【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 繩用的勵(lì)磁回路一般都如圖 22示，它由永久磁鐵、軟磁連接體、極靴、鋼絲繩、氣隙等五部分組成。 勵(lì)磁回路要求以最低的成本、最小的體積、最輕的重量、最優(yōu)的性能，使鋼絲繩中的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為減小回路體積，提高勵(lì)磁回路性能，一般選用高剩磁、高矯頑力、高磁能積的永磁材料。結(jié)合鋼絲繩 探傷檢測(cè)實(shí)際，綜合考慮各種永磁材料的特性，選擇稀土材料的永久磁鐵是比較理想的。稀土永磁材料矯頑力 Hc 很大，同時(shí)剩磁 Br 較高，基本能夠滿足鋼絲繩磁化飽和的要求，而且最大磁能積及磁穩(wěn)定性均屬優(yōu)良，溫度系數(shù)低，可在大范圍溫度下穩(wěn)定工作。本設(shè)計(jì)選用釹鐵硼稀土永磁材料作為勵(lì)磁回路的勵(lì)磁源，因?yàn)闊Y(jié)釹鐵硼永磁材料具有創(chuàng)紀(jì)錄的高剩磁、高矯頑力、高磁能積。另外，釹鐵硼磁鐵是一種鐵基材料，成本低廉而倍受世人關(guān)注。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 圖 22 永磁勵(lì)磁回路 軟磁材料是勵(lì)磁回路中形成磁力線通路不可缺少的組成部分，其在勵(lì)磁磁路中用來改變磁力線方向 ，減小回路系統(tǒng)的磁阻，增大關(guān)鍵部位的磁通密度，聚集磁場(chǎng)。軟磁材料磁軛一般選擇最大磁導(dǎo)率與飽和磁通密度都高的材料，如工業(yè)純鐵等。本設(shè)計(jì)選用的軟磁材料為工業(yè)純鐵。 167。 檢測(cè)元件 漏磁場(chǎng)的測(cè)量通過磁敏感元件實(shí)現(xiàn)，較常用的是感應(yīng)法和霍爾效應(yīng)法。 167。 感應(yīng)法 感應(yīng)法運(yùn)用感應(yīng)線圈檢測(cè)，基于感應(yīng)線圈檢測(cè)鋼絲繩損傷（亦稱全磁通檢測(cè)）的原理如圖 24 所示。隨著鋼絲繩相對(duì)于檢測(cè)線圈和勵(lì)磁器的運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩將被勵(lì)磁器逐段磁化至飽和狀態(tài)，若鋼絲繩存在損傷，其內(nèi)部磁通量（與鋼絲繩的有效金屬斷面積成正比）必然減少，于 是就會(huì)使感應(yīng)線圈產(chǎn)生電壓輸出，對(duì)感應(yīng)線圈輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，即可評(píng)價(jià)鋼絲繩的損傷程度。當(dāng)存在損傷的鋼絲繩相對(duì)于感應(yīng)線圈運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。即： /( / )( / )( / )e N d dtN d ds ds dtN d ds v????????? (21) 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 式中： N——感應(yīng)線圈匝數(shù)； d? /ds——鋼絲繩內(nèi)部磁通量相對(duì)于鋼絲繩位移的變化率； v——鋼絲繩相對(duì)于感應(yīng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度。 由式 (21)可知，當(dāng)線圈匝數(shù) N 與運(yùn)動(dòng)速度 v 一定時(shí)，感應(yīng)線圈輸出的電動(dòng)勢(shì) e，能夠反映出鋼絲 繩中磁通量沿繩軸向的變化，即鋼絲繩有效金屬斷面積沿鋼絲繩軸向的變化。但是在檢測(cè)過程中由于鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)是非勻速的，同時(shí)加上鋼絲繩的擺動(dòng)，以及種種外在因素的影響，必然會(huì)導(dǎo)致所測(cè)得的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并非反映實(shí)際信號(hào)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，也就是說感應(yīng)線圈法的檢測(cè)效果好壞與運(yùn)動(dòng)速度是否勻速有關(guān)，而要做到勻速運(yùn)動(dòng)幾乎不可能。而且還要求檢測(cè)速度必須大于 ，要不然就會(huì)丟漏信號(hào)。因此給定量檢測(cè)帶來了很大的難度，所以這種方法現(xiàn)在正逐漸被淘汰或?qū)ふ腋行У慕鉀Q措施。 圖 23 全磁通檢測(cè)法原理 167。 霍爾效應(yīng)法 霍爾效應(yīng) 法運(yùn)用霍爾元件檢測(cè)，其不受檢測(cè)速度變化的影響，且可以測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的絕對(duì)值。如圖 25 所示，如果在垂直于磁場(chǎng)的導(dǎo)體里通過一定的電流，則在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上存在一個(gè)電場(chǎng)，并在兩端有電動(dòng)勢(shì)輸出，此現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)是金屬或半導(dǎo)體載荷子受外加磁場(chǎng)作用所致。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 24 霍爾效應(yīng)原理圖 設(shè) K為霍爾靈敏度系數(shù)， I為電流強(qiáng)度、 B為磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度， θ為 B和霍爾元件平面法線的夾角，則霍爾元件輸出的霍爾電壓為 H cosV KIB ?? 。靈敏度系數(shù) K由霍爾元件的材質(zhì)、尺寸和工作溫度等因素決定。在 工作溫度不變的情況下，視為一常數(shù)。在元件安裝位置確定、 θ角不變時(shí)，如果霍爾元件采用恒流源供電，電流 I為定值，則式中 HV 與 B成正比，這就是 Hall元件重要的線性輸出特性（霍爾元件的定向響應(yīng)特性）。應(yīng)用這一原理，只要檢測(cè)出霍爾元件兩端的輸出電壓 HV ，便可獲得鋼絲繩的斷絲損傷的信號(hào)。因此， Hall元件的輸出電壓矢量 HV 線性地反映了鋼絲繩表面漏磁的情況 [2]。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 3 章 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 167。 信號(hào)調(diào)理電路 信號(hào)預(yù)處理電路是檢測(cè)系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，主要起對(duì)信號(hào)放大、除噪、調(diào)整等功能。在鋼絲繩無損檢測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)的預(yù)處理裝置應(yīng)達(dá)到如下功能和要求： （ 1）能夠?qū)鞲衅鬏敵龅臋z測(cè)信號(hào)進(jìn)行不失真的放大、濾波等處理，信號(hào)電平達(dá)到 A/D 轉(zhuǎn)換的信號(hào)幅度范圍； （ 2）在進(jìn)行多傳感器同時(shí)檢測(cè)時(shí)，能夠?qū)蝹€(gè)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立處理，各個(gè)處理通道間不應(yīng)相互干擾； （ 3）能對(duì)放大器的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)； （ 4）信號(hào)預(yù)處理電路應(yīng)盡量減少對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾。 為了滿足上述要求，設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)調(diào)理電路由放大電路 和濾波電路兩部分組成。 167。 放大電路 鋼絲繩斷絲產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)很微弱，一般只有幾高斯，當(dāng)用霍爾傳感器檢測(cè)時(shí)，傳感器的輸出電壓只有幾毫伏，因此電路必須進(jìn)行放大，本設(shè)計(jì)采用三運(yùn)放共模抑制比放大電路，如圖 31 所示 [35]。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 31 放大電路 圖中，取 R2= 7R ， 3R = 8R ， 4R = 9R ， 外接電阻平衡對(duì)稱 。 N1N2性能一致，平衡對(duì)稱，構(gòu)成差動(dòng)放大輸入級(jí)。 N3為雙端輸入單端輸出的輸出級(jí)，進(jìn)一步抑制 N1N2共模信號(hào) [68]。 2 2o 1 i1 i 266(1 )R Ru u uRR ??? 7 7o 2 i2 i166(1 )R Ru u uRR ??? 27o 2 o 1 i2 i d 1 i2 i16( 1 ) ) ( )RRu u u u = K u uR???? ? ?（ 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 4o o 1 o 2 d 2 o 2 o 33 ( ) ( )Ru u u K u uR? ? ? ? 5 5 5 6 5o o 2 o 1 o 2 o 13 3 3 4 6 3( 1 ) ( 1 )R R R R Ru u u u uR R R R R R?? ? ? ? ? ?? 差模增益： 27 4d d 1 d 236(1 )RR RK K K RR?? ? ?。 167。3 . LM741 運(yùn)算放大器 LM741 是運(yùn)算放大器中最常使用的一種，具有反相與同相兩個(gè)輸入端，由輸入端輸入欲被放大的電流或電壓信號(hào)，經(jīng)放大后由輸出端輸出。放大器工作時(shí)的需要一對(duì)大小相同的正負(fù)電源，其值由 177。12Vdc 至 177。18Vdc 不等，一般使用 177。15Vdc 的電源。 LM741 的管腳配置如圖 32 所示。 圖 32 LM741 運(yùn)算放大器管腳配置圖 167。 電源供應(yīng)器 電源供應(yīng)器本身具備兩組外接插孔以提供兩組電壓輸出，如圖 33 所示。當(dāng)需要以正負(fù)電壓輸出時(shí)，可利用電源供應(yīng)器上 Tracking 鍵之功能。例如欲產(chǎn)生 177。15Vdc 電壓，需要先將兩組電源輸出中其中一組的正端接上另一組的負(fù)端，剩下未接的兩個(gè)輸出端便為電源輸出端， 然后將電源供應(yīng)器電源打開，并將儀表板上 Tracking 鍵按下，再由板面上調(diào)整旋鈕以調(diào)整出所需的 177。15Vdc電壓。調(diào)整時(shí)可發(fā)現(xiàn)，盡管只旋轉(zhuǎn)其中一組電源輸出調(diào)整旋鈕，但兩組電壓輸出值會(huì)同時(shí)改變且顯示數(shù)字相同，只是一端為正，一端為負(fù)，此時(shí)即可得到一端正值、一端負(fù)值，且同為 15Vdc 的電壓輸出，其原理類似拿兩個(gè)電池頭尾相接串聯(lián)的情況。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 33 電源供應(yīng)器產(chǎn)生 177。Vdc 電壓輸出接線圖 167。 濾波電路 二階無限增益多路反饋型低通濾波電路如圖 34 所示。 圖 34 二階有源低通濾波電路 截止頻率取 100Hz，通帶增益 Kp=1，根據(jù)二階有源濾波器電容選擇用表可查出 C4=，根據(jù)選擇電容 C4 的實(shí)際值，按照下式計(jì)算電 阻換標(biāo)系數(shù) K c4100K fC?=10 其中 cf 單位為 Hz， C4 單位為 μF 。再按表 31 確定 C5 與歸一化電阻值 1ir ，河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 然后將歸一化電阻值乘以換標(biāo)系數(shù) K 可得 R1i= 1iKr （ i=0、 2），由此可得到各電阻的實(shí)際值，最后各電阻的取標(biāo)稱值為： 10 11 33kΩRR?? ， 12 41kΩR ? 。電容 C4=， C5=。 表 31 二階無限增益多路反饋型巴特沃斯低通濾波器設(shè)計(jì)用表 |Kp| 1 2 6 10 r10/kΩ r11/ kΩ r12/ kΩ C5/C4