【正文】 前臺(tái)。首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能選擇一種最合適的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)實(shí)時(shí)性的要求，合理的安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間的調(diào)度關(guān)系。設(shè)計(jì)者應(yīng)將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個(gè)執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義。二是執(zhí)行軟件，它是用來完成各種實(shí)質(zhì)性的功能如測(cè)量計(jì)算顯示通訊等。軟件功能分析是為軟件設(shè)計(jì)作為一個(gè)總體規(guī)劃。若讀鍵程序在主程序或外部中斷處理程序中，可直接將延時(shí)程序插在讀鍵程序之后；若讀鍵程序在定時(shí)中斷程序中，可利用兩次定時(shí)器中斷的時(shí)間間隔完成去抖處理，省去延時(shí)程序。由于各種濾波算法在計(jì)算機(jī)上用軟件很容易實(shí)現(xiàn)，且應(yīng)用非常靈活，其效果往往是硬件濾波電路所達(dá)不到的。如軟件數(shù)字濾波被廣泛用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。但是，這種“以軟代硬”是以占用更多的計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)為代價(jià)的。原則上，在系統(tǒng)允許的情況下，盡可能采用軟件，減少硬件的使用。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分。單片機(jī)控制軟件的特點(diǎn)[4]隨著單片機(jī)在控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)以它優(yōu)異的性能使控制系統(tǒng)中硬件電路的設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單，代之而來的是程序設(shè)計(jì)的任務(wù)則更加繁重。（3）具有一定的保護(hù)措施系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)一定的檢測(cè)程序，例如狀態(tài)檢測(cè)和診斷程序，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)便于查找故障部位。當(dāng)程序有經(jīng)常需要加以修改或變化的參數(shù)時(shí)，應(yīng)該設(shè)計(jì)成為獨(dú)立的參數(shù)傳遞程序。若地線很細(xì)，接地電位會(huì)隨電流的變化而變化，導(dǎo)致電子系統(tǒng)的信號(hào)受到干擾，特別是模擬電路部分，因此地線應(yīng)該盡量寬，一般以大于3mm為宜。另外要使電源線、地線與數(shù)據(jù)線傳遞的方向一致，用地線把數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，寧可繞過也不要交叉，最后接于電源地。在每一個(gè)元件的電源輸入端與地之間都接一去耦電容以濾去干擾。如探頭測(cè)量線圈可添加以平衡線圈，這樣有利于消除電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、溫度變化、探頭抖動(dòng)所引起的干擾，另外我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)阻抗二維信號(hào)的提取，而由于電導(dǎo)率等干擾因素引起阻抗變化方向與缺陷引起阻抗變化方向各不相同，所以可采用相位分離法將需要檢測(cè)的因素與干擾因素分離開來，達(dá)到檢測(cè)的目的。對(duì)于來自系統(tǒng)外部的干擾：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)可能有大電流、高電壓、電弧放電等情況，這些因素可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間電磁干擾。因此電子線路的干擾又可分為內(nèi)部干擾和外部干擾。第二種干擾因素(電子線路引起的干擾)比較復(fù)雜[28]。本文采用單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警電路。前者電路稍微復(fù)雜，但使用簡(jiǎn)單，后者采用軟件控制，電路簡(jiǎn)單，使用較靈活，能適應(yīng)多變的需求。單片機(jī)直接控制。該課題可選用的報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路有如下兩種方案：顯示驅(qū)動(dòng)器LM3914N引腳控制。引腳9用來選擇顯示類型。當(dāng)V+為5V時(shí)，~。若接入的LED閃爍，~，即可消除閃爍。該集成片內(nèi)包含有一個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)器和10個(gè)比較器。條狀LED通過顯示驅(qū)動(dòng)器LM3914N來依次點(diǎn)亮。其硬件電路如圖410所示。但AT89C2051只有兩個(gè)外部中斷，可用一定時(shí)器用作外部計(jì)數(shù)器來擴(kuò)展一外部中斷實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求。在本系統(tǒng)中，鍵盤的主要功能是增益增加、增益減小、探頭在工件表面無缺陷處時(shí)的指示調(diào)零，故需三個(gè)按鈕。TLV5625與單片機(jī)的連接線路如下圖49。輸出電壓計(jì)算公式如下(滿比例于參考電壓)：2REF其中REF為參考電壓；CODE為輸入二進(jìn)制數(shù)值，范圍為0x000~0xFF0。TLV5625為一8位單電源供電的D/A轉(zhuǎn)換器件，基于電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。A/D轉(zhuǎn)換器每采入一次信號(hào)峰值，D/A轉(zhuǎn)換器也就隨即要輸出相應(yīng)電壓，以便隨時(shí)刷新裂紋深度指示。TLC0832與單片機(jī)的連接線路如下圖48。DI和DO可以連在一起，通過一根線連到處理器的一個(gè)雙向I/O口進(jìn)行控制。其中CS用于片選；CLK用于同步時(shí)鐘的輸入；DI用于串行輸入控制命令，選擇通道及工作模式等；DO用于將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)串行輸入到單片機(jī)。串行通信格式在不增加封裝大小的情況下，可以在轉(zhuǎn)換器中包含更多的功能。其輸入端可以分配為正極(+)或負(fù)極()。有兩個(gè)可多路選擇的輸入通道，TLC0832的多路器可用軟件配置為單端和差分輸入。其有如下特點(diǎn)：8位分辨率；易于和微處理器接口或獨(dú)立使用；滿比例尺工作或用5V基準(zhǔn)電壓；單通道或多路選擇的雙通道，可單端或差分輸入；單5V供電，輸入范圍0~5V；輸入和輸出與TTL和CMOS兼容；在FCLK=250kHz時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間為32us；總非調(diào)整誤差1LSB。與裂紋缺陷密切相關(guān)的信號(hào)峰值要進(jìn)入到單片機(jī)進(jìn)行處理，需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換。片內(nèi)含2KB閃速且flash指令、自動(dòng)擦除只讀存儲(chǔ)器、128字節(jié)數(shù)據(jù)RAM，15位I/O口，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，采用兩個(gè)優(yōu)先級(jí)結(jié)構(gòu)，可滿足系統(tǒng)要求。開關(guān)S1的作用是為了讓有效的峰值通過；開關(guān)S2的作用是為了在新的測(cè)量開始前將電容C3放電[3]。對(duì)電路的主要要求是：，使C3能快速地充電，隨Ui的增大而變化；，開關(guān)S2的泄漏電阻大，A3的輸入阻抗大，使Uo能保持峰值。當(dāng)UiUc，Dl導(dǎo)通，電容C3充電，使得u=u，這樣電容c一直充電到輸入電壓的最大值。為了克服二極管管壓降的影響，將二極管Dl放在跟隨器反饋回路中。幅值檢測(cè)電路如圖4 6所示。由此可知傳感器輸出信號(hào)的幅值直接反映工件表面裂紋的深度。采用放大電路為一同向比例放大器，放大倍數(shù)為： A=1+圖45濾波放大電路傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過濾波放大后的波形如圖47所示。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖45所示的放大電路對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。電路中正弦信號(hào)振蕩頻率計(jì)算公式如下： f==Hz從電渦流傳感器中傳輸出來的信號(hào)通常非常微弱，負(fù)載能力低，易受其它電路的干擾，在傳輸線路上也會(huì)很快地衰減。其中二級(jí)管D的作用是防止振蕩產(chǎn)生的電壓信號(hào)影響作為開關(guān)使用的三級(jí)管的正常工作；振蕩電路中電阻R用于調(diào)整振蕩電路中正弦信號(hào)的衰減時(shí)間；L為傳感器中的激勵(lì)線圈；L為傳感器中的測(cè)量線圈。圖44 LC振蕩電路由傳感器中的激勵(lì)線圈與一適當(dāng)大小的電容即可構(gòu)成能產(chǎn)生所需頻率正弦信號(hào)的振蕩回路。間斷的正弦信號(hào)比同頻率的恒定的正弦信號(hào)能很好降低磁化作用，而且LC振蕩電路較ICL8038信號(hào)發(fā)生器電路簡(jiǎn)單，使用較少的元器件便能滿足激勵(lì)信號(hào)的要求。而ICL8038可產(chǎn)生比較恒定的正弦波。LC振蕩電路需要初始電壓信號(hào)的激發(fā)，起振后由于回路的阻抗，使得產(chǎn)生的正弦信號(hào)逐漸衰減直至為零。選擇不同參數(shù)的外電阻和電容等器件，可產(chǎn)生不同頻率的波形，頻率的可調(diào)范圍為1~600kHz。而ICL8038是性能優(yōu)良的集成函數(shù)發(fā)生器。一般的渦流檢測(cè)儀中常采用振蕩電路有LC振蕩器、ICL8038波形發(fā)生器，當(dāng)頻率穩(wěn)定度要求更高時(shí)可采用晶體振蕩器，當(dāng)要求頻率較低時(shí)，則常采用LC振蕩器。激勵(lì)源電路即振蕩電路，常配以功率放大器，用以向激勵(lì)線圈提供所需頻率及幅度的電流，以便在試件中感生所需強(qiáng)度的渦流。圖42 檢測(cè)系統(tǒng)框圖單片機(jī)為硬件電路的核心，由單片機(jī)引腳輸出周期性的脈沖觸發(fā)LC振蕩電路，在激勵(lì)線圈中產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)。圖41 渦流檢測(cè)儀的基本組成本測(cè)量系統(tǒng)由四大部分組成，第一部分為信號(hào)激勵(lì)部分；第二部分為傳感變換部分，其中傳感變換部分包括傳感器探頭、前置信號(hào)處理如放大電路、傳感器信號(hào)變換電路等；第三部分為AT89C2051單片機(jī)系統(tǒng)，它分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、A/D、D/A及鍵盤等；第四部分為缺陷顯示及報(bào)警電路。渦流檢測(cè)的電子電路主要分兩大部分即：：包括振蕩器、信號(hào)檢出電路、放大器、顯示器和電源，這些是幾乎所有渦流檢測(cè)儀都具有的；：即鑒別影響因素和抑制干擾的電路，這些是隨檢測(cè)目的不同而異的[2]。但是在檢測(cè)時(shí)為了把試件中待測(cè)因素通過檢測(cè)線圈的阻抗或感應(yīng)電壓變化反映出來，它們需要完成一些相同任務(wù)：；；；。也正是由于該特性，使得該傳感器能較好的判斷裂紋的開口方向。采用掃查方式D探頭輸出電壓信號(hào)的峰值逐漸減小直至反向增大B、D兩種掃查方式與兩線圈的相對(duì)繞向有關(guān)。圖35 探頭掃查方式如圖35所示，A、B、C、D四種掃查方式中，A、C兩種掃查方式對(duì)裂紋缺陷不敏感，輸出感應(yīng)電壓信號(hào)在裂紋缺陷處和無裂紋缺陷處無明顯變化；以B、D兩種掃查方式(檢測(cè)線圈磁芯法線與裂紋方向呈45度夾角時(shí))進(jìn)行掃查時(shí)，傳感器最為靈敏。（2）任何兩個(gè)因素的各種不同水平的搭配，在試驗(yàn)中都出現(xiàn)了，并且出現(xiàn)了相同的次數(shù)。第3列的填法也同樣。（2）各因素水平對(duì)號(hào)入座：按照因素水平表中所確定的關(guān)系，對(duì)號(hào)入座，列入表內(nèi)，具體來說：第1列由A測(cè)量線圈匝數(shù)所占有，那么，在第1列的三個(gè)字碼“l(fā)’’的位置都應(yīng)寫上300匝，即A所在席位；在第1列的三個(gè)字碼“2”的位置，都應(yīng)寫上400匝，即A所在的席位；同理“3”位置都寫上500匝。用正交表安排試驗(yàn)的具體過程如下：（1）排表頭：按照因素水平表中固定下來的三個(gè)因素的次序，A測(cè)量線圈匝數(shù)、B測(cè)量線圈內(nèi)徑、c激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈的距離，順序地放到L(34)上方的三個(gè)縱列上，每列上放一種。這兩張表都至少能安排四個(gè)因素，因此，都可用來安排這個(gè)試驗(yàn)。表 32 因素水平表因 素匝數(shù)A內(nèi)徑B距離C1 水平A300匝C2mm2水平A400匝C3mm3水平A500匝C4mm列好因素水平表后，就要選一張合適的正交表來安排試驗(yàn)方案。用正交表安排試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模_定試驗(yàn)指標(biāo)，然后決定影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素以及選取各因素的水平后，應(yīng)列出因素水平表。正交表所具有的“搭配均衡”特性，正是正交表的“正交性”的含義。其中：L一為正交表代號(hào)；9一表中行數(shù)，需要做的試驗(yàn)次數(shù)；3一字碼數(shù)，因素的水平數(shù)；4一表中列數(shù)，最多可安排的因素?cái)?shù)。表31即是記為L(zhǎng)(34)的正交表。進(jìn)一步試驗(yàn)的方向。（3）較好的組合方案。（2）指標(biāo)與因素的關(guān)系。通過分折可得到：（1）因素的主次關(guān)系。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)首先回答了這一問題，它使我們能夠在全面試驗(yàn)的各種可能出現(xiàn)情況中，選做一部分最有代表性的試驗(yàn)從而找到好的方案。但是做這種全面試驗(yàn)不僅是不必要的，往往也是不可能的，如36型試驗(yàn)總計(jì)有729次。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)所回答的問題當(dāng)試驗(yàn)因素及其各水平確定后，怎樣進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)?上述列舉的試驗(yàn)中，共有三個(gè)三水平因素，各因素所取的水平相互間全部可能的搭配有3*3*3=33=27種。B (測(cè)量線圈內(nèi)徑)B=、B=、B=。用大寫字母的下標(biāo)……等表示因素的不同水平，如A、A、A、B、B、B、……，本試驗(yàn)中A表示A因素取“l(fā)”水平，即測(cè)量線圈匝數(shù)取300匝；又如C表示C因素取“3”水平，即激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈的距離取4mm……。這項(xiàng)試驗(yàn)中，共有三個(gè)因素，每個(gè)因素都是三個(gè)水平，所以把它叫做三水平三因素試抵簡(jiǎn)記為33型試驗(yàn)。水平：試驗(yàn)因素在試驗(yàn)中所選取的具體狀態(tài)稱為水平或位級(jí)。因素：對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)可能會(huì)產(chǎn)生影響的原因，稱為試驗(yàn)因素，簡(jiǎn)稱因素。有關(guān)的術(shù)語(yǔ)和符號(hào)試驗(yàn)指標(biāo)：表征試驗(yàn)研究對(duì)象的指標(biāo)稱為試驗(yàn)指標(biāo)。表征探頭性能好壞的指標(biāo)是靈敏度、提離效應(yīng)。渦流傳感器參數(shù)選取試驗(yàn)，是探求測(cè)量線圈匝數(shù)、測(cè)量線圈內(nèi)徑(磁芯直徑)、激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈的距離，三者以怎樣的參數(shù)組合時(shí)，渦流傳感器性能最好。然而三因素乃至多因素的這種問題，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)的有效方法。在我們?cè)囼?yàn)要解決的問題中，存在著一類要選擇最優(yōu)的方案，即優(yōu)選問題。[21]正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)解決怎樣一類試驗(yàn)問題任何一項(xiàng)試驗(yàn)，都存在著如何安排試驗(yàn)以及如何分析試驗(yàn)結(jié)果的問題，這就是做試驗(yàn)設(shè)計(jì)所要解決的問題。這些參數(shù)對(duì)傳感器性能影響各不相同，且影響并非相互獨(dú)立，某些因素降低了需要消除的傳感器提離效益，但同時(shí)也降低了傳感器的靈敏度。故H值應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)適當(dāng)選取。它會(huì)影響到探頭的靈敏度和提離效應(yīng)。由實(shí)驗(yàn)得知，提離效應(yīng)隨偏角α的增大而更加明顯，因此必須將偏角控制在較小的范圍內(nèi)。然而此時(shí)探頭工作于空載和置于工件表面無缺陷處時(shí)測(cè)量線圈輸出電壓信號(hào)是不同的，也就是產(chǎn)生了提離效應(yīng)。然而在正偏和反偏兩種情況下，測(cè)量線圈輸出信號(hào)在幅值和相位上均有所不同，為了保證探頭性能的一致性，必須保證偏角的一致，這個(gè)可以通過加工制作時(shí)來保證。但這是一種理想情況，因?yàn)樘筋^在加工制作后兩線圈很難保證完全正交，激勵(lì)線圈磁芯軸線與檢測(cè)線圈法線總是有一定的偏角α，正偏或是反偏。如圖32所示，當(dāng)激勵(lì)線圈與測(cè)量線圈完全正交(激勵(lì)線圈磁芯軸線與檢測(cè)線圈法線平行)時(shí)，探頭工作于空載(置于空氣中不接近金屬工件)或置于完好工件表面時(shí)，在激勵(lì)線圈和渦流場(chǎng)的作用下，測(cè)量線圈附近磁力線均平行于測(cè)量線圈表面，通過測(cè)量線圈磁通為零，由電磁感應(yīng)定律知，測(cè)量線圈中感應(yīng)電壓為零；當(dāng)探頭置于工件表面裂紋處時(shí)，裂紋缺陷改變了渦流大小及分布，擾亂了渦流場(chǎng)，使測(cè)量線圈中有磁力線通過，從而在測(cè)量線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，我們通過對(duì)感應(yīng)電壓的監(jiān)測(cè)即可拾取試件缺陷信號(hào)?？s小測(cè)量線圈尺寸只有通過用較小直徑的測(cè)量線圈磁芯和較細(xì)的漆包線。還有如前面所述，激勵(lì)線圈相對(duì)于測(cè)量線圈的尺寸要足夠大，但不能因此而加大激勵(lì)線圈尺寸導(dǎo)致探頭整體尺寸的增加，探頭尺寸過大，又給一些不規(guī)則的狹窄區(qū)域的探測(cè)帶來不便，故只有縮小測(cè)量線圈尺寸。測(cè)量線圈尺寸測(cè)量線圈尺寸要小。、性能研究激勵(lì)線圈相對(duì)于測(cè)量線圈的尺寸要足夠大當(dāng)激勵(lì)線圈與感應(yīng)線圈大小可比時(shí)，則交變感應(yīng)電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁力線相對(duì)于感應(yīng)線圈的方向是各不相同的，即感應(yīng)線圈內(nèi)有大量取向各異的磁力線穿過，這樣必然會(huì)嚴(yán)重影響對(duì)缺陷引起電流微弱擾動(dòng)而導(dǎo)致磁通變化的檢測(cè)；如果激勵(lì)線圈相對(duì)于感應(yīng)線圈的尺寸足夠大，那么感應(yīng)電流相對(duì)于小尺寸的感應(yīng)線圈可近似視為沿單一方向直線流動(dòng)，感應(yīng)線圈附近的磁力線方向亦近似趨于一致。在激勵(lì)線圈上通以一定頻率的正弦波，當(dāng)傳感器沿著試件表面移動(dòng)時(shí)，試件表面在交變磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生一定分布和大小的渦流；當(dāng)有裂紋時(shí)，渦流分布和大小會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，檢測(cè)線圈感應(yīng)渦流反磁場(chǎng)的變化，由硬件電路轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而由其變化反映缺陷的情況。 圖31傳感器結(jié)構(gòu)示意圖傳感器是由一個(gè)U形的激勵(lì)線圈和一個(gè)I型測(cè)量線圈組成。它適用于各種板材、帶材、棒材的表面檢測(cè)，還能對(duì)形狀復(fù)雜的工件的某一區(qū)域進(jìn)行局部檢測(cè)。在探傷時(shí)，把線圈放置在