钢丝绳断丝无损检测装置设计毕业设计(编辑修改稿)

钢丝绳断丝无损检测装置设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

绳用的励磁回路一般都如图 22示，它由永久磁铁、软磁连接体、极靴、钢丝绳、气隙等五部分组成。 励磁回路要求以最低的成本、最小的体积、最轻的重量、最优的性能，使钢丝绳中的磁场强度达到设计要求。 为减小回路体积，提高励磁回路性能，一般选用高剩磁、高矫顽力、高磁能积的永磁材料。 结合钢丝绳 探伤检测实际，综合考虑各种永磁材料的特性，选择稀土材料的永久磁铁是比较理想的。 稀土永磁材料矫顽力 Hc 很大，同时剩磁 Br 较高，基本能够满足钢丝绳磁化饱和的要求，而且最大磁能积及磁稳定性均属优良，温度系数低，可在大范围温度下稳定工作。 本设计选用钕铁硼稀土永磁材料作为励磁回路的励磁源，因为烧结钕铁硼永磁材料具有创纪录的高剩磁、高矫顽力、高磁能积。 另外，钕铁硼磁铁是一种铁基材料，成本低廉而倍受世人关注。 河南科技大学毕业设计（论文） 5 图 22 永磁励磁回路 软磁材料是励磁回路中形成磁力线通路不可缺少的组成部分，其在励磁磁路中用来改变磁力线方向 ，减小回路系统的磁阻，增大关键部位的磁通密度，聚集磁场。 软磁材料磁轭一般选择最大磁导率与饱和磁通密度都高的材料，如工业纯铁等。 本设计选用的软磁材料为工业纯铁。 167。 检测元件 漏磁场的测量通过磁敏感元件实现，较常用的是感应法和霍尔效应法。 167。 感应法 感应法运用感应线圈检测，基于感应线圈检测钢丝绳损伤（亦称全磁通检测）的原理如图 24 所示。 随着钢丝绳相对于检测线圈和励磁器的运动，钢丝绳将被励磁器逐段磁化至饱和状态，若钢丝绳存在损伤，其内部磁通量（与钢丝绳的有效金属断面积成正比）必然减少，于 是就会使感应线圈产生电压输出，对感应线圈输出的信号进行处理，即可评价钢丝绳的损伤程度。 当存在损伤的钢丝绳相对于感应线圈运动时，感应线圈将产生感应电动势。 即： /( / )( / )( / )e N d dtN d ds ds dtN d ds v (21) 河南科技大学毕业设计（论文） 6 式中： N——感应线圈匝数； d /ds——钢丝绳内部磁通量相对于钢丝绳位移的变化率； v——钢丝绳相对于感应线圈的运动速度。 由式 (21)可知，当线圈匝数 N 与运动速度 v 一定时，感应线圈输出的电动势 e，能够反映出钢丝 绳中磁通量沿绳轴向的变化，即钢丝绳有效金属断面积沿钢丝绳轴向的变化。 但是在检测过程中由于钢丝绳的运动是非匀速的，同时加上钢丝绳的摆动，以及种种外在因素的影响，必然会导致所测得的感应电动势并非反映实际信号所产生的电动势，也就是说感应线圈法的检测效果好坏与运动速度是否匀速有关，而要做到匀速运动几乎不可能。 而且还要求检测速度必须大于 ，要不然就会丢漏信号。 因此给定量检测带来了很大的难度，所以这种方法现在正逐渐被淘汰或寻找更有效的解决措施。 图 23 全磁通检测法原理 167。 霍尔效应法 霍尔效应 法运用霍尔元件检测，其不受检测速度变化的影响，且可以测量磁场强度的绝对值。 如图 25 所示，如果在垂直于磁场的导体里通过一定的电流，则在垂直电流和磁场的方向上存在一个电场，并在两端有电动势输出，此现象称为霍尔效应。 霍尔效应是金属或半导体载荷子受外加磁场作用所致。 河南科技大学毕业设计（论文） 7 图 24 霍尔效应原理图 设 K为霍尔灵敏度系数， I为电流强度、 B为磁场的磁感应强度， θ为 B和霍尔元件平面法线的夹角，则霍尔元件输出的霍尔电压为 H cosV KIB 。 灵敏度系数 K由霍尔元件的材质、尺寸和工作温度等因素决定。 在 工作温度不变的情况下，视为一常数。 在元件安装位置确定、 θ角不变时，如果霍尔元件采用恒流源供电，电流 I为定值，则式中 HV 与 B成正比，这就是 Hall元件重要的线性输出特性（霍尔元件的定向响应特性）。 应用这一原理，只要检测出霍尔元件两端的输出电压 HV ，便可获得钢丝绳的断丝损伤的信号。 因此， Hall元件的输出电压矢量 HV 线性地反映了钢丝绳表面漏磁的情况 [2]。 河南科技大学毕业设计（论文） 8 第 3 章 信号调理电路设计 167。 信号调理电路 信号预处理电路是检测系统的中间环节，主要起对信号放大、除噪、调整等功能。 在钢丝绳无损检测系统中，信号的预处理装置应达到如下功能和要求： （ 1）能够将传感器输出的检测信号进行不失真的放大、滤波等处理，信号电平达到 A/D 转换的信号幅度范围； （ 2）在进行多传感器同时检测时，能够对单个传感器输出信号进行独立处理，各个处理通道间不应相互干扰； （ 3）能对放大器的增益进行调节； （ 4）信号预处理电路应尽量减少对检测信号的干扰。 为了满足上述要求，设计了信号调理电路。 信号调理电路由放大电路 和滤波电路两部分组成。 167。 放大电路 钢丝绳断丝产生的漏磁场很微弱，一般只有几高斯，当用霍尔传感器检测时，传感器的输出电压只有几毫伏，因此电路必须进行放大，本设计采用三运放共模抑制比放大电路，如图 31 所示 [35]。 河南科技大学毕业设计（论文） 9 图 31 放大电路 图中，取 R2= 7R ， 3R = 8R ， 4R = 9R ， 外接电阻平衡对称。 N1N2性能一致，平衡对称，构成差动放大输入级。 N3为双端输入单端输出的输出级，进一步抑制 N1N2共模信号 [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  （ 河南科技大学毕业设计（论文） 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 运算放大器 LM741 是运算放大器中最常使用的一种，具有反相与同相两个输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。 放大器工作时的需要一对大小相同的正负电源，其值由 177。 12Vdc 至 177。 18Vdc 不等，一般使用 177。 15Vdc 的电源。 LM741 的管脚配置如图 32 所示。 图 32 LM741 运算放大器管脚配置图 167。 电源供应器 电源供应器本身具备两组外接插孔以提供两组电压输出，如图 33 所示。 当需要以正负电压输出时，可利用电源供应器上 Tracking 键之功能。 例如欲产生 177。 15Vdc 电压，需要先将两组电源输出中其中一组的正端接上另一组的负端，剩下未接的两个输出端便为电源输出端， 然后将电源供应器电源打开，并将仪表板上 Tracking 键按下，再由板面上调整旋钮以调整出所需的 177。 15Vdc电压。 调整时可发现，尽管只旋转其中一组电源输出调整旋钮，但两组电压输出值会同时改变且显示数字相同，只是一端为正，一端为负，此时即可得到一端正值、一端负值，且同为 15Vdc 的电压输出，其原理类似拿两个电池头尾相接串联的情况。 河南科技大学毕业设计（论文） 11 图 33 电源供应器产生 177。 Vdc 电压输出接线图 167。 滤波电路 二阶无限增益多路反馈型低通滤波电路如图 34 所示。 图 34 二阶有源低通滤波电路 截止频率取 100Hz，通带增益 Kp=1，根据二阶有源滤波器电容选择用表可查出 C4=，根据选择电容 C4 的实际值，按照下式计算电 阻换标系数 K c4100K fC=10 其中 cf 单位为 Hz， C4 单位为 μF。 再按表 31 确定 C5 与归一化电阻值 1ir ，河南科技大学毕业设计（论文） 12 然后将归一化电阻值乘以换标系数 K 可得 R1i= 1iKr （ i=0、 2），由此可得到各电阻的实际值，最后各电阻的取标称值为： 10 11 33kΩRR ， 12 41kΩR 。 电容 C4=， C5=。 表 31 二阶无限增益多路反馈型巴特沃斯低通滤波器设计用表 |Kp| 1 2 6 10 r10/kΩ r11/ kΩ r12/ kΩ C5/C4。