超声检测系统中消除电磁干扰的电路设计

1、往第期仪表技术与传感器超声检测系统中消除电磁干扰的电路设计张世雄，宋文爱，陈以方（中北大学信息与通信工程学院，山西太原）摘要：电磁干扰是超声检测系统中的主要干扰信号，针对检测系统中消除共模噪声设计了硬件抑制措施，电路设计采用宽带差动放大器进行共模噪声的抑制和前置放大，提高了电路对噪声的抑制能力。系统完成后对标样进行检测实验，通过特征扫描对薄铝工件焊缝进行质量诊断，取得了良好的效果。关键词：电磁干扰；超声检测；共模噪声；中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；检测系统噪声来源化的磁场产生电场。电流定律则解释了电路中电磁干扰产生在超声发射电路中，控制高压关断的沟道场效应管的开关电路、

2、传导性发射的电磁干扰噪声源，主要来自共模噪声以及电机带来的电磁干扰产生的共模噪声，例如超声自动检测多采用伺服控制系统，其中的伺服电机驱动器就是系统的很强的干扰源。交流伺服电机中的变频器，其输出电压或电流中含有大量高次谐波分量，定转子的谐波磁场相互作用而产生随时间和空间变化的径向电磁波，当产生共振时电磁噪声将更大。又如步进电机，其工作在脉冲电流的状态下，由于绕组的感抗的根本原因时变电流，时变电流既产生电场，又产生磁场旧。对电磁兼容来说，这个定律相互作用，使得电路产生具有射频电流的电磁干扰，这种电磁干扰会向空间辐射电磁波。共模辐射就是由于电路设计的原因，致使电路中一些接地部分的电压比真实的参考地电

3、压高，这样受影响的接地系统与相连的走线或器件就成了天线，在空中辐射共模电磁能，并通过电缆或导线感应来传播。共模干扰将外界的电场或磁场转换成共模噪声电压。该噪声电压即为电磁干扰源，它会将噪声电流传到电路系统中。与连接的电路、仪器设备、系统都可能形成回路，此类回路阻抗相当低。设电源连接导线周围有水平的电场或垂直的磁场，而此导线如同一个接地天线，如果导线恰好受到水平电场的干扰，则导线感应的开路电压为很大，工作时在回路中产生很强的峰值电压及电流信号。这些电磁噪声严重干扰着测控系统，影响各种电子器件的正常工作，使检测信号信噪比大大降低。电磁干扰产生原因的理论分析由于控制高压的场效应管开关电路快速的开关动

4、作，产生大量的高频电流分量，这些高频成分必然对周围的电场和磁场产生影响。根据麦克斯韦方程组电势差定律：出一层，（，）式中：为电场强度；，为导线电场干扰长度；为对应电场信号波长。检测电路总体设计超声检测电路主要由发射和接收部分组成，其中检测电×：塑拓卜一电流定律为×日：，型型路包含了高压控制、触发选择、脉宽控制、限幅、放大、滤波等模块，电路设计总框图如图、图所示。扣：（，电势差定律描述的是穿过闭合回路的磁场会产生电流，变收稿日期：收修改稿日期：抑制共模噪声的差动滤波、前置放大电路设计设计采用宽带差动放大器进行共模噪声的抑制和前置放大。由个互导放大器（电压一电流变换）、高阻抗电

5、流一电压变换电路以及输出缓冲放大器等部分组成。万方数据第期张世雄等：超声检测系统中消除电磁干扰的电路设计图超声发射电路图超声接收电路从结构来看与电流反馈运算放大器非常类似，但是一种电压放大器件，与其他电压反馈型运算放大器在功能上相同。图为电路的差动电路原理图。图羞动电路原理图设计采用了双端输入单端输出的差动放大电路，放大倍数为。其中，、分别表示正、负电源，电容为肛，均为电源去耦电容，¨表示输入信号电平，屹表示输入信号地电平，单端输出信号电平。，一坎，参考点为板卡系统地，需要说明的是：板卡系统地通过一个感性器件磊。与输入信号地相连，保证直流通过，使信号与采集卡共地，保持信号的稳定性。图

6、为示波器所测实际电路信号与信号地上耦合的共模噪声削减情况，共模抑制比为、通道分别测量信号与信号地上的共模噪声，通道表示差动后的结果。图滤除共模噪声效果图前置放大电路设计接收部分是从探头接收到的超声信号转换成弱电信号，一般几到几十肛，需要进行前置放大，以便于后续的处理。通过扫描对薄铝工件进行质量诊断中，个互导放大器的输出电流，。、，。分别正比于各自万方数据输入端的电压差。，。和，。相加后在阻抗上变换成电压，再经过输出缓冲放大器放大输出，输出电压为。（，）（一）设计中，利用构建了增益为倍的前置放大的电路，如图所示，电路增益：月，。图前置放大电路实验结果对标样进行检测实验实验采用的交流伺服电机型号为

7、一，检测中使用直径为，标称频率为直探头，采用水浸耦合、垂直入射法对工件进行检测，结果如图、图所示。图无缺陷的波形图有缺陷的波形特征扫描（扫描）是一项新技术，是由（下转第页）主程序的功能主要包括初始化、系统自检、中断设置等，主程序处于循环状态。整个系统软件主要完成手自动的判断、涂油参数的设置、烟包计数和向电磁阀发送状态命令等。系统软件流程如图所示。明显下降。企业在油脂消耗上也显著降低，充分达到了节能降耗，合理利用资源的效果。结束语该设计利用单片机技术结合电磁阀控制技术，实现了卷烟包装机铝箔纸全自动涂油，这种方法利用控制电磁阀开闭时间来实现涂油量的精确控制，使得铝箔纸涂油变得简单、精确和到位。该设

8、计改变了传统的手工涂油自动化程度低、机台工人劳动强度大、涂油不均匀等缺陷，而且操作简单，不需要专业的操作人员，原来的操作工完全可以胜任。通过实践表明：该卷烟包装机铝箔纸自动涂油系统完全可以取代手工涂油，是一种可靠的，自动化程度较高的应用系统。参考文献：李朝青单片机原理及接口技术北京：北京航空航天大学出版社：一徐科军传感器与检测技术北京：电子工业出版社，：、求是科技单片机典型模块设计实例导航，北京：人民邮电出版社：图系统软件流程图宋军，李书泽高速电磁阀驱动电路设计及试验分析汽车工程，（）：系统实际应用结果该系统在众多拥有机型的卷烟厂安装使用，使用过程中大大节省了原材料，提高了产品质量和产品合格率

9、，使得坏包率下降了左右，同时提高了生产效率，停机次数明显下降，有时连续工作也无需停机，机台操作工人的劳动强度曹柏荣，冯运达瞿丹晨基丁单片机的微碳铬铁快速定硅仪仪表技术与传感器，（）：作者简介：赵虎（一）：学硕上，讲师主要研究方向为检测技术与自动化仪器、信息采集与处理、工业控制技术。：（上接第页）传统的扫描成像发展而来。特征扫描利用计算机全波列采集检测信号，提取和存储许多特征，经信号处理后，按多种特征进行成像显示，特征指超声波形的特性，包括其上升时间、下降时间、脉冲周期和频谱特性等。它除了能检测局部缺陷外，还能对检测信号进行频谱分析和数字滤波，通过各种特征量的提取和重构，能实现缺陷的自动识别，从

10、而提高定量精度。实验通过扫描对薄铝工件焊缝进行质量诊断，频率为图工件特征成像一回波幅值图结束语提出了电磁干扰的硬件抑制方法，并对其进行设计与实现，通过实验取得了良好的效果。同时为开关电路在抑制共模噪声优化设计方面提供了有益参考。另外，由于电磁信号检测系统本身比较复杂，还有很多不确定因素存在，需要在具体的应用中进一步研究。参考文献：罗婕，路宏年自动超声检测系统中的电机干扰研究无损检测，（）：】茹东生，章小梅开关电源传导性电磁干扰共模噪声的研究微电子学与计算机，（）：的聚焦探头，采用水浸耦合、垂直入射法对工件进行检测，结果如图、图所示。图中，所标区域表示焊缝熔合较好。图工件特征成像一深度图陈以方，

11、骆巍，陈玉宝，等复合材料的特征扫描声成象检测无损检测，（）：图中，不同颜色表示不同的回波幅值。如果工件表面平整或者铝板内部均匀，回波幅度应该一样大，颜色应该一致。从图看出颜色不一致，说明工件表面不平整或内部不均匀。作者简介：张世雄（一），硕士研究生专业为检测技术及自动化装詈。：万方数据超声检测系统中消除电磁干扰的电路设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：张世雄， 宋文爱， 陈以方， ZHANG Shi-xiong， SONG We-nai， CHEN Yi-fang中北大学信息与通信工程学院,山西,太原,030051仪表技术与传感器INSTRUMENT TECHNIQU

12、E AND SENSOR2008，""(10)0次参考文献(3条)1.罗婕.路宏年 自动超声检测系统中的电机干扰研究期刊论文-无损检测 2007(03)2.茹东生.章小梅 开关电源传导性电磁干扰共模噪声的研究期刊论文-微电子学与计算机 2006(11)3.陈以方.骆巍.陈玉宝 复合材料的特征扫描声成象检测期刊论文-无损检测 2001(10)相似文献(8条)1.学位论文 戚仕涛 基于光纤光栅超声检测技术研究 2006近年来，由于诊断超声的输出功率在不断加大，以及高强度治疗超声(包括超声手术、超声波碎石、超声热疗等)的广泛使用，对超声场在人体的分布情况进行精确测定更显得尤为迫切

13、。通常，人体内部的超声场分布是用复杂的理论模型来估算，由于人体内的超声场的形成可能来自于非理想源，且超声在不同组织间传播时会受到多种因素的影响，因此进行直接检测这种超声场方法的研究至关重要。光纤光栅传感器是近年来研究较多的一种新型传感器，它以极高的灵敏度和精确度，本征安全，抗电磁干扰，高绝缘强度，耐高温，耐腐蚀，质量轻，体积小，柔韧，宽频带而著称。光纤光栅传感器集传感与传输于一体，应用非常方便。通过拉伸或压缩光纤光栅，或者改变温度，可以达到改变光纤光栅的周期和有效折射率，从而达到改变光纤光栅的反射波长的目的，反射波长和应变、温度、压力、压强等物理量成线性关系。根据这些特性可以将光纤光栅制成应变

14、、温度、压力、加速度等多种传感器。论文通过分析光纤光栅波长解调原理和六种解调系统实现，综合考虑检测信号特点，选定了基于透射式模型的光纤光栅超声波检测系统，并将系统分为三部分，并提出了相应的设计方案：一是通过对超声波的波形，特征参量，换能器和检测原理的分析，确定了使用液浸式声透镜聚焦换能器产生聚焦超声场，给出了产生超声波系统，从实验中验证了超声波的产生及其焦点的位置，为进一步的光栅检测提供了参考。二是系统检测部分，设计了光电检测器，给出了其测试性能参数。三是在分析光栅检测超声波的频率响应问题的基础上，选择满足要求的光栅。最后给出并分析了整个实验结果。 研究结果表明：超声波对光纤光栅的整体作用效果

15、表现为：(1)当超声波长远远小于光栅长度时，超声波对光栅的整体作用被平均，光栅频率响应没有改变，布拉格波长没有变化，在这个条件下，没有量化分析来证明超声波的存在。(2)当超声波长和光栅长度接近时，传感光栅的每一层受到不同的应变而使得光栅啁啾，因而布拉格波长变化呈不规律性。(3)当超声波长远大于光栅长度时，布拉格波长变化与超声波幅度成比例。所以仅当超声波长远大于光栅长度时，通过光栅的布拉格波长变化便可检测出超声波的特性。论文对上述各系统设计的理论依据、设计思想以及实现过程中的关键技术细节都进行了详细地分析，对于所使用的新技术进行了具体的论证，并在此基础上有所创新。通过反复的测试与调整，实现了光纤

16、光栅检测聚焦超声场性能参数等功能。再通过数据处理软件，对实际获得的数据进行处理，验证了整个传感系统方案的可行性。在论文最后总结了光纤光栅检测超声波系统中存在的问题，并提出了一些将来改进的设想。2.学位论文 马香玲 管道对接焊缝超声检测机器人研究 2008在输送管道的建设和运营中，管道对接焊缝质量的检测至关重要。超声检测作为一种重要的无损检测方法，被广泛应用于工业产品质量控制和在役设备安全监测中，尤其在管道焊接缺陷检测中发挥着重要作用，已被世界各国所采用。传统的超声检测方法存在检测效率低、评定缺陷难等不足，研制一种管道对接焊缝超声检测机器人系统具有重要的意义。本文借助计算机、数控、精密机械和微电

17、机驱动等技术，以工控机为核心，以国内先进的数字超声探伤仪为基础，以虚拟仪器结构为软件平台，开发了管道对接焊缝自动超声检测机器人系统，实现了超声检测的数字化、自动化、图像化，为提高检测的可靠性和效率奠定了基础。本课题进行了机器人总体设计，研制了浮动探头夹持器，实现了探头与管道的自适应接触。设计了具有大减速比步进电机传动系统，满足了机器人绕管道圆周运动所需要的动力。借助计算机I/O接口和串口通信技术，通过LabWindows/CVI中的专用RS232串口通讯函数库，实现了工控机与STC89C51单片机的通讯，有效地对检测机器人进行控制，实现了机器人沿管道的圆周运动和探头沿管道轴向扫描运动，能够对焊

18、缝进行锯齿形或矩形扫描。利用ActiveX技术，解决了LabWindows/CVI和Office Word软件的接口，实现了检测报告的生成和打印；构建了管道对接焊缝超声斜角探伤平台，通过研究自动扫描成像的关键技术及其软件实现方法，成功实现了以伪彩色和灰度模式显示管道典型人工缺陷的超声A扫描、B扫描。通过对缺陷超声检测回波信号进行去噪，有效抑制电磁干扰和点状噪声的影响。建立人工缺陷的斜角探伤数学模型，对缺陷进行定位分析，为深入研究斜角探伤的数字化、图像化、智能化奠定了基础。3.学位论文 李志力 变压器局部放电超声波检测中内外置传感器检测方式的研究 2005本文提出了将超声波传感器置于变压器内部油

19、中进行检测的新方法,在实验室建立了针板、沿面、内部和悬浮4种典型局部放电模型,采用可同时在油内外检测的超声波检测系统测量模拟变压器内的局部放电.通过实验验证了油内超声检测的可行性,并从时域波形、信号幅值和频谱三个方面对比了油内外进行超声检测的差异,说明了油内超声检测的信号幅值是油外的1.5-3.8倍.为了模拟现场的电磁干扰,研究了强电场对超声波传感器性能的影响,并尝试用屏蔽措施消除其影响.4.期刊论文 卢丽.LU Li EMD方法在局部放电超声信号提取中的应用 -现代电子技术2009,32(3)超声波定位法是一种对变压器内部不同部位放电点进行检测的行之有效的方法.由于变压器所处现场存在大量电磁

20、干扰,采集到的信号包含大量噪声,因此必须做相应的预处理.变压器局部放电超声波定位中,首要任务是对超声波信号的提取,其准确性将直接影响到定位的实现.EMD方法可以将非线性、非平稳信号分解为不同频率成分的内禀模态函数,从而提取超声波信号.以陕西省高压电气设备局部放电定位项目为背景,详细分析了EMD方法的原理、实现过程,并用实例测试仿真,验证了该方法的有效性与准确性.5.学位论文 徐银凤 基于改进PSO算法的变压器局部放电超声定位研究 2010大型电力变压器作为电力系统中重要的变电设备，其绝缘状况对于电力系统的可靠运行有着重大影响。在现场运行中，局部放电是导致变压器绝缘劣化的重要原因之一，因此国内外

21、学者对变压器的局部放电定位做了大量的研究工作，提出了各种电气和非电气定位方法。超声定位法由于原理简单、方法实用、可用于电磁干扰较严重的场合且能实现实时定位检测，所以近年来得到了快速的发展。粒子群优化算法是1995年由美国的Kenney和Eberhart提出的一种新的群体智能技术。它是一种基于种群搜索策略的自适应随机算法，因其算法简单、参数较少、易于程序没计，在工程实践中已广泛应用于函数优化、神经网络的训练、系统没计以及电力、化工等领域。为了研究解决电力变压器内部局部放电源的定位问题，提高定位的准确度，本文主要开展了以下几个方面的研究工作：首先研究了粒子群优化算法，针对基本粒子群算法易陷入局部最

22、小值，搜索精度不高的缺点，将基本粒子群算法和混沌搜索相结合，设计了改进的带混沌搜索的PSO算法，并验证了其有效性；其次，对局部放电产生超声波的机理进行了研究，深入分析了气泡模型放电产生超声波的一般规律，并建立了超声波检测实验系统，以此研究不同放电模型产生超声波的频谱范围和超声波在变压器内的传播规律，为超声定位提供了可靠的理论依据；再次，依据超声检测的空间几何定位原理，建立了变压器局部放电超声定位的数学模型，将其转化为一个带约束的优化问题，并将带混沌搜索的PSO算法应用于超声定位的寻优过程；最后通过超声波检测实验系统得出超声波传播的时延值，并采用计算机程序仿真，验证了改进的PSO算法对超声定位可

23、行性。关键词：变压器；局部放电；超声定位；粒子群优化算法；混沌搜索；6.学位论文 李海东 超声C扫检测系统优化与铜钢接头缺陷波识别 2008本文对自主开发研制的超声C扫检测系统进行优化。完成了对机械扫查装置的优化，设置了合适的伺服电机工作参数，解决了机械噪声，电机零漂等问题，设计制作了新的活动水槽，设计研制了超声探头行程限位模块，修正了电机传动比。针对电气电路对超声数据采集过程中的电磁干扰现象，分析了产生干扰的原因，总结了干扰的特点，通过硬件隔离，软件滤波两种方法成功的提高了系统的信噪比。分析了铜-钢无熔深焊接接头的特点，分析了产生缺陷的原因。采用超声检测与破坏性检测相结合的方式，确定铜-钢无

24、熔深焊接接头缺陷种类。 设计了含有缺陷的自然试样的制作工艺，制作了一批用于检测分析的自然试样和用于检验对比的人工试样。通过多次试验，得出了不同缺陷的反射波形并分析其特征，定义了缺陷波高、底波波高、缺陷C扫面积、缺陷紧密度、界面波高五个用来判定缺陷性质的特征参数，以“最大概率”为原则，建立了基于计算机在线实现的缺陷自动识别模式。调试系统，对122mm熔敷焊弹带进行超声C扫描，分析了C扫检测结果。针对硬件系统中仍存在的一些不足，提出了改进方案，对缺陷反射波的时域特征进行分析并得出了一定规律，寻求进一步开发缺陷识别模式的方法。7.期刊论文 罗婕.路宏年.LUO Jie.LU Hong-nian 自动

25、超声检测系统中的电机干扰研究 -无损检测2007,29(3)在超声自动检测系统中,电机驱动器会对系统产生强烈的电磁干扰,尽管采用硬件抑制措施后,检测信号中仍含有部分噪声.从软件滤波的角度分析超声自动检测系统中的电机干扰问题,比较了MSMA042A1H交流伺服电机和110BF003步进电机对超声检测信号的影响,统计了不同类型干扰出现的概率,分析了干扰的时频域特性,并提出相应的滤波方法,为超声自动检测系统电机的选型提供了依据.8.学位论文 齐雪蕊 板类结构中超声兰姆波检测方法的研究 2009Lamb波检测信号的分析与识别一直是无损检测领域的一个重要问题。针对Lamb波传播的多模式和频散特性对检测的影响，采用基于FFT、STFT的分析方法对超声L