传感器期末论文概要.docx

传感器期末论文概要.docx

《传感器期末论文概要.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器期末论文概要.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

传感器期末论文概要

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，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1

1.1传感器研究现状1

1.2无损检测中的传感器1

2.传感器基本原理1

3.传感器前置信号处理方法2

3.1信号调理电路的组成2

3.2传感器信号调理电路3

3.3传感器数控阻抗信号调理电桥5

3.4压力传感器信号调理模块8

4.开关电容低通滤波器[15]的设计原理分析12

4.1开关电容技术的原理13

4.2低通滤波器的总体设计14

4.3电路中电容值的计算16

4.4仿真结果17

4.5结论18

5.智能传感器18

6.传感器在无损检测中的应用18

6.1超声波传感器在无损探伤中的应用18

6.2奥氏体钢焊缝[23]无损检测专用超声传感器21

6.3超声传感器在点焊中的应用22

6.4霍尔传感器在无损检测中的应用22

6.5电涡流传感器无损探伤25

6.6基于先进传感器技术的航空材料无损检测30

6.7传感器在其他无损检测中的应用31

7.总结与展望32

1.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、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DumbSensor）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SmartSensor）。

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①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

②化学类，基于化学反应的原理。

③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、DIA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EZPROM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、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、ROM编译器、可编程逻辑阵列、LCD驱动器、R输出口及锁存器、K口锁存服冲器,外部甘乍RO叨外部主处理器接口、多路选择器、寄存器、控制逻辑、EZPROM、ROM、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MAX1450所构成的压力传感器的信号调理电路

图1

3.2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,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（a）所示,电桥平衡条件为:

（1）

即：

（2）

式中,ZA为阻抗的模,U为阻抗的幅角。

交流阻抗电桥的平衡条件较为苛刻,四个桥臂的阻抗大小以及性质都要按照一定的条件配置,以期增加电桥的收敛性,加速电桥平衡调节。

比如相邻桥臂,如果二相邻桥臂Z2、Z3均为纯电阻（即

）,被测阻抗为感性阻抗,则按照平衡条件的幅角关系可以知,余下的一个桥臂也要配置感性阻抗（即

）,否则电桥不可能调节到平衡[10]。

ECNDT传感器（即检测线圈）主要表现感抗性质,在涡流检测中,通常将涡流检测线圈作为构成交流平衡电桥的一个桥臂,该桥臂上的检测线圈与另一个桥臂上的比较（参考）线圈二者的阻抗不可能完全相等（由于线圈都是手工绕制,电感量、电阻量、Q值、以及分布电容等参量一般只能满足一个参数）,一般需要通过调节平衡电桥桥路中另外两个回路的可调电阻（电位计）来消除两个线圈之间的电位差,实现桥式电路的平衡。

当检测线圈阻抗发生变化（如线圈下被检测零件中出现缺陷）,桥路将失去平衡,产生非平衡电压信号,反映出被检测零件的电磁特性[7-8]。

标准的ECNDT传感器平衡电桥电路如图4（b）所示,其中LX为检测线圈感抗,RX为检测线圈直流阻抗,L1为参考线圈（或者比较线圈）感抗,R1为参考线圈直流阻抗,R2、R3为可调电阻构成的直流电阻桥臂。

实际应用中,根据被检测对象特性研制涡流传感器检测线圈和参考线圈,调节R2、R3使得桥式电路接近平衡。

电桥的平衡条件为:

（3）

可得

（4）

（5）

以及

（6）

式中,QX为ECNDT传感器品质因数;Q1为参考线圈品质因数;X为电桥激励信号源角频率。

由式（3）-式（6）可知,电桥平衡时需要满足一个基本条件，即初始平衡条件下涡流检测线圈和参考（比较）线圈的Q值相等。

前面提到过,由于ECNDT传感器多数为手工绕制,人为误差因素影响大,检测线圈和参考线圈相关参数（Q值、电感量、电阻量等）不可能全部满足相等条件,因此实际应用ECNDT检测电桥中的检测线圈和参考线圈尽可能满足相同的工性能参数及加工条件,最好是同一批次,以降低二者之间的差异,以期减少电桥平衡调节的系统误差（在电感量尽可能相近的条件下满足Q值相等）。

将标准ECNDT传感器阻抗信号调理电路中的可调电阻R3、R2改成数字程控电位器（DCP），采用微控制器控制其对应电阻的变化,电桥的输出端的信号通过峰值比较电路反馈给微控制器控制电桥调节结果,以实现信号调理电桥的数字化控制,这便是笔者针对ECNDT传感器信号的数控检测电桥电路的设计思路。

这里需要指出的是,ECNDT传感器阻抗信号检测电桥作为交流阻抗信号电桥的一种,一方面需要复平面调节平衡,调节过程较为复杂;另一方面,由于电感线圈及电路分布容抗以及电路导线杂散阻抗等因素的影响,理想的电桥平衡状态是很难实现的。

因此,实际应用中涡流仪器并不需要电桥电路完全平衡（输出电压为零）,而是通过调节电桥电路将交流阻抗电压信号峰峰值调节到某一阈值以下,然后辅助以自动平衡电路来配合电桥电路实现平衡,即用一个相位反相,幅度相等的电压来自动抵消这个不平衡电压[7];此外,由于数控电位器的量化误差使得电桥也不可能达到完全的真正平衡。

所以,通过调节数控电位器R3、R2使得电桥输出的交流阻抗电压信号峰-峰值达到最小,即可认为电桥近似达到平衡状态。

图4交流阻抗电桥桥路

3.4压力传感器信号调理模块

压力传感器一般采用电桥式电路结构,以提高输出灵敏度。

但一个微应变电桥输出只有2mV左右,即使在满载情况下,应变片的最大输出也只有数10mV,这就要求前置测量放大电路具有高增益、高精度、低噪声,低漂移等特点。

使用自动稳零技术的精密仪表放大器[11]AD8230，可以很好地解决抑制漂移的同时又放大微弱直流信号这个问题,以满足精密应变测试仪器的设计要求。

1、传感器信号调理模块的设计与实现

该传感器信号调理模块主要由压力传感器、信号调理模块组成,其中信号调理模块由+12V转+5V及+5V转-5V电源模块,滤波电路及AD8230放大电路等器件组成。

图5所示为调理电路框图。

（1）电源模块:

由于AD8230的典型供电电压为5V,因此采用了ADP667AR和ICL76602个电压转换模块分别为AD8230YR提供+5V和-5V的精准供电电压。

（2）滤波电路:

经实验发现,压力传感器供电电压的变化对其输出有很大影响,故在采用ADP667和ICL7660为压力传感器和AD8230YR提供精准供电电压的基础上,分别在+5V和-5V电压的输出端设计了滤波电路,查阅相关资料,采用了适合该电路的F型滤波电路。

图5调理电路框图

（3）放大电路模块:

AD8230是一款利用动态校零技术,采用超小型SOIC工艺制作的稳零式精密仪表放大器,具有1088的高输入阻抗,能有效地抑制信号源与传输网络阻抗不对称引起的误差;在-40~125e的工作温度范围,共模抑制比高达140dB,能有效地抑制共模干扰引入的误差,提高系统信噪比和对温度影响的抵抗能力,有效地保障了系统的测量精度。

2、信号调理模块的性能测试

2.1测试原理

该信号调理模块主要应用于压力传感器的微弱信号调理,其测试原理为:

活塞式压力计给压力传感器施加不同的压力值,压力传感器的输出进入信号调理模块,信号调理电路将压力传感器输入的微弱信号进行放大并调理。

2.2性能测试

为了测试信号调理模块性能是否满足实验要求,设计了相关实验,并对实验数据进行了分析与处理,针对所关注的调理电路的关键性能加以分析。

2.2.1零点测试结果

（1）调理电路的零点漂移。

在测量过程中,其零漂值在-0.00-0.08mV之间变化,取出现频率最高的值为记录值,故该电路的零漂值为-0.05mV.

（2）调理电路与传感器连接时的零点漂移。

在测量过程中,其零漂值在113~312mV之间变化,取出现频率最高的值为记录值,故该电路的零漂值为310mV.

2.2.2放大倍数测试

通过毫伏仪输入1~10mV电压,测试调理电路[12]的输出,分三组测试记录并绘制曲线如图6,由图可见,该电路的放大倍数为417.74,且拟合曲线的线性度较好,说明该电路稳定性良好。

图6放大倍数测试曲线图

3、信号调理模块在压力传感器中的应用

3.1连接压力传感器性能测试

3.1.1测试原理

改变活塞式压力计的压力输出（0~50MPa）以1MPa、5MPa为单位,正反行程各3次,利用数据采集电路采集传感器输出的敏感信号,压力传感器测试实验原理框图如图7所示。

图7压力传感器标定原理框图

通过测量所得数据得出压力传感器输出测试原始数据,再利用Origin6.1软件处理并绘制传感器输出特性曲线加以分析。

3.1.2测试结果

从传感器输出测试数据及特性曲线得出,该传感器输出电压经调理电路[13]放大417.74倍后,线性度良好,经正反行程3次采集,且3组特性曲线的斜率值均相等,且截距的误差精确到0.01,说明该电路与传感器相接工作时稳定性较好。

对记录数据进行均值处理得到压力传感器标定结果为:

Y=-217331+0100247X

式中:

Y为压力,MPa、X为量化台阶数。

3.1.3误差计算

压力传感器截距的相对误差:

误差/理论值=（0.03012/-2.73331）x100%=-1.102%

压力传感器斜率的相对误差:

误差/理论值=（2143647x10-6/0.00247）x100%

=0.0099%

3.2干扰及噪声分析

在性能测试中发现影响该系统的干扰源主要大地上的噪声,而且由于工作环境中大型机器的运转存在的噪声干扰,对信号调理电路的输出影响很严重。

故分为接大地与不接大地两种情况来分析。

由图8可见,在系统未上电时,系统不接大地时地上输出的理论值应该是零,但实际接地时的噪声比不接大地时更大,说明大地上10mV的噪声是输出结果的影响因素。

图8不接大地和接大地时地上的输出

由图9可见,在系统上电时,信号调理电路板的输出在接地与不接地时均约40mV,该噪声会影响到系统的输出结果。

图9不接大地时和接大地时系统的输出噪声

针对上述情况,设计了LC滤波电路,即对信号调理电路的输出端进行滤波,具体电路如图10。

图10信号调理电路的输出滤波电路

由图11可见,经过滤波之后,该压力传感器系统接大地与不接大地时的输出均约为10mV,相比之前,使得系统的测量结果更加准确。

且在实际应用中,输出噪声干扰约7mV,在此条件下可保证测量数据的可靠性。

图11滤波后的系统输出噪声

从传感器输出性能测试结果分析,该电路模块[14]与传感器连接工作时的稳定性有了明显提高。

此外,该电路中采用的自稳零芯片及小容量的镍电容代替了大容量的钽电容技术,使得调理电路模块的最终尺寸为:

长341544mm,宽819662mm,满足了工程安装设计的要求。

4.开关电容低通滤波器[15]的设计原理分析

为了滤除信号中掺杂的高频噪声，设计一种六阶级联式开关电容低通滤波器，以数据采样技术代替传统有源RC滤波器中的大电阻，有利于电路的大规模集成。

滤波器由双二阶子电路级联而成，电路中的电容值利用动态定标技术计算确定。

用Hspice进行仿真验证，结果表明：

开关电容低通滤波器能较好地时信号进行整形，其频率特性符合设计指标。

滤波技术是信号分析和处理中的重要分支，它的作用是从接收到的信号中提取有用的信息，抑制或消除无用的或有害的干扰信号，有助于提高信号完整度和系统稳定性。

滤波器正是采用滤波技术的具有一定传输选择性的信号处理装置。

随着现代集成电路技术和MOS工艺的飞速发展，模拟集成滤波器的实现已经成为现代工业的一个重大课题，也是当今国际上的前沿课题。

传统的连续时间模拟滤波器采用有源RC结构，能够应用到较高的频率，但是电路中多采用大电容和大电阻，在集成电路制造时会占用大量的芯片面积。

在现代集成电路工艺中，很难得到精确的电阻值和电容值，而且电阻值随温度变化很大，精度只能达到30%。

1972年，美国科学家Fried发表了用开关和电容模拟电阻R的论文，由此开关电容技术成为模拟集成滤波器设计中常用的方法。

开关电容滤波器是由运算放大器、电容器和MOS开关组成的有源开关电容网络，以数据采样技术代替大电阻，减小了芯片的面积和功耗，且电路的极点和时间常数由电容的比值确定，可实现高精度的模拟集成滤波器。

本文设计一种开关电容低通滤波器，用于滤除有用信号中掺杂的高频噪声。

4.1开关电容技术的原理

图12中的开关电容等效电阻电路由两个独立的电压源V1、V2，两个受控开关S1、S2和电容C组成。

开关S1和S2受两相不交叠的时钟φ1和φ2控制，时钟频率均为fs。

图12开关电容等效电阻电路

在时钟φ1和φ2的控制下，两个开关周而复始地闭合与断开。

φ1闭合时，C充电到V1，φ2闭合时，C放电到V2，传输的总电荷为C（V1-V2），流向V2的平均电流为：

　　I=Qfs=C（V1-V2）*fs（7）

　　根据欧姆定律，可知此开关电容电路的等效电阻（如图12（b）所示）为：

　　Req=1/Cfs（8）

　　利用开关电容等效电阻电路的最大优点是节省了硅片面积。

以图12（a）电路为例，若时钟频率为200kHz，要模拟一个阻值为10MΩ的大电阻，所需的电容值为0.5pF，所消耗的硅片面积仅为标准CMOS工艺制成的硅成型电阻面积的1%。

此外，开关电容模拟电阻的阻