（电气工程专业论文）超声波电缆芯线在线检测系统的研究与开发.pdf

摘要 论文题目：超声波电缆芯线在线检测系 统的研究与开发 学科： 研究生： 导师： 检测技术与自动化装置 李应松( 签名：查盘塑， 梁鸿生教授 ( 签名：摆i 竺笔鲨 ) 摘要 超卢无损检测是在现代r 业生产中应州的1 f 常广泛的一种无损检测方法，它对 ，提高产品的质鬣和可靠性有着重要的意义。前二章我们分别介纠了超声波的基本 性质、超声波换能器以及常规超声波的检测方法。 在此基础上本文提出了利用超声驻波的方法实现l 也缆偏心在线检测。为了获得 比较好的驻波效果，超卢传感器采t - j 了发射和接收舣头结构，舣头通过谐振杆成 9 0 度砥直安装。各单元电路没计时，从整个浏0 鼙系统误莠的角度分析殴计低噪音 前置放人器、程控放人器、线性精密检波器等单元l 乜路。 本文分别介2 7 了c 1 9 6 单片计算机的硬件及软 ， 没计，硬件设计包括c 1 9 6 单片 机最小系统的设计、键赫显示电路殴计、a d 采集通道设计。 晟厉给出了测试方法及数据，并。讨论了系统抗干扰措施。 关键字：超声波驻波鉴幅鉴相电缆偏心 a b s tr a c t s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： a u t h o r ： s u p e r v i s o r ： r e s e a r c h&d e v e l o p m e n to f u l t r a s o n l cn o nd e s t r u c t i v e t e s t i n gs y s t e m t e s t i n gt e c h n i q u ea n da u t o m a t e dd e v i c e s i g n a t u r e ( 【f y f a b s t r a c t s i g n a t u r e ：q ； 5 口学 a sf lk i n do f n d t ( n o nd e s t r u c t i v et e s t i n g ) ，u t ( u l t r a s o n i ct e s t i n g ) i sw i d e l yu s e di n n o d e l 1 1 i n d u s t l y w h i c hp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e i n i m p r o v i n gt h eq u a l i t ya n dt h e r e l i a b i l i t yo fp r o d u c t s t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eb a s eq u a l i t yo fu l t r a s o n i c ，u l t r a s o n i c t r a n s d u c e ra n dt h et e s t i n gm e a n so ft h eg e n e r a lu l t r a s o n i cb e f o r et h et h r e ec h a p t e r s fr o ma b o v e ，am e t h o dt or e a l i z et h et e s t i n go fc a b l ep a r t i a l i t yo n l i n eb yu l t r a s o u n d s t a n d i n gw a v ei sa d v a n c e d i no r d e rt og e tab e t t e r e f f e c to fs t a n d i n gw a v e ，t h es e n s o l i s d e s i g n e db ys e n d i n gp a r ta n dr e c e i v i n gp a r t t h e s et w op a r t sa r ef i x e do nas y n t o n yp o l ea t 9 0d e g r e e f o re v e r yc i r c u i tu n i t ，m a i n l ya n a l y z i n ga n dd e s i g n i n gt h el o w n o i s ep r e a m p l i f i e r r u l ec o n t r o la m p l i f i e ra n dl i n e a r i t yp r e c i s i o nd e t e c t o ru n i tc i r c u i ta n ds oo n t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fc19 6s i n g l ec h i pc o m p u t e r h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d et h ed e s i g no ft h el e a s ts y s t e mo fc19 6s i n g l ec h i pc o m p u t e r ，t h e d e s i g no fk e y b o a r da n dd i s p l a yc i r c u i t ，a n dt h ed e s i g no f a dc o l l e c t i o nc h a n n e l s f i n a l l yi ts h o w st h em e t h o d sa n dt h ed a t ao ft e s t i n ga n dd i s c u s s e st h em e a s u r e so f s y s t e ma n t i - j a m m i n g k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c ；s t a n d i n gw a v e ；a m p l i t u d ed i s c r i m i n a t i o n ；p h o t o g r a p h d i s c r i m i n a t i o n ；c a b l ep a r t i a l i t y ； l i 独创性申明 v8 4 3 3 g 9 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并已致谢。 本论文及相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任。 论文作者签名 妒，d 月2 f 1 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 论文 后，以上申明同样适用) 导师签名：土鍪! 坠望，陴，口月 闩 第一章绪论 1 绪论 1 1 引言 随着现代科学与技术的迅速发展，尤其是原子能、航空、航天技术 的高度发展，无损检测技术越来越为人们所重视。无损检测技术的应用 范围十分广泛，己在机械制造、石油化工、造船、汽车、电力、航空航 天和核能等工业中被普遍采用。无损检测工序在产品的静态和动态检测 以及质量管理中，已成为一个不可缺少的重要环节。 超声是人耳听不到的信号，直到1 8 世纪，人们在研究蝙蝠、海豚等 动物时，才推测自然界中存在超声。随着超声的研究和发展，2 0 世纪初， 人们开始利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能 器。1 9 1 7 年，法国物理学家朗之力( p a u ll a n g e v i n ) 用天然压电石英制成超 声波换能器，获得指向性极好的超声定向声束。超声波在媒质中的传播 特性与可听声波并无质的区别，同样具有反射、折射、衍射、散射等传 播规律。当超声在媒质中传播时，由于声波和媒质之问的相互作用，使 媒质发生一系列物理的和化学的变化，也出现一系列力学、光学、电、 化学等超声效应。超声的研究和发展主要是利用超声的信息载体作用， 即通过超声在媒质中的传播、散射、吸收、波形转换等，提取反映媒质 本身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、 内部缺陷或结构的目的。如超声测距、测厚、测物位、工业测井、工业 无损探伤、测媒质的流速、密度、粘度、硬度、测温等等。广。义的说， 医学上以人体为检测对象的超声医学诊断，如超声显微镜、超声成像， 以海洋探测及水下目标识别为目的的水声应用等，也归于此类。功率超 声主要利用超声的能量对物质的作用，即利用超声振动产生的大功率、 高强度超声波，来改变物质的性质与状态。如超声清洗、焊接、加工、 粉碎、促进化学或生物医学效应等。 西安理s - 太学硕士学位论文 由于超声有很好的指向性，超声在某种媒质中的传播速度较为恒定， 因此，超声最常用的功能是距离测量及定位。超声在空气中的声衰减系 数较大，声强随传播距离呈指数衰1 减，空气中超声的探测范围较小，一 般在3 0 m 以内。但由于超声测距是一种非接触的测量方式，和红外、激 光及无线电测距相比，超声测距具有结构摘单、成本较低、不易受光线、 烟雾、电磁影响等优点，所以在某些特殊情况f 超声测距是其他测距 方式不可替代的。日t i l j ，空气中的超声测距被广泛应用于机器人定位、 工业测井、波面和物位的测量等。 超声测距的方法主要是测量超声在介质中的传播时日j ，常用的方法 是回波探测法，这种方法主要是捕捉超声脉冲的回声，根据超声在空气 中的传播时间来确定被测目标的距离。较简单的回波捕捉方法是采用电 平闽值法。由于电平闽值法原理简单，硬件上较容易实现，在一些要求 小高的应用领域很常见，根据这一原理，在进 _ 步提高测量精度的问题 上，国内外的学者做了大量的研究。 1 2 超声检测的现状及研究开发的前景 随着现代科学技术的发展，特别是传感器技术和计算机科学的发展、 对现有的声学检测仪表提出了更高的要求。检测声学是一门多学科的综 合技术。由于多种学科最新的成果不断地供给其营养，所以，也使得声 检测技术得到飞速的发展。具体表现在以下几个方面。 ( t ) 山定性检测向定量与评价技术过度和发展。 成像技术。如：b 扫描成像。c 扫描成像，相控阵成像，a l o k 成像以 及合成孔( s a f t ) 等成像技术。加强丌展各种探测体和各种缺陷的散射 和逆散射理论的研究，发展可用于测定缺陷的散射技术。玎展信号处理 技术中自适应技术的研究，例如把可能出现的各种类型的缺陷的信号存 在计算机中用作标准判据，对测得的待测缺陷的信号与之比较进行判断 在计算机中用作标准判据。对测得的待测缺陷的信萼与之比较进行判断 _ 别。 第一章绪论 ( 2 ) 开发研究自动化检测技术与系统，这样可以提高检测质量，保 证有好的重复性和结果的一致性，减少随机误差，降低了对于手操作的 技术熟练程度的要求。 ( 3 ) 发展新材料( 包括复合材料、工程陶瓷、高分子材料以及叠层 压粘等材料) 及异形结构件的非常规的检测方法及技术的研究。 ( 4 ) 把单纯无损检测与生产过程的工艺和新产品的设计结合起来， 达到综合利用。 ( 5 ) 超声检测系统总的趋向是小型化、智能化、图像化、无接触、 无损、多功能化。超声工业测量技术和其它的测量技术相比有它的独特 优点，如超声测量流量，它不扰动流体本身，所以，在测量过程中不影 响流体的流动。 ( 6 ) 微电子技术、微处理器与传感器结合，使仪器智能化。 ( 7 ) 研究开发阵列传感器，利用数据融合理论，开发多维化、多 功能化的检测仪器。 电缆的偏心检测问题，也是无损检测技术的一种典型应用。尤其是 电力电缆线的偏心问题是电缆生产厂家一直面对的难题，在电力电缆线 的生产线上及时发现缆线的偏心问题并给予纠正，是生产企业的最佳愿 望。 1 3 研究背景及意义 在电缆行业中，电缆芯线的偏，b 在线无损检测，一一直是厂方非常迫 切需要解决的问题。而在电力电缆线的生产线上，对电缆线的偏心检测 技术指标要求更高。因偏心的状态直接影响电缆的分布电容、绝缘电阻、 击穿电压等重要参数及原材料的消耗。电缆芯线的偏心在线检测，目前 有射线、电涡流、电容和激光等方法。射线式的虽然能较好地满足现场 的需要，但一是价格太贵，进口台，一般在2 0 力马克左右，般的中 小工厂很难接受；二是有放射性，此种方法存在放射性污染，一般工f 一 西安理工大学硕士学位论文 和工人不愿使用。由于电力电缆交联过程是在高温4 0 0 度左右状态下工 作的，且有挥发物及水蒸气的生成，环境极为恶劣。而高温电涡流传感 器是可无损检测电缆金属芯线的偏心状态，但由于电缆规格尺寸太多， 以至用一种尺寸的电涡流传感器很难适用，这对一台电缆交联机生产多 种规格电缆时，就无法检测。电容式高温传感器，又受到挥发物对电容 介电常数的影响，使得电容式传感器对交联的方法生产电缆时，检测偏 心也是很难实现。激光的方法仅能解决电缆外径的测量，以配合以上两 种方法使用。但在高温交联电缆的生产中，由于有挥发物的生成及水蒸 气的存在，因光路受到挥发物和水蒸气的影响，激光通过高温玻璃观测 孔，来测量直径，有时也是无能为力的。 电缆偏心在线检测及控制，除了射线的方法比较成功的使用外，一 直没有其它好的方法。电缆交联生产过程是在一个很长的高温高压密封 管道中进行的。出来后发现偏心为时已晚，因这时电缆已费摔了近百米。 而大直径高压电缆有的近千元米，这样损失太大。 因此，研制一种耐高温、无损检测电缆芯线偏心的装置，价钱又不 宜太贵，使中小电缆厂家都能承受的电缆在线偏心检测系统，确实是用 户迫切需求的。 4 第二章超声波及超声榆测_ 睛理 2 超声波及超声检测原理 2 1 超声波的基本性质 通常人耳能听到声音的频率范围在2 0 2 0 k h z 之l 白j ，把超过2 0 k h z 的 声波称为超声波。超声波在本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖 两个条件，一是有机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。 波的种类是根据介质质点的震动方向和波动传播方向的关系来区分 的。超声波在介质中传播的波形有许多种，有纵波、横波、表面波等。 2 1 1 超声场的特征量 充满超声波的空间叫做超声场。声压、声强度、声阻抗是描述超声场 特征的几个重要物理量。 a 声压 超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声场存在时的静态 压强之差被称为声压，常用p 表示，单位为帕。超声波在介质中传播时， 介质中每一点的声压随着时问t 、距离x 而变化，其公式为： p 一彳印s i n 国( t - 詈) = 肛v ( 2 一1 ) cl 么l j 式中p 为介质的密度、缈为介质的角频率 c 为超声波在介质中的波速， v 为介质质点的振动速度。可见声压的绝对值与波速以及角频率成f 比。 b 。声强度 在垂直于超声波方向上的单位面积内通过的声能量被称为声强度，也 称声强。 西安理工大学工程硕士学位论文 j = 三删小圭p c v 2 _ _ z 1p 历2 ( 2 - - 2 ) 式中a 为超声波的振幅。从公式可见声强与质点振动的位移振幅的平 方成正比，与质点振动的角频率的平方成j 下比。 c 声阻抗 从声压的公式可见，在同一声压下肛越大，质点振动速度就越小，反 之亦然，它反映了声学特性，故将肛的乘积作为介质的声阻抗，以符号z 表示。 2 1 2 超声波的速度及波长 超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对一一 定的介质其弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质有不同 的声速。超声波的频率、波长和声速之间的关系如下： 五：三( 2 3 ) 厂 其中入超声波的波长、c 为超声波的速度、f 为超声波的频率。 2 1 3 超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量会逐渐减弱，这 种现象叫超声的衰减。 从理论上讲，超声波能量衰减的起因有以下几个方面： 6 a 由声束扩展引起的衰减 在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面波的声束在不断 第二章超声波及超声榆测原理 扩展增大，因此单位面积上的声能( 或声压) 随距离的增大而减弱，这种衰 减称为扩散衰减，扩散衰减仅取决与波的几何形状而与传播介质的性质无 关。 b 由散射引起的衰减 由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中有外来杂质、会属中 的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗的不均， 从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去， 最终将变成热能，这种衰减称为散射衰减。 c 由介质吸收引起的衰减 超声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦， 从而使一部分声能转换成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和 稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及分子弛豫造成的吸 收，这就是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。 超声波的衰减特性在探伤中有很实际的用途，如果能掌握经过介质后 的超声波的性质，就可以对介质的特性进行某些判断。 2 1 4 超声波在平面异质界面上的效应 所谓异质界面，是只有两种声阻抗不同的介质所构成的界面，如气体 液体界面、气体固体界面、液体固体界面以及不同固体界面等。由于两 种介质的声阻抗不一样，会产生反射、折射和衍射等现象。例如：在电缆 芯线上挤压绝缘材料时，钢模到绝缘材料为一个界面，绝缘材料到铜芯为 另一个界面。当超声波入射到一个光滑界面上时，产生反射：若发生在粗糙 界面上时，产生波的散射。超声波通过两种介质的界面时，一部分将被界 面反射回第一介质称为反射波；另一部分将通过界面进入第二介质，称为 西安理工大学工程硕士学位论文 透射波。 当超声波从一种介质传播到另一种介质时，其入射方向相对于晁质界 面而言，可以是垂直入射，也可以是倾斜入射。当垂直入射时，只有反射 和透射：当倾斜入射，除反射外，透射波要发生折射现象，同时伴随着有波 型转换。 ( 1 ) 单界面垂直入射时的情况：当声波垂矗入射到两种不同介质的界 面上时，将产生一个与入射方向相反的反射波和一个与入射方向相同的透 射波，如图2 一l 所示。 lt 图2 1声波由单界囱难霸入射不葸图 在两种介质界面上，用反射声压( 振幅) 只和入射声压只的比值表示 声压反射率尺，即： 尺：兰( 2 4 ) 只 在两种介质的界面上，用透射声压( 振幅) 只和入射声压只的比值 表示声压透射率d ，即：d = 丛 ( 2 5 ) p n 8 经过理论推导可知 r = 丝 z 2 + z i d ：旦 z 2 + z l ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 第二章超声波及超声检测原理 若z ；= z ：，因r 0 而d l ，说明当赛面两边声阻抗相同时，声 波几乎没有反射，而全部从第一介质透射到第二介质。 当z ， 0 ，反射声压p 和入射声 压只同相位，在界面上入射声压只与反射声压p 叠加类似于驻波。合成声 压振幅p = p + 只，对于水z ，= 0 5 l 0 6g l c m2 s ， 钢 z 2 = 4 5 1 0 6g l c m2 s 。 r ：生鱼：o 9 3 5( 2 8 ) z 2 + z 1 勺7 d = ! 二王一= 1 9 3 5 ( 2 - 9 ) z 2 + z l 以上计算结果表明，超声波垂直入射到水钢界面时，其声压反射率 r = 0 9 3 5 0 ，声压透射率d = l 9 3 5 l 似乎违反了能量守恒定律。其 实不然，界面两边应当平衡。当z ， z ，时，例如，声波从钢入水，声压反 射系数尺= 兰d 1 时，i f 向通 道的误差疋可以忽略，整个系统的误差取决于反馈环节也的误差。 万一蠡_ 1 1 一嗔 c4 一5 ) k 2 k 、 从以上三个环节的误差分析，可见影响三个环节误差的主要因素在那 里。而图4 - 2 驻波法测量电缆偏心的原理框图可见，都离不开这三个基本 环节，即串联、并联和带有反馈的环节，而串联环节占主导因素。这对整 个系统个个环节的设计具有指导作用。电缆芯线偏心测量我们采用了超声 驻波的方法。上面讨论过两个要测量的参数，一个是超声驻波变化的个数， 要利用比较器，就要解决比较器与门限电压的稳定度，这是影响误差的主 要因素之一。二是要测量超声驻波幅值变化的大小，实际这是测量的细分， 如何解决频率信号幅值的高精度测量，也是影响测量精度的主要的因素之 一。因此系统设计提出采用精密二极管检波器。从测量环节上看，主要是 西安理工大学工程硕士学位论文 串联环节。串联环节影响误差的主要因素，越靠前边的环节对误差影响越 大。超声换能器的驱动电源交流幅值要比较高、且幅值要稳定，并有一定 的功率。从传感器检测出的信号比较弱，要进行微弱信号放大，本级是串 联环节中靠近前边的环节，是影响测量系统误差的主要环节。这罩采用了 低噪声前置运算放大器，使具有比较高的信噪比。 4 5 超声换能器激励电路设计 超声换能器的驱动电源月来产生一个与压电振子谐振基频相等的交流 信号。一般工业现场的电源为5 0 h z 交流电，难以满足超声换能器电源的需 要。超声换能器电源一般由直流信号变换产生，直流转换成交流的方法 般有振荡一放大型和逆变型两种。振荡放大型是通过对一定频率的小功率 信号进行功率放大的方式，产生交流信号。逆变型是通过大功率电力电子 器件或变压器把直流信号直接变成一定频率的交流信号的方式，其体积一 般较大。对于中、小功率且频率大于2 5 k h z 的超声换能器一般均采用振荡 一放大型驱动电源，如图所示。振荡一放大型驱动电源主要由振荡器、放 大器和匹配网络组成。其中振荡器产生与换能器基频同频的交流信号；放大 器则是把振荡器的输出进行功率放大；匹配网络的作用是阻抗变换。 这里超声检测我们采用了驻波连续测量的方法，对驱动电路要求也不 样，一要求频率非常稳定，采用了晶体振荡器。二要求幅度非常稳定采用了幅 度稳定的措施。 电路图如4 - 6 所示：振荡器部分采用了数字电路分频器c d 4 0 6 0 和石英 晶体组成的石晶体振荡器，并可从相应的分频端得到超声波振头所需的合 适频率7 5 千赫。为了得到幅度的稳定从器件上我们选用了c m o s 电路，从 器件供电上选择较高的精密直流稳压器供给，一是输出幅度比较高且稳定， 高电位取决子精密直流稳压器电压的稳定度。二是饱和压降的影响，c m o s 电路本身就比较小且较稳定，同时选择较高的精密直流稳压器供给的目的 2 4 第四章超声电缀芯线德心在线辩 是尽量减小饱和压降占输输出电压的幅值比，从而达到幅度的稳定度。 图4 - 6 超声头驱动电路 从电路图可见c m o s 电路供电压，由一般稳压块7 8 1 5 经2 d w 2 3 2 带 温度补偿精密稳压管提供稳压的基准。限流电阻的调整注意稳压管2 d w 2 3 2 的零温度系数电流，即调整到出厂规定的7 5 m a 。2 d w 2 3 2 稳压为6 伏多， 为得到1 2 伏的精密的直流稳定电压，采用了高精度低漂移运算放大器o p 2 7 变换成1 2 v 输出。o p 2 7 供电必须高于1 2 v ，这里选择了正负1 5 v 。 c i m 0 6 0 虽然输出频率稳定幅值稳定且电压比较高但驱动超声发射头 功率不够，接着采用了功率放大级。功率放大级采用了3 d k l 0 c 开关管，为 保证1 2 v 输出幅值的稳定度，供电选择了1 5 v d c 电压。3 d k i o c 没有工作 在开关状态，而工作在放大状态。这里主要是考虑输出幅值的稳定度而不 是工作效率，对于驱动用于测量的超声发射头此电路能很好满足要求。图 4 7 为正负1 5 ) c 稳压源。 西安理工大学工程硕士学位论文 2 + 1 5 v u f v 图4 。7 供电电源电路 4 6 声信号的预处理及电路设计 一1 5 v u f v 超声信号是一种与频率有关的并随时间变化的量，分析声信号一般的 方法是选用测量传声器把声波转换为相应的电信号，由于此时声信号往往 较弱，且受到一些干扰，所以必须经过放大、检波、滤波等环节把声信号 放大到一定的电平然后进行测量，据此电平变化就可以反映厚度的变化。 4 6 1 低噪声前置放大器 如图4 - 8 所示，从传感器取出的信号比较弱，因此要进行信号放大，本 级放大器为最前端，为了避免噪声对输入信号的影响，对前置放大器要求 比较高。设计时首先从器件上必须选用低噪声运算放大器。而传感器激励 信号频率往往比较高，对前置放大器的频带要求较宽，这晕采用了l f 2 5 7 工业品级的噪声比较低的宽带集成运算放大器。信号比较弱电路板设计时 更要考虑线路之间的干扰，走线尽量短，避免电路之间的耦合。电源供电 2 6 第四章 翘声电缆芯线偏心在线测量 尽量采用模拟供电及双层以上的屏蔽措施。为了保证本级放大倍数的稳定 性，避免环境温度变化对其影响，采用了深度的负反馈，本级闭环后倍数 选用了1 5 倍。 图4 - 8 低噪声前置放人器 4 6 2 程控放大器的设计 程控放大器是由计算机数字信号控制放大器的增益。本测量系统要针 对多种电缆规格，有的比较细、有的比较粗，故在前级放大后，又增加了一 级程控放大器以增大放大电路的动态范围，以满足多种电缆规格的需求。 即针对不同电缆规格，程控改变放大器的增益，得到一个适合模数转换芯 片的输入电压值。 a 采用集成的具有程控增益功能的芯片 其优点是使用很少的外围芯片就可以构成的程控放大器，且程控精度 高。缺点是程控放大器的倍数是在一定范围内的固定值，且价格比较昂贵， 而一般带宽也不高。 2 7 西安理工大学工程硕士学位论文 b 利用d a 芯片和运放组成程控放大器 d a c 型程控放大器由d a c 和运算放大器组成，其原理是利用d a c 的 乘法功能实现可变增益控制。d a c 内部主要由电阻解码网络和模拟电子开 关构成，例如a d 7 5 2 0 、a d 7 5 2 1 、d a c 0 8 3 2 、d a c l 2 0 8 、d a c l 2 0 9 等电流 输出芯片。 圈4 - 9 1 丰jd a 芯片和运放组成释控放人器 增益控制原理由d a 转换方程可知： v o = 一订如l2 _ + a 22 。+ + 口。2 ”) r ，r = 一y 。f d r f | r ( 4 1 6 ) 如参考电压端，接输入电压k 时，则由公式得， 放大器的增益g = 一v o v , = 一似，j r 归 ( 4 1 7 ) 式中d 为数字量的输入，尺为电阻网络内部电阻。此类程控放大器的 优点：由于d a c 中的权电阻解码网络是采用光刻修变技术制成的，电阻误 差很小，温度系数也比一般的金属膜电阻小得多，因此构成的程控放大器 增益误差也较小。另外可选取合适的反馈电阻r ，电路的增益可大于1 ， 也可小于l ，也可等于l 。电路的缺点是频响特性不很理想，电路增益也不 易做得很大。 c 直接用放大器构成程控放大器 下面介绍我们所采用的同相输入的程控放大器，如图4 1 0 所示。当开 第四章超声电缆芯线偏心在线测量 关瓦关闭时，增益为e = l + e r ，所以 r = 土lsnsn ”q 一1 ( 4 1 8 ) 开关导通电阻的影响可以通过减小与r s 对应的r ，网络的电阻值来补 偿。对1 到n + i 的倍数增益，电阻值为 r = 一r 一r s n ( 4 一1 9 ) 为得到整数增益而设计的等值电阻，可以通过保持所有开关j 下常闭合， 并按次序打开。这样，就可得到具有整数增益的等值电阻。增益为 g = l + 犬善素 墨= 1 开关通、墨= o 开关断( 4 - 2 0 ) 实际运用中，由于运算放大器的输入阻抗很高，尤其对于场效应管输 入型的运算放大器，又采用运算放大器的同相端输入，信号源的内阻影晌 可忽略不计。 其中模拟开关采用了c d 4 0 1 6 芯片，运算放大器采用了集成运放 l m 6 2 6 5 ，它具有低噪声、宽频带的特点。 图4 1 0 程控放大器 2 9 西安理工大学工程硕士学位论文 控制端可与单片机输出口相连，通过程序改变输出口的状态，达到设 置改变放大电路增益的目的。 4 6 3 线性检波电路 电缆芯线偏心在线测量，关键是要精确检测x 、y 轴向芯线外绝缘皮 的厚度，此厚度我们采用了超声驻波的方法。就必须进而对强度波幅出现 峰值个数n 进行记录，而波幅和波幅之间精确细分是靠波幅的幅值大小来 测量。频率较高幅值大小的测量，通常采用检波滤波后的直流电压来测量。 一般二极管检波存在的问题 用普通二极管的单向导电特性，可以实现较大信号的检波，但由于二二 极管的正向伏安特性的非线性及死区电压的存在，并且和温度有关，无法 实现精密的线性检波。其二极管的伏安特性为： ! 竺 ，= ，。( e 7 一1 )( 4 - 2 1 ) 其二极管伏安特性曲线可知，圪为二极管的死区电压，r 为二极管的动态 电阻，它表示当偏压高于，后特性曲线的斜率。当输入信号电压幅值比较 小时，非线性失真比较大，当信号幅值小于二极管的死区电压，之后，输 出电压为零，电路失去检波作用。当外界环境温度变化时，不但二极管的 死区电压随温度发生变化，而整个检波的斜率都在发生变化。 因此，为实现精密的线性检波，必须解决两个问题，一是改善二极管 的非线性特性，以实现良好的线性转换关系：二是减少二极管死区电压的 影响，使其能对尽可能小的输入信号进行转换。因此利用二极管和运算放 大器组成精密二极管检波电路，可能解决以上两个问题。 3 0 第四章超声电缆芯线偏心在线测量 2 、精密半波检波电路 由运算放大器和二极管组成的精密半波检波电路如图4 1l 所示，两个 二极管分别接在运放的反馈回路中，运算放大器接成反相放大器形式。 一1 5 v 图4 一l l 正输出电压线性检波电路 设输入信号为正弦信号，即= v o s i n c o t 。输入电压为正半周时，运算放 大器输出电压为负，二极管d l 导通，d ：截止。d l 导通使运算放大器处于 深度负反馈状态，从而保证了运算放大器反相输入端为虚地。由于这时d ： 不通、且输出信号是从虚地端经过电阻尺：取出，所以输出电压为零。输入 电压为负半周时，运算放大器输出电压为正，二极管d l 截止，d ，的状态 取决于运算放大器的输出大小。若输出小于_ ，d 2 截止，但由于运算放 大器处于开环状态，且以很大，因此圪= 一么 ，很小个电压 就可以使d ：导通。相当于把二极管的死区电压降低了1 a 。，从而有效 地克服了二级管死区电压的影响，大大地提高了电路对小信号的检波能 力。一旦v o ，d 2 导通，运算放大器处于反相比例放大工作状态，其 ， 输出电压圪= 一( r ：r 。) ，如取尺：= r ；，则有v o = 一。显然，由 于d 2 的导通，使运算放大器处于深度负反馈闭环工作状态，而d 2 又处于 f 西安理工大学工程硕士学位论文 正向通道中，二极管的非线性和死区电压几乎没有了，使检波电路的输出 和输入之间具有良好的线性关系。 为了定量的说明精密半波检波电路的二极管死区( 阈值) 电压杉，和非 线性电阻r 所产生的非线性误差，半波检波电路的等效电路如图4 。l3 所示。从图可得在输入信号y 的负半周内 v o = ( v o 一) 尺：( r ：+ r ) ( 4 2 2 ) 而虼= 一a 。 r ：( r 。+ r ：) + r 。( r 。+ r ：) ) ， ( 4 2 3 ) 由上两式可得 v o = 一 尺：【尺：( 1 + 1 a 。) 】+ r a 。) ( 尺：尺) + _ ，彳。 式中，= r ，( r + r ：) ，因a 。 1 ，所以 v o = 一陋：( r ：+ 么。) 似：尺) + 杉，彳。 ( 4 2 4 ) 式( 4 - 2 4 ) 表明，在精密半波检波电路中，二极管的死区( 阈值) r ， 和非线性电阻r 仍会影响电路的输出而造成误差，但由于负反馈的作用。 把这种影响减少为原来的1 a 。 由于a 。很大。所以上述误差很小。需要指出的是，精密检波电路的工 作频率在大信号时会受到运放的压摆率( s r ) 的限制，在小信号时，又会 受到运放一3 d b 带宽的限制，因此，要根据信号检波的频率来选择合适的运 算放大器。 图4 一1 2 是一个实用精密半波检波电路。它对输入电压的正半波，其特 性为：输入电压在2 0 mv 1 0 v 范围内，误差小于o 1 。 3 2 第四章 超声电缆芯线偏心在线测量 4 6 4 有源滤波电路 一1 5 v 图4 1 2 精密半波检波电路 有源带通滤波器作用是通过所需的频率信号，阻止不需要的频段信号。 这里采用了运算放大器l f 2 5 7 和r c 阻容网络构成的，如图4 1 3 所示，其 输出与输入同相。为方便起见，可令r 严r 严& = r ，r z = 2 r ，于是滤波器的谐 振频率、品质因数和谐振增益可表示为 = 丽1，j 、乙 q 2 觋1 ：以。弦r 4 + r 5 l r 4 l r 5 - f r i 1 二l 卜7 上 啪由r 。 c 1 丁 i r 。 图4 - 1 3 有源滤波电路 设谐振频率f o = 7 5 k h z ，品质因数q = 3 ，则可以先选定电容c = 2 0 0 p f ， 联立方程得r l = r 3 = 心= 1 0k ，r z = 2 0 k ，解得r 5 r 4 = 1 6 7 ，r 5 = 1 7k ，谐振增益 a i = 8 。 经过检波的信号( 脉动直流信号) 由于还是处于不断的变化之中，而 3 3 西安理工大学工程硕士学位论文 且带有干扰，不便于测量分析，所以还得经过滤波，把高频成分滤掉。为 了使负载不影响滤波的特性，即带通放大倍数及截止频率都不随负载而变 化，及具有比较好的幅频衰减特性，这罩选用了由集成运放和r c 网络组成 的有源滤波器。同无源滤波器相比，确实优点明显。所以我们设计了下面 这种截止频率为1 0 0 h z 的低通滤波器。 设计方法为：选取电容c l 为0 1 ，c 2 为0 0 5 ，则电阻r 可用下 式求得： 3 4 r = = ，一= = = = 一 4 2 n f c l 4 2 万10 0 x0 1 10 6 经实际调试，该滤波器符合设计要求。 = 2 2 5 地 第五章c 1 9 6 单片机硬件部分 5c 19 6 单片机硬件部分 5 1 概述 m c s 一9 6 系列单片机巳完全不同于m c s 一48 、5 1 两个系列。如果说 m c s 一5 1 只是对m c s 一4 8 的改进( 同为8 位机) ，那么m c s 一9 6 已发生了 突破性的变化。不仅数据线从8 位跃升至1 6 位，片内资源也更为丰富，特 别是抛弃了单一a 累加器的瓶颈效应，提高了执行指令的效率。 和m c s 5 1 单片机相比，m c s 9 6 系列单片机在以下几个方面提高了系 统的性能： 1 c p u 的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，改用寄存器一寄存 器结构，c p u 的操作直接面向2 5 6 字节的寄存器，消除了一般c p u 结构中 存在的累加器的瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。 2 2 5 6 字节单元中，2 4 字节是专用寄存器，其余2 3 2 字节均为通用寄 存器( 1 8 h f f h ) 或片内存储器( 1 0 0 h 一2 5 5 h ) 。其通用寄存器数量远比一 般c p u 的寄存器数量多。这样就有可能为各中断服务程序中的局部变量指 定专门的寄存器，免除了中断服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存器现 场所支付的软件开销，大大方便了程序设计。 3 有一套效率更高、执行速度更快的指令系统。可以对带符号数和不 带符号数进行操作，1 6 位乘1 6 位指令的执行时间为1 4 u s 一6 2 5 u s ( 5 ( _ 不同 型号的芯片) ，3 2 位乘1 6 位指令的执行时i b j 为2 4 u s 一6 2 5u s ，还有符号扩 展、数据规格化( 用于浮点计算中) 等指令。此外，操作数指令大大提高了指 令效率。 4 在8 0 c 1 9 6 k c 以后的芯片中，增加了一个外设事务服务器p t s ， 专门用于处理外设中断事务，和普通中断服务过程相比，p t s 服务大大减 少了c p u 的软件丌销。 1 丐 西安理工大学工程硕士学位论文 一 除此之外，m c s 一9 6 k c 系列单片机还集成了更为丰富的外设装置。概 括现有资料，m c s 9 6 k c 系列单片机包含的外设装置有： 1 ) 振荡器和时钟发生器： 2 ) 定时计数器； 3 ) 标准输入输出口： 4 ) 全双工异步和同步串行输入输出口： 5 ) 监视定时器( w a t c h d o g ) ，用于提高系统抗干扰能力： 6 ) 模拟数字转换器； 7 ) 高速输入输出器( ( h s l o ) 或事件处理器阵列( e p a ) ； 8 ) 脉宽调制输出； 9 ) 波形发生器； l0 ) 外设事务服务器( p t s ) ； 11 ) 从口( s l a v ep o r t ) ； 1 2 ) 频率发生器； 1 3 ) 片选输出单元。 综上所述，m c s 一9 6 系列单片机具有更丰富的软硬件资源，具有更 高的性能。 它设计简单，编程方便，比8 位单片机更适合用于些比较复杂的系 统中。 5 28 0 c 19 6 k c 简介 其基本性能如下： 1 外时钟晶振由8 0 c 1 9 6 k b 的1 2 m h z 可上升到1 6 m h z ，因此速度更 高： 2 除原来的片内2 3 2 字节的寄存器空间外，增加了2 5 6 字节的附加 r a m ( 1 0 0 h - i f f h ) ，且在垂直窗口下具有灵活的应用： 3 6 第五章c 1 9 6 单”机硬件部分 3 由8 0 c 1 9 6 k b 的8 k 字节片内r o m 、e p r o m 上升为1 6 k 字节( 2 0 0 0 5 f f f h ) ： 4 由8 0 c 1 9 6 k b 的一路p w m 输出变为三路p w m 输出： 5 1 0 位8 通道的a d c 增加了新功能：一个是1 0 b i t 8 b i t a d 转换可变： 一个是转换完成时间控制可预先设定： 6 除8 0 c 1 9 6 k b 的2 8 个中断源1 8 级中断外，增加了p t s ( p i 围事件服 务器) 1 5 级中断； 7 在8 0 c 1 9 6 k b 的1 0 6 条指令的基础上，又新增了6 条指令。 5 3a d 转换器 a d 转换器用于处理进入8 x c l 9 6 k c 的模拟量，如图所示。a d 转 换器由以下几个部分组成：1 3 选l 多路模拟开关，采样及保持电路、1 0 位 逐次逼近式a d 转换器。a d 转换器的模拟输入脚与p o 端口及p 1 端口 的p 1 o p 1 4 管脚共用。8 x c l 9 6 k c 的a d 转换器能完成8 位或1 0 位的 a d 转换。8 位分辨率的a d 转换速度要来得快一些。可编程设定的采 样保持时间和a d 转换时间，同样适用于8 位阈值检测方式。当输入的 模拟电压与编程设定的电压一致时，阈值检测方式将产生1 个中断申请( 将 中断标志位设置为1 ) 。此外，a d 还提供了另外一些测 试方式。零偏补 偿电路提供了可编程硬件偏移调整量。外因事件服务器( p t s ) 提供的a d 扫描方式，使得自动a d 转换及结果贮存非常方便。 a d 转换器所涉及到的特殊功能寄存器及其地址如下所示： p 0p i n ，地址为l f a 8 h ； p 1p i n ，地址为1 f a 9 h ： a dt i m e ，地址为i f a f h l a dt e s t ，地址为l f a e h ： a dc o m m a n d ，地址为l f a c h ； 西安理工大学工程硕士学位论文 a d r e s u l t ，地址为l f a a h 。 其中a d com m a n d 为1 6 位寄存器且只能字寻址。a d r e s u l t 为1 6 位寄存器但却可以是字地址寻址又可以是字节地址来寻址。 与a d 转换器有关的外部管脚如下： v r e f ：参考电压。 a n g n d ：模拟地。 a c h 0 7 ( p o o p 0 7 ) ：a d 输入0 7 通道。 a c h 8 i z ( p 1 卜p 1 4 ) ：a d 输入8 一1 2 通道。 端口0 和端口l 总是作为输入使用，且既可作为数字量输入，又可 作为模拟量输入管脚使用。端口0 与端口l 没有相关的方式控制寄存器。 图5 1a d 接口电路 5 4 c 19 6 单片机最小系统 本课题采用的微处理器为8 0 c 1 9 6 k c 单片机，其完成的功能有：数据 采集、系统自检与监测、标度变换、数据处理和数据显示等，原理图如图 5 2 所示： 3 8 第五章c1 9 6 单片机硬件部分 图5 2 单片机最小系统 5 5 键盘显示电路 8 2 7 9 a 芯片是一种通用的可编程键盘显示控制器，其中部分用作通用 的键盘输入接口，部分作为字符显示器的输出接口，而另一部分给出两个 接口在芯片