（机械制造及其自动化专业论文）涡流无损检测分选仪的设计与开发.pdf

硕士论文涡流无损检测分选仪的设计与开发 摘要i y 2 0 6 0 8 7 7 在生产过程中，很多时候需要实时地对金属工件进行合格性检测，实现合格工件 与不合格工件的分选。而传统的破坏性抽样检测方法的可靠性较低并且检测速度较 慢，无法满足实时分选的要求，同时还会造成材料的浪费。这时，就需要使用无损检 测的方法。 涡流无损检测分选仪是针对导电金属材料工件的分选仪器，它基于电磁感应原 理，采用了涡流无损检测技术，具有分选灵敏度高、准确度高、性能稳定的特点。然 而目前的涡流无损检测分选设备却较多地存在激励频率单一、分选速度较慢、仪器尺 寸庞大等缺点。 本文针对这种现状，提出了基于d d s 技术的频率、幅值可调的正弦激励信号发 生器的设计方案；对涡流传感器的设计进行了深入研究，并针对棒状金属工件进行了 涡流传感器的参数设计；对涡流无损检测分选仪的硬件电路进行了设计，完成了用于 软件功能实现的n i o si i 处理器系统的构建，并基于该系统进行了涡流无损检测分选 仪的软件开发；最后，在实验室环境下对分选仪进行了调试实验，实验结果表明：本 文所设计的涡流无损检测分选仪能够快速地将合格与不合格样件进行分选，基本满足 实际生产的要求。 关键词：f p g a ，频率合成，涡流无损检测 硕士论文 a b s t r a c t i i lm ep r o d u c t i o np r o c e s s ，、en e e dt oj u d g ew h e t l l e rt l l e 、v o r k p i e c e sa r eq u a l i f i e d n l r o u g l lr c a j - t i m et e s t ，i l lo r d e rt 0e l i m i 彻t et l l eu n q u a l i f i e dw o f k 伽e c e s b u tt ：h ed e 蚰n l c t i v e t e s t i n gm e t l l o d sa r ei n e 伍c i e n t 锄dn o tr e l i a b l e ，、) v _ 1 1 i c hc a i li l o tm e e tt 1 1 er e q u i r e m e n t so ft h e r e a l - t i m es o n i n g s ot l l en o n d e s 虮l c t i v et e s t i n gm e t h o d sa r er e q u i r e d e d d yc u l l e n tt e s t i n gi so n eo f 也e1 1 0 n d e 蛐n 】c t i v et e s t i n gm e t h o d sw 1 1 i c ha r eu s e d 诚d e l yi l lm eq l l a l i 够c o n t r o lo ft h em e t a lw o r k p i e c e s ，a n de d d yc u n e n td e t e c t o ri s 趾 印p l i c a t i o no f “st e c l l l l o l o 黟i th a st h ea d v 趾t a g eo f1 1 i 曲s p e e dd e t e c t i o n 、胁i l et h e c 嘴n te d d yc u 玎e n tt e s t i n gi n s t m 】m e n t sm o s t l yh a v et t l es h o n a g eo fs i n g l e 舶q u e n c y e x c i t es i g n a l ，l o wd e t e c ts p e e d 甜1 di n s t m m e n ts i z el a 唱e a i ma t “sa c t u a l i t y ，t h ed e s i g ns c h e m eo fan e we d d yc u r r e n td e t e c t o ri sp u tf o r v 聊r d i n 锄st 1 1 e s i s f i r s t l y ，a 舶q u e n c y 删u s t a b l es i 印a l 驴n e r a t o rw l l i c h b 2 u s e d o nd d s t e c h n o l o g yi sd e s i g i l e d 粕dt l l ep r o b l e m sc a u s e db ys i n 9 1 ef r e q u e n c yo f t l l ee x c i t es i 驴a l a r es o l v e d s e c o n d l y ，m ee d d yc u r r e n ts e n s o rf o rc y l i n d r i c a lm e t a l 、0 r k p i e c e sa 1 1 dt l l e h a r d 、a ec i r c u i to fn l ee d d yc u r r e n td e t e c t o ri sd e t a j l e d l yd e s i g n e d 1 1 1 i r d l y ，an i o si i p r o c e s s o rs y s t e mi sg e n e r a t e d 锄dt l l es o 胁a r eb a s e do nt l l i ss y s t e mi sd e v e l o p e d t h e s 0 r 撇啪a j l dh a r d w a r es y s t e mi sr e a l i z e di nj u s to n ef p g ac l l i pa l l dt l l es i z eo ft l l e i n s t l 眦n e n t si sr e d u c e do b v i o u s l y f i n a i l y ，t h es y s t 锄h a r d w a r ea i l ds o f h v a r ea r ed e b u g g e d a n dt h e m c t i o no ft h ee d d vc u n e md e t e c t o ri st e s t k e yw o r d ：f p l 3 a ，f r e q u e n c ys y n t h e s i s ，e d d yc u n n tt e s t 硕士论文涡流无损检测分选仪的设计与开发 1 绪论 1 1 课题研究的意义及背景 1 1 1 课题研究的背景 随着现代科技和工业技术的飞速发展，工业现代化进程日新月异，在生产全球化 的发展形势下，无损检测已经进入到了生产过程当中的各个方面。 在生产过程中，对于金属或者导电材料的工件，经常需要进行实时的检测，以确 定其是否符合加工要求，实现合格与不合格工件之间的分选，保证后续生产步骤的顺 利进行。而使用破坏性的质量检测方法实现的分选，非但容易造成浪费，而且只能抽 样检测，无法精确地控制产品质量，同时检测速度较慢，造成分选过程的总体效率低 下。这时，为了适应生产的要求，一种可以针对各种工件进行的，非破坏性、高可靠 性、高速的检测和分选方法的研究与开发就显得尤为迫切。 1 1 2 课题研究的意义 涡流无损检测，是对无损检测技术的一种应用，它利用电磁感应原理，通过对导 电工件在固定激励电流下所产生的涡流的特征进行分析，从而得出被测工件缺陷情况 【。而本课题当中的涡流无损检测比较仪是对涡流无损检测技术的一种应用，是采用 比较的方式，将待测工件与标准样件的检测信息进行对比，从而分析其问的差异，判 断待测工件是否合格。相比于传统的使用单一频率激励信号的涡流无损检测分选仪， 本课题研究的主要意义在于以下几个方面： l 、能够在大范围内精确实现正弦激励信号的频率调节 涡流无损检测的激励信号的频率是关键设计问题之一，对于不同材料与形状的待 测工件，需要使用不用频率的激励频率，以获得较明显的检测结果。利用f p g a 高速 的优势，结合d d s 技术，能够保证精确地产生大频率范围的激励信号，满足较广泛 种类的工件的检测分选。 2 、极大地节约了设计面积 f p g a 具有出色的数字逻辑能力，能够针对特定的功能使用数字逻辑设计方式实 现。同时，结合f p g a 当中集成的n i o si i 处理器，使用s o p c 技术，在一片f p g a 当中实现了一套完整的软硬件系统，从而极大地节约了设计面积。 3 、以高速的处理能力实现实时快速分选 f p g a 实现数字逻辑功能的速度明显高于一般单片机，同时又可以在其内部集成 i 绪论 硕士论文 性能卓越的3 2 位n i o si i 处理器。两者相结合，能够保证系统功能的高速实现。 4 、广泛的检测范围 通过改变传感器的结构以及激励信号的频率，可以使检测分选系统适用于不同材 料及外形的待测工件，使该系统能够在不同的工作场合之间迅速移植。 1 2 国内外涡流无损检测分选技术的发展现状及趋势 近年来，国内外的涡流无损检测分选技术在开发和应用方面取得了较大的进展： 在技术的采用上，由单一地采用涡流无损检测技术发展为将涡流无损检测技术与其他 无损检测技术( 如超声波无损检测技术) 相结合，形成综合型的无损检测方法【2 】；在 系统硬件方面，超大规模集成电路的应用大大缩小了分选设备的体积和重量：高性能 处理器芯片的出现，也使快速完成复杂的任务成为可能；而软件设计方法的进步也使 得系统运行更加高效、稳定，同时也改进了系统的界面，使操作者的操作更加方便快 捷【3 1 。 j 由于涡流无损检测技术的飞速发展，涡流检测设备在经历了一维显示模拟检测 仪、二维显示模拟检测仪、多频涡流仪、数字型涡流仪等发展过程之后，发展到了现 在的融合多种技术的多功能涡流无损检测设备。 国外著名的电磁设备生产厂家，如英国的h o c k i n g 公司、美国的z e t e c 公司等近 年来在多功能涡流无损检测设备的研发上投入了大量精力。如爱德森公司研发的 e e c 2 0 0 4 型智能多功能电磁检测仪，美国捷特公司生产的m i z 2 l b 型涡流检测仪等， 检测设备越来越轻便，检测功能也越来越丰富【4 】。 国内的涡流无损检测技术相对国外来说起步较晚，但是近些年来取得了较快的发 展，尤其是在管材的涡流无损检测方面已经达到或者部分超过了国外先进水平。其发 展以网络处理系统的应用、远场涡流无损检测技术的逐渐热门以及与工业内窥镜结合 的涡流传感器的应用等为主要特点，具有良好的发展态势。 统观国内外涡流无损检测技术的发展，其发展趋势主要可以总结为以下几个方 面： 1 、f p g a 技术、d s p 技术、网络技术、嵌入式系统等新技术的采用【5 1 。 2 、与其他无损检测技术的融合，如超声波无损检测技术、内窥镜无损检测技术 竺【6 】 寸o 3 、涡流无损检测设备的小型化、便携化。 2 硕士论文涡流无损检测分选仪的设计与开发 1 3 课题研究的主要内容和论文结构 本文顺应涡流无损检测技术的发展趋势，提出了一种采用f p g a 技术实现工件合 格性检测及分选的方案，其主要结构如下： 第一章：绪论。介绍了课题的研究背景及意义，概括了涡流无损检测技术的国内 外研究现状以及发展趋势，阐述了本课题所完成的主要工作以及论文结构。 第二章：涡流无损检测分选系统总体设计。介绍了涡流无损检测分选的基本原理， 说明了系统的硬件和软件的组成、系统的工作流程和系统的控制面板。 第三章：涡流传感器的设计。介绍了涡流传感器的特点，在分析了可能给涡流传 感器感应结果造成影响的因素的基础上，提出了涡流传感器的设计方法，并结合本课 题的要求，得出了涡流传感器的设计结果。 第四章：涡流无损检测分选系统硬件设计。设计了基于d d s 技术的可调频率正 弦信号发生器，完成了n i o si i 处理器系统的构建，设计了f p g a 配置电路、矩阵键 盘电路、s d 凡蝴电路、数模转换器电路、激励信号与感应信号处理电路、模数转换 电路和液晶显示电路。 第五章：涡流无损检测分选系统软件设计。主要完成了基于n i o si i 处理器系统的 软件设计，包括键盘控制程序、液晶显示器控制程序、模数转换控制程序和核心的感 应信号分析与处理程序。 第六章：系统的调试。通过实验对涡流无损检测分选系统进行了验证，并根据实 验结果对系统进行调试。 第七章：总结与展望。总结课题研究的成果与不足，提出了对后续研究的展望。 1 4 本章小结 本章对课题研究的背景进行了说明，对涡流无损检测分选仪开发的意义与应用前 景进行了分析，并介绍了目前国内外涡流无损检测分选技术的发展现状和趋势以及论 文的主要内容和论文结构。 3 2 涡流无损检测分选仪总体设计 硕士论文 2 、涡流无损检测分选仪总体设计 2 1 涡流无损检测分选基本原理 根据电磁感应定律，当导体靠近变化着的磁场或者导体做切割磁感线的运动时， 导体中会感应出呈漩涡状流动的电流，称为涡流。其示意图如图2 1 ： 激励电流 图2 1 涡流感应不意图 当线圈当中通以交变电流时，在该线圈内部和周围会感应出变化的磁场，当导体 靠近该线圈或者穿过该线圈时，就会处于该变化的磁场当中，导体中就会感应出涡流。 该涡流所产生的感应磁场会与原磁场相互叠加，使原磁场发生变化【7 】o 使用一组复合线圈，由两个线圈耦合而成，一个作为激励线圈，另一个作为检测 线圈，当激励线圈当中通以激励信号( 交变电流) 时，在检测线圈当中就会产生感应 电流。将导体放置于该复合线圈当中，检测线圈中的感应电流就会随之发生变化，这 种变化来自于导体内的感应涡流，而该涡流的幅值、相位以及其伴生磁场会受到其物 理特性以及制造工艺的影响，因此，通过对检测线圈中感应电流进行分析，可以得出 导体在工艺性能和缺陷等方面的特征。复合线圈及感应涡流的等效电路如图2 2 ： 4 硕士论文涡流无损检测分选仪的设计与开发 图2 2 复合线圈及被测工件等效线路 上图中，r l 、l 1 表示激励线圈的等效电阻和电感，l 玛、l 3 表示感应涡流的等效 电阻和电感，r 2 、l 3 表示检测线圈的等效电阻和电感。 如果同时使用两个复合线圈，一个作为标准线圈，另一个作为对比线圈，分别通 以相同的交变电流，在两个复合线圈当中就会产生相同的感应磁场。从某一批导电性 工件当中选取已知合格的作为标准样件，放入标准线圈，将未知合格的作为被测工件， 放入对比线圈。同时分析两个线圈的感应电流，就可以得出两者所存在的差异，对这 种差异设定一个可接受的门限，将差异在门限值以内的被测工件判定为合格，在门限 值以外的判定为不合格，就可以实现对工件的自动分选。 2 2 涡流无损检测分选仪的主要组成部分 2 2 1 分选仪硬件主要组成 系统的硬件主要包括：系统控制面板、f p g a 配置电路、信号发生器、激励信号 处理电路、功率放大电路、感应器、滤波电路、d 采集电路、液晶显示电路等。系 统硬件结构及信息流程图如图2 3 所示： 图2 3 系统硬件结构及信息流程图 2 涡流无损检测分选仪总体设计 硕士论文 2 2 2 分选仪软件主要组成 系统的软件使用c 语言进行开发，主要包括：系统主程序、键盘扫描子程序、频 率控制子程序、a d 控制子程序、信号处理子程序、液晶显示子程序。系统软件结构 图如图2 4 所示： 图2 4 系统软件结构图 2 3 涡流无损检测分选仪的工作流程 根据分选仪的功能需求，其工作流程主要包括激励信号的产生、感应信号的采集 和分析、分选结果的显示。 系统开始工作时，首先从矩阵键盘输入激励信号的频率，由键盘扫描程序响应矩 阵键盘的输入并将输入结果送给频率控制程序，频率控制程序对键盘输入结果进行处 理并向f p g a 的信号逻辑模块输出频率控制字，信号逻辑模块根据频率控制字向模数 转换器输出能够产生特定频率正弦波的量化值( 幅度量化序列) ，然后由模数转换器 将这种幅度量化序列转换为特定频率的正弦波输出。 该正弦波在经过处理后由功率放大电路进行功率放大，然后输送给涡流传感器当 中的激励线圈。分别将标准样件和被测工件放入相应的涡流传感器当中，此时，两个 传感器中的检测线圈里都将会有感应信号传递给感应信号采集电路，采集来的感应信 号由信号处理与分析程序进行处理和分析，比较两路感应信号的差异并判断被测工件 是否合格，最后在液晶显示器上显示判定结果并将结果进行记录。 2 4 本章小结 本章对涡流无损检测分选的基本原理进行了介绍，提出了涡流无损检测分选仪的 总体设计方案，说明了涡流无损检测分选仪的硬件和软件组成，并从总体上介绍了分 选仪的工作流程。 6 硕士论文涡流无损检测分选仪的设计与开发 3 、涡流传感器设计 3 1 涡流传感器的特点 涡流传感器是涡流无损检测的核心部件，它具有结构简单、非接触式测量、灵敏 度高、体积相对较小、抗干扰能力强等优点。适用于导电材料的管材、棒材的检测， 尤其是对于表面和近表面缺陷有较高的检测灵敏度【8 】。涡流传感器可以同时分析被测 件的表面缺陷、硬度、热处理状况等多种特性，因此得到了非常广泛的应用。 3 2 涡流传感器总体设计 涡流传感器的类型有很多种，按照检测线圈和工件的相对位置的不同，可以分为 内穿过式、外穿过式和放置式( 点式) 三种纠；按照线圈比较方式的不同，可以分为 标准比较式、绝对式和自比较( 差动) 式三种【川。 涡流传感器类型的选择，主要依据检测环境和被测工件的特征。本课题中主要针 对圆柱状金属材料进行实时分选，因此，选择外穿过式线圈比较适合；同时为了实现 被测工件与标准工件的比较分选，最终采用外穿过自比较( 差动) 式线圈。 3 3 涡流传感器感应线圈参数设计 感应线圈是涡流传感器的核心部件，由于涡流传感器的检测性能主要受到线圈磁 场分布的影响，而感应线圈的特征参数直接影响到线圈的磁场分布，因而感应线圈对 涡流传感器的检测性能起到了关键的作用。 线圈磁场的变化，主要是通过线圈的等效阻抗来反映的，线圈的等效阻抗一般可 以表示为几个参量的函数，如下式： z = ，( ，厂，x ，) 其中，仃和分别是被测工件的电导率和磁导率，厂是激励信号的频率，x 是感 应线圈与被测工件之间的距离，厂是感应线圈的尺寸因子【l 。可见，影响线圈等效阻 抗的因素和影响涡流无损检测效果的因素是一致的。感应线圈的尺寸因子即特征参 数，主要有线圈的绕线方式、线圈尺寸、线圈截面特征、线圈材料等。 3 3 1 线圈的绕线方式 对于外穿过式线圈，线圈的绕线方式分为圆形和矩形两种。采用矩形绕线方式的 线圈能够获得较高的检测灵敏度，对位移的变化较敏感，但是磁场强度相对较弱；而 7 3 涡流传感器设计硕士论文 采用圆形绕线方式的线圈能够获得较强的磁场强度，虽然在灵敏度上会有所损失，但 是考虑到被测件与传感器的相对位置是固定的，同时希望得到更加明显的感应信号， 所以本课题当中的感应线圈选择圆形绕线方式。 3 3 2 线圈的尺寸 在涡流传感器线圈内外经的定量计算过程当中，通常假设线圈的导线是连续的整 体，设线圈周围各处的磁场强度分布均匀，设磁感应强度为b ，线圈的外径为d ，内 径为j 。在垂直于线圈截面的方向上选择半径为，厚度为办的薄层线圈，则该薄层 线圈当中的磁通量为： = 万r 2 b 该薄层线圈的匝数可以表示为： n ：吐竺 口： 其中刀为线圈单位宽度上的匝数，即匝数密度，三为线圈导线长度，口为线圈导 线的直径。则当线圈处于变化的磁场中时，该薄层线圈中的感应电动势为： d s ：丝：型塑，：办 mnd t 对上式在要到导范围内进行积分，得到在整个线圈平面上的感应电动势： 占：型( 矿一n 塑 占= i 上厂一d 。) 24a(打 上式说明了线圈感应电动势与其匝数密度、导线长度、导线直径、线圈内经与外 径对线圈感应电动势的影响【1 2 1 【1 3 】【l4 1 ，而线圈的感应电动势的强弱会影响到信号的分 析结果，因此，根据实际检测的需要，综合考虑线圈感应电动势的各影响因素，来选 择线圈的尺寸。 ， 3 3 3 线圈的截面特征 线圈的截面面积和形状会对涡流传感器的检测性能带来影响，线圈的截面面积会 影响线圈周围的磁场分布，线圈的截面面积越大，则线圈周围的磁场分布密度越大， 对于相同因素的检测信号则越明显，涡流传感器的检测灵敏度也就越高【”】。线圈截面 形状同样也会影响到线圈周围的磁场分布，其影响效果如图3 1 。 8 硕士论文 涡流无损检测分选仪的设计与开发 图眵眵 图3 1 线圈截面形状对磁场分布的影响 上图中从左至右依次为梯形、矩形、倒梯形截面的线圈下，磁场的磁感线分布。 观察图宰可以看出，梯形截面线圈的磁感线分布范围较广泛，其次是矩形截面线圈， 倒梯形截面线圈的磁感线分布范围最小。在相同的磁感应强度下，磁场分布范围小， 磁场能量不易损失，则检测的灵敏度低下。因此，本课题选用梯形截面的线圈来提高 涡流传感器的检测灵敏度。线圈截面如图3 2 所示： 3 3 4 线圈的材料 图3 2 梯形截面线圈截面示意图 由于线圈材料将直接影响到磁场的多项特性，因此，涡流无损检测对传感器线圈 的材料的要求十分严格。 制约材料选择的主要因素是材料的强度和电阻，材料的强度可以根据实际需要尽 量选择强度高的，材料的电阻会受到温度和电感的影响，它们都会进而影响涡流传感 器的温度稳定性，但温度对材料电阻的影响远大于电感【1 6 】。 线圈的直流电阻可以表示为： 印詈= 岛( 1 + 口f ) 吾 其中l 代表导线长度，s 代表导线横截面积，p 代表导线电阻率，岛代表o 时 导线的电阻率，口代表导线电阻率的温度系数，t 代表当前温度。可见，线圈的直流 电阻随温度的升高而升高，显然与线圈材料的电阻率温度系数相关。 线圈的交流电阻可以表示为： 心= 心( 丢+ 丢+ 盖h ( 1 + 刎专( 昙+ 丢+ 差) 上式中万代表集肤效应影响的穿透深度，其表达式为万= ，其中，代 9 3 涡流传感器设计 硕士论文 表通过导线的电流频率，胁代表空气的磁导率，以代表相对磁导率。 因此，线圈的交流电阻可以表示为： 詈历丽+ 譬( 圳+ 去 疋= 丁一 可见，线圈的交流电阻是温度的函数，并随着导线电阻率的温度系数口的增加而 增加，因此，在尽可能选择强度高的导线材料的基础上，应该选择电阻率温度系数较 低的材料。在本课题当中，选择了电阻率温度系数低，同时强度较高的铜导线【1 7 】。 在确定了涡流传感器的绕线方式、尺寸、截面形状以及线圈的材料后，需要对传 感器线圈的支架进行设计，最终的涉及结果如图3 3 所示： 图3 3 涡流传感器 3 4 其他影响传感器检测性能的因素及所采取的措施 3 4 1 提离效应 涡流产生于导体与变化的磁场的接触，会受到磁场强度的影响，而距离传感器越 远的位置，磁场强度就越弱，因而导体中的涡流就越弱，感应信号就越弱，传感器的 检测能力就会下降。涡流的大小随着电磁场与导体之间的距离变化而变化，称作提离 效应。如果在检测过程中导体与传感器之问存在相对运动，检测结果就会受到提离效 应的影响，因此，在保证导体周围有足够的磁场强度的基础上，应该对传感器与工件 的相对位置进行固定，避免提离效应的影响【1 8 l 【1 9 】【2 0 j 。 1 0 硕士论文涡流无损检测分选仪的设计与开发 3 4 2 激励信号的频率 激励信号的频率是影响涡流无损检测的关键因素，在实际检测过程当中，待测工 件中感应出的涡流，会趋于金属表面分布，这被称作“集肤效应 。由相关电磁场的 麦克斯韦方程可以导出距离工件表面深度为z 处的涡流的密度，其表达式为： ix = i 芦而 其中，厶代表涡流密度，厂代表激励信号的频率，代表工件的磁导率，仃代表 工件的电导率。一般地，频率越高，则涡流越趋于在导体的表面分布，则涡流传感器 对于工件表面缺陷的检测灵敏度会得到提高，但随着涡流透入深度的增加，涡流强度 会极具衰减，传感器的检测灵敏度会明显下降，因此对于表面下具有一定深度的缺陷 则难以产生有效的响应；相反，频率越低，则涡流在导体表面以下的渗透能力会增加， 可对导体表面下更大深度范围内的缺陷产生有效的响应，但是随着频率的增加，涡流 在工件表面的分布会变得疏散，对表面缺陷的检测能力会下降【2 l 】f 2 2 】。 另外，在对某一工件的实际检测当中，存在某。特征频率，激励信号越接近于此 概率，则检测结果越明显，频率差距越大，检测结果越微弱。因此，在涡流传感器的 激励频率选择上，需要同时考虑检测深度与被测件的特征频率等因素。 影响涡流无损检测激励信号频率值的选取的因素比较复杂，包括线圈的结构、尺 寸、电感、电阻等，被测工件的形状、材料、硬度等，通过理论计算得出的理想值往 往也会在实际当中受到复杂环境因素的影响而与实际值存在偏差，加之本课题所设计 的基于d d s 技术的信号发生器可以在较大范围内控制输出信号的频率，因此本课题 当中激励信号频率的选取采用了试验的方法进行，通过调整激励信号的频率并同时观 察检测结果，选取感应信号最明显时的频率值1 2 3 1 。 3 5 本章小结 本章主要进行了涡流传感器的设计。分析了涡流传感器的特点，针对涡流传感器 的核心部件感应线圈的主要特征及参数，包括绕线方式、尺寸、截面特征、材料 等的设计方法进行了深入研究，并给出了设计结果。最后对可能给涡流传感器的检测 性能带来影响的因素进行了详细分析，并提出了相应的应对措施。 4 涡流无损检测分选仪的硬件电路设计硕士论文 4 、涡流无损检测分选仪的硬件电路设计 4 1 正弦信号发生器设计 上一章提到，对某一工件的检测过程中，存在某一特征频率，而使甩尽可能接近 于该频率的激励信号才能够获得较明显的检测结果。而对于某一特定的待测工件，其 特征频率会受到线圈以及工件的材多方面因素的影响。因此，为了得到较明显的检测 结果，需要对激励信号的频率进行实时的调节，这就要求信号发生器具有调频功能。 为了使激励信号的幅值满足实际检测的要求，使信号的幅值达到合适的范围，以利于 后续的处理，所以还需要对信号的幅值进行调节。由于传感器采用了线圈耦合的形式 设计，线圈阻抗的计算值会与实际值之间存在差异，为了保证激励信号的带负载能力， 需要对激励信号的功率进行放大。 本课题中的信号发生器使用可编程逻辑设计技术进行直接数字频率合成，通过嵌 入式n i o sl i 处理器系统与矩阵键盘控制相结合的方式实现了对激励信号频率的调 节，并使用模拟电路实现了信号幅值的调节以及功率的放大。 4 1 1 频率合成技术 频率合成技术是利用一个高精度、高稳定度的基准频率产生出一系列等间隔的离 散频率信号的技术【2 4 1 。频率合成理论自上世纪3 0 年代被提出以来，得到了飞速的发 展。目前，频率合成的实现方式主要有三种：直接频率合成、间接频率合成和直接数 字频率合成1 2 5 。 直接频率合成技术的优点在于其产生的波形相位噪声低，频率转换时间短，但是 使用这种技术会伴随着设备量大并且容易产生杂散分量的缺陷。间接频率合成对杂散 有较好的抑制作用，频率分辨率会受到限制。而d d s ( d i r e c td 硒t a ls y n t i l e s i z e r ) 技 术，即直接数字频率合成器技术，是一种数字化的频率合成技术。它具有成本低、功 耗低、相位噪声低、频率分辨率高、转换速度快等优点。从上世纪七十年代被提出以 来，在无损检测、雷达探测、通信等领域得到了广泛的应用【2 酬。 要实现直接数字频率合成，可以直接使用专用的d d s 芯片【2 ，也可以使用可编 程逻辑设计技术，在可编程逻辑器件( 如f p g a 、c p l d 等) 上经过逻辑编程实现1 2 引。 但是使用专用的d d s 芯片对时钟输入的要求较高，如果时钟不是足够的稳定，输出 信号就会发生偏移，同时高质量的d d s 芯片也相对昂贵。在本课题当中，选用可编 程逻辑器件来实现直接数字频率合成，这样可以通过f p g a 内部的p l l 锁相环来为 硕士论文 涡流无损检测分选仪的设计与开发 d d s 系统提供稳定的时钟，同时可以减少线路板器件数量，节省设计面积和成本。 4 1 2 可编程逻辑设计技术 随着电子设计技术的飞速发展，数字集成电路已经从最初的电子管电路发展到今 天的专用集成电路( a s i c ) 。a s i c 可以降低生产成本、提高系统的可靠性、节省设 计尺寸，但是设计周期长、改版投资大等缺陷使其应用受到制约。而可编程逻辑器件 却允许设计师灵活地修改数字电路的内部结构，然后将设计移植到a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c l j i t ) 设计上，从而有效地缩短设计周期【2 引。 可编程逻辑设计技术是使用硬件描述语言在可编程逻辑器件上实现一定的逻辑 功能的设计方法。使用这种技术，可以将复杂的数字电路集成到一块可编程逻辑器件 上，从而大大节省设计尺寸、提高设计效率。 v h d l 语言，在电子工程领域，已成为事实上的通用性硬件描述语言之一。在本 课题当中，将使用该种硬件描述语言进行数字逻辑电路的描述。 4 1 3 可编程逻辑器件的选型 从广义上来讲，可编程逻辑器件是指一切可以通过软件手段更改器件内部逻辑单 元的连接结构来完成既定设计的数字集成电路3 0 1 。主流的可编程逻辑器件主要有 f p g a 和c p l d ，它们具有不同的特点【3 1 1 ，其性能对比如下表所示： 表4 1f p g a 与c p l d 的性能对比 项目f p g ac p l d 多为l u t + 寄存器结构，实现工多为乘积项结构，工艺多为 结构工艺艺多为s r a m ，也包含f l 硒h 、e 2 c m o s ，也包含e 2 p r o m 、f l 硒h 、 a n t i f u s e 等工艺a n t i f u s e 等不同工艺 触发器数量多少 规模与复杂程度规模大，逻辑复杂度高，新型器规模小，逻辑复杂度低 件高达千万门级 成本与价格成本高，价格高成本低，价格低 互联结构和连线资源分布式，丰富的布线资源集总式，布线资源相对有限 集成了中央处理器( c p u ) 或数 实现片上系统字处理器( d s p ) ，可实现片上 否 系统 适用的设计类型复杂的时序功能简单的逻辑功能 4 涡流无损检测分选仪的硬件电路设计硕士论文 在本课题当中，要求使用逻辑器件来实现数字频率合成技术，需要相对较多的逻 辑资源，对时序逻辑有严格的要求，需要通过处理器对频率进行控制。考虑到后续设 计当中需要对感应信号进行处理，要预留一定数量的逻辑资源，因此，选择使用 f p g a 。综合在资源数量、引脚数量、速度等级和成本等方面的要求，选择了a l t e r a 公司生产的e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 n 型f p g a ，该器件拥有8 2 5 6 个逻辑单元、2 0 8 个引脚( 其 中1 3 8 个可配置引脚) 、8 个全局时钟、2 个p l l 锁相环和1 6 5 8 8 8 字节的片上洲， 能够满足系统设计的需求。 4 1 4 信号发生器的f p g a 实现方式 在f p g a 内部，信号发生器主要由n i o si i 处理器及其外设、信号逻辑模块( 包括 相位累加器、波形r o m ) 组成。在f p g a 外部，主要由矩阵键盘、d a 转换器组成。 其原理图如图4 1 所示： 输入 t y 卧 信号逻辑模块 黼塞 酽” ”捌孕 数值 频率 相位幅度 控制 量化量化 矩阵j r n 1 0 si i 字 频率 序列 波形 序列 d a 转换 键盘软核累加器 r o m 器 溉，z “协? 一i x j 。 图4 1 信号发生器原理图 在信号发生器工作时，从矩阵键盘输入频率数值，由n i o si i 处理器系统对输入的 数值进行处理，转换为与所需频率相对应的频率控制字，输送给信号逻辑模块，信号 逻辑模块根据频率控制字产生所需信号的幅值量化序列，输送给d a 转换器，由d a 转换器产生所需频率的信号。 4 1 5 信号逻辑模块 信号逻辑模块的设计是信号发生器设计的核心，该模块主要由相位累加器和波形 r o m 两部分组成。 相位累加器是信号逻辑模块的核心部分，它由一个n 位加法器和n 位寄存器构 成，其结构如图4 2 。 1 4 硕士论文涡流无损检测分选仪的设计与开发 列 图4 2 频率累加器内部结构 每经过一个时钟周期，上一个时钟周期的寄存器的值被反馈回加法器的输入端， 与频率控制字k 相加，实现累加功能，这里的n 是相位累加器的字长。由此可知， 每经过一个时钟周期，相位累加器的值递增k 。相位累加器输出的是对应于波形r o m 当中的数据的地址，可以被理解为正弦波不同相位对应的r o m 数据的地址，称为相 位量化序列【3 2 】。 根据d d s 理论，存在一个频率控制字k 唯一地决定输出信号的频率五，并且： 厶= k 以2 ( 4 1 ) 其中丘为基准信号源频率。当k - 1 时，d d s 输出最低频率允。= z 2 ，该频率 代表d d s 系统的频率分辨率。d a 转换器的输出相当于对一个连续平滑波形的采样 的输出，根据奈奎斯特采样定律，采样率必须大于基准信号频率的两倍。即如果要让 d a 转换器输出的波形正确地反映源信号的特征，其输出频率不能大于疋2 。由于 在信号发生器之后的信号处理当中需要对信号低通滤波，而滤波器的设计实际上不可 能达到理想状况，总是存在一定的过渡带，所以输出频率的范围还会有一些损失，综 合以上的分析，d d s 系统的输出频率一般不超过o 一疋。 由于主要的检测分选对象是棒状金属材料的被测件，而该种被测件的特征频率一 般在k h z 级，为了保留一些频率余量，选取d d s 系统的输出频率范围为1 0 0 h z 至 1 0 m h z 。 根据式： z o 4 1 0 7 勉 ( 4 2 ) 得出： z 2 5 1 0 7 勉 根据计算结果，选择系统时钟输入频率为3 0 m h z 。 受到波形r o m 存储空间的限制，不可能将频率分辨率设置到无限小，由于输出 频率一般是k h z 级，所以选择频率分辨率为1 0 0 h z 可以满足实际的需要。 频率累加器的字长要根据系统输入时钟和系统的频率分辨率来确定。在式4 1 中， 取k l ，则： 1 5 4 涡流无损检测分选仪的硬件电路设计硕士论文 五= z 2 1 0 0 舷 又因为选取的输入时钟的频率为3 0 m h z ，并且频率累加器的字长一般为8 的整 数倍，所以计算得到： 3 1 0 7 舷2 2 4 = 1 7 8 8 勉1 0 0 忽 因此，选择频率累加器的字长为2 4 位。随着频率控制字的改变，d d s 系统输出 的信号的频率就会随之改变。但是频率控制字的变化不是连续的，只能是在不同的离 散值之间变化，因此系统的输出频率有一个最小的变化单位。由于输出波形的频率要 求在1 0 0 h z 至1 0 m h z 之间，因此将系统频率的最小变化单位设置为1 0 0 h z 可以满足 要求。 根据式4 1 得到当输出频率为1 0 0 h z 时的频率控制字的值为： k ：攀：5 5 9 2 4 5 6 k2 j j i i 石河2 ) ) y z q ) o 因此，当频率控制字每变化5 6 时，系统输出频率增加1 0 0 h z 。 根据以上对于频率累加器输入时钟和字长的分析以及频率累加器的基本原理，使 用v h d l 语言对其结构和功能进行描述，然后在原理图当中对其进行元件例化，得 到的频率累加器模块如图4 3 所示： ii n s l 3 k 。 图4 3 频率累加器模块 其中，“r e s e t ”是复位引脚，该引脚被设置为高电平有效，当电平为高的时候， 模块的输出将恢复为零。“c l k 是模块的时钟输入引脚，每经过一个时钟周期，累 加器进行一次累加。k 2 3 0 】是频率控制字k 的输入引脚，字长为2 4 位，决定了频率 累加器每次累加的数值。“d o u t 是输出引脚，输出相位量化序列。 当频率累加器的输出引脚向波形r o m 的地址线输出相位量化序列时，波形r o m 的内部逻辑会计算得出相应的输出值，该输出值代表正弦波不同相位所对应的幅值， 被称为幅度量化序列。波形r o m 的结构如图4 4 ： 1 6 硕士论文涡流无损检测分选仪的设计与开发 相位量化序列幅度量化序 l 输入 波形r o m 输出 ， 列 图4 4 波形r o m 结构 波形r o m 当中存储的是正弦波型的采样点，采样点越多，输出波形就能越真实 地还原。为了增加d d s 系统输出波形的精度，提高波形r o m 当中的采样点是直接 有效的方法。但是采样点的增加会增加波形r o m 对f p g a 资源的占用，综合考虑输 出波形精度和逻辑资源的占用，将采样点的数量选择为2 5 6 个，这时，输入引脚的位 数就被确定为8 位。 因为r o m 地址线的位数小于累加器的字长，在原理图当中是把相位量化序列的高 8 位与波形r o m 的地址线相连接，因此会引入一定的截断误差，但是该误差是在允 许范围之内的。波形r o m 当中的数据使用m a t l a b 来产生，在m a t l a b 中输入如 下代码： j c l e a rt i c ； t = 2 木p 舵5 6 ； 仁【0 ：t ：2 p i 】； y = 1 2 8 枣s i n ( t ) + 1 2 8 ； r o u n d ( y ) ； 仁o 0 2 4 5 a n s 然后将得出的结果转换为8 位的二进制数据，其幅值对应在0 0 0 0 0 0 0 0 至1 1 1 1 1 1 1 1 的二进制区间之内。最后利用得到的这些数据用v h d l 语言编写波形r o m 的结构和 功能，例化后得到的波形r o m 模块如图4 5 ： 图4 5 波形r o m 模块 在q u a r t l l si i 中将频率累加器和波形r o m 进行链接，就构成了信号发生器的频率 逻辑模块，其原理图如图4 6 ： 1 7 4 涡流无损检测分选仪的硬件电路设计 硕士论文 图4 6 信号发生器原理图 综合后进行仿真，得到的结果如图4 7 ： 图4 7 信号发生器仿真结果 在上图中，由于输出引脚“d o u t ”的显示结果较密集，所以无法看清其输出值 的变化，将上图部分放大后如图4 8 和图4 9 ： ，n c l 囝d 加v t 粒垂d 玉互托蔓d 夏x 匝d 匹匹x 匾d 雹亘矩重d 雹亘x 匣d 重要x 匿丑雹夏踅匣d 正叵灼互) 重亘：i ( 亘虱匹亘x 堕d 雹窭炬夏d 王i 1 0 圄i 图4 8 仿真结粜放人图1 1 如 l n n n n l n o n l n n n n n n n o n n n n n n l n 0 彻n n n n n n0 n n l n n n n n n n n n0 唧n n l0 肌n n n n l n 肌n n l n l n l l0 呷1 0 n 1 1 1 n l n ln n n n 肌 日d 0 v t r 1 砭订1 币刀一 图4 9 仿真结果放火图2 从仿真结果可以发现，频率控制字的改变可以引起输出频率的改变，在仿真结果 当中体现为输出引脚每一位的值的问隔发生变化，增大k 的值以后，输出值的问隔 变小，说明输出频率增大。由次可见，如果可以认为地控制频率控制字的大小，就可 一 一 m毗啪m啪啪m鲫一一 = 万l ；i l i l ll|瑟嚣器船器篇黜吾善暑蕃菩吾菩菩吾善m 一 一rllrli rrllrrlrrllrrpllrrllrr 一 一 一 圈 一b 一 硕士论文涡流无损检测分选仪的设计与开发 以实现对d d s 系统输出频率的控制。同时，从图木中还可以看到“i 也s e t 引脚的复 位功能。 4 2f p g a 配置电路设计 f p g a 不同于一般单片机，它的内部结构是由配置数据决定的，这些配置数据不 能存储在f p g a 芯片内部，需要存储在外加的专用配置芯片上。目前大部分f p g a ( 包 括本课题选用的e p 2 c b q 2 0 8 c 8 n 型f p g a ) 都是基于s d r a m 结构的，系统上电后 f p g a 从配置芯片中获得并加载配置数据，而掉电后又会丢失配置数据。因此，在本 课题中，f p g a 的配置过程是每次系统启动时都必须经历的过程。 4 2 1f p g a 配置方式的选择 f p g a 的配置数据来自于开发过程当中的最后一步，开发环境会生成p o f 和s o f 格式的配置文件，这两种文件分别用于不同的配置方式之下。f p g a 的配置方式有被 动串行( p s ) 配置、主动串行( a s ) 配置、j t a g 配置等。各种配置方式需要的硬件 条件和运行方式有所不同，本课题要求f p g a 不依赖主机而独立运行，因此选择主动 串行配置模式。 在主动串行配置( a s ) 模式下，使用一个串行配置器件对f p g a 进行配置。配置 器件包含非易失性存储器，其价格较低、接口较简单，并且在c y c l o n ei i 系列f p g a 的a s 模式下，配置数据可以被压缩和解压缩，节约存储空间，并且解压缩时间小于 数据传输时间，可以减少配置时间，是一种理想的低成本且高速的配置方案。同时， 若使用增强型配置器件，可以由配置器件在数据发送到f p g a 之前将压缩的