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1、传感器在无损检测中的应用学 号：160808520338 学生所在学院：测试与光电工程学院 学 生 姓 名 ：余方林任 课 教 师 ：吴伟老师教师所在学院：测试与光电工程学院20016年12月2016传感器在无损检测中的应用余方林南昌航空大学研究生学院摘要： 随着科学技术的发展，传感器技术被广泛地应用于生产和生活的各个领域。在工业控制、航空、通讯等各个高科技领域以及日常生活中，人们对传感器测试系统的测量精度提出了越来越高的要求。 尤其是在无损检测中的应用很广。传感器测试系统应用技术的关键，就在于能使这一传感器尽可能准确地测量出被测量来。论文首先介绍传感器的研究状况，从常见几种传感器原理模型入手
2、，接着介绍传感器前置信号处理方法和电路设计以及模拟滤波器设计。下面介绍智能化传感器研究现状，最后着重介绍了传感器在无损检测中的应用实例及发展发向。关键词： 传感器 信号处理 模拟滤波器 智能化传感器 无损检测目 录1.绪论11.1传感器研究现状11.2无损检测中的传感器12.传感器基本原理13.传感器前置信号处理方法23.1 信号调理电路的组成23.2 传感器信号调理电路33.3传感器数控阻抗信号调理电桥53.4压力传感器信号调理模块84.开关电容低通滤波器15的设计原理分析124.1开关电容技术的原理134.2低通滤波器的总体设计144.3 电路中电容值的计算164.4 仿真结果174.5
3、结论185.智能传感器186.传感器在无损检测中的应用186.1超声波传感器在无损探伤中的应用186.2奥氏体钢焊缝23无损检测专用超声传感器216.3超声传感器在点焊中的应用226.4霍尔传感器在无损检测中的应用226.5 电涡流传感器无损探伤256.6 基于先进传感器技术的航空材料无损检测306.7 传感器在其他无损检测中的应用317. 总结与展望321.绪论1.1传感器研究现状传感器是将外界参量如物理、化学、机械等参量转化为电学量或光学量的一种装置。它像人的五官一样, 是获取信息的重要工具, 在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥着巨大作用。随着工业现代化的飞速发展, 以及测控系统自动化
4、、智能化的技术进步, 要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好, 而且具备一定的数据处理能力, 并能自检、自校、自补偿。传统的传感器(国外称为Dumb Sensor) 已不能满足要求。现代材料工艺及技术, 特别是计算机技术使传感器技术产生了巨大的飞跃, 微处理器(Microprocessor)和传感器相结合, 产生了功能强大的智能传感器(国外称为Smart Sensor) 。智能传感器是美国宇航局(NASA) 在开发宇宙飞船的过程中产生的。宇宙飞船需要速度、加速度、位置和姿态等传感器, 宇航的生活环境需要温度、气压、空气成份和微量气体传感器,科学观测也要用大量的各种传感器。宇宙飞船观测到的各种数
5、据是很庞大的, 处理这些数据需要用超大型计算机。要不丢失数据, 并降低成本, 必须有能实现传感器与计算机一体化的灵巧传感器。1.2无损检测中的传感器迄今为止，除了常规的超声、涡流、磁粉、渗透和射线检测之外，人们开发了各种先进的无损检测方法。无损检测的发展依赖于很多关键技术，其中包括先进的传感器技术，用来监控或检测温度、磁场、应变、振动和位移等等。这些传感器具有不同的工作原理、类型、灵敏度、阵列、位置、成本、尺寸、重量和数量，决定了整个检测系统的灵敏度、效率和安全性。近年来，航空无损检测及其相关传感器技术进步很快，包括光学检测（热成像、激光剪切散斑成像）、微波检测、振动监控、磁共振检测和敲击检测
6、技术，涉及光学传感器、微波传感器、振动传感器等等。2.传感器基本原理从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类，基于化学反应的原理。生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味
7、敏元件等十大类。下面对常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍如下。3.传感器前置信号处理方法 通常, 传感技术中传感器由敏感元件、传感元件、和其它辅助件组成, 有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。在传感器测量电路中, 经常遇到不同类型信号之间的相互转换问题, 以使具有不同输入、输出的器件可以联用。这就需要信号调理电路来实现这些功能, 以抑制噪声和实现信号的转换。此电路设计的优化程度如何直接关系到传感器系统的测量精度和稳定性等方面。由于传感器的信号调理电路处理的是比较微弱的信号, 电路相对比较复杂, 而且还要实行信号的转换, 外界的干扰极易祸合到电路中影响
8、到有用信号, 外界极小的骚扰都有可能给输出结果带来很大误差或者是完全错误的结果.信号调理电路内部各器件间的干扰也相当严重。因此, 传感器的信号调理电路的电磁兼容性问题是传感器技术的重要组成部分。3.1 信号调理电路的组成 集成化传感器信号调理电路的种类繁多, 大致可分为两类: 一类是传感器信号调理器,另一类为传感器信号处理器(亦称传感器信号处理系统)。传感器信号调理器与传感器信号处理器的主要区别表现在, 前者是以模拟电路为主、数字电路为辅, 后者则以数字电路为主。 传感器信号调理器能完成传感器信号的放大、温度补偿或非线性补偿、拘数转换等功能。传感器信号调理器大部分有A /D 转换器温度补偿及自
9、动校准电路, 输出为模拟量或数字量。在传感器信号调理器中可能用到的器件有: A /D 转换器、D IA 转换器、放大器、振荡器、滤波器、运算器、SPI 接口、定时器、可编程电桥激励源与基准电压源、可调电流源、加法器、缓存器、串行E ZPR OM 接口、二极管、数字控制器、信号调制器、信号解调器、冰点补偿器等。 传感器信号处理器芯片内部一般都带高速CPU 或微控制器、数字信号处理器, 并且具有串行总线接口, 因此其智能化程度更高, 更适合配微机, 其性能比传感器信号调理器更先进,使用也更灵活。在传感器信号处理器中可能用到的器件有: A 刃转换器、D /A 转换器、可编程电流源、系统控制器、放大器
10、、滤波器、振荡器、定时器、系统总线、运算器、数据存储器、程序计数器、R OM 编译器、可编程逻辑阵列、L CD 驱动器、R 输出口及锁存器、K 口锁存服冲器, 外部甘乍R O 叨外部主处理器接口、多路选择器、寄存器、控制逻辑、E ZPR O M、R OM、数字信号处理器、并行数据输出接口、数字测试接口、加法器、CPU、SPI 串行接口、闪速存储器、开关矩阵、双向串行通信接口及寄存器组、时钟发生器等。如图l 所示为由MA X 14 5 0 所构成的压力传感器的信号调理电路图13.2 传感器信号调理电路 实际的传感器信号中总含有相当的谐波干扰, 并伴有波形扭动的直流分量。虽然传感器制造时已考虑了采
11、用了特殊的光路设计, 使入射到每条光敏条上的光束中心严格平行于透镜主光轴, 即使物距发生变化, 焦面上产生的弥散斑的中心距离始终不变, 但信号的噪声和幅度变化仍较大。这种信号必须由调理电路处理后方能为微机系统所使用。所设计的信号调理电路框图如图2所示图 2 传感器信号调理电路框图 传感器信号首先通过 20Hz 20kHz带通滤波器将信号中的直流分量去除, 并将带外的干扰滤去。由于路面图像和颠簸等原因, 信号的幅度变化很大, 放大限幅级使小信号放大, 大信号限幅, 防止了信号丢失。施密特触发器是一个有回差的比较器, 电路形式很多1。设计的电路如图 3所示。图 3 施密特触发器电路图当 R3未接入
12、时, 其导通的阈值电压为。截止的阈值电压为。其回差电压为，调节R2的阻值, 就可使回差方便地处于期望值。小回差施密特触发器的回差电压调整到0. 2V。只要其最小输入信号的幅值大于0.2V,就会将该信号(基波) 转换成第一象限的方波而不丢失信号。并且将幅值小于 0. 2V 的干扰去掉, 而将幅值大于 0. 2V 的干扰转换成窄脉冲。通过低通滤波器后, 又使窄脉冲变成波形上升沿及下降沿上的较小起伏。该波形输入大回差施密特触发器。将图 3中的R3 接入, 形成大回差施密特触发器。 选取,得。其回差为。因此可确保其输出( 微机系统的输入) 为纯净的方波。由于施密特触发器是强烈正反馈电路, 输出的方波边
13、沿陡峭, 可以不用整形电路直接输给微机系统进行处理。由MCS- 51单片机组成的微机系统, 具有分时显示及打印速度、距离、加速度的功能, 并具有设定仪表常数功能, 用于消除因制造工艺而使传感器系数偏离4mm/ 脉冲 的误差,从而提高了仪器准确度。3.3传感器数控阻抗信号调理电桥涡流无损检测( ECNDT )技术以其快速性、表面检测灵敏度高、操作简便等优点, 在航空航天现场原位检测中占有及其重要的地位2-6。涡流检测技术是一种以电磁感应原理为基础的无损检测方法，当载有交变电流的传感器(检测线圈) 靠近被测导体试件时, 由于线圈磁场的作用, 试件中产生感应涡流, 进而影响检测线圈周围的磁场分布,
14、线圈的阻抗也就随之变化。电桥是涡流传感器阻抗信号检出最常用的信号检出电路, 大多数的涡流检测仪器采用交流电桥来测量线圈之间或者线圈和参考线圈之间的微小阻抗变化。由于被测试工件形状以及受检测部位各不相同, 检测线圈的形状, 规格参数与接近试件的方式也不尽相同, 尤其是在装备现场原位检测条件下, 受检部位多, 形状复杂, 因此需要对应多种不同种类的涡流传感器。为了达到原位检测中的快速性、稳定性、便携性以及集成化等要求, ECNDT传感器信号调理电桥就必须能够适应不同参数类型的传感器, 并且达到快速调节电桥平衡的要求。目前的涡流检测仪器中ECNDT 传感器信号检测电桥的调节多数采用人工调节方式, 调
15、节时间较长, 对操作人员的经验要求较高, 存在人为误差影响因素, 对环境参数和被检测元件物理特性依赖大, 检测速度缓慢等缺点; 少数能够实现数控调节涡流检测信号调理电桥的涡流检测仪器也存在分辨率不高, 对传感器参数适应范围有限、电桥调节速度缓慢等不足, 无法充分满足航天装备现场原位检测的要求。从实际工程应用角度出发, 本文提出了一种新颖的应用于装备原位涡流无损检测系统的数控ECNDT传感器信号调理电桥, 对其工程优化设计方法进行了研究, 从电桥设计思路、电桥结构分析、工程设计实现方法以及性能分析等方面对其做了详尽的阐述, 最后通过具体的航空装备原位检测实验案例对其有效性进行了验证。 1 电桥结构及实现思路阻抗分析法是涡流无损检测中应用最为广泛的一种信号分析方法, 在ECNDT 传感器的输出信号中, 反映待测信息的是线圈阻抗的变化量, 线圈阻抗的变化量很小, 在涡流检测仪器的设计制作中须采用电桥等测量电路以提取和放大线圈阻抗信号的变化7-9。从电桥结构和激励源特征上看, ECNDT传感器的信号检出电桥是交流阻抗电桥的一种; 从测量线路及测试方法上看, 属于不平衡电桥法。标准交流阻抗电桥结构如图4(
