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1、 毕业设计（论文） 管材焊缝涡流探伤仪设计的研究 院 别控制工程学院 专业名称测控技术与仪器 班级学号 学生姓名 指导教师 2012 年 6 月 15 日 毕业设计（论文） 第 0 0 页 管材焊缝涡流探伤仪设计的1研究 摘 要 近年来，随着工业的不断发展，对产品的质量要求也不断的提高，钢管在国民经 济中占有着重要的地位。为了提高管材产品的质量、降低劳动强度、减少工业应用事 故，就要对管材进行无损检测。无损检测是在不破坏管材的前提下，检查工件宏观缺 陷或测量工件特征的各种技术方法的统称。无损检测是工业生产中实现提高质量、改 进工艺和提高劳动生产率、节约原材料的重要手段，也是设备安全运行的重要监
2、测手 段。 涡流检测作为五大无损检测手段之一，其检测快速、成本低、易于实现自动化检 测，应用于非铁磁性管子，已是非常成熟的技术，它不单能探测出缺陷，并可以利用 阻抗平面技术分析出缺陷所在的位置与深度。然而涡流检测也存在其局限性，如将它 简单地应用于铁磁性材料的管材，涡流只能集中在表面，无法渗透到材料的内部，得 不到预期的结果，这就提出如何使用最佳参数进行管材焊缝涡流检测这一课题。 本设计根据制管控制工艺要求，首先采用单片机作为控制器，进行控制装置的硬 件电路设计，应用程序的设计，其次，进行模拟调试。分别设计了涡流检测电路，采 集与处理电路，键盘显示电路、控制电路等。 关键词：涡流检测，工业制管
3、，无损检测 1 毕业设计（论文） 第 1 1 页 Research on eddy current flaw detector on Steel Pipe Abstract Along with industrial continuous development, the requirement of products quality is higher and higher, steel pipe take a important part in industrial. With the view of improving steel pipes products quality, lowe
4、ring the labour intensity, and minimizing industrial accidents, we must have an automatic crack testing. Non-destructive testing due to defective and change by using some physical quantities of materials, measuring the change, so as to judge the existence of defects within the material.Non-destructi
5、ve testing is to achieve the control of quality in the industrial production, save raw materials,improve process and improve the labor productivity of important means, but is also an important means of monitoring the safe operation of equipment. Eddy current testing is one of the five conventional m
6、ethods of detection for the fast detection speed , very suitable for the detection of conductive surface and near the surface crack. However, the eddy current testing also has its limitations, such as is vulnerable to detection parameters affect false defect signal, prone to error detection.It is pr
7、oposed how to use the best parameters for the task bar surface eddy current crack detection. According to the pipe control process requirements of the design , we use SCM as the controller, the design of the control device hardware circuit,the design of applications and simulation debugging. Includi
8、ng eddy current detection circuit design, acquisition and processing circuit design, the keyboard and display circuit design, control circuit design. Corresponding to the various modules of the application design. Keywords: Eddy Current Testing,Industrial Pipe,Nondestructive Testing 毕业设计（论文） 第 2 2 页
9、 目 录 1 绪论.5 1.1 课题研究背景及目的5 1.2 国内外管材切割机的发展5 1.2.1 国内研究状况.5 1.2.2 国外研究成果.6 1.3 国内外涡流探伤仪研究状况和研究成果7 1.3.1 国内研究状况及成果.8 1.3.2 国外研究状况及成果.8 1.4 涡流检测的优越性8 1.5 课题的研究方法8 1.6 论文构成及研究内容9 1.6.1 论文构成.9 1.6.2 研究内容.9 2 总体方案设计.10 2.1 管材制管工艺10 2.2 管材涡流探伤仪系统组成与工作原理10 2.2.1 系统组成.10 2.2.2 工作原理.11 3 硬件设计.13 3.1 涡流检测探头设计1
10、3 3.2 被检管材扫查形式15 3.3 探头架15 3.4 马鞍形焊接切割机16 3.4.1 控制原理.16 3.4.2 技术参数.17 3.5 AT89C51 单片机系统设计.19 3.5.1 涡流检测电路.20 3.5.2 数据采集与处理电路.21 3.5.3 键盘显示电路.22 3.6 控制电路.23 毕业设计（论文） 第 3 3 页 3.6.1 探头间隙跟踪的逻辑控制.23 3.6.2 探头逻辑控制板主要功能.25 3.6.3 探头逻辑控制板主要电路设计.25 4 各组成部分功能.27 4.1 下位机27 4.2 工控机27 4.3 坐标采集系统27 5 检测校正.29 5.1 管材
11、涡流检测中检测参数分29 5.1.1 棒材涡流检测实验总体说明.29 5.1.2 课题试件选材依据与实验设备简介.30 5.1.3 棒料裂纹加工.30 5.2 管材涡流检测提离实验31 5.3 棒材涡流检测频率实验34 6 管材涡流检测裂纹参数分析.36 6.1 裂纹深度与输出信号幅值和相位之间的关系36 6.2 裂纹宽度与输出信号幅值和相位之间的关系38 6.3 本章小结39 7 软件设计.41 7.1 单片机子系统软件41 7.1.1 下位机 CPU 板单片机控制程序41 7.1.2 探头逻辑控制板单片机控制程序.43 7.2 数据采集系统软件47 7.3 键盘显示系统软件49 7.3.1
12、 键盘处理控制程序.49 7.3.2 LCD 显示程序50 结 论.52 致 谢.53 参考文献.54 附 录 .55 毕业设计（论文） 第 4 4 页 1 绪论 1.1 课题研究背景及目的 每年都有大量的管材广泛地应用于相关的工业领域，如建筑、采油和桥梁等工程 领域，为了完成长尺度和大跨度的需要，有时要将数十根或数百根拉杆通过连接部件 连接起来，实际工作中，任何一根发生断裂都会造成巨大的事故。管材的无损检测直 接影响到经济效益和人员的生命安全，世界各国都对金属管材的质量检测给以高度的 重视。无损检测是在不破坏管材的前提下，检查工件宏观缺陷或测量工件特征的各种 技术方法的统称。常规无损检测方法
13、有：超声检测、射线检测、磁粉检测 、渗透检验 、涡流检测。 涡流检测作为五大常规检测手段之一具有易耦合、速度快、成本低、易于实现自 动化检测等优点，非常适合于检测导电物体表面以及近表面裂纹。常见的金属材料可 分为两大类：非铁磁性材料和铁磁性材料。前者为铜、铝、钛及其合金和奥氏体不锈 钢；后者为钢、铁及其合金。常规涡流探伤应用于非铁磁性管子，已是非常成熟的技 术，它不单能探测出缺陷，并可以利用阻抗平面技术分析出缺陷所在的位置与深度。 然而，将它简单地应用于铁磁性材料的钢管，却得不到预期的结果。涡流只能集中在 表面，无法渗透到材料的内部。除此以外，铁磁性材料的磁畴结构，将对涡流检测信 号产生极大的
14、干扰，足以把缺陷信号完全淹没，而无法得到有用的信息。如何选取最 佳的检测参数，达到测试系统最高检测精度将是提高表面裂纹的检测灵敏度、降低漏 检等现象的发生主要途径。 本课题通过检测参数和裂纹缺陷参数的基于实验模型的研究，得出了裂纹尺寸参 数、检测参数与输出信号阻抗之间的规律，通过这些研究，为检测系统的系统设计和 裂纹尺寸量化提供了理论基础；以此可以大大的提高管材表面裂纹的检测灵敏度，降 低漏检、误检等现象的发生。 1.2 国内外管材切割机的发展 1.2.1 国内研究状况 毕业设计（论文） 第 5 5 页 我国，管材切割机的发展先后经历了三个阶段。第一阶段：引进国外先进技术。 如 从德国引进了D
15、ORSTENER公司仿制的YTONG切割机及生产技术建设了天津建材制品有限 公司加气混凝土生产线及爱舍（上海）新型建材有限公司；从韩国引进了德国 Vv3EHRHAHN 第二代技术二手设备建设了胜利油田营海建材有限责任公司加气混凝土生产线。第二 阶段：不断的消化吸收及模仿。如：中国东北建筑设计院在测绘 6 米 HEBEL 切割机的 基础上，改进设计成 3.9m 长杆式切割机，由陕西玻璃纤维厂制造约 1520 套；常州 加气混凝土中心在参观学习北京加气混凝土厂引进的 DORSTENER 公司仿 Y11CING 切割 机基础上，进行了简化设计，制造了仿 YTONG 切割机，装备于山东焦家金矿加气混凝
16、 土生产线；常州加气混凝土中心仿制了常州加气混凝土有限公司的 HETEN 切割机设 计了分步式切割机，由常州天元工程机械有限公司制造，装备于山东石横电厂、上海 宇山红新型建材有限公司（二线）等。第三阶段：自主研发。如：翻转切割机 1974 年 由国家建筑材料工业总局组织中国建筑东北设计院，在北京加气混凝土厂进行坯体翻 转试验的基础上，在原哈尔滨工业加工厂边设计，边制造，边安装，建设了并建成年 产 10 万 m3 加气混凝土生产线，采用了现场边设计、边制造、边安装、边调试、边建 厂方式自主研制成功了 6m 地面翻转切割机，并建成生产线，地面翻转切割机逐浙成为 我国加气混凝土工业主要机型。翻转切割
17、机的研发成功，对我国加气混凝土工业发展 作出了巨大贡献；预铺钢丝提升卷切式 3.9m 切割机二十世纪八十年代，为了满足加气 混凝土生产建设的需要建材工业部组织北京市建材设计所与常州建材设备制造厂合 作，研制了预铺钢丝提升卷切式 3.9m 切割机。 1.2.2 国外研究成果 国外生产制造切割机或拥有切割机技术的有：、求劳克斯(DUROX)公司、伊通 (YTONG)公司、司梯玛(STEMA)公司、海波尔(HEBEL)公司、道斯腾(DORSTENER)公司、 威汉(Vv3EHRHAHN)公司、西波列斯(SIPOREX)公司、乌尼泊尔(UNIPOL)公司、赫腾 (HETEN)公司等。按坯体切割时的姿态
18、可分为两类：1、保持浇注硬化时的水平状态进 行切割。2、将坏体翻转 90。侧立后进行切割。前者有西波列克(SLPOREX)技术、求劳 克斯(DUROX)技术、海波尔(HEBEL)技术、乌尼泊尔(UNIPOL)技术、司梯玛(STEMA)技术、 毕业设计（论文） 第 6 6 页 威汉(WEHRHAHN)第一代技术；后者有伊通(YTONG)技术、完全仿制 YTONG 的道斯腾 (DORSTENER)技术以及对 YTONG 技术进行了简化并改动的赫腾(HETEN)技术。另外，还 有将中国地面翻转技术与 YTONG 技术结合而成的威汉(WFHRHAHN)第二代技术 1 1 。 1.3 国内外涡流探伤仪研
19、究状况和研究成果 1.3.1 国内研究状况及成果 国内的大型钢厂对管材产品质量要求非常高，若检测不出管材表面的质量缺陷， 就 会严重影响到后续产品的生产，但长期以来，国内很多质量检查部门只能依靠肉眼去 判断钢管的质量状况，在这种情况下，误检、漏检的事件时有发生，每年由于质量问 题而引起的损失相当严重。因此，国内各大钢厂急需建立一套可以准确、有效的检测 钢管表面缺陷的高效自动化的检测设备。 在我国，涡流检测技术的应用可以追溯到上世纪 60 年代初。当时，航空、有色金 属和冶金各部门已开始采用涡流法来检测管材、成型金属管的表面缺陷。80 年代中期， 由于涡流检测技术局限于导电材料的表面检测，且在可
20、靠性和分辨力等方面尚存在较 大的不足，它在各工业部门的应用推广一度不如超声、射线和磁粉等常规检测方法那 么普遍。直至 80 年代后期，涡流检测技术在理论研究、工业应用、设备研制、人员培 训和标准制定等方面才取得重大的突破。 当前，涡流检测的应用领域己扩展到核工业、航天、航空、机械、冶金、石油、 化工、电力、有色金属及汽车等部门。随着工业生产和科学技术发展对无损检测提出 的更高要求，以及电子和计算机技术的飞速发展，可以预见，涡流检测技术的应用必 将日趋广泛。 至今，我国在学习、借鉴外国技术的基础上，不断消化、吸收，并结合实际情况， 在涡流无损探伤领域不断自主研发新产品。近年来成果不断，我国率先推
21、出多功能智 能化涡流探伤仪、多频涡流探伤仪、双频双通道涡流探伤仪等。目前，苏州德斯森电 子有限公司、上海纤导精密机电设备有限公司、南京润奇检测仪器有限公司等在涡流 探伤仪领域已取得显著地成就。其中，南京润奇检测仪器有限公司是一家专门从事涡 流、超声波检测理论研究，开发和生产高性能无损检测仪器的专业机构，长期从事管、 棒、丝线、板、带材、机械零件的无损探伤，同时在材质分选、硬度检测、渗碳层深 毕业设计（论文） 第 7 7 页 度、热处理状态、裂纹分析方面都有深入研究。产品广泛用于电力、航空航天、冶金、 石油化工、机械制造业。特别是对金属焊缝、铜包铝、铜包钢、铝包钢、铝塑复合管、 钨丝、钼丝、镍丝
22、、锆丝、铜管、铜棒、钢丝、钢管、铝管、钛管、叶片、螺栓、轴 承等金属材料探伤中处于国内领先地位，近年来成果不断，率先在国内推出多功能智 能化涡流、超声波 自动探伤流水线填补了国内空白，有力促进了我国检测事业的发展。 1.3.2 国外研究状况及成果 国外的无损检测系统普遍应用在钢管的检测上，用于管材的检测系统则相对较少。 无损检测系统的生产厂家主要以美国物理声学公司PAC以及德国的Dantec Dynamics GmbH和法国的CMS等公司最为著名。其产品综合应用了射线、涡流、磁粉和超声波等多 种检测方法。国外在无损检测系统方面的研究较早，很早就建立起了较为先进的管材 集成无损检测线，如九十年代
23、初美国共和钢铁公司的管材无损检测系统。该检测系统 把管材矫直和成型工序与自动检测和打捆工序完全集成起来，不但能够检测管材的外 部和内部质量，而且能测定管材的钢号，当管材出现缺陷时，系统还可以自动追踪缺 陷源的位置从而采取校正措施。 1.4 涡流检测的优越性 涡流检测的优越性主要包括： 1、对小裂纹和其它缺陷的敏感性； 2、检测表面和近表面缺陷速度快、灵敏度高； 3、检验结果是即时性的； 4、设备接口性好； 5、仅需要作很少的准备工作； 6、测试探头不需要接触被测物； 7、可检查形状尺寸复杂的导体； 1.5 课题的研究方法 工业制管机是一种将钢带制成圆管的装置。首先通过模具将钢带逐渐制成圆管，
24、之后用氩弧焊机焊接无缝圆管。焊接质量的好坏，需要通过专用的检测装置检测。对 毕业设计（论文） 第 8 8 页 于某一种型号钢管，可调整焊接电流为标准值。在焊枪与焊缝之间距离波动较小的情 况下，可通过涡流检测装置检测焊缝焊接质量（焊面的高低有无裂缝等） ，有缺陷及时 报警。 本设计采用单片机作为控制器，选择环式或扇型涡流探头，采用差动电路或电桥 电路（对比方法）来检测焊缝质量，输出电压经过调理电路送入 A/D 转换器，再经过 微机运算，与报警阀值比较，大于报警阀值，声光报警，控制器自动控制锯切管材， 将废品 锯掉。节省材料，调高成品率。 1.6 论文构成及研究内容 1.6.1 论文构成 本文第一
25、章主要介绍了课题研究背景及目的，国内外研究状况和研究成果；第二 章主要介绍设计方案；第三、四章重点介绍课题中硬件选择和硬件电路设计；第五、 六章主要介绍了检测、校正过程；第七章详述软件设计过程、调试问题和解决方案。 1.6.2 研究内容 （1）根据制管控制工艺要求，采用单片机作为控制器，设计控制装置的硬件电路； （2）进行涡流检测电路设计； （3）采集与处理电路设计； （4）键盘显示电路设计； （5）控制电路设计； （6）设计应用程序； （7）进行模拟调试； 毕业设计（论文） 第 9 9 页 2 总体方案设计 2.1 管材制管工艺 2.1 管材制管工艺流程图 制管工艺流程图如图 2.1 所示，
26、根据制管控制工艺要求，采用单片机作为控制器， 毕业设计（论文） 第 1010 页 设计控制装置的硬件电路，设计应用程序，进行模拟调试。 设计内容包括涡流检测电路设计，采集与处理电路设计，键盘显示电路设计、控 制电路设计等。对应各个模块应用程序设计。 2.2 管材涡流探伤仪系统组成与工作原理 2.2.1 系统组成 涡流探伤仪的结构方框图如图 2.2 所示，包括振荡器、信号检出电路、放大器、显 示器和电源基本电路；鉴别影响因素和抑止干扰电路的信号处理电路。 振荡器检验线圈放大器 信号处理 单元 记录显示 单元 试样 2.2 涡流探伤仪的结构方框图 2.2.2 工作原理 振荡器为桥接线圈提供电流以产
27、生交变磁场。这个磁场在试样中感应出涡流，使 线圈的阻抗依据试样情况发生变化，于是桥接电路输出电压也发生变化，即把线圈阻 抗变化转换成电信号。一般来说，这个信号的振幅很小，需用放大器加以放大，以便 后继单元（如相敏检波器）之用。在桥路输出信号中，除了有缺陷信号外，还有一些 由其他因素引起的干扰信号。消除这些干扰信号应采用信号处理单元，经信号处理单 元的分析处理最后输出显示、记录并触发报警装置或分选门。 毕业设计（论文） 第 1111 页 图 2.3 电磁感应现象 图 2.4 涡流的产生 电磁感应现象和涡流的产生见图2.3和图2.4。在图2.3中，使线圈1和线圈2靠近， 在线圈1中通过交流电，在线
28、圈2中就会有感应产生交流电。如果使用金属板代替线圈 2， 同样也可以使金属板导体产生交流电，如图2.4。这种由交流磁场感生出来的电流叫涡 流。 在图 2.3 中，试件中的涡流方法与给试件施加交流磁场线圈的电流相反。由涡流 所产生的交流磁场也产生交变磁力线，它通过激励线圈时又感生出反作用电流。如果 工件中涡流变化，这个反作用电流也变化。测定它的变化，就可以测得涡流的变化， 从而得到试件的信息。涡流的分布及其电流大小由线圈的形状和尺寸，试验频率，导 体的电导率，磁导率，形状和尺寸，导体与线圈间的距离以及导体表面的缺陷所决定 的。因此，根据检测到的试件中的涡流，就可以取得关于试件材质，缺陷和形状尺寸
29、 等信息。2 2 在采用涡流检测法时，通常都是将选定某一频率并带有一定功率的交变信号输送 到检测探头的激励线圈，使之在被检材料或零件中感应出涡流。此涡流也产生一个与 原来磁场相反的交变磁场，使检测探头的测量线圈的阻抗和感应电压发生变化。由于 被检材料或零件的感应涡流信号包含了被检材料或零件的各种信息，在涡流检测中通 毕业设计（论文） 第 1212 页 常采用具有阻抗分析功能的涡流探伤仪对这些信号进行分析，提取所需要的检测结果 信号。以管材涡流检测为例，管材性能信息通过测量线圈(次级线圈)的阻抗和感应电 压的变化来提供. 管材对线圈阻抗影响的主要因素有电导率、内径、管壁厚和相对磁导率。管材内 部
30、缺陷、显微组织、晶粒大小、硬度残余应力等都影响电导率和磁导率。因此，从诸 多的影响因素中提取所需检测的信号，如探伤时提取缺陷信号，材质分选时提取硬度、 残余应力等信号。 3 硬件设计 3.1 涡流检测探头设计 涡流检测探头设计主要包括：线圈的结构形状、线圈电路的连接形式、线圈的形 状尺寸、检测频率、探头的外形制作。 1、探头线圈按结构形状不同可划分为三种：穿过式线圈、内通过式线圈和探头式 线圈，如下图 3.1 所示。探头式线圈又称为放置式线圈。在应用过程中，外通过式线 圈和内穿过式线圈的轴线平行于被检工件的表面，而放置式线圈的轴线垂直于被检工 毕业设计（论文） 第 1313 页 件的表面。这种
31、线圈可以设计、制作得很少，而且线圈中可以附加磁芯，具有增强磁 场强度和聚焦磁场的特性，因此具有较高的检测灵敏度，适用于各种板材、带材和大 直径管材、棒材的表面检测。内通过式线圈可以检测安装好的管件，或小直径的深钻 孔、螺纹孔或厚壁管内壁的表面质量。穿过式线圈能检测管材、棒材、线材等可以从 线圈内部通过的导电工件或材料(检测管件外表面的缺陷)。 图3.1 不同应用方式检测线圈 2、探头线圈按其电路连接形式可分为：绝对式线圈和差动式线圈。如图 3.2 所示。 图 3.2 不同连接方式的线圈 绝对式线圈以一个或者数个线圈，用于反应出试件所具有的电磁性质，检测时， 不必同时检测试件的另一部分线圈比较，
32、此类即被称为绝对式线圈，一般广泛地被应 用于试件的电导率、磁导率、尺寸变化和硬度变化。差动线圈由两组或多组线圈，以 缠绕方向相反加以串联，且各线圈间无互感现象发生，又因两组线圈同时受相同的温 毕业设计（论文） 第 1414 页 度影响，如此随温度变化的情况可相互抵消，所以有温度补偿作用。若试件不同位置 的电磁状况有差异或与标准试件间有差异时，在系统中会产生不平衡的状况，如此缺 陷或材质不同就可以被检出。绝对式与差动式线圈的比较如表 3.1 所示。 通过上述比较，可知对于缺陷的检测适合于选用差动式线圈，它具有抗干扰、灵 敏度高的优点。自比较式是标准比较式的特例，比较的标准为同一被检工件或材料上
33、的不 同部分。被测部位材料的物理性能及工件几何参数的变化对线圈阻抗的影响较小，若 被检部位存在裂纹，则线圈会感应出急剧变化的信号。检测线圈的自比较方式适用于 检测管材表面的局部缺陷。本课题检测设备使用探头为放置式探头，其线圈缠绕方式 为自比较式差动线圈。 3、对于线圈的形状尺寸，形状采用圆柱形，尺寸包括：线圈外径、内径、厚度。 对于线圈外径，一般线圈外径取被检测管材的 1/2 左右。 4、对于检测频率，涡流检测的灵敏度及检测深度在很大程度上取决于检测频率。 对于放置式探头检测频率 f/fg一般取下列范围：10 0.03 MPa） 等离子切割：（选配） 根据客户切割厚度决定使用等离子电源型号 2
34、、焊接 表表3.23.2 接管直径系列接管直径系列 接管直径基本尺寸范围伸缩臂运动距离升降臂运动距离 160630400400 21001600750450 以上参数可根据用户要求定制。 （1） 本切割、焊接机器人可方便的安装在操作机缩臂上也可安装在移动龙门式 工艺架上。 （2） 本切割、焊接机器人可在圆柱筒体上焊接接管，可在筒体内也可在筒体外 焊接。 （3） 圆柱筒体与焊接接管相贯形式为垂直正交（正马鞍） 、偏心垂直相贯（偏 心马鞍） 。接管外径100mm 1600mm，马鞍量2Fmax,式中Fmax为模拟信号的最高频率。但在实际应用中，应当使FsFmax 才能使数字量与模拟量有较好的拟合性
35、。裂纹波形的频率在100Hz，所以本测试系统的 采集频率定为1000Hz。 AD574是AD公司生产的12位逐次逼近A/D转换芯片。AD574的转换时间为1535us。 片内有数据输出锁存器，并有三态输出的控制逻辑。其运行方式灵活，可进行12位转 换，也可进行8位转换。转换结果可直接以12位输出，也可先输出高8位，再输出低4位。 可直接与8位和16位的CPU接口。输入可设置成单极性，也可设置成双极性。片内有时 钟电路，无需加外部时钟。 AD574适用于对精度和速度要求较高的数据采集系统和实时控制系统。 1、AD574 的引脚 AD574 采用双列直插式 28 引脚封装。各主要引脚的含义如下：
36、DB11DB0输出数据线。DB11为最高有效位，DB0为最低有效位。 片选信号，输入，低电平有效 CS CE片使能信号，输入，高电平有效 R/数据读出/启动 A/D 转换信号引脚，输入。当引脚为高电平时，允许C 读 A/D 转换器输出的转换结果；当该引脚输入低电平时，启动 A/D 转换。 和 12 两者配合用于控制转换数据长度是 12 位或位，以及数据输8 出的格式（是 12 位的一次输出还是先输出高位，后输出低位） 。，表 毕业设计（论文） 第 2222 页 示启动一次 12 位转换；，表示启动一次位转换。12 ，表示 128 位数据并行输出。 STS转换状态输出端。该引脚在转换过程中呈现高
37、电平，转换一结束立即 返回到低电平。用户可通过查询该引脚的状态了解转换是否结束。 10模拟信号输入端，允许输入的电压范围为10（单极性输 入时）或（双极性输入时） 。 20模拟信号输入端，允许输入的电压范围为20（单极性输 入时）或1010（双极性输入时） 。 BIP OFFSET偏置电压输入，用于调零。 REFOUT内部基准电压输出端。 REFIN基准电压输入端。该信号与 REFOUT配合，用于满刻度校准。 2、AD574 的操作 AD574内部的控制逻辑能根据CPU给出的控制信号而进行转换或读出操作。只有在 CE=1且=0时才能进行一次有效操作。当CE、同时有效，而R/为低电平时启动 CS
38、CSC A/D转换，至于是启动12位转换还是8位转换，则由来确定。=0时启动12位转换， =1时启动8位转换；当CE、同时有效，而R/为高电平时是读出数据，至于是一 CSC 次读12位还是12位分两次读出，则由12 引脚确定。若12 接+5V，则一次并行输 88 出12位数据；若12 接数字地，则由控制是读出高8位还是低4位。 8 3.5.3 键盘显示电路 在测量仪表中，工程人员通过键盘向系统发送命令选择功能和参观数，从显示系 统上获得系统信息。因此，对于一个完整的系统来说，键盘显示系统是用户或操作人 员同系统进行信息交换所必不可少的部分。 （1）键盘 键盘是一组按键开关的集合，是控制命令和参
39、数的主要输入口。目前，智能测量 毕业设计（论文） 第 2323 页 控制仪表的一个发展方向是键盘的一键多功能，按键越少，功能越来越强。在本系统 中，键盘的主要功能是系统复位、参数和选择。其硬件电路如图 3.6 所示。 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 R eset 22uF C 1 1K R 1 1K R 6 10K R 2 10K R 3 10K R 4 10K R 5 G N DG N D +5 +5 图 3.6 键盘接口电路 （）显示系统 液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等诸多其它显示器无法 比拟的优点，被广泛地用于各种仪器、仪表、电子设备等低功耗产品中，点阵式
40、 LCD 不仅可以显示字符、数字，还可以显示图形、曲线及汉字，并能够实现多种动画显示 效果，使人机界面更加友好，使用操作也更加灵活、方便。 精电公司的 MGLS12864 内置两片 HD61202 和一片 HD6120液晶驱动控制器，它是 一种带有驱动输出的图形显示控制器，可直接与位微处理器接口，且结构简单，使 用方便，MGLS12864 是使用两片 HD61202 作为列驱动器，同时使用一片 IJ061203 作为 行驱动器的 12864 点阵的液晶模块，两片 HD61202 分别控制液晶的左右半屏，它可 直接与位微处理器接口，MGLS12864 显示器单电源供电，面积为 7870（mm）
41、， 视域为 6244（ram），点阵为 12864，有两个控制器，20 个引脚。 毕业设计（论文） 第 2424 页 3.6 控制电路 3.6.1 探头间隙跟踪的逻辑控制 间隙跟踪示意图如图 3.7 所示,探头间隙的控制过程如下： （1）不探伤时，探头处于P0 位置，线性接近开关输出电压为10V。 （2）在收到下位机CPU发送的探头前进指令后，探头快速向前驱进。在距离轧辊 表面4mm 左右时（P1 位置） ，线性接近开关输出电压明显下降，大约降至5V 左右，这 时探头开始以慢速继续前进，直至到达P3 位置开始探伤。 （3）在探伤过程中，由于轧辊辊形变化引起探头和辊面间隙发生变化时，探头间 隙将
42、进行自动调整，具体如下： - 在探头逻辑控制板的单片机程序中设定一个V（数字量） 。 - 当探头和辊面之间的间隙变大，线性接近开关的输出电压也随之升高，当输出 电压的增量达到V 时，此时探头位于P2 位置，这时探头逻辑控制板发出探头前进指 令，使探头重新前进至P3 位置。 - 当探头和辊面之间的间隙变小，线性接近开关的输出电压也随之降低，当输出 电压的减小量达到V 时，此时探头位于P4 位置，这时探头逻辑控制板发出探头后退 指令，使探头重新退回至P3 位置。 图3.7 间隙跟踪示意图 从上述探头间隙跟踪的逻辑控制可知，在探伤过程中，探头逻辑控制板的CPU不断 毕业设计（论文） 第 2525 页
43、 地对线性接近开关的输出电压进行 A/D 采样，当发现电压值的变化量达到预设定值时， 则发出探头前进或后退的指令，直到探头重新回到探伤位置。这一过程是实时动态的。 但是要注意的是在间隙电压瞬态值和设定值之间必须要设定一个变化量 V，只有变化 量达到 V 时，才进行间隙调整。如果不设置 V 或者 V 设置的过小，将会产生探 头抖动的现象，反而会对探伤的稳定性产生影响。 3.6.2 探头逻辑控制板主要功能 探头逻辑控制板功能框图如图3.8所示,主要包括以下功能： A/D转换 光耦接口电 路 复位电路 晶振时钟电 路 CPU EEPROM 探头工作状态指示 及光耦合电路 命令输出及光耦合 步进电机接
44、口驱动 电路 步进电机 液晶模组接 口电路 至下位机CPU 板 来自下位机 CPU板 来自线性接 近开关的间 隙信号 来自多个传 感器的正常 或异常信号 液晶模组 图3.8 探头逻辑控制板功能框图 （1） 通过控制步进电机来控制探头的动作：快速前进、慢速前进、间隙保持、 快速后退。 （2） 定时对线性接近开关信号进行A/D采样，根据A/D采样值来决定步进电机 的动作。 （3） 在探头距离管材表面过近的情况下，能自动退回探头，起到保护探头的作 用。 （4） 在探伤过程中实时检测探头与管材表面的间隙，并对间隙变化进行补偿。 （5） 对探头运动的前后极限位置具有检测能力，防止探头运动过程中超过机械
45、行程而损坏。 毕业设计（论文） 第 2626 页 （6） 接收下位机CPU板发过来的进、退探头的命令。 （7） 将探头的工作状态发给下位机CPU板。 3.6.3 探头逻辑控制板主要电路设计 （1）线性接近开关信号的A/D转换电路 线性接近开关信号的A/D转换电路如图3.9所示，我们使用位模数转换芯片 TLC549对线性接近开关信号进行A/D转换。在接近开关输出的电压信号进入TLC549之前 首先进行分压，以防止探头在离开探伤位置后接近开关产生的将近10V的电压对芯片造 成损坏，并且使用稳压管将输入电压钳制在5V以下，来对芯片进行保护。 V C C C L K D W -D J C S A D
46、100pF G N D +5 G N D R E F- R E F+ 1K 1.1K 100pF 5V 100pF G N D +5 信信信信信信 信信信信 T O C PU 图3.9 A/D转换电路 （）步进电机控制电路 步进电机是通过输入脉冲信号来进行控制的电机，它将脉冲信号转变成角位移， 即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。电机的总转动角度由输入脉冲数决定， 而电机的转速由脉冲信号频率决定，脉冲频率越高，电机转速越快。 毕业设计（论文） 第 2727 页 4 各组成部分功能 4.1 下位机 下位机是整个探伤系统的信号处理单元，主要由振荡检测板、滤波板、探头逻辑 控制板和 CPU 板
47、组成。它通过多股屏蔽电缆与涡流探头系统和坐标采集系统相连接， 并通过 RS232 通讯接口与工控机相连接。 下位机的主要功能： （1）接收、处理来自探头的检测信号和来自坐标采集系统的坐标信号。 （2）通过 RS232 接口和工控机进行通讯，由工控机对检测信号、坐标位置信号进 行显示和存储。 （3）通过下位机的前面板显示当前检测到的裂纹与软点信号的最大值及其相应的 坐标值。 （4）控制步进电机的动作，调整探头与管材表面之间的间隙，在探伤过程中对间 隙变化进行补偿。 4.2 工控机 工控机是自动涡流探伤系统的人机交互单元。操作人员通过安装在工控机上的探 伤仪操作软件输入管材的信息、修改探伤仪的性能
48、参数以及向探伤仪下达探伤启动和 终止等指令。工控机通过 RS232 串行通讯口与管材控制系统进行通讯，向下位机传递 数据和下达指令，同时从下位机接受探伤数据进行处理，形成探伤图谱并保存。工控 机上的操作软件还具备对探伤数据进行管理和检索的功能。 4.3 坐标采集系统 涡流探伤仪必须对管材的轴向坐标信号进行采集，才能够在探伤结果上显示出管 材的长度。目前，我们所使用的涡流探伤仪对管材轴向位置信号的采集是采用在管材 毕业设计（论文） 第 2828 页 磨床 Z 轴驱动电机的尾部加装一个绝对值旋转编码器来实现，而旋转编码器和驱动电 机之间靠一个联轴器连接。采用这种方法来获取轴向位置信号，对联轴器的安
49、装要求 很高，因为磨床往复台在移动过程中，Z 轴驱动电机的转速非常高，最高可达 6000 转/ 分钟。在如此高转速下工作，编码器和电机旋转轴之间必须保持较好的同心度，否则 联轴器很快便会被扭断。针对这种情况，我们多次尝试将编码器的位置调整到最佳并 且使用抗扭强度较高的弹性联轴器，但效果不明显，联轴器仍然经常损坏，是目前涡 流探伤仪的一个较为薄弱的环节。在新的探伤系统中，我们采用激光测距的方法来进 行管材轴向坐标数据的采集。采用激光测距的方法，不仅数据的精度高，而且结构简 单，故障率低，便于维护。 毕业设计（论文） 第 2929 页 5 检测校正 5.1 管材涡流检测中检测参数分 5.1.1 棒材涡流检测实验总体说明 棒材涡流检测实验流程图如图 5.1。 预制实验裂纹 搭建实