【文章內(nèi)容簡介】 功能模塊、逆變功能模塊、零點(diǎn)檢測功能模塊、半控橋觸發(fā)功能模塊、逆變器觸發(fā)功能模塊、電壓反饋功能模塊 、電流反饋功能模塊、溫度檢測功能模塊、電壓等級選擇功能模塊、揚(yáng)聲器驅(qū)動功能模塊和電源功能模塊；最后闡述了采用 IGBT 對探傷機(jī)的主電路進(jìn)行改進(jìn)，以及設(shè)計了其驅(qū)動電路，使 X 射線機(jī)功耗更低，工作更可靠穩(wěn)定，系統(tǒng)性能更優(yōu)。第四章主要對整流功能模塊的輸出電壓曲線進(jìn)行分析，并介紹了系統(tǒng)常見典型問題的解決方法。 3 2 X射線探傷機(jī)的基本原理及結(jié)構(gòu)分析 工業(yè)上廣泛應(yīng)用射線照相來發(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部存在的缺陷，分析其形成的原因和規(guī)律，評價這些缺陷對工件使用性能的影響，以便改進(jìn)設(shè)計或工藝，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，避免惡性事 故的發(fā)生。 射線探傷是利用射線對材料具有一定的穿透能力，及其在穿透材料過程中，不同物質(zhì)和不同物體結(jié)構(gòu)對射線衰減程度各不相同。從而使缺陷在照相軟片或電視熒光屏上形成影像，借以判斷工件內(nèi)部的缺陷和完整性，射線檢測原理如圖 21 所示： 12354 圖 21 射線檢測原理圖 ； ； ； ； 輻射源照射工件， X 射線膠片放在工件的底面，由于有缺陷的材料與沒缺陷的材料吸收射線不同，所以工件的缺陷顯影在 底片上，借助于缺陷的圖像，可以判斷工件的質(zhì)量。 射線的產(chǎn)生與探傷的成像方法 X 射線具有電磁波的共性，同時也具有不同于可見光和無線電波等其他電磁輻射的特性，以下對 X 射線的產(chǎn)生和使用 X射線探傷的成像方法作簡單介紹。 4 射線的產(chǎn)生 X 射線是由韌致輻射而產(chǎn)生的，當(dāng)快速運(yùn)動的電子被物質(zhì)阻止時，電子運(yùn)動的速度急劇減小，電子原有的一部分或全部動能轉(zhuǎn)換為電磁波射出去 ,此即韌致輻射。X 射線發(fā)生的示意圖如圖 22 所示： 415326++X 射 線 圖 22 X 射線發(fā)生示意圖 ； ； ； ； ； X 射線發(fā)生的原理是由變壓器等組成的高壓發(fā)生器產(chǎn)生高電位差，加到 X 射線的兩端，陽極的電位高于陰極的電位。通常，將作為陰極的燈絲予以加熱，使得燈絲上有電子溢出。接通高壓之后，在電場的作用下，溢出的電子飛向陽極，同時電子被電場加速。為了避免電子在渡越由陰極到陽極的空間時與空氣分子發(fā)生碰撞，管內(nèi)被抽成很高的真空。高速運(yùn)動的電子撞擊到陽極靶上，發(fā)生韌致輻射，產(chǎn)生 X射線。 射線探傷的成像方法 射線探傷的成像方法很多，其中應(yīng)用最廣泛的是射線照相法、熒光屏成 像法、工業(yè)射線電視法、射線劑量率測量法等。所有顯示方法，均是利用射線與顯示物質(zhì)相互作用的某種后果，而這種后果又與射線的劑量或劑量率有相應(yīng)關(guān)系，從而達(dá)到射線探傷的目的。 5 射線照相法 射線照相法是由射線源輻射的射線，貫穿于距射線源合適距離的被探傷工件。在工件遠(yuǎn)離射線源的一側(cè) ,放置裝有 X 射線膠片的暗盒。由于貫穿工件后有無缺陷部位的射線強(qiáng)度不同， X 射線膠片將不同程度地被感光，感光的膠片經(jīng)暗室處理得到射線照相底片，利用射線照相底片黑度變化而顯現(xiàn)的圖像，來發(fā)現(xiàn)和判別缺陷。 熒光屏成像法 這是大家熟悉的一種射線顯示方法，它廣泛地用于人體醫(yī)療透視檢查中。熒光屏成像法是利用射線與熒光物質(zhì)相互作用產(chǎn)生熒光的現(xiàn)象呈現(xiàn)圖像的。選擇熒光亮度高，發(fā)出的熒光物質(zhì)，加工成粉末，均勻涂布到透明材料做的支撐層上，即成熒光屏。熒光屏成像法原理是射線輻射的射線貫穿工件照射到熒光屏上，由于存在缺陷而引起射線強(qiáng)度的差異，進(jìn)而引起熒光屏各部位熒光亮度的差異。因此，呈現(xiàn)出工件的透視圖像。不過，與射線照相底片比較熒光屏呈黑度分布正好相反。 工業(yè)射線實時成像法 工業(yè) X射線實時成像法是將貫穿工件后射線強(qiáng)度分布變?yōu)殡娨?圖像顯示缺陷。它能把射線增強(qiáng)數(shù)千倍，探傷時可以用肉眼直接觀察工件內(nèi)部缺陷。轉(zhuǎn)動工件 ,可以從各個側(cè)面觀察工件的透視圖像。它也能用于鑄造、焊接工藝連續(xù)觀察。檢查的速度快、成本低，便于自動探傷和遠(yuǎn)距操作與觀察。 射線探傷機(jī)的種類 目前，國內(nèi)外所生產(chǎn)和使用的工業(yè) X射線探傷機(jī)的種類、形式、規(guī)格繁多，按結(jié)構(gòu)可分為兩大類，移動式 X 射線機(jī)和攜帶式 X 射線機(jī)。 移動式 X 射線機(jī) 移動式 X射線機(jī)是一種體積較大、重量較重的探傷機(jī)，安裝在移動小車上，用于固定或半固定場合使用的 X 射線機(jī)。它的高壓發(fā)生部分（一般是兩個對稱 的高壓發(fā)生器）和 X射線管是分開的，它們之間用高壓電纜連接，為了提高工作效率，一般采用強(qiáng)制油循環(huán)冷卻。 攜帶式 X 射線機(jī) 攜帶式 X射線機(jī)是一種體積小、重量輕、便于攜帶、適用于高空和野外作業(yè)的 6 X 射線機(jī)。它采用結(jié)構(gòu)簡單的半波自整流線路， X 射線管和高壓發(fā)生部分共同裝在射線機(jī)頭內(nèi)，控制箱通過一根多芯的低壓電纜將其連接在一起。 本設(shè)計中的 X射線探傷機(jī)是屬于攜帶式 X射線機(jī)， 控制器為立式便攜機(jī)箱結(jié)構(gòu)，有一個把手便于攜帶，在儀器斜放時把手可以固定作為支撐。控制線路板通過扁平電纜插頭座與顯示電路板及主回路連接，整個儀器 的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計便于檢查、維修和更換部件。 射線探傷機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 一般 X射線探傷機(jī)的結(jié)構(gòu)由五個功能模塊組成：高壓功能模塊、冷卻功能模塊、保護(hù)功能模塊、控制功能模塊和人機(jī)界面功能模塊，下面分別對各模塊作簡單介紹。 高壓功能模塊 X 射線探傷機(jī)的高壓部分包括 X 射線機(jī)、高壓發(fā)生器（高壓變壓器、燈絲變壓器、高壓整流管和高壓電容）及高壓電纜等。 冷卻功能模塊 冷卻是保證 X射線機(jī)能否長期使用的關(guān)鍵，冷卻效果的好壞直接影響 X 射線管的壽命和連續(xù)使用時間。 X 射線管會因陽極過熱而發(fā)生損壞，冷卻得不好還 會發(fā)生高壓變壓器過熱，絕緣性能變壞，耐壓強(qiáng)度降低而擊穿的事件。所以 X 射線管陽極在實際制造時，都采取各種措施保證冷卻效率。 保護(hù)功能模塊 X 射線探傷機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)主要有以下部分組成：每一個獨(dú)立電路的短路過流保護(hù)、 X 射線管陽極的冷卻保護(hù)、 X 射線管的過載保護(hù)（過流或過壓）、零位保護(hù)、接地保護(hù)和其他保護(hù)等。 控制功能模塊 控制功能模塊是指 X 射線管外部工作條件的總控制部分，主要包括管電壓的調(diào)節(jié)、管電流的調(diào)節(jié)以及過電流、過電壓保護(hù)等。 人機(jī)界面功能模塊 人機(jī)界面常使用鍵盤、旋鈕、 LED 顯示和 LCD 顯示， X 射線探傷機(jī)一般通過控制臺上的開關(guān)、按鈕或它們的組合進(jìn)行操作，操作實現(xiàn)的功能由控制臺上的文字和操作手冊給出。 本設(shè)計的 X射線探傷機(jī)前面板主要是系統(tǒng)人機(jī)界面，由 LED 顯示器、發(fā)光二極 7 管和按鍵組成；側(cè)面板是配電和電纜連接面板，主要由 電 源 開關(guān) 、 電 源 線插 座、 連接 X射 線發(fā) 生器 電纜 插座、 20A 保 險絲 管座、 2A 保 險絲 管座和接地端子組成。前面板和側(cè)面板分別如圖 2圖 24 所示。 圖 23 前面板圖 其中，前面板中的 LED 顯示器、發(fā)光二極管狀態(tài)說明如下所述： （ 1） 數(shù)碼顯 示器（共 8 位） a、狀態(tài)： 3位，顯示當(dāng)前工作狀態(tài)或故障代碼； b、千伏： 3位，顯示機(jī)器工作 KV值或預(yù)置 KV值； c、時間： 2位，顯示機(jī)器工作時間或預(yù)置時間。 （ 2）發(fā)光二極管指示燈（共七個） a、電源燈：機(jī)器通電時亮； b、預(yù)置燈：機(jī)器處于預(yù)置參數(shù)時亮； c、準(zhǔn)備燈：機(jī)器準(zhǔn)備完畢時亮； d、訓(xùn)機(jī)燈：訓(xùn)機(jī)時亮； e、工作燈：訓(xùn)機(jī)或曝光時周期性閃亮； f、休息燈：訓(xùn)機(jī)或工作休息時亮； g、故障燈：機(jī)器發(fā)生故障保護(hù)時亮。 8 圖 24 側(cè)面板圖 源 開關(guān) ； 源 線插 座； 接 X射 線發(fā) 生器 電纜 插座； 險絲 管座； 險絲 管座； 9 3 X射線探傷機(jī)主電路及其驅(qū)動電路的設(shè)計與實現(xiàn) 射線探傷機(jī)的總體設(shè)計 系統(tǒng)總體框架 本系統(tǒng)由操縱臺、 X 射線發(fā)生器和低壓連接電纜三部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 31所示： 操 縱 臺X 射 線 管低 壓 連 接 電 纜電 源 電 纜 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 操作臺結(jié)構(gòu)簡介 操作臺面板上有 LED 顯示器、控制按鈕、信號指示燈等。 側(cè)面插座盤有電源插座、連接 電纜插座、斷路器、報警揚(yáng)聲器、熔斷器和接地端子。 操作臺內(nèi)部有整流電路、電源變壓器、濾波電感、濾波電容及逆變器等組成。 根據(jù)各部分電路的功能特點(diǎn)，本系統(tǒng)分 主電路電路部分、驅(qū)動電路部分和面板電路部分三大模塊。 其中，主電路部分主要由整流功能模塊、逆變功能模塊組成；驅(qū)動電路部分主要由零點(diǎn)檢測功能模塊、半控橋觸發(fā)功能模塊、逆變器觸發(fā)功能模塊、電壓反饋功能模塊、電流反饋功能模塊、溫度檢測功能模塊、電壓等級選擇功能模塊、揚(yáng)聲器驅(qū)動功能模塊和電源功能模塊組成。 X 射線發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡介 X 射線發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如 圖 32 所示，高壓變壓器和 X 射線管安裝在同一個管桶 10 內(nèi)，其外殼用鋁板加工而成，采用六氟化硫氣體絕緣，供電頻率為 125～ 300Hz，為便于 X射線管散熱采用了陽極接地方式，在陽極靶伸出的端部安裝一個多葉片的鋁散熱器，再用風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫冷卻，加強(qiáng)了散熱效果。在發(fā)生器內(nèi)在鋪設(shè)了一層防輻射的鉛板，并用環(huán)氧樹脂粘結(jié)在發(fā)生器內(nèi)壁上。另外，在管桶內(nèi)鐵心和外部散熱器上各裝有一個溫度繼電器，用來防止溫度過高而損壞機(jī)器。 X射 線 管 圖 32 X射線發(fā)生器 X 射線探傷機(jī)工作流程設(shè)計 X 射線探傷機(jī)工作流程： 220V 交流電經(jīng)晶閘管 橋式整流后，由 LC 組成的濾波器濾為平滑直流電，再送晶閘管逆變器逆變，將直流電斬截成單向矩形脈沖波，作為升壓變壓器一次繞組的供電電源，經(jīng)變壓器升壓后為 X 射線發(fā)生器提供高壓。濾波后的直流電壓與給定電壓在電壓調(diào)節(jié)單元中進(jìn)行比較，控制晶閘管導(dǎo)通角，使輸出電壓與設(shè)定電壓相等，且保持較高的穩(wěn)定度。當(dāng)輸出電壓高于最高點(diǎn)壓 5%時，控制電路中的過電壓保護(hù)動作，使逆變器停止工作，即切斷高壓。 X 射線探傷機(jī)原理框圖如圖 33所示： 晶 閘 管 橋式 整 流 器L C 濾 波 器 逆 變 器半 控 整 流觸 發(fā) 電 路單 片 機(jī)電 流 調(diào)節(jié) 單 元鍵 盤顯 示X 射 線發(fā) 生 器2 2 0 V5 0 H z~電 壓 反 饋電 路逆 變 器 觸發(fā) 電 路功 率 放大 電 路電 源電 路 圖 33 X射線探傷機(jī)原理框圖 11 基于晶閘管的主電路及其驅(qū)動電路設(shè)計 本部分是采用晶 閘管為核心，設(shè)計了 X 射線機(jī)的逆變功能模塊和整流功能模塊，并針對主電路的觸發(fā)要求合理設(shè)計了其驅(qū)動電路。為了保證探傷機(jī)的工作性能，因此在主電路和驅(qū)動電路中加入必要保護(hù)環(huán)節(jié)。以下是主電路和驅(qū)動電路的具體設(shè)計。 主電路設(shè)計 主電路部分主要由整流功能模塊、逆變功能模塊、航空頭功能模塊組成。下面分別對各功能模塊的功能及工作原理進(jìn)行描述。 整流功能模塊 整流功能模塊采用了單相橋式整流電路調(diào)壓。整流電路把 220V 交流電整流，再進(jìn)行 LC 濾波，輸出一個較平滑的直流電作為逆變電路的輸入電壓，并送到電壓反 饋電路的輸入端。整流功能模塊如圖 34 所示： C 3 8 C 3 9C 3 7C 3 51 0 0 0u / 4 5 0V 5C 3 6D2D1L1T1R35 .1 KF U 1F U 2V T 1 V T 2VDR1 0 0 39 1 KC2224KV C CJ P 4 （ 17 ）、（ 18 ）J P 4 （ 15 ）、（ 16 ）J P 4 （ 13 ）、（ 14 ）J P 4 （ 11 ）、（ 12 ）J P 4 （ 9 ）J P 4 （ 7 ）J P 4 （ 5 ）、（ 6 ）J P 4 （ 10 ）J P 4 （ 19 ）、（ 20 ）123A212345678910111213141516A1A1 （ 5 ）A1 （ 7 ）A1 （ 9 ）NSA2（1）A2（3）A2 （ 1 ）A2 （ 3 ）風(fēng)扇揚(yáng)聲器A2（2）A2 （ 2 ）S2 2 0 V 交流電輸入插座ND3 圖 34 整流功能模塊原理圖 在電路中，兩個橋臂上的晶閘管 VT VT2 的陰極通常式連接在一起（共陰極），此時他們的門極電位接近，故采用脈沖變壓器隔離時，二次繞組間絕緣要求較低，不會因絕緣損壞造成短路。 此外，在整流后加上濾波電感和負(fù)載，這樣感性負(fù)載的特點(diǎn)是電流的變化落后于電壓的變化，這就有可能在電源正半周結(jié)束時，陽極電流仍大于維持電流，使晶閘管久久不能關(guān)斷，破壞了整個電路正常工作，稱這種現(xiàn)象為晶閘管“失控”，必 12 須嚴(yán)加防止。為此，在輸出端并聯(lián)一個續(xù)流二極 管，為感性負(fù)載提供了一個放電回路，避免了感性負(fù)載持續(xù)電流流過晶閘管，保證晶閘管正常工作。必須注意，續(xù)流二極管的極性不能接錯，否則會造成短路事故。 逆變功能模塊 本 功能模塊 采用副晶閘管和換向電容及換向電感的強(qiáng)迫換向方式，由于晶閘管在直流電壓下觸發(fā)導(dǎo)通后 ,其控制極已失去控制能力，不能自行關(guān)斷，因而采取了這種專門的措施。 逆變功能模塊 原理圖如圖 35 所示 : C 3 14 u / 4 0 0 VC 3 24 u / 4 0 0 VC 3 34 u / 4 0 0 VC 3 44 u / 4 0 0 VC72 2 4 K / 6 3 0 E 1C82 2 4 K / 6 3 0 E 1D5N 8 1 F R 6 08D3N 8 1 F R 6 08D4M U R 3 0 1 2 0 P TL2R11 0 0 Ω /4 0 WR751ΩR851ΩR22 Ω /3 0 WS C R 4S C R 3V C CA1（9）A1（5）A1（7）123A R 31 0 K 4 3 1A R 21 0 K 4 3 1 圖 35 逆變功能模塊原理圖 在電路 圖中 SCR SCR4 分別為主、副晶閘管， L2 為換向變壓器（電感）， C3C3 C3 C34 為換 向電容， D4 為反饋二極管（削尖峰）， AR D5為逆峰吸收回路，C C R7 和 R8分別為主、副晶閘管過壓吸收保護(hù)元件， AR AR3 為壓敏電阻。工作原理簡述如下： 在接通低壓電源未接通高壓電源之前 ， 電流調(diào)節(jié)單元輸出的連續(xù)觸發(fā)脈沖使副晶閘管 SCR3 導(dǎo)通，電流經(jīng)高壓變壓器一次側(cè) ? C3 C3 C3 C34?L2，迅速向C3 C3 C3 C34 充電，當(dāng)充電流小于 SCR4 的維持電流時， SCR4 自行關(guān)斷。換向電容兩端電壓等于 VCC 時，下正上負(fù)，為強(qiáng)迫副晶閘管關(guān)斷準(zhǔn)備。 接通高壓后 ， 觸發(fā)脈沖使主晶閘管 SCR3 導(dǎo)通，一方面負(fù)載電流經(jīng) SCR3 ? L2， 13 流經(jīng)電源負(fù)極；另一方面， C3 C3 C3 C34 上電壓（下正上負(fù)）經(jīng) SCR3 強(qiáng)迫SCR4 關(guān)斷。同時， C3 C3 C3 C3 L2（ 2）經(jīng) SCR D3 串聯(lián)諧振，使電容放電后再充電為上正下負(fù)，反偏振蕩停止。當(dāng)下一次 SCR4 導(dǎo)通時，就把 C3 C3C3 C34 跨接在 SCR3 的兩端，使 SCR3 受反壓而迫使其關(guān)斷。 C3 C3 C3 C34剩余電荷經(jīng) SCR L2（ 3）、 D4 串聯(lián)諧振，使電容電壓 上 負(fù) 下 正而停止，電源繼續(xù)向電容充電，開始下 一個過程。 C3 C3 C3 C3 L D4 所組成串聯(lián)諧振電路，可節(jié)約電能，并加速下正上負(fù)電壓 的 建立過程 ， 使逆變器在頻率較高時也能正常工作 。 航空頭管腳分配 航空頭是操作臺與 X 射線管的連接口，航空頭的質(zhì)量和連接的可靠性直接影響到 X射線機(jī)工