（物理电子学专业论文）逆变式瓷粉探伤机的关键技术研究.pdf

原创性声明 illilli ll l lii iii iiiiif y 18 3 2 5 5 2 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：徕寸易 日期：加7 睁占月2 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：狱锡 同期：卅d 年y j2 日 摘要 磁粉检测作为工业无损检测中的一种重要检测手段，在工业领域中被广泛 应用。那么磁粉探伤设备作为磁粉检测的主要工具，其发展水平直接制约着磁 粉检测行业整体发展水平。由于工业环境的恶劣性和探伤对象的多样性，则对 磁粉探伤机的多样化提出了更高的要求。逆变式磁粉探伤机，不仅能节约能源， 特别适合无交流电和其他危险场合。 针对工业上对磁粉探伤机的这种需求，各种便携式磁粉探伤机便应用而生， 而本文所讨论的逆变式磁粉探伤机就是在此基础发展的新机型。该设备由于正 处于研发调试阶段，在诸多方面存在的问题还需要理论的论证和实验调试。我 们在开发该设备的后续工作中，针对以前设备工作中驱动电路的不稳定，方波 磁化电流的磁化机理等关键技术问题提出了解决方案和理论解释。 本文首先在磁粉探伤理论的基础上，建立一个球形磁粉在漏磁场中的受力 模型，通过受力分析来阐述磁化电流，磁化规范等因素在实际使用中对磁粉探 伤性能的影响。然后针对磁粉探伤的核心部分磁化电源进行改进，给出了 逆变式磁粉探伤机的关键技术，即利用变频逆变产生的方波进行复合磁化的技 术，并给出了实现此技术的硬件驱动电路改进。另外在硬件中还加入了驱动电 流检测反馈模块，使设备形成一个闭环自动控制的系统，保证了设备工作稳定 性和控制的准确性。最后对电路设计中的相关电磁兼容问题进行了讨论并给出 了解决方案。 关键词：模型磁化电源电流反馈变频逆变驱动磁粉探伤 a b s t r a c t a sa i li m p o r t a n tm e t h o df o rt h ei n d u s t r i a ln o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，t h em a g n e t i c p a r t i c l et e s t i n gi sw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r i a lf i e l d a n da st h em a i nt o o lf o rt h e m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n g ，t h ed e v e l o p m e n to ft h em a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n ge q u i p m e n t r e s t r i c t st h eo v e r a l ld e v e l o p i n gl e v e lo ft h em a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n gi n d u s t r y t h eb a d i n d u s t r i a le n v i r o n m e n ta n dt h ed i v e r s i t yo ft e s t i n go b j e c t sb r i n gh i g h e rr e q u i r e m e n t t o w a r d st h er e s e a r c ho ft h em a g n e t i cp a r t i c l ed e t e c t o lt h ei n v e r t e dm a g n e t i cp a r t i c l e d e t e c t o rn o to n l yc a ns a v et h ee n e r g y , e s p e c i a l l ys u i t a b l e f o rs i t u a t i o n sw i t h o u t a l t e r n a t i n gc u r r e n t sa n do t h e rd a n g e r o u ss i t u a t i o n s b a s e do nt h i sk i n do fr e q u i r e m e n tt o w a r d st h em a g n e t i cp a r t i c l ed e t e c t o ri nt h e i n d u s t r y , a l lt y p e so fm a g n e t i cp a r t i c l ed e t e c t o r sh a db e e nd e v e l o p e d t h ei n v e r t e d m a g n e t i cp a r t i c l ed e t e c t o rd i s c u s s e di n t h i sp a p e rw a sj u s tt h en e w l y d e v e l o p e d i n s t r u m e n t a si tw a sj u s ti nt h ed e v e l o p i n ga n dm o d i f y i n gp e r i o dn o w , t h ep r o b l e m s i nm a n ya s p e c t sn e e d e db o t hd e m o n s t r a t i o ni nt h e o r ya n dm o d i f y i n gi ne x p e r i m e n t a l t e s tf o rt h i si n s t r u m e n t a i m i n ga tt h ek e yt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m sa p p e a r i n gd u r i n g t h ed e v e l o p i n go ft h ed e v e l o p e di n s t r u m e n ti n c l u d i n gt h ei n s t a b i l i t yo ft h ed r i v i n g c i r c u i t ，t h em a g n e t i z a t i o nm e c h a n i s mo ft h es q u a r ew a v em a g n e t i z a t i o nc u r r e n t ，t h e a u t h o rp r o p o s e dt h es o l u t i o na n dt h et h e o r e t i c a le x p l a n a t i o n o nt h eb a s i so ft h em a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n gt h e o r y , ap h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a l f o r c em o d e lo fas p h e r i c a lm a g n e t i cp a r t i c l ei n t h em a g n e t i cl e a k a g ef i e l dw a s e s t a b l i s h e df i r s t l yt h ee f f e c t so ft h ef a c t o r si n c l u d i n gt h em a g n e t i z a t i o nc u r r e n t ， s p e c i f i c a t i o ne t c o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h em a g n e t i cp a r t i c l ed e t e c t o r w e r ee x p l a i n e d t h r o u g ht h ef o r c ea n a l y s i s t h e na i m i n ga tt h ei m p r o v e m e n to nt h em a g n e t i z a t i o n p o w d e rw h i c hw a s t h ec o t ep a r to ft h em a g n e t i cp a r t i c l ed e t e c t o r , t h ek e yt e c h n o l o g y o ft h ei n v e r t e dm a g n e t i cp a r t i c l ed e t e c t o rw a sp r o p o s e d ，n a m e l yt h es q u a r ew a v e p r o d u c e db yt h ef x e q u e n c yi n v e r t e rw a su s e df o rt h ec o m p o s i t em a g n e t i z a t i o n , a n d b e s i d e st h ei m p r o v e m e n to nt h eh a r d w a r eo fd r i v i n gc i r c u i tt oa c h i e v et h i st e c h n o l o g y w a sa l s o p r o p o s e d a tt h e s a m et i m e ，t h ef e e d b a c km o d u l eo fd r i v i n gc u r r e n t u d e t e c t i o nw a sa d d e dt ot h eh a r d w a r ea n das e l f - c o n t r o l l e dc l o s el o o ps y s t e mw a s f o r m e di nt h i si n s t r u m e n ts oa st oe n s u r et h es t a b l ew o r k i n ga n d p r e c i s ec o n t r o l l i n go f t h i si n s t r u m e n t f i n a l l y , t h ep r o b l e m sr e l a t e dw i t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y i nt h ec i r c u i td e s i g nw e r ed i s c u s s e da n dt h es o l u t i o nw a so f f e r e d k e y w o r d s ：m o d e l ；c u r r e n tf e e d b a c k ；f r e q u e n c y ；i n v e r t e rd r i v i n g ；m a g n e t i c p a r t i c l et e s t i n g i i l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目蜀专i v l 绪论一l 1 1 课题研究背景1 1 1 1 无损检测的概述1 1 1 2 磁粉检测技术的介绍1 1 2 国内外研究现状4 1 3 研究目的及意义7 1 4 研究内容一7 2 逆变式磁粉探伤机的理论探讨9 2 1 磁粉的受力模型分析一9 2 1 1 漏磁场力的影响1 0 2 1 2 磁化电流频率及摩擦力的影响1 1 2 2 逆变式磁粉探伤机的磁化机理1 2 2 2 1 方波电流产生磁场的理论分析1 2 2 2 1 1 磁粉检测的基本概念1 2 2 2 1 2 交流磁场的复合1 4 2 2 2 磁轭探头的选用( 方波电流的磁化规范) 1 7 2 2 2 1 单磁轭磁化l7 2 2 2 2 交叉磁轭选用l8 2 2 3 方波电流产生磁场的机理1 8 i v 2 3 本章小结2 0 3 新制逆变式磁粉探伤机的关键技术一2 1 3 1 磁化电源的改进2 l 3 1 1 磁化电源的设计要求及目标一2 l 3 1 2 磁化电源的方案改进2 l 3 1 2 1 磁化电源的理论基础2 2 3 1 2 2 磁化电源的软硬件改进2 9 3 2 基于效果的控制思想3 8 3 2 1 电流反馈检测硬件电路3 8 3 2 2 电流反馈模块软什设计：3 9 3 3 本章小结4 l 4 系统的稳定性和电磁兼容性一4 2 4 1 系统的稳定性4 2 4 1 1 工作状态记忆功能4 2 4 1 2 磁粉性能4 4 4 2 磁粉探伤机的电磁兼容性4 6 4 2 1 电路模块的抗干扰设计4 6 4 2 2p c b 的电磁兼容性4 7 4 3 本章小结4 8 5 实验测试和总结一4 9 5 1 实验测试4 9 5 2 总结5 0 参考文献51 附录5 2 个人简历5 6 v 致谢5 7 v i l 绪论 1 1 1 无损检测的概述 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着科学技术水平的不断提高和工业技术革新的快速实现，那么在这个过 程中高温、高压、高速度和高负荷这几项性能已经成为现代工业技术的重要标 志，但是这几种性能的实现是建立在基本材料高质量的基础之上，为了能够保 证高性能质量，就需要找到一种不破坏产品原有的形状、不改变其使用性能的 检测方法，对产品进行有效可靠的检测，这种技术就是无损检测技术。 无损检测技术在汽车制造，航空航天，石油化工和核技术等工业中都得到了 广泛的应用。在生产实践中，由于检测的可靠性与被检测对象的材质、结构、 形状、表面状况、所采用探测方法的物理量性质以及被检对象异常部位的物理 性质、形状、大小、取向和检测装置的特性等有很大关系，而且还受到主观因 素、标定误差、精度、数据处理和环境条件的影响。因此就需要根据不同的情 况选用不同的测量机理，而且有时还需要从整体来考虑几种不同物理量的变化 情况，然后才能对被检测对象组织结构的缺陷特性作出可靠的判断。由此可见 综合应用多种检测方法可以有效提高无损检测的可靠性【l 】。 根据物理原理的不同，人们将这种测量技术与各个学科相融合，依据各个 学科的理论基础，将无损检测技术发展成为超声检测、射线检测、磁粉检测、 渗透检测、涡流检测、红外检测、激光全息检测这几种主要检测技术。 1 1 2 磁粉检测技术的介绍 通过对无损检测技术分类的介绍，我们可以了解到由于被检测对象所具有 的物理特性的限制，就要求在实际检测过程中根据检测工件的不同选用相对应 的检测手段。作为对铁磁性材料和近表面缺陷的检测，考虑到检测的灵敏度和 经济条件的约束，通常会选用磁粉检测技术作为主要检测手段。 l 绪论 1 ) 磁粉探测原理 磁粉检测是在电磁学基础上，用磁粉作为漏磁场的检测介质，利用磁化后 工件缺陷处的漏磁场来吸引磁粉形成的磁痕显示，从而快速确定缺陷存在的检 测方法。作为被检测对象的铁磁性材料在被外磁场作用下磁化后，其磁化磁场 的磁感应线将在铁磁性材料构成的磁路中通过，如果被检测工件上出现了材料 的不连续性( 即工件表面及其附近出现缺陷或其它异质界面) ，由于材料缺陷 处磁导率的不同，磁感应线将因磁阻的不同而产生折射。部分磁感应线从缺陷 下部的铁磁材料中通过，形成了磁感应线被“压缩”的现象；一部分磁感应线 直接从工件缺陷中通过；另一部分磁感应线折射后从缺陷上方的空气中逸出， 通过裂纹上面的空气层再进入材料中，从而形成漏磁场( 如图1 1 所示) 。 缺陷处漏磁场的强度和方向是一个随材料磁特性及磁化场强度变化而变化 的量。缺陷处的漏磁通密度可以分解为水平分量b 。和垂直分量b 一水平分量 与铁磁材料的表面平行，垂直分量与铁磁材料表面垂直( 如图1 2 所示) 。从 图中可以看出，垂直分量在缺陷与工件交界面最大，是一个过中心的曲线，磁 场方向相反；而水平分量在缺陷界面中心最大，并左右对称【2 】。 缺陷形成的漏磁场 图1 1 缺陷出漏磁场形成示意图 2 i 绪论 f 名 0 ，n八 l x l 、 0 。 扩 图1 2 漏磁通密度的水平分量曲线图漏磁通密度的垂直分量曲线图 随着外磁场磁化强度h 的增大，缺陷处漏磁场的磁场强度也将适当加强， 而处于漏磁场中的磁粉颗粒( 铁磁材料粉末) 在被磁化成一个个活动的小磁铁 时，两端将受到漏磁场力矩的作用产生与吸引力方向相反的n 极与s 极，并转 动到磁场强度最大的位置上，同时磁粉在指向漏磁场强度增加最快方向上的磁 力的作用下，被迅速吸引向漏磁场最强的区域，从而在缺陷处堆积形成一种能 比实际缺陷宽度大到数倍的磁痕。这就是磁粉探伤的基本原理。 2 ) 磁粉检测技术的分类 磁粉检测时，为了在被检测的铁磁性工件上产生磁化磁场而施加的电流称 为磁化电流。常用的磁化电流有交流电、整流电( 包括单向半波整流电、单相 全波整流电、三相半波整流电和三相全波整流电) 、直流电和冲击电流等七种， 其中最常用的是交流电、单相半波整流电和三相全波整流三种嘲。 交流磁化有利于磁粉的迁移，可以实现多向磁化，并且对表面缺陷检测灵 敏度高，但是对缺陷的探测深度小。直流磁化能够形成很强的剩磁场，有足够 的吸附能力来吸住磁粉，并且其磁化磁场的渗入深度大，但是退磁困难，且对 表面的探测灵敏度低。 另外由于在磁化时磁场方向与缺陷延伸方向不同，造成缺陷处的漏磁场大 小也不相同，直接影响了检测灵敏度。由此可以根据工件的几何形状不同，采 用不同方向的磁场来发现各种方向上的缺陷。因此从磁化方法上可分为：周向 磁化法、纵向磁化法和多向磁化法。分类示意图如1 3 所示。 1 绪论 a 、周郇龇的具体方法 级句磁化 多严 b 、纵向磁化其体方法 c 、多向磁化的具体桃 图1 3 磁化方法分类 周向磁化足指给工件直接通电，或者使电流流过贯穿的空心工件孔中的导体， 目的是在工件中建立一个环绕工件、并与工件轴垂直的轴向的闭合磁场，用于 发现与工件轴平行的纵向缺陷。周向磁化又分为通电法、中心导体法等几种具 体的方法，如图1 3 中a 所示。 纵向磁化是指将电流通过环绕工件的线圈，沿工件纵长方向进行磁化的方法， 工件中磁力线平行于线圈的中心轴线。纵向磁化主要用于发现与工件轴向垂直 的周向缺陷，如图1 3 中b 所示。其中纵向磁化又可划分为：线圈法、磁轭法、 永久磁轭法。 多向磁化是指通过复合磁化，在工件中产生一个大小和方向随时间成圆形、 椭圆形或螺旋形变化的磁场。由于磁场方向在工件上不断地变化，因此可以发 现工件上各个方向的缺陷，如图1 3 中c 所示。 通过对磁化电流和磁化规范的分类讨论，在磁化时被检测工件的各种因素 的影响，就要求我们在对工件进行检测时，需要从主客观因素出发，采用灵活 的磁粉探测方法，来准确，快速实现对工件缺陷处的探测，保证社会生产效率 的最大化和生产资源的节约化。 1 2 国内外研究现状 磁粉检测是一门在个体实践中不断发展起来的学科，它与一个国家的工业 4 l 绪论 发展水平有着密切联系。国外对磁粉探测设备的研发支持力度很大，因为工业 想要安全可靠的发展，想要检测水平的不断提高，唯有不断更新探测设备，推 进探测设备研制的进步。 现在国外磁粉检测设备从固定式、移动式、到便携式，从自动、全自动到 专用设备，从单向磁化到多向磁化，设备已系列化和商品化。由于晶闸管等电 子元器件和计算机技术用于磁粉检测设备，使设备小型化并实现了电流无级调 节，智能化设备大量涌现 4 1 。但是由于我国的工业发展模式多样化，在各个领 域的使用情况也各不相同，对于一些小领域的磁粉探伤要求很高的性价比，针 对这种情况，国外先进的大型探测装置虽然探测效果好，但价格昂贵，不适合 在国内的推广；同时由于国内工业对磁粉探伤的需求也比较大，且磁粉检测对 着国家的工业发展水平有着重要影响，所以就不能仅仅依赖于国外产品。随着 我国工业水平和围防实力的逐步提高，对无损检测工作提出了更高的要求，磁 粉检测工作的重要性也日益受到重视，这就要求我们科技人员能够不断革新技 术，创造出功能更多，性能更好，灵敏度更高的磁粉探伤装置。 近年来国内磁粉检测设备发展也很迅速，磁粉检测设备己实现了专业化和 系列化，一些单位一直致力于磁粉检测设备的开发研制。如上海后羿检测设备 有限公司研制的j y i i 型多用磁粉探伤仪【5 】，该装置主要用于对各种焊缝、各 种几何形状等承受高压的容器进行检测，它采用可控硅作无触点开关来产生脉 冲磁化电流，通过单磁轭探头来对工件进行磁化。该设备适合对缺陷深度不大， 方向单一的工件进行检测，对一些大面积，缺陷深度和方向未知的工件检测效 果不明显。 由于我国工业探伤用的磁粉检测设备在电源供给上均采用2 2 0 v 单相交流电 供电，即使使用充电电池作为磁化电源，也是使用其产生直流磁场，而且这种 磁化方式趋肤效应差，对表面检测灵敏度低。这时就要求我们能够针对磁粉探 伤中的相关瓶颈问题，提出一个综合的方案来很好的整合各种专用磁粉探伤机 的优良性能。针对这种情况，我们曾研制出了具有自主知识产权的充电式智能 磁粉探伤机 6 1 ，该设备充分综合了多种磁化方式合一身的优良性能，使其磁粉 检测性能达到了国内先进水平。其设备的硬件框图如图1 4 所示： i 绪论 图1 4 充电式磁粉探伤仪的硬件框图 此研发设备包括了单片机控制模块与电源模块，人机交互模块，磁化电源 模块，施加磁化磁场的磁轭模块。磁化电源选用的是用单片机控制模块输出的 变频方波来控制功率驱动电路产生的方波磁化电流，此技术是该磁粉探伤仪的 创新技术。该创新不同于以往的直流磁化电流和交流磁化电流，它借鉴于单相 半波整流电磁化方式，而且充分利用了在电压突变瞬问所包含的丰富谐波和波 形整体变化的交流性质，即继承了直流磁化的探测深度大，也兼顾了表面探测 的趋肤效应，同时也解决了直流探测后退磁困难的问题，进一步提高了探测的 灵敏度。 通过硬件和内部软件实现了一机多用的功能，探伤仪能自动识别探头类型， 并采用相对应的探测方法，这样使磁粉探伤更加灵活、便捷；而针对磁粉探伤 中存在缺陷未知和磁化方向与缺陷方向密切相关这种问题，该设备采用了交叉 磁轭探伤法和探伤仪的初始扫频定位技术相结合的方法，进一步提高了磁粉探 伤灵敏度，避免了不同深度缺陷难以一次探测的问题。通过上面对磁粉探伤仪 的改进设计，使磁粉探伤仪更易操作，而且也具备了智能化和高灵敏度的特点。 以上的磁粉检测模块是建立在电磁学和物质特性分析基础上，针对我国工 业磁粉检测环境多样化和能源利用效能最大化，具有节能、便携、适应能力强、 探测灵敏度高等特点。但是在具体的使用过程中，还存在一些问题函待解决， 比如磁化电源的可靠性等，为使此设备更好的转化为生产力，必须进行改进。 1 绪论 1 3 研究目的及意义 由于充电式智能磁粉探伤仪仍存在一定的不足之处，为了使该装置能更快、 更好的投入生产，充分发挥它在工业无损检测中带来的社会效益和经济效益， 作为该后续项目的实验成员之一，我们在总结前人设计经验的基础上对该设备 进行了深入的理论分析，通过长时问的调试研究以及与项目组成员的讨论，认 识到该设备在磁化电源和功率驱动等环节上还存在一定的不足，主要表现在以 下方面： ( 1 ) 、场效应管构成的m o s 逆变桥的驱动电路在单磁轭时，需两组电池 串联时v g s 2 0 v ，导致芯片发热甚至烧毁。 ( 2 ) 、磁轭探头使用市场上其他磁粉探伤机的已有型号，缺少对磁化电流 产生磁化磁场的机理分析，没有针对这种情况设计相对应的磁轭探头，影响了 磁粉探测的灵敏度和提升力。 ( 3 ) 、电路中虽然加入了对电池电压的检测，并在自动状态依据电池电压 进行功率的大致调整来保证探测效果，但是这样并不能真正实现对探测灵敏度 的精确调整。 ( 4 ) 、软件设计中，在一些细节上存在问题等。 基于以上几点主要问题，我们着重对磁化电源中的逆变方波产生的驱动电 路硬件实现，方波电流产生磁化磁场的机理及其硬件实现、以及整体机型的稳 定性和电磁兼容性进行了理论分析和研究，得到一种稳定的逆变方波电源输出， 即：能够在单路输出时利用单磁轭形成一个不断反相的磁化磁场；也能够在双 路输出时利用交叉磁轭产生适应多种形状的被测工件的旋转磁场；能够通过对 负载电流的直接采样检测来实现探测灵敏度的精确调整，保证设备运行稳定。 1 4 研究内容 在实际的磁粉检测设备研制过程中，由于理论基础及认识上的差异性，要 想设计一套探测灵敏度高，性价比高，探测工件缺陷种类齐全的机型还不尽如 人意，仍有很多待克服的技术难关。本课题是在充电式智能磁粉探伤仪存在不 足的基础上，通过理论分析和实验调试，对该机型的关键技术进行改进。 本文将着重从以下几方面进行研究分析： 1 绪论 1 ) 、磁粉探伤的受力模型分析 由于现有的磁粉探伤原理分析，不是基于以库仑定律为基础的磁荷理论， 就是基于以磁现象本质的安培“环流”假说为基础的磁荷理论，而且它们用于 不同的磁场基本物理量磁感应强度b 和磁场强度h 所推导出的宏观规律表 达式却相同，但是由于电磁结合的复杂性，如果想要完整地描述工件缺陷处的 漏磁场磁场强度是个极其困难的问题。那么在这里我们提出一种简明的物理模 型模型来对单个球形磁粉在缺陷漏磁场中的受力进行分析，并以此来研究影响 磁粉检测灵敏度的主要因素。 2 ) 、方波电流产生磁场的机理分析 通过物理学的电磁理论推导，来寻找一种能够一次探测就能探测出不同方 向缺陷的磁轭探头；同时通过理论推导来阐明采用方波电流作为磁化电源的单 磁轭产生的反相变化磁场，以及采用十字交叉磁轭进行磁化时产生的旋转磁场 都大大提高了磁粉检测的灵敏度。 3 ) 、磁化电源的驱动电路改进与分析 单片机的输出信号利用光电耦合器件来实现不同组电池系统的隔离，利用 i r 2 11 0 驱动m o s 管，防止m o s 管烧毁并保证m o s 管可靠驱动。 4 ) 、基于有效控制的思想 采用了电源监测和对驱动电路的电流检测来使设备稳定的工作，并针对未 知深度上的缺陷探测，在软件编程中引入初始化后的扫频技术，来解决这个技 术难题。 5 ) 、磁粉探伤机的稳定性和电磁兼容性分析 先从磁粉探伤机的整体构架进行分析，从整个电路板的布局及磁轭结构的 改进上来降低电磁干扰的影响。另外加入一k 次工作状态的记忆功能来实现探测 技术的人性化。 6 ) 、对逆变式磁粉探伤机关键技术改进的实验测试和总结。 8 2 逆变式磁粉探伤机的理论探讨 2 逆变式磁粉探伤机的理论探讨 2 1 磁粉的受力模型分析 在磁粉检测时，所施加磁粉不仅要受到被检测磁化工件非连续处的梯度变化 漏磁场的磁力作用，而且还受到来自地心的重力、液体介质的悬浮力、摩擦力 及磁粉微粒问的磁力等作用力的影响。 那么在这里我们就利用“磁荷”理论【_ 7 1 ，通过一种简明物理模型来对单个球 形磁粉在缺陷漏磁场中的受力情况进行理论分析( 如图2 1 所示) ，并针对磁粉 探伤中的各因素对便携式磁粉探伤机性能的影响进行定性的分析。 g 浮 ja 二 、 。、 f 磁靠 ll l 7 、 1r g 图2 1 磁粉受力模型 其中：心表示磁粉在缺陷漏磁场中受到的磁力作用。 几表示磁粉在运动过程中受到的滑动摩擦力，其大小由悬浮力& 、重 力g 和摩擦系数“决定。 在研究磁粉运动过程中，将在漏磁场产生的一个极小梯度力作用下磁粉的 运动看作一小段匀变速直线运动，且磁粉在该力作用下的位移可以假设为s ， 同时设s o 为探伤中产生明显磁痕所需吸引磁粉的最大距离。 根据牛顿第二定律f - - m a 可得： = 一= m a s = v t 9 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 2 逆变式磁粉探伤机的理论探讨 有( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可得： s = t i 蚰e l o d m ( 2 3 ) s ：漏磁场所能吸附磁粉的距离 m ：单个磁粉的质量 t ：磁粉在磁场力作用下运动到裂缝的时间 在公式( 2 3 ) 中，磁在整个运动过程中是随着漏磁场梯度力变化而变化的 量，在当磁化磁场未达到磁饱和的情况下，其与充磁线圈巾的电流i ，线圈匝数n 有一定的对应关系。，合和t 决定s 值的大小，当s 1 ，则( 2 7 ) 式可化简为： 民风( 警) 亿8 ， 由公式( 2 8 ) 可以看出来：当电流i 和线圈匝数n 增大时，漏磁场的磁场 强度风在一定的范围内也将增大，吃也随之增大。 同时由公式( 2 7 ) 可知，当增大时，则漏磁场所能吸附磁粉的距离s 也将 增大，这时距离缺陷更远的磁粉颗粒会被聚集到工件的缺陷处，有利于缺陷处 的磁痕放大，提高磁粉探伤的灵敏度。 2 1 2 磁化电流频率及摩擦力的影响 在上面建立的物理模型中，通过我们的理论计算和公式推导，可得到磁粉 在漏磁场的磁场力作用下被i 及附到裂纹处的时间t 与产生磁化场强的电流频率 f 有如下关系： 1 ) f 上 当磁粉遥动时间大于电流的脉冲宽度时，由于磁粉没有足够的时间运动到所 探测的裂纹处，则会导致漏磁场所能吸附磁粉的距离s 减小，当出现s 2 鲮( 圪一1 0 1 5 ) ( 3 8 ) 高压侧m 0 s f e t 导通时间乙 在整个高压侧m o s f e t 导通时间内，自举电容要保持足够的电压使器件 充分导通如果设高压侧通道静态电流为，。，那幺c 应满足： c 2 l 乙( 圪一l 卜1 0 5 ) ( 3 9 ) 低压侧m o s f e t 的最短导通时间 由于自举电容的充电速率是有限的。因此，c 的取值应保证在低压侧m o s 管的最短导通时问内使其两端的电压完全被恢复。 自举电容的选取在综合考虑上述三个重要因素后作出初步选择，然后在后 续的调试工作中根据使用频率的情况来进一步进行确认。我们在实验调试中选 用了l u f 可以保证驱动m o s 管的正常工作，最高工作频率可以达到8 0 k h z 。 2 ) 、自举二极管的选择 自举二极管作为一个重要的自举器件，要在阻断直流回路中的高压的基础 上，能够在电流上承受所带m o s 管栅极电荷与开关频率之积的电流值。另外自 举二极管所能承受的最大电压值，应使其可以安全地工作在高压侧供电电压下。 其中我们所说的额定电流可用下式近似求得： l 2q 宰c ( 3 1 0 ) 式中p 是工作频率。 为了保证栅极供给电荷的要求，选用二极管时，它的的反向漏电越小越好， 而且最好是超快恢复二极管。 3 ) 、i r 2 1 1 0 的s d 使能信号的使用 i r 2 1 1 0 功率驱动芯片的使能端s d 对整个硬件的设计起着重要作用，下面将 给出本文设计中对s d 使能端的硬件处理，( 如图3 1 3 所示) 3 4 3 新制逆变式磁粉探伤机的关键技术 。f r 艚 l 畦 l 肿 i 啪 口 1 2g e ) b l l l f i o 9 3 1 3i r 21 1 0 的o t ? l u l t 、斗j l i 斫i ! 硬件l 乜路 图中搭建的两级三极管电路起到电平转换作用，用来增大单片机输出的使 能信号的驱动能力。又因为所设计的第二路是磁化电源单双路复用的驱动电路， 它的供电电源是随着磁轭探头的不同而选用相对应的值，此时的两种电源公共 地不同，所以我们要加入光耦隔离电路，同时也用来提高电路的抗脉冲能力， 因为干扰脉冲的能量小，不足以使光耦的发光二极管导通。这里要注意光耦输 入与输出电阻的匹配，如果阻抗不匹配，那么在高频率下和低频率下就会出现 波形失真，低电压状态下不能被有效拉低或是在高电平下不能被有效拉高。( 如 图3 1 4 所矛、 5 v 1 5 v o 电j 立v 蕊：，蕊：，蕊= - 蕊： 日寸r 可t 3 1 4 光耦电阻不匹配下的电压失真波形 同时由于s d 信号的影响，我们用示波器调试驱动电路时，在m o s 管的g s 上的电压不是一个方波电压，而是一个失真的波形，( 如图3 1 5 所示) 分析其 原因和进行相关的软件修改验证，发现其失真波形中的t l 和t 2 是由于在程序编 程中对s d 信号的使能位操作延时造成，当在高频时，这种情况更为严重，但是 3 新制逆变式磁粉探伤机的关键技术 由于硬件的限制，这里只能尽量减小误差。 v 3 1 5m o s 管g s 端的电压失真波形 三、软件改进 由于m o s 驱动桥硬件的改进，加入了i r 2 11 0 功率驱动芯片，则要求我们 在程序设计中也要对该芯片的控制使能端s d 进行编程，同时由于该设备的核心 控制芯片采用了p h i l i p s 公司的p 8 7 c 5 9 1 微处理器，在使用其内部定时器来产生 方波时，由于它的最大定时周期不够实现所设计波形的一个周期，那么就需要 利用循环计数的方式来实现多个定时周期相结合构造出一个需求的方波波形。 在原设备中用定时器的8 次循环来实现一个方波周期，但是在调试波形中观察 到它所输出的方波波形中，半个周期波形是由8 个小脉冲来实现，相当于一个 梳妆波形。如图3 1 6 所示 3 1 6p 8 7 c 5 9 1 输出的梳状矩形波 该问题通过对每次进入定时中断的子程序的初始化修改，能够输出j 下常的 方波。 另外在整体的软件编程上了为了实现探测设备对被检测材料上不同方向， 不同深度的缺陷的一次性探测和探测设备工作的稳定性、安全性。我们改进了 3 6 3 新制逆变式磁粉探伤机的关键技术 软件设计流程，如图3 1 7 所示： 3 1 7 软件流程图 在这个程序流程图中，在开机的一瞬间首先进行电池组的电压检测，防止 设备工作在欠压状态，对工件的磁粉探测灵敏度不高。随着对所用磁轭探头的 识别，在默认初始化的过程中，设备首先将方波功率由低到高循环运行一周， 这样就可以实现对被检测工件中未知深度缺陷的检测。通过上面的程序修改， 使所研制的磁粉探伤仪更加稳定可靠。 3 7 3 新制逆变式磁粉探伤机的笑键技术 3 2 基于效果的控制思想 设计磁粉探伤仪所基于的原理是磁化电流的大小对磁粉检测灵敏度有重要 影响，为保证磁粉检测灵敏度，必须保证设备工作电流上的稳定性，通过对供 电电压的检测来大致进行工作功率的设定，这样不能够精确地监测设备最终的 探测效果，如果我们能直接在设备的驱动桥电路上来监测电路电流的变化，从 最本质的影响因素着手，就可以准确的控制设备总是工作在最大灵敏度状态， 同时整个设备也通过这个反馈信号从而使其形成一种有效地闭坏反馈系统，这 就是基于效果的控制思想。 3 2 1 电流反馈检测硬件电路 为了实现对设备的电流检测，在驱动电路的m o s 桥中加入一个测流的取样 电阻，因为要考虑到电阻自身的功率消耗和在桥路中所要承受瞬问的强电流脉 冲，就要求所选用的电阻值要小，但是却又很高的功率值。除去以上考虑的两 种因素外，还要考虑到所采样的最大电流值经过采样电阻后到达a d 采样端的最 大电压值，如果在单片机自带a d 采样引脚的电压范围内，就可以经过滤波直接 采用，否则就要经过一定的分压滤波电路将其采样的电压转化到所允许的电压 范围内。 上面所提出的改进方案是否合理，还要进行进一步的理论验证。因为要实 现上述单片机自带a d 对驱动电路电流值的采样，还要求a d 的采样速率足够快， 能在有效时间内采集到有效的电流值，这样才能更好控制整个电路电流值调节。 因为本文研制的磁粉探伤机所使用的单片机p 8 7 c 5 9 1 内部有8 位a d 和1 0 位a d ( 两个a d 内部程序可选) 。当选用1 0 位a d 时，其采样速率为4 0 k s ， 完全能够及时有效地采集到检测电流，并且该单片机是5 v 工作系统，其自带的 a d 采样引脚允许输入的电压范围为俨_ + 5 v ，而驱动电路所能流过的最大电 流为1 0 a ，那么通过上面电压范围的测算，在这里选用一个0 5 欧1 0 w 的水泥 电阻满足上述要求，采样的电压可以经过滤波直接送单片机a d 进行采集。 ( 如图3 1 8 所示) 3 新制逆变式磁粉探伤机的关键技术 图3 1 8 加入电流检测的驱动电路 图中的r 3 5 即为所选用的采样电阻，其中的u lt e s t 连接到a d 采样引脚的 采集端，从图中可以看出，当场效应管q 3 l 与q 3 4 同时导通，则就会形成b q 3 l 一感性负载q 3 5 刈d b 这个电流凹路，此时驱动电路的电流会被采样电 阻r 3 5 转换为采样电压送入a d 进行采集，然后单片机根据设定所允许流过的最 大电流和正常探测条件下所需要的电流来调整驱动电路的工作频率，直至保持 驱动电路电流的相对稳定性，从而保证整个设备的探测灵敏度。 另外由于驱动电路的磁化电流是一个如图3 6 的波形，那么在a d 采样时， 要保证采样到的磁化电流为最大值，否则就会出现因采集值的不准确而造成对 设备的反馈控制错误，进而影响探测灵敏度。因为设备的磁化电流产生是由单 片机来控制输出，那么只要在单片机输出波形的下降沿之前进行一次a d 采集， 就能准确采集到磁化电流的最大值，从而解决a d 采样不准的问题。 3 2 2 电流反馈模块软件设计 在上面的硬件改进的同时，也要对整个系统的软件编程进行修改，要保证 在整个工作流程中加入基于效果的控制模块能够实现监测功能，但又不影响其 它性能的实现。( 如图3 1 9 所示) 3 9 3 新制逆变式磁粉探伤机的关键技术 图3 1 9 系统程序流程示意图 在这个流程图中初始化后的机器基本工作状态检测模块是对设备做相关的 电源电压检测，触发端检测，以及电池欠压报警的处理的一个总括模块，基本 功能没有改变，由于上文已有讨论，此处不再作详细讲述。下面注重讨论加入 检测电流的模块，在设备进入正常工作状态时，在查询到有触发键后进入到功 率增加键判别和电流检测自动调整功率，这样设计的好处：如果当有人为增加 功率时，功率可能大于设备所承受范围时，在设置后设备可以再根据其自身承 载能力对过流进行相应的调节。如果当有触发键触发，但没有功率增减键中断 时，设备会自动进入到电流检测并根据电流大小来自动调节自身工作频率，实 现一个闭环自调节反馈系统。 另外一个软件考虑因素是当单片机主动对驱动电路进行电流采样时，要保 证电流采样准确性，首先要保证驱动电路的电流频率不能大于a d 的采样频率， 同时也有必要在软件编程中防止此种情况的发生。 3 新制逆变式磁粉探伤机的关键技术 3 3 本章小结 综上所述，本章主要做了如下工作： 1 ) 、首先确定了磁化电源设计的基本要求和所定目标。然后从磁化电源的 基本理论分析入手，来对最基本的磁化电源进行分析，进而引出所要设计的方 波电源，然后从软硬件改进设计进行了详细的阐述。 2 ) 、在电路设计中加入了对驱动电路的电流检测功能来保证磁粉探伤