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的影響。需要注意的是：差分放大器實(shí)際上是對兩路信號的差值進(jìn)行放大，但本設(shè)計(jì)是對每一路信號進(jìn)行放大而不是兩路信號的差值，所以把加在差分放大器反相輸入端的同相放大器的輸入直接接地。

圖2 低噪聲集成運(yùn)算放大器原理圖

4 濾波器電路

為追求較好的濾波性能，采用巴特沃斯響應(yīng)的二階RC有源濾波器，如圖3所示。二階RC濾波器低通特性的傳輸函數(shù)為:

其中，Av表示電壓增益；ωc表示低通濾波器的截止角頻率；Q表示品質(zhì)因素。根據(jù)巴特沃斯響應(yīng)設(shè)計(jì)表就可選定電路中的參數(shù)。

圖3 二階RC有源濾波器

5 電壓比較器電路

濾波器輸出的是模擬信號，但信號最終要進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理，而單片機(jī)只能接收數(shù)字信號，因此必須將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。采用電壓比較器電路來實(shí)現(xiàn)模—數(shù)轉(zhuǎn)換。電壓比較器的作用是對兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高、低兩個(gè)電平的電壓。濾波器的輸出信號幅度為4.2～8.2 V，因此，若信號幅度小于4.2 V則視為無缺陷信號，若信號幅度大于4.2 V就判定為有缺陷信號。這種應(yīng)用屬于幅度鑒別，考慮到電路噪聲的影響，電壓比較器電路采用遲滯比較器電路形式。為使電路結(jié)構(gòu)簡單，將鉗位電平定在判決電平上，即4.2 V。實(shí)際電路如圖4所示。在電壓比較器的后面加了一個(gè)鉗位電路，將-12 V鉗位到0，將+12 V鉗位到單片機(jī)判定為高電平電壓范圍。

圖4 電壓比較器

6 邏輯實(shí)現(xiàn)

因?yàn)樵诠ぜ車鷻M向和縱向上分別有幾路檢測信號，只要其中有一路信號顯示有缺陷，則在這個(gè)方向上就說明有缺陷，單片機(jī)就控制繼電器要進(jìn)行打標(biāo)，所以必須將某個(gè)方向上的所有信號(本設(shè)計(jì)為四路)合成一路再送進(jìn)單片機(jī)，這是一個(gè)“與”操作，只需用一個(gè)含有4個(gè)二輸入與門的集成芯片74LS08即可實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 四路“與”信號

7 結(jié) 語

在實(shí)際應(yīng)用中，橫向和縱向的檢測信號不一定是四路。若工件的直徑較大，則外接的傳感器將增加為八路、十六路甚至更多。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，我們將四路信號的放大、濾波、電壓判決以及將四路信號進(jìn)行與邏輯合成一路這些功能做在一塊板子上，如果信號路數(shù)增加(每次增加的路數(shù)均為四的整數(shù)倍)，則只要加一個(gè)模塊即可。

這樣采用模塊化思想的處理方法可以使本設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍易于擴(kuò)展，使處理功能大大增強(qiáng)。由于整個(gè)無損檢測系統(tǒng)還包括軟件部分，因此還必須為后面的軟件處理中設(shè)計(jì)必要的硬件電路。因篇幅有限，在此不再贅述。

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作者簡介

竇新華 男，1961年出生，山東青島人。主要從事信號檢測的科研和電子測量技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。