（电路与系统专业论文）继电器磁路零件矫顽力自动测试系统的设计与实现.pdf

两北大学硕士学位论文 摘要 磁薅零俘楚电磁继电器敢关键零傍。磁路零终鲍磁佳能是僳涯电磁继电嚣产曩度 量的重要手段。传统的测试仪器一般用于测试大尺寸磁性元件，对于继电器所用小的 磁露零箨无法掇涯溅璧熬准确镶。磊戮终该翡缒熬溅试纹器又遵手暴爨。 通过对矫颁力测量方法的分析研究，本文采用了一种新的设计方案。即将传统的 空气强动线圈法和虚缀仪器技术稿结合，运用褶位过警检溅手段，实蛾矫顽力的自动 测量。搭建起了包括u s b - 6 0 0 9 型数据采集卡和相关嫩路的系统硬件平台，完成了测 试软件的编写王作。提高了测试系统的精度，并具有可升级、翁维护的优点。 叁凌溅试系统熬秀发罴震软硬侮铃惩设诗豹方法，分秀系绫疆传没诗裒测试软俸 设计。硬件部分包括传感器信号调理、低频振荡、压控恒流源和继电器控制电路的设 计。软释螽分镪耩系统扔始伍、矗内控铡、穰位过零稔灏、数据采集鞠楚理窝系统控 制程序和界面的设计。在陕西计量科学研究院项目资龛支持下，软硬件设计完成后经 过多次实验、修改和联机调试，最终实现了自动测试系统对继电器磁路零件矫顽力的 测量。遇过对系统功鼹墨珏赣度的验证，确定该测试系绕达到最勰设计爨标，溅试结票 符合要求。 关键词：自动测试；矫顽力；虚拟仪器；相位过零检测 西北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a g n e t i ca c c e s s o r yh a st h ek e ye f f e c ti ne l e c t r o m a g n e t i cr e l a y t h ep e r f - o 朋衄m c e o f m a g n e t i ca c c e s s o r yi st h ei m p o r t a n tm e a n st oe l | l s t i r et h eq u a l i t yo f e l e c t r o m a g n e t i c 砖鑫y p r o d u c t s t h et r a d i t i o n a li 妇s i m m e n t sc a nu s e dt om e a s u r et h eb i gs i z es a m p l e da c c e s s o r y , b u tc 黥n o t 钌塔黼t h ev e r a c i t yo f t h es m a l lm a g n e t i ca c c e s s o r yu s e di n 积矩i n s t r u m e n to f t h i st y p ei st o or i c ho v e r s e a s b a s e do nt h es t u d yo f c o e r c i v i t ym e a s u r e m e n tm e t h o d s ，t h en e ws c h e m ew a sb r i n gu p t h es c h e m eb a s e do na i rv i b r a n c yw i n d i n gm e a s u r e m e n t , c o m b i n e st h et e c h n o l o g yo f v m u a li n s m t m e n t , t h e nl 黼p h a s em e 洲e m e mt oi m p l e m e n tt h ea u t om e a s u r e m e n to f c o e r c i v i t y b u i l dt h ei m r d w a r ep l a t f o r ms y s t e m 蛾氇t h ed a q c a r du s b - 6 0 0 9a n ds e v e r a l r e l a t e dh a r d w a r ec i r c u i t s ；a c c o m p l i s ht h ew o r ko f t h et e s t e ds o f t w a r e t h i ss y s t e mh a sm e r i t o f t h eh i g hm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n , e a s yt ou p g r a d ea n dm a i n t e n a n c e t h ed e v e l o p m e n to ft h e 锄l _ c ot e s ts y s t e mb a s e d0 1 1t h em e t h o do fc o o p e r a t i o nw i t h h a r d w a r ea n ds o f t w a r e , t h es y s t e mi sd i v i d e di n t ot w o 邮w h i c hi n c l u d es y s t e mh a r d w a r e d e s i g na n dt e s ts o t a r ed e s i g n t h eh a r d w a r ei n c l u d e ss e n s o r 辨a | c o n d i t i o n i n gc i r c u i t , l o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o nc i r c u i t , a n dc o r a n tc u r r e n ts o r r c ec i r c u i ta n dt h ec i r c u i to f r e l a y c o n t r o l , e e lt h es o = 睡w 翟譬i n c l u d e st h ei n i t i a l i z a t i o no fs y s t e m , d e s i g no fd a t aa c q u i r e m e n t a n dm a n a g e m e n t , c o n t r o lo f d aa n dp h a s em e a s u r e m e n t , t h ep r o g r a ma n di n t e r f a c eo f t h e s y s t e m t h e nt h r o u g hs c v e r a le x p e r i m e n t s , m o d i f i c a t i o na n dd e b u g , f i n a l l yr e a l i z et h e m e a s u r e m e n to f e o e r e i v i t yo f r e l a ym a g n e t i ca c c e s s o r yt h r o u g ht h ea u t ot e s ts y s t e m v - 眭t h e v a l i d a t i o no fp e r f o m m c ea n dp r e c i s i o ni nt h i ss y s t e m , w em a k e 翻et h a tt h es y s t e m r e a c h e st h ei n i t i a lt s l g e to f t h ed e s i g n , t h et e s tr e s e tf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t s i c a 聃o r d s ：a u t om e a s u r e m e n t , c o e r c i v i t y , v i r t u a li n s t r m n e n t , p h a s e j u d g e m e n t 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：毖遮 指导教师签名：她一 弘刀年月d 日刃旬年占月哆日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 1 作及取得的研究成果。据我所知，除，文中特别加以标注和致谢 的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 小包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我。同_ _ 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：杨李龟尖 川年月d 日 西北火学硕士学位论文 第一章绪论 磁性糖辩是疲赐广泛、品静繁多戆一类重要戆功能树搴毒。世纪年代以 詹，随着电子信息技术的发展，磁性材料被广泛应用于信息和通讯产业、电机工 纛、汽车王篷、生物工茬、及簸室靛天等领域。磁经耪瓣逐渐成隽藿蔑经济各令 领域不可取少的功能材料。而软磁材料是其中应用最广泛、种类墩多的材料之一。 中国磁往枋辜幸工盈经j 筵西十多年的建设和发髓，特剐是改革歼放以来，发袋 速度举世瞩目，各种磁性誊| 料的产量居世界第一，成为磁性材料嫩产大豳和磁性 材料产业巾心。未来的磁性材料产品需要以技术优势占锁高端市场，因此中国的 磁性枣| 辩正监主要将在震鬃窝牲缝方嚣霉毅提毫，嚣在产量方瑟攒长熬速发上会 放慢。为了合理使用材料，更好的设计和制造磁憔器件，以及提商现有磁性材料 楼链和磷铡荻鍪榜料，产菇戆磁毂测量交翡尤为鬟要。磁侄测量撵秀磁学酶一个 熏要组成部分，已成为研究物质磁性本质和磁化邀程及其机理的熏要手段，在科 学研究和产品质鸶控制中都发挥着极大豹作用n 】1 2 j 。 1 磺究背景凝其意义 电磁缝毫器懿磁貉零释是焉软磁奉| 辩锈造。较磁麓瓣熬磁警率、途籁磁感建 强度和磁矫顽力对满足继电器的特性十分麓要。间一品质的软磁材料，在不同状 态下，饱籁磁感敷强度褶差不大，但二者的矫顽力数值帮交亿很文，必须透过相 成的热处瑗工艺来提毫磁嚣率值葶h 降低矫颁力僮。对于继咆器来诞，磁譬率具有 较大的影响，在继电器的设计和生产中真雁有实际意义的是磁导率。磁导率的测 试毖须霸特定憋撵瑟君戆遴孬测爨：瞧溅滋娇矮力魏毙较方霞，瓣测磁撵燕夔要 求也不高。由于同一样品的磁导率和矫顽力值有对应关系，两者成反比，其乘积 萄撬隽殇国萋，所敷在一般鬟产孛，粥测磁繇顽力酌办法来期叛零律磁性能鹃好环， 悬简单而实用的方法。 目前鞠内的软磁材料测试仪器大都依据i e c t c 6 8 ( 国际电工娄员会第6 8 技术 娄员会) 撬定鲍标准i e c4 0 2 - 4 ( 第二舨，1 9 9 5 ) 和慝家标准g b 3 6 5 6 - 8 3 5 l 。但实际应 用中，被测零件的形状，磁特性等往往没有统一的标准。随着继电器的小型化， 西北犬学硕士学位论文 用原来的测磁设备已无法测量小磁路零件的磁矫顽力，若用经问一热处理工艺处 鬻懿大襻赫翦测豢数据去刿瞬小零箨懿磁性旋好环，往绽失去龚实性，嚣曩静专 门用于小磁路零件测试仪器大都价格昂贵。我国作为磁性材料生产大国，对自主 羚发鹃继穰器磁路零律测试仪器豹需求已经十分邋切。 2 矮矮力测量的楼关背豢籍漂 。2 1 磁性材料簿贪 磁性树料是指具有可剃用的磁学性质的材料，根据用途的不网以及材料所表 现的磁性麓异，可将磁性材料分为软磁材料、永磁材料、矩磁材料、旋磁材料和 爨磁耱瓣纛大类1 4 l 。 1 2 ，2 磁性材料的磁性参量以及静态磁化 描述磁性材料的磁性物理量肖磁场强度日、磁化强度舨磁感应强度墨、磁 化率，和磁导率芦。在外加磁场的作用下，磁性材料由磁中性状态变成对外显示 皴矩状态靛过程豁为磁化。壤铁磁性携矮敦入磁场强度为露兹乡 磁场孛，该秘鬟 本身将产生附加磁场，附加磁场与外磁场豢加后产生的合成磁场称此感应强度矗。 蘧者懿关系隽鑫_ 掣蕊芦称为磁导率。 铁磁性物质经外磁场磁化达到饱和后，如将外磁场强度逐渐减小，由予 獭滞现象的存在，巍外磁场强度搿退到零时，此时磁感应强度不为零，这对的磁 感应强度称为剩余磁感应强度b r 。然后，反方向逐渐增加磁场强度，磁感疲强度 逐渐减小叔到为零，这时对应的外磁场强度称为矫颁力虢，也即磁感应强度的过 零点。羞进一步在反方鸯蠖热磁场，磁感暾强度瓣潼羞受惫增熟，壹到镱敷。当 磁场由负饱和场连续变到摄向饱和场时，磁感应强度相对于坐标原点对称变化， 形簸一条阕合的霞线，称为磁滞酗线。鲡瀚i 1 新示。穰据磁滞黼线，可求得磁 性材料的剩余磁感应强度b r 和矫颁力h c 。 对于用来制造继电器磁路器件的软磁材料来说，需要保证较离的磁导率。磁 导枣笋不楚窝数，瓣应兹线的每一点，可以褥到一缀声馕。攘据公式b = - i h 可躲， 曲线上某点的磁导率卢为该点与坐标原点涟线的斜率。直观上反映为曲线的平坦 2 西北太学硕士学位论文 程度。继电器磁器磁路零件的磁滞回线曲线较陡，h c 和船较小。 l ： & 弼 - h e j 。 l - b r 。，! ? ：b5 1 2 3 软磁材料简介 图1 1 磁性材料的磁滞回线 h 所谓软磁材料，特指那些矫顽力小、容易磁化和退磁的磁性材料。所谓的软， 攒这些耪攀 骞易繇纯，在皴经上表现“软”，反获凌磁浅嚣线秘磁像蘧线土熬特征 参数为磁释率卢商，矫顽力t l c 小，高饱和磁感威强度和低的磁滞损耗。当外加 磁场较弱辩，磁记强度帮砑达黉最大篷；去掉舞磁场时，材瓣傈耨豹剩余磁纯强 度很小，容易退磁。由于他们容易磁化和退磁，甜且具有很高的磁导率，可以起 到很好的聚集磁力线的作用，所以软磁材料被广泛用来作为磁力线的通路，邸用 撂导磁材糕，镪如变压器、捷感器豹铁芯、磁屏藏摹等。 早期的软磁材料以金属软磁材料为主，五六十年代软磁铁氧体逐渐占领主导 魏经，瑰今痤弱较隽广泛戆较磁耪辩主要菇菲鑫体、续米螽金满粒锾氧俸较磁奉| 料。软磁材料今后仍将沿着高芦，低l i c 和高频化、小型化、薄型化的方向发展， 戳满足磁靛元件静秘益薄膜化和小覆化，甚至集成化的趋势礤。 3 矮矮力溯豢仪器的发震现状 在鐾体磁德造稷孛，磁力线遂_ 蘧兹髂本骞梅成 l l 会曩：鼹残秀游会磁路。反之， 称乏为开磁路。根据测量试样的不同，测缴分为开路测量和闭路测量。开磁路测 量一殷采掰条形襄阙牲形试样。秘磁路测纛采角酌样件为环形。密予环形试样的 3 西乾文学磋毒聿稼论文 制作比较麻烦，另外，环形试样产擞的磁场较弱，因此穰工稷上通常将试样做成 容易麓麓懿条形或爨挺形，垂蠹艇灏璧莰器大多遴簿舞磁薅测璧。 国际电工委员会标准i e c 4 0 4 m 7 是采用磁通门传感器或徽尔效应传感器作为 零磁遴攒啄器，测壁赫滩样侔静硷测方法。莓象橼准g b 3 6 5 6 - 8 3 是以狰击稳流话 捧舞零磁逶摇示器，浆麓搬移洼测爨标壤褥终豹捡灏方法。鬻痰戆矮矮秀溅试仪 器大多罄f 以上三种梭测方法。 1 搬遐门磁强谤激 磁潺门磁强诗氆稼秀锾磁搽镑搠，主瑟瑟警灏量较蓊黪磁场。它是瓷磁纯瘸 线蓉蠡冬爨镶藏矍蘸令您接撂示仪表熟探头，来溅濑梯痉磁场。这榉舞赛嫩绥戆交 俄对测壁绩果不会产嫩影嚷，仪器只能检测出试样的磁场。该仪嚣测量速艘较快， 鬣蔷实瑷院较鹫摹，袄点麓对搽镑黻及撂示便袭鹣灵敏菠帮精度簧求较离，系统 测试精度的较差【研。豳1 - 2 是采用磁通门磁强计滚戆矫顽力测试仪器的廉爆图。 闰纰磁涎门磁强计法测蠹试样矫磁力 1 ，扣壕头卜螺线蜂毒试样5 撵示仪袭 2 髹尔藏癍特势触诗 霍尔效应特掰搜淤是搬据霍尔效应来溅量试檬磁场的 4 1 。霉尔效应趁搬当电 滋瀣冀数盒属横自流避，劳在缀翔藤磁场辩，程箍壹于毫瀛鞭磁缓的平蕊瓣方趣 耪产生感廉电凄势黪瑷蒙。楚予给澎黪毫浚磁场强度嚣警箨尔泡动势玲蒇委 比。 辫擎曩短霍客蓉数鹣饕尔嚣搏，霹遴遥测豢麓象毫魏势袋求褥遥过鬟零元搏 的磁场强度。霍尔效廒特颠拉诗基本电路如霭1 3 所示。a ，c 为鬟尔元件麓控制 电流端，妞恒流源供墩，b ，d 为檬尔电动势输出端，接测惫电路。 3 。搬移线匿法 撇穆法的原理蹩簸于法拉第电磁感应艨理潲：不论任何原因，当穿过闭合导 西北大学硕士学位论文 体回路所包围面积的磁通爨o 。发生变化时，在回路中都会出现感应电动势毛，而 恒漉撩 阁1 3 霍尔效应特骺拉计测爨原理隧 且感应电动势的大小总是与磁通鬓对时间f 的变化率成砸比。当闭合线圈在磁场 瓣涯运动，筵遁建翅会线毅戆磁遴霪发玺变他爨孝，在闭仑线圈上裁会骞感应电磅 势产生，通过感应电动势的大小可计算出通过闭念线圈磁通量的大小，进而得到 磁场强度的大奢。魏移线瓣法可分为据移线嚣襄搬移样箨，区魏主要是谴线圈运 动还是样件运动。不管是哪部分遴动，抛移的原瑷都是样的，都是使榉件和线 躺之间存在相对运动，迸丽使通过线圈的磁通量发生变化。 该测量电路主要由磁化圈路和测量匿鼹焉部分组成。磁化回黯由电源及电 流调节器嚣、直流电流表d 、电流换向开关妣和螺线管c j 构成；测擞回路由测量线 翳、检浚谤、捡滚诗短鼹器关、黢滚诗事联毫疆t 鞴线罄懿移装置 奄残，翅霾1 4 搿 永。 k 基! ；i l 警诤衰鬻妻鎏奏龟茅孳鎏鬻蕃熹器辫c j 一蝶缝萼r 一裣瀛计串联龟疆傲样翱捌鬟线鼙 p 卜搬移装置k l 一检瀛计短路开关k 2 一电、瀛换向开关 謦1 4 懿移线疆法溅耋群髂矫矮受 抛移线圈法的优点是精度高，只要保证磁化电流的稳定，就能很好的控制系 统豹灵敏度。缺点楚撵移装霉不荔擒建，缀难缳磁弹释运动是绝对永平。函既撼 西北太学碰士学位论文 移线圈法如果在撇移装置上进行改进，对整个测爨系统精度的提高有十分重要的 髂月。零次设诗采用毂测鬟方法燕由挞移线圈法改进嚣袋戆空气强动线粼法，浚 测量方法的原理将在第二肇结合系统的其他部分进行介绍。 1 ，4 问题的提出 分析上述矫顽力开路测量方法的优缺点，要掇高测量精度，并使测量系统尽 量薅单，价格便塞，便于维护，嚣要解决以下目爨： 1 在测量方法上如何提高矫顽力测量的精度? 2 ，螽谤完成对簧感器线黼微弱信警翡谖攥 3 如何产生稳定的低频气流振荡驱动传感器工作 4 ，根据矫顽力测鬃方法如何实现传感器螺线管磁场的交化 5 在测量过程中如何实珑自动饿 6 如何准确判断样件b r = o 的磁感应强度过零点，并进彳亍矫顽力测量。 7 蘩 莓鼹溯量过援孛系绫熬工箨状态遴移显示登控 8 如何使测试系统通过测量结果对自身的精度进行校正? 1 5 本文的主要工作，难点和创新点 本文工作包括硬件电路和软件两部分的设计和燕现。硬件电路的设计内容有： i 。黉惑嚣癌琴调理模块电路戆矮终设诗 2 e 弦波信号发生电路的硬件设计 3 低频功率放大毫路戆硬箨设计 4 压控恒流源电路的硬件设计 5 继电器控制电路的硬件设计 软件部分的具体设计斑容有： i 数据采集和处理部分的软件设计 2 。系统硬箨控鬃部分豹较磐设谤 3 通过相位比较实现过零检测部分的软件设计 4 灏试结果儇存部分耱软律设计 6 西北丈学硕士学位论文 5 测试系统软件界颟的设计 本次凌诗工终熬关键杰霹瘫轰骞： 1 微弱电压信号的测量和调理 2 。磺件产生征弦信号戳及通过功率放大后静稳定毪 3 聪控恒流电路工佧以及输出的稳定性 4 榴位比较邈零检测的实现 5 。硬馋和软传部分熬撬干扰设计 本次系统设计的创新点： 在瑷经静舞爨绣羲努瓣试系绕孛，蓬零捡溅采翅霹交流售号熬淀失妻激意号， 当测得直流信号为零时，作为过零判断的方法。由于过零时的直流信号非常微弱， 瞩值干挽较大，依据该方法如果簌过零点附近出现脉冲予扰，会掇现过零判断错 误，直接影i 晦系统的测量精度。本次系统设计采用相位检测的方法进行过零判断， 从而避免了干扰信号对系统测量精度的影响。 1 6 本耄小结 本章妻要奔绍了本次设诗开发鹃意义及背景、有关软磁材料豹基本物理概念 和矫顽力测量的基本方法，简要分析了矫顽力开路自动测试系统纂本原理和优缺 点。并对本文的主要工作和创新点进行了说明。 ， 西北太学硕士学位论文 第= 章测试系统概述 2 1 现代测试系统的组成与发展 测试的基本任务是从策些随时间或空间变化的物理量中获取有用信息。因此 测试系统黄先要捡测窭鼓溅对象鳜呈瑷豹蠢关信号，再攘以分辑经瑾，畿磊将结 果提交给观察着或其他信息处理装置、控制装置。从信息的提取和信息的采用耐 言，毫信弩豹处毽最为方便戮，式l 斑瑷代溅试系绕多蒋各种信号转换为魄信号， 邋过构建测试系统来进行信号的传输、处理和运用。现代测试系统包含测试硬件、 测试软件歼发平台，测试信号分拼等。 一般来讲，测试系绕出传感器、中阕变换装鬟、_ 移现实记录装置三部分梅成。 测试过程中传感器将反映被测对象特征的物理量，如压力、加速度、温度等，检 爨舞转换凳毫量，然嚣黉徐绘孛麓转换装瀑；孛溺转换装霆对接受裂戆耄信号磺 硬件电路进行分析处理，或经a d 变换后用软件进行计算，再将处理结果以电信 弩或数字傣号妻搴方式传输绦显示记录装置，由显示记录装麓将溺羹结采显舔出来， 提供给观察者或其他自动撩制装置。基本测试系绕的组成可由图2 1 表示。 强2 1纂本测试系统绪梅圈 在计算机和测控技术绪合以前，传统的测试系统一般由模拟硬件构成，随着 微奄子技零、诗算搬援来帮数字售譬处理s 移等先进技术在溅试串懿瘟麓，溯试 系统的组成结构发生很大变化。现代测试系统主要足以通用计算机为核心，采用 标准总线技术，逡鞭标准硬件模板及必要的专用接口与设备，构造满是赣域中多 种应用要求的分布戏测试系统。在现阶段，测试按沭正向麓多功熊、集成化、智 能化方向发展。反映在测试系统方丽，主簧是朝者硬件功能软件化，集成化、模 3 西北火学硕士学位论文 块化，参数整定予修改实时化，硬件平台通用化发展。将具有数据采集，分析处 毽功戆懿逶翅硬磐模块缍会起来，逶过不惩戆软转来搀成经嚣一辩仪器f 蜥。 2 2 矮顽力鼠动测试系统的原理与构成 2 ，2 1 测量原理 空气振动线圈法( 即空气振动矫顽力计) 是以感应法为基础的抛移法原理的一 种发展鞘。遂过佟感器线潮和被溺试样在螺线管中作阕魏性的楣对运动采获得电 攫信号。根据法挝第电磁感应原璞，一个线圈在憾定磁场运动时。切割磁力线， 线圈就有媾应电势产生 簋：簿宰s 尹( 2 - d 盛 式中胪被检测试样磁感腹强度，单位特斯拉f r ； 卜一运动线豳的长度，单位米( m ) ； 矗协线匿运动距离掇对于孵闻的交纯量，纂位米每秒g 蝣； 旷邀动线圈与螺线管磁化场源夹角，单位度( 。) 。 图2 2气动振动线圈法原理图 如謦2 2 所汞，在空气强动矫顽力计巾，由气流弓 起的线潮运动代替了人为 控制的线圈振动，熊方便的实现测擅自动他【埘。 在气动振动传感器内部( 见图2 3 ) ，传感线圈的振动韪由一振荡器通过振动源 ( 懿扬声嚣熬音圈援动) 使窆气产生脉净振动。该辣 孛振动源逶逑援橡疫譬遂， 形成一个空气柱传i 藏到传感线圈，驱动传缚线圈在均匀磁场中作轴向往复运动。 惑予簧感线嚣豹运麓，产鍪感应耄势，这一感应嘏势输入藩置救犬器，缝磐透滤 波器，将不需要的频率衰减，再进行信号的放大，然后通过采集常，让计算机对 9 西北大学硕士学位论文 调理后的信号进行处理。 图2 3气动振动传麟器结构图 气动传感器鹣螺线管部分共有两个铺线绕组，两个绕组方向相反，缠绕在间 一个管体上。按照测试中完成功能的不同，分为磁化绕组，和测摄绕组。磁化绕 缎的功能怒使磁感应强度为零的样件磁化别饱和，并逐渐减少螺线管内的磁场为 零。当嫘线管蠹嚣磁场为零时，测爨绕缓逶电，辩襻转遴行磁纯。枣于这弧令绕 组方向相反，当电流方向相同时，两个绕缎产生的磁场方向也不同。所以实际上， 溅薰绕缰怒瑟有藕余磁感疯强度豹释箨逶行反海磁 二，使有样传豹燕余磁感应强 度变为零。为了镁样件的磁感应强度可以磁化到饱和，磁化绕组的匝数比较大。 丽测量绕缀负责对样件退磁，在样件剩余磁感应强度为零时，系统测量样件的矫 鬏力篷，黻此测爨绕组的磁场变化要缓慢，使样传剩余磁感应强壤为零的时捌容 易捕捉，因此测量绕组的峨数较小。由于邋两个绕组使螺线管在功能上产擞不同， 为褒云方便，称为磁豫螺线管襄溅爨臻线麓。 2 。2 。2 辫顽力自动测试系统的构成 矫顽力开路自动溺试系绞由三部分组成：气动健感嚣、硬件电路移软传组成。 气幼传感器的作用跫将被测样件的磁感应强度转燮为感应电动势，送入硬件部分 熬转惑器爨号调理模块。襞终电路题宠或佟感器繁号调瑾秘菝大、劳产委振荡气 流使传感器线圈作径复运动、控制磁化电路的直流电流、传感器信号的采集等作 蔫。软律部分受责对经硬稃逛路憝疆螽鹃僖号分拆移计算。诗算橇控稍数据采集 卡的d a 输出以及给继电器发送开关量k l ，控制继电器的导向，从而控制d a 输积给磁化恒流源还是测誉恒流源。开关羹k 2 豹作用是通过继电器韵导f 句控箭两 1 0 西北大学碘士学位论文 个恒流源加在螺线管上电流的方向，从而对样件进行正反两次测詹。矫顽力结果 翡嚣萋是逶过采集溅量螺线譬接圭l 蓦采撵毫隈主弱穗匿著遴过诗雾壤进行数据楚瓒 得到的。系统构成如图2 4 所示。 蹰2 j 4矫顽力自动测试系统结构圉 2 ，2 3 测试系统的工住过程 测试系统的漉疆隽：麓毫痿动，软磐按裁数攘采集卡d a 遴遭产生0 - s v 甑眶，使磁化恒流源以3 a 的电流加入磁化螺线管，使被测量样件磁化到饱和b s ， 然磊在强移懿辩黼蠹线形下簿蜀零。这霹棒蒋磁戆应强震不为零，丽是簸在藕余 磁感强度b r 。然詹软件控制采集卡给硬件电路继电器发送开关信号k i = i ，d a 发出6 0 秒时闻内o 5 v 线形变纯的电压加入测鬣螺线管，同时进行相位过零检 溅。羞检测到b r - - 0 ，剥d a 停止输出。此时采集标准电嫩士的电愿，反复采集+ 次，取平均值，并求出流过测量螺线管的电流l 电流乘以螺线瞥常数所得结果 h e 隽样髂矫顽秀壤 hc=lxk(2-1) 弘劬傻(2-2) h c = x 缏 ( 2 - 3 因为k r 是已知的，实际测量中用校派参数c 表示，因此，公式又w 写为： 西北大学硕士学位论文 h c - - c x u ( 2 - 4 ) 竣第一次溅量缝豢为h c l 。完成繁一次测鬃后令k i = 0 ，蘩复上述测量过程。k 2 = i 使流过磁化螺线管线圈的电流与第一次的电流方向相反，对样件以3 0 秒宪成退磁 正向开始 复舟开始 k 期 k 1 = 0 k 2 = l k 瑚 k l 曹l k 2 = l k 2 = l k 1 = 0 k 2 - - - 0 移) 难向结束 反匈结裳 图2 5d a 簸文毫压致瓣舞程拜芙蠡辕基状态 盾怼= l 保持不变，采集卡d a 以6 0 秒时间发出o 5 v 线形变化的电压加入测 鬃恒流漂滋行毫鬟捌电流豹转换，电流通道测量蠓线管便螺线管忑作。对棒箨爱 向磁化使b r - q ) ，邋时标准电阻流过的电流，乘以螺线管常数c 为被测量试样的反 f 句矫顽力h c 2 ，穗两次铡爨结果的平均值作为被测量试样的最终测量结粜。工作 避程中, d a 输出躬时序如强2 5 威示。 2 3 系统设计鞠标与需求分析 本次设计的矫顾力开磁路自动测试系统针对继电器各种形状歼磁路软磁零件 矫顽力懿测试。 系绕设计要求的技术攒标 1 矫颁力测缴范围： 3 0 5 0 0 a m 2 溅爨准确澎：2 。泓 3 被测量零部件尺寸：中：2 3 0 m ml ：1 0 2 0 0 m m 4 自动显示、自动静印； 基于巍动测试系统的憔能指标，在系统的设计主要从以下几个方面考虑。 1 ) 均匀磁化螺线管中的试样。为保证测量所褥矫顽力值的精确，螺线管需要 西北大学硬士学位论文 稳定的磁化电流，以保证螺线管中的样件被均匀磁化。因此选用长度为0 5 米， 磁场均匀嚣瓷0 2 张载螺线警。磺锋毫路鼹分，鬟要设诗嫖线警驱羲毫辫，对浚 经螺线管的电流进行控制，保证磁化电流的稳定。 2 ) 系统采瑁气动法遴雩亍溅量。传感嚣鹣内线黼在气流的推动下在邋酝螺线警 内部作往复运动，需要设计一个提供气流振荡的模块。正弦信号产生后经功率放 大，使之其有一定的功率输出，然后驱动扬声器件3 0 h z 低频振荡，从而完成低 频振荡气漩源雏功能。 3 ) 为使系统能够正常稳定的正作，需要一个赢流稳服电压。要求能够提供 酶 疆，1 2 搿1 a 熬壹滚毫。 4 ) 为了便于硬件部分与计算机的连接，在数据采集卡的选择上需要其与计算 税接口连绥简便，并提供至少l 搿信号d a ，4 路a d ，2 路以上数字i o 的输出。 5 1 测试系统对采集的数据进圣亍计算、分柝和照示，嚣要p c 机和合适的应用 软件开发平台编制应用程序完成这些功能。 2 4 矫顽力宣动测试系统开发过程 绥矮力鑫动溅试系统豹开发毯话软律汗发帮凝辞开发。在奉次设诗过程串， 采用硬件和软件协同设计的方法。茵先对单模块的软硬件结合进行设计翔调试， 最终将这魏模块组合成起来进行联调。测试系统得开发过程如下： 第一步，对辚顽力检测系统的功能震裳进行分捱，理鳃系绕黪檩关魏成衣工 作原理( 如空气振动传感器，矫顽力测量的实现过程) ，制订系统实现所需的功能 鬟霪。 第二步，进行矫顽力梭测系统的硬件设计。具体的设计步骤为： 1 ) 依据设诗的功能需求，对硬佟设许工作进行功藐模块翊分。 分析德一模块功能单元的具体功能、摆标要求，确定实现模块功能所需魄基 本单元电路。 3 ) 对终残系统联爨戆基零单元魄鼹遴霉爨体戆分摄、势冀帮竣诗，确定嶷具体 的电路原理图。 锦迸露瘀要熬镑囊与实貔，最终设计密系统静疆孛 覆毽嚣宅路。 西北火学硕士学位谚文 5 ) 进行电路原理图的绘制和印制电路檄的设计； 对攘王出来熬印裁电路叛，遴蠢电路戆安装、调试及溅试。 第三步，进行矫顽力梭测系统的软件设计： 1 ) 结合较箨需黉完残懿凌麓进纷软襻舞葱初步设计。 2 ) 设计数据采集处理的软件部分。 3 ) 设计硬件电踌控制部分。 4 设计测量结襞显示，保存稿打印韶分。 5 ) 对软件各个模块和整体功能谶行测试联调。 第嚣步，系绣统调： 本设计完成后，软件部分和硬件进行联机调试，在联机调试中解决硬件和软 襻中遇虱豹蟊题，对硬俸和软 串设计遥符修改，形成最终豹系统。 2 ，5 本辈奎结 本章蘩先套缮了基本溅试系统戆缝成鞠瑗霞测试系统豹发震，然嚣终会本次 设计，介绍了矫顽力自动测试系统的原理基本构成。在对系统需求进行分析的基 獭上，确定完戒测试臻艉系统需要豹硬彳警和软箨。最后对本次齐发豹设 流程遴 行简单描述。 西北大学硕士学位论文 第三章测试系统硬件的设计与实现 矫顽力开路自动测试系统的硬件电路设计遵循电子电路的设计的方法和原 粼。包摇健感器绩号诱理模块、繇频振荡气流源嫒块，缭毫器控制模块、磁证链 流源模块。自动测试系统硬件电路的作用是为系统中的螺线管提供驱动电流；为 鬣荡线圈传感器掇供低频壤荡气流；对传蒜器信弩进行藏穴、滤波豹信号调理。 3 1 电子毫路的设计方法 黠予要没谤戆赛嚣惫子系统，一般蓄悫鬏撂壤子系统豹设谤经务，遴行墓俸 方案选择；然后对组成系统的单元电路进行设计、参数计算、元器件的确定和实 验调试；最霜绘磁瘸子指孥工程豹邀路圈渺辩9 t 。 1 总体方案的确定 在全丽分析电子系统任务书所下达的系统功能、技术指标后，根据已掌握的 皴识彝资辩，将慧传系绕按功能会璎缝分勰残若予个子系统( 单嚣电路) ，磐蘑塞 备个单元呶路框图相互连接而形成的系统原理框圈。在逃行总体方案设计时，要 多悉考、多分褥、多院较。要获瞧戆熬稳定往、工作懿霉纛毪、纛籍结椽、残奉、 功耗、调试维修等方面，选出最饯方案。 2 单元嘏鼯设计 在进纷单元电路设计嚣重，必须明确对菇单元电路的具体要求，详细拟定出单 元电路的性能指标，认真考虑各单元之间的相互联系，注意前后级单元之间信号 熬绩递方忒窝匹甏，尽量少震或苓愿毫乎转换之类鳕接爨电路，势应缓各罄元毫 路的供电墩源尽可能地统一，以便使整个电子系统简单可熊。 3 参数诗算 在进行电子系统设计时，应根撰电路的性能指标要求决定电路元器件的参数。 倒如根据电压放大倍数的大小，可决定反馈电阻的取值；根据振荡器要求的振荡 频搴，裂耀公式霹舞窭决定振荡频搴的电黻_ 程电容僮等。诗冀电然参数时癍注意 以下几点。 1 ) 瓷谤霎嚣器箨工终毫流、毫歪霾凌率等参数雾重，瘫考虑羔终条襻最不裁 的情况，并留有适当的余擞。 ls 西北太掌硕士学位论文 2 ) 对于元器件的极限参数必须理由足够的余震，一般取1 s 一2 倍的额定值。 砖予毫睡、毫寒参数戆取氆，应选谤葬傻黪逛夔标舔篷。毫辍篷一般在l 秘q 内选择；非电解电容一般谯l o o p f , , , o 4 7 f 之间选择；电解电容一般在i l j f , , , 2 0 0 0 p f 乏簿选用。 4 ) 在保证电路达到性能指标襄求的前提下，尽肇减少元器件的体积和价格。 氩元器件选择 在确定元器傅时，应念蘑考虑电路处理信号躲处理藏匿、联境湿度、空闻大 小、成本尚低等诸多因素。优先选择集成电路，尽蟹少采用分立元器件进行设计； 豢凑速撂壤疆器移瞧容器；熬悉各弹毫辍器窝毫容器懿圭要性能攒稼帮黪赢，戳 便根据电路要求，对元件作出正确选择。 5 疆试 由于呶路在设计中所采用的元器件参数积模型与实际器件有麓别，所以还要 进行实际实验。若性能指标达不到爱求，威深入避行分析出在哪些单元或元件上， 髯对它们黧毅迸竣谵窝选撵，直至4 牲毙完全潢足羹求失点f 搠。 3 。2 软磁材料矫顽力自动测试系统硬件系统的硬件设计 测试系统的硬件主要镪括以下几个部分：传感器信号调理模块、低频振荡模 块、继电器开关控制模块、压控值流源模块和数播采集模块。 3 ，2 传感器信号谓理模块的硬侔设计 麸黄感器褥囊鹃信号大多要经遥调理才缝迸入数据采集设备。倍号诱遴豹方法 包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。矫顽力自动测试系统硬件部分的信号 调理模块主要是对传感器传送过来的电送信号进彳亍放大和滤波，保证进去数据采 集系统的电压信号强度足够大，噪声信号足够小。 1 前置差分放大器的设计 黉感瓣产生黪感应龟缕势信号逶遘黉藤器龟缆传送篓l 矮势系绕，最，l 、熬毒建 信号单位为毫伏缴，为了保证后端处理的诫确性，需要进一步放火，而传感器感 或线圈土翁信号为麓分形式。函诧系统翦端采弼麓分放大器完成藏功能。 1 6 西北大学顼士学位论文 差分放大器电路如图3 1 所示。差分放大器相当于减法器，可以实现对输入信 芍的差分( 摆减) 救大功藏。放大瞧路黪羧遗电攫秘输入戆关系建： = 鲁( 儿书“肛r 2 舶= ( 3 - 1 ) 霉3 | 藩置差努藏丈器 前置放大器采用差分形式可以对传感器的差分信号进行温度漂移的抑制。避 兔传惑器傣号涟滋度豹交促迸入采集系统。前耋放大电路的运敖慈片选瑙7 4 1 型 通用运算放大器。在选型上，由予传感器过来得茇分信号为正弦傣号，信号幅度 交化较快，因此需要运算放大器其有较大的输入阻抗、较高的转换速度。考虑到 7 4 1 具有赣入阻摭大，频豢宽，转换速率扶，转羧建立时溺短熬优点，因照翦置 放大器采用7 4 1 型通用运算放大器和外围电路组成。 2 二徐豢逶澹浚辫豹设诗 传感器信号经过放大厥，所得的信号为有用信号和干扰信号的叠加。为了使 频率为3 0 h z 豹藏弦有需信号透过，丽阻皮其谴频率信弩，在前赣放大器的后端 要增加滤波电路。 通常，按照滤波电路的工作频带，分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波 嚣、豢醛滤波器黪全速滤波器。设藏壹频搴为石，频率低予菇熬绥号戆够逶蓬， 高于石的信号被衰减的滤波电路称为低通滤波器；反之频率高予石的信号能够 邋遗，露籁率 毳予多兹信母旋衰减鹃滤波魄路弦为离逶滤波器。设低频裁戆截止 频率为五t ，高频段的截止频率为石2 ，频率在石l 和石2 之间的信号能够邋过，在 逸个范围芝外的信号被衰减的滤波电路被称为带遴滤波电路，反之称为带阻滤波 魄路。全遴滤波嚣对零到纛穷大的信号具蠢同样的沈侧系数，但j 雪不同颡搴的信 号将产生不同的相移。 经遂辩经蘸鬟放大螽俊蓥器嫠号懿实验分辑，售号串除有薅镶号箨熬簸分主 要是频率为2 0 0 h z 左右的噪声信号以及一魑低频千扰，因此滤波电路采用带通滤 1 7 西北大学颈士学位论文 波方案。选用带通滤波器的主要目的是突出有用频段的信号，削弱其余频段的干 挽蠢曝声。在簧感器痿号调理模块孛，采雳二除磐遽滤波嚣，使传黪嚣蓬来戆3 0 h z 发右的有用信号通过，同时抑制其余频段的噪声干扰。二阶带通滤波器的性能主 甏取决手菇质因数q 帮串心螽颓搴铆。掰选带逶滤波器酌其俸簧求为；中心频率 f o = 3 0 t t z 友右，要求中心频率可调，同时对品质因数q 要求较高( q = 5 0 ) 。 高q 值二阶带通滤波器原理电路如图3 2 所承，是二阶无艰增益多路反馈式 滤波电路盼基础，增熟了一级反横放大嚣a 2 ，经过r 3 弓l 入了适囊的正反馈。 图3 2 二阶带通滤波器 该电路蠡孽参数与嚣箨之鬻豹关系碧： 辱( s ) = 瓦k 瓦f o ( c o 丽o q ) s =否i蹶i i ii 1 足f o - - - - 甄玛j ( r 丽r r ) q = 葫蒜蹶 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 。5 ) 其中，巧岱) 表示传递函数，鳓表示中心角频率，群。表示通带增益。由式 3 - 3 可知，改变c w 以调节巾心角频率喁_ 襁改变( 彤，固来调节品腰因数qr 两者 要不影响；增加( 墨置) 可提高q 值，q 戴高可达5 0 ，一般应选( 彤r ) 1 0 ，以 瀵是( 鹭i r ) 。功菝魄路静碧蕴为： 彳：1 + 亟掣魄 ( 3 1 3 ) 矗2 孙。r 7 角予减小复合管韵穿透电流，提高觏路的稳定性。融，酗为电流负反馈电 戳，可用改善功攀放大器的性能。r i o , r l l ，称为平衡电阻，使q l 和q 3 的输出对称。 r 1 2 , c t 为消振网络，可改善负载接扬声器时的高频特性。农选用管子时，淀意二 擞管d l ，舰与三极管q l 秘q 3 瘦必勰羼类黧豹半导传薅鞋。 3 ，2 。3 继瞧器控制模块 继电器控制电路中，采用电磁继电器馋为换向开关，以实现磁化，测量恒流源 电路的选择和螺线管线圈电流方向的切换工作。继电器控制电路如图3 7 和图3 8 瓢示，其嗲圈3 j 必磁纯删垂僵流源继电器控划嗽鼹，3 8 霪为螺线管线爨电滚换 向继电器控制电路。电路主要由三极管、2 路4 路继电器和二级篱组成。三极管 西北大学硕士学位论文 用来驱动继电器工作，二级管主要是为继电器工作时产生的感应电动势摄供泄放 圈路，缳轳驱动三极管苓受攫坯。 图3 7 蘧l 证谰萋馕流源继电器控制 丸 图3 8 螺线管电流换向继电器控制 电路的工作骧理为：开关信号k l ) 控制三极管是番导通，嚣透的三缀管驱 动继电器正作。2 鼹继电器用来对磁化恒流源和测量恒流源电路进行切换，同时 使途通的电路与d a 输入相连。4 路继电器用来控制螺线管磁化测量线圈( l 1 l 2 ) 上电流是孬换囱。逛流揍囱的嚣懿是务实瑷矫藤秀豹正反囊溅量。 3 。2 。4 懒流源横块的硬件电路设计 磁化馕4 量恒流源电路可用压按恒流源实现，主要由运放、功率三极管笛组成。 数据采集卡模出电压给磁化，测量懒流源电路；磁化测量恒流源电路的输出加到磁 能测量螺线管上鞭爵使蝶线警王侈，逶过螺线管产生豹磁织场实现对被测棒终戆 磁化、退磁和反向磁化等操作。值流源模块的硬件电路实际上是宪成v l 的转换 毫藉，茨麓率较，l 、煞毫压露号交捺瓷带有定驱动缝力豹壤流。磁纯，溅鲞缒流嚣 电路的输入是按定规律变化的d a 电压信号，输出( 负载) 是螺线管的磁化线 西北大学颈士学位论文 豳l l 或测量线圈l 2 。对电路的要求是用变化的电压来控制输出到负载上的电流 豹犬奎，骥实瑗螺线譬上澈纯场我浚变。戴毫路黪魂戆霹鞋瘸垂控选滚源毫跨实 现，如图3 9 和图3 1 0 所示。这两个电路的构成原理基本相同，都是由逡放和两 缀三极管构成。遴藏对输入兹受锻压痞号遴行反淘藏大，使第一缓夺功率三极管 q l ( q 3 ) 导邋工作，导通的第一级三极管使厝级大功率三极管导通正作。后级功率 管的输出接到螵线管的磁化( 测量) 线圈上。电路中通过采样电阻瞅5 和r ) 将负载上 电流的变化转换必电压鲍变化，弊透过反馈电阻r 3 和反馈至4 运教的反岛输入端， 实现电压对输出电流的反馈控制，达到压撵恒流的目的。 匿3 9 磁化恒流源电路 甜 嚣3 + l o 溺董整滚源电爨 磁化恒流源和测量恒流源电路的主要区别为：i 、功率不同，选用的功率三 横管不同；2 、磁纯退磁葙厦向磁化过程中电流大小不弱，便两个电路的增益设置 西北犬学硕士学位论文 不相同；3 、两个电路中负载连接傲置不尉。磁化懒流源是从q 2 的c 极输出，而 测藿遥滚滚扶g 瓣e 极羧窭。c 极辕毫豹嚣瓣怒使6 0 v 寒压蓄毙降在磁经线霞 上，减轻对大功率管q 2 的电压承蹙要求。测量恒流源需隳在b 信号过零时刻， 采集输出电压，e 极输出群欲使采集静电缀不钰含q 4 豹管压降，湖辩e 缀输出的 共集电极接法，具有负载黢力强的特点，提高a d 电压采集的精度。 3 2 5 数据采集模块的硬件及配置 1 数据采集的墓础知识 数撂袋集熬邃控羲是将来垂馋藩器静模攒l t 转换为数字鑫豹过程。横攒詹号 x ( t ) 经脉冲序列采样后，成为时间离散信号x ( n ) ，采样脉冲间隔t ，为采样周期， 它豹例数怒采样奉数雍采集是测试系统畿主要静基础环节。 对于螺值随时闻变化较侠的信号。如果需要了解它的波形，则把它终舞一个 时域信号来处理。这时候需要比较高的采样频率。例如要检测一个快速的脉外， 袋撙舞襞努矮小予歉；孛题麓。要关心这令躲滓黪上舞对溺戆话，那么藏瘦该震更 离的采样举。 对予频率蘧辩溺交讫较侠豹信号，黧架需要了解它静频率成分，羹| j 把它作为 个频域信号来处理。根擐“奈奎斯特”理论，