《2022年钢丝绳断丝无损检测装置设计 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年钢丝绳断丝无损检测装置设计 .pdf（43页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、本科毕业设计（论文）I 基于漏磁检测的钢丝绳无损检测器设计摘要随着当今社会科技的不断进步，钢丝绳在各个领域的使用越来越广泛，同时它的安全性与可靠性也受到人们越来越多的关注。通过对钢丝绳无损检测的分类、发展以及趋势的介绍，分析了钢丝绳故障在线监测的情况。本设计以漏磁检测为基础，使用霍尔传感器SS495A 检测漏磁信号，利用传感器模拟的漏磁信号，即给电路直接输入电压信号，通过后续电路和软件的处理之后，完成了基于漏磁检测的钢丝绳无损检测设计。信号处理的系统主要由放大电路及低通滤波电路组成，能够完成对钢丝绳断丝信号的放大与滤波，经过放大和滤波处理的电压信号通过ADC0809进行 A/D 转化，转换后的
2、信息传输到AT89C51 单片机，经过软件编程处理后，由单片机控制的数码管将电压的具体数值显示出来，并通过LED 灯亮灭的数量来判断钢丝绳的断丝情况。编写后的单片机程序首先在Proteus 软件上仿真，从理论上实现A/D 转换及数据显示的功能。在仿真成功的基础上，根据所绘制的系统原理图在万能板上搭建硬件电路，同时进行了调试，最终达到预期目标。本文的设计不但可以检测出钢丝绳的内部缺陷，同时能够定量检测钢丝绳的金属截面积。可实现实时的在线全绳检测，工作效率较高，基本不会受到人为因素的影响，结合人工检查及检测数据的分析可有效的评估钢丝绳的损伤程度与强度损失状况。关 键 词 ：钢丝绳，霍尔传感器，检测
3、，A/D 转换，单片机名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）II BROKEN WIRE ROPE NON-DESTRUCTIVE TESTING DEVICE DESIGN ABSTRACT With the continuous progress of science and technology in todays society, the use of wire rope in vario
4、us fields more and more widely, and its security and reliability have been more and more attention. Through the introduction of the classification, development and trend of nondestructive testing of wire rope, this paper analyzes the situation of the on-line monitoring of the fault of the wire rope.
5、 The design of leakage magnetic detection based, magnetic flux leakage signals using Hall sensor SS495A detection, using analog sensors MFL signals, namely to the circuit directly input signal voltage, followed by subsequent circuit and software processing, completed the based on leakage magnetic de
6、tection of wire rope nondestructive testing (NDT) design. Signal processing system mainly by the amplifying circuit and low pass filter circuit, able to complete the wire rope broken wire signal amplification and filtering, after amplification and filtering processing of voltage signal through the A
7、DC0809 for a / D conversion, the conversion after the information is transmitted to the single chip microcomputer AT89C51, after processing programming software and controlled by single chip microcomputer, digital tube display the specific values of voltage, and through the LED lamp light quantity t
8、o extinguish to judge the broken wire rope. After the preparation of the microcontroller program first in the Proteus software simulation, from the theory to achieve A/D conversion and data display function. On the basis of successful simulation, the hardware circuit is built on the basis of the pri
9、nciple of the system, and the debugging is carried out to achieve the expected goal. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）III The design of this paper not only can detect the internal defect of the steel wire rope, but
10、 also can detect the metal section area of the wire rope. Can achieve real-time online rope detection, high work efficiency, basically not by the influence of human factors, combined with manual inspection and test data analysis can effectively evaluate the wire rope damage degree and strength losse
11、s. KEY WORDS ：Wire rope ,Hall sensor, test,A / D conversion, AT89C51 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）IV 目录摘要 . I ABSTRACT . II 第一章绪论. 1 1.1 课题来源. 1 1.2 课题研究的背景和意义. 1 1.3 钢丝绳无损检测技术的发展现状. 1 1.4 漏磁检测技术的发展应用. 2 1.5 课题
12、研究的内容与创新. 3 第 2 章 钢丝绳无损检测的分类. 5 第 3 章 钢丝绳无损检测装置设计. 7 3.1 断丝的漏磁场检测. 7 3.2 钢丝绳磁化方法. 8 3.3 检测元件 . 9 3.3.1 感应法 . 9 3.3.2 霍尔效应法 . 10 第 4 章 信号调理电路设计. 12 4.1 信号调理电路. 12 4.2 SS495A 霍尔传感器特点 . 12 4.3 放大电路 . 13 4.3.1 LM741运算放大器. 15 4.3.2 电源供应器 . 15 4.4 滤波电路 . 16 第 5 章 硬件电路及软件设计. 18 5.1 AT89S51 . 18 5.2 ADC0809
13、 . 21 5.3 硬件电路调试. 23 5.4 程序流程图设计. 27 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）V 结论 . 28 参考文献. 29 致谢 . 30 附录 . 31 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 43 页 - - - - - - - - -
14、本科毕业设计（论文）1 第一章绪论1.1 课题来源本课题源自自然科学基金与部、省、市级以上科研课题。1.2 课题研究的背景和意义钢丝绳作为一种当前最重要的设备之一，因其有抗疲劳的强度高、抗拉力强度高、弹性高、重量轻、工作可靠性高、承载及过载能力大、在运行条件下工作不产生噪声等很多优点，其在冶金、矿产、建筑等经济重要行业与部门的运输、抬升等装备中得到了非常广泛应用，例如各种起重机、电梯、提升机等都较多地使用了钢丝绳。然而，其作为一种工程承载机构，在其使用的过程中，由于各种因素必然会引起疲劳、磨损甚至拉断等情况，其工作状况会关系到设备和人身的安全。随着当今社会的高速发展，矿山、港口、建筑及其它各行
15、业的起重牵引等设备逐渐大型化，钢丝绳变得越来越长，直径越来越大。人工的目视检查方法已无法满足现代化设备对钢丝绳检测及诊断的要求，而目前己使用的钢丝绳无损检测方法存在以下主要的问题：检测可靠性不高，智能化较低，人为影响大，检测的结果客观性不足，同时提供的损伤信息不完整，不能对钢丝绳损伤情况做出全面估计。因此，有必要在现有探伤设备基础上设计出高可靠性、高性能的智能化检测设备来适应当前检测的要求1。1.3 钢丝绳无损检测技术的发展现状在二十世纪六十年代初，我国才开始钢丝绳无损检测相关技术研究。当时国内自行研制开发的钢丝绳探伤设备通常只检测单一因素（主要为断丝）的仪器。到70 年代初，我国研制出了第1
16、 代 TGS 型钢丝绳的无损检测设备。八十年代， 华中理工大学的杨叔子等人进行了钢丝绳的在线检测研究，其重点为断丝定量检测。他们使用的是漏磁通法，通过稀土永久磁铁对进行钢丝绳励磁，使用集成的霍尔元件以及聚磁技术来测量被测钢丝绳周围各方向的磁场信号，利用码盘来控制采样间距，通过计算机来对数据处理之后，同时对钢丝绳励磁磁路、信号的处理等方面进行了研究，他们首先研制完成了MTC-94钢丝绳探伤设备，能够定性检测钢丝绳存在的局部异常和缺陷。到名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6
17、 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）2 八十年代末，他们又研制成功了GDJY 系列的钢丝绳断丝定量检测设备，该设备是使用便携机为检测平台的检测仪器。到1992 年底， GDJY- 钢丝绳断丝定量检测设备通过了相关技术鉴定，该设备在探伤传感器上利用了“聚磁”技术来检测钢丝绳的漏磁场，是漏磁探伤检测技术的一次突破。因为其提高了设备的智能化水平，成功完成了钢丝绳检测信号等距采样，同时可以对断丝信号得特征进行提取、对断丝检测信号的定量识别完成了有效的探索，从而完成对断丝的定量检测，因此该技术在当时已经处在了国际领先的水平，为钢丝绳检测技术的进步与发展做了重大贡献
18、。八十年代末其，河南洛阳的涧西机电研究所成功研制了GXT 断丝检测设备。该装置使用自主研发的动态感应线圈来在线检测，该设备主要用在检测钢丝绳局部的损伤，在当时国内影响较大。1986 年煤矿抚顺分院从国外引进了 LMA-250钢丝绳探伤设备，同时与哈工大合作，利用单片机系统研发成功了GST 系列钢丝绳探伤设备。该设备在当时是国内第1 台能够同时进行LF 与 LMA 检测的探伤装置，其性能已经达到了国际同产品的水平。之后国内陆续出现了部分相似的产品，也可以同时定量检测LF 与 LMA 。此外，在九十年代末期，东北大学对以声发射技术为基础的钢丝绳断丝检测作了试验性研究。我国在钢丝绳无损检测的研究起步
19、较晚，但在近几年来，模式识别技术及人工智能已经逐渐应用到了钢丝绳的定量判别中，成功完成了钢丝绳断丝数量的精确识别、钢丝绳截面直径非接触测量，实现了断丝与磨损的整体检测。当前国内较为先进的无损检测设备是华中科技大学研制成功的的MTC 型钢丝绳无损检测设备。晋城煤业集团与华中科技大学共同研制成功的MTC-B钢丝绳检测仪，采用了磁性检测方法来检测钢丝绳存在的各种缺陷，其原理为沿着钢丝绳的轴向来磁化一段钢丝绳，若被检测钢丝绳有缺陷，则钢丝绳的表面会出现漏磁或导致被磁化钢丝绳的磁路内部磁通变化，利用磁敏感元件来检测这部分磁场的畸变，就能够得到相关钢丝绳缺陷的信号。该设备可以定量检测钢丝绳内外部存在的断丝
20、，定量检测因锈蚀、磨损、变形等原因导致的钢丝绳金属截面积的变化量。1.4 漏磁检测技术的发展应用九十年代初我国开始对漏磁检测技术进行分析和研究,并且于2002 年成名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）3 功研制出了钢板与管道的腐蚀漏磁检测设备, 但总体的技术水平较发达国家相对落后。近些年来,在国内无损检测方面的工作人员共同努力下, 已经有很多高校及科研单位在该方 面 获得 了可喜成果, 进一步
21、缩小了与国际水平差距。目前国内从事研究漏磁检测的高校主要有华中科技大学、清华大学、上海交通大学等。其中华科大的杨叔子等学者, 在储罐底板的漏磁检测研究及管道的漏磁检测传感器的研发、钢丝绳漏磁检测等方向进行了很多研究工作, 通过 ANSYS 软件对传感器励磁设备参数对钢板的局部磁化的影响进行了分析 , 同时完成设计了相对应的漏磁检测传感器等工作; 清华大学的李路明等学者研究了管道漏磁探伤方法, 铁铸件漏磁探伤的方法, 其使用了有限元分析法研究了永磁体的几何参数对管道磁化情况的影响, 分析了漏磁探伤中各量间的关系 , 例如物体表面的裂纹宽度对漏磁场Y 分量的影响 ; 交直流的磁化问题 , 对于漏磁
22、检测中交流磁化如何选择磁化电流的频率问题, 同时分析选取磁化频率的原则问题等; 沈阳工业大学杨理践等学者研究了以单片机控制系统为基础的管道漏磁检测系统, 讨论了小波包技术在管道漏磁分析中的应用 , 利用时域分析对管道的漏磁信号进行了处理; 合肥工业大学何辅云使用了多路缺陷信号滑环传送技术进行漏磁探伤，同时研制成功了管线的漏磁无损检测装置; 上海交通大学的金建华对管道缺陷的漏磁检测进行了研究, 利用小波分析技术对漏磁检测的信号进行了去噪处理, 并将巨磁阻传感器应用到了漏磁检测中, 研制成功了适用于输气管道、输油管道的专用检测传感器 ;军械工程学院研制成功的裂纹漏磁检测仪可以对钢质构件的内部和表面
23、裂纹定量检测; 中科院金属所蔡桂喜对漏磁与磁粉探伤对裂痕缺陷的检出能力作了研究分析, 并利用环电流模型计算了各种槽形矩形缺陷所产生的漏磁场 , 得出了漏磁与磁粉2 种方法不适用于裂痕缝隙较窄的疲劳裂纹检测的结论。1.5 课题研究的内容与创新钢丝绳无损检测是为了检测出钢丝绳工作的条件与状况，用来对钢丝绳进行合理、可靠、科学的使用，必要时需要通过更换钢丝绳来避免事故的发生。本课题所研究的领域今后还有待进一步研究，有很多的改善工作需要努力，包括：（ 1）进一步的研究如何判断钢丝绳故障类型的评价方法与检测原理，更精准地估算钢丝绳的剩余寿命和剩余强度；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -
24、 - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）4 （ 2）可以研究如何将传感器单励磁改为双励磁；（ 3）将现代化的计算机技术和数字技术进一步地融合到钢丝绳无损检测中，将人工智能及信号处理等技术跟钢丝绳无损检测的实际应用相结合，这样才能满足各个行业的实际现场要求，能够提供完整、有效的损伤信息，完成钢丝绳的无损检测任务。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -
25、 - - - 第 9 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）5 第 2 章 钢丝绳无损检测的分类传统钢丝绳的检测方式是利用人工目测挂纱来检测断丝，利用游标卡尺来测量截面直径。钢丝绳的表面出现断丝情况时，应力作用会使钢丝绳向外发散，导致断丝露出于绳外，这是最原始的检测方法人工目视法。人工目视方法的的进行过程如下：工作人员处于钢丝绳的旁边位置，手拿纱然后捋摸目标钢丝绳，钢丝绳同时以检测的速度移动，如果此时出现了挂纱，则可怀疑出现断丝，同时被测将钢丝绳固定在此位置进行观察。该方法只可以检查出外部的断丝，且此断丝已经向外翘起，同时钢丝绳的运行速度不可以过快，又不能太
26、慢，太慢的话会影响检测的效率，另外检测人员需要精神的集中，劳动的强度很大。因此该方法有很多不足的地方。尽管人们该方法对钢丝绳的检查结果越来越不满意，但目前依然有许多的钢丝绳的用户沿用该方式。随着钢丝绳的生产材料与生产水平的进步，其结构变得逐渐复杂化，其损伤状况也更多的表现为繁杂性和多样性，对损伤的检测难度也越来越大；同时，钢丝绳表面的润滑导致表面会形成一层的油泥，这都给目视的检测带来较大困难。对于该情况，利用目视的检测方法只能对钢丝绳进行逐段的清理后再进行检查，但其内部存在的损伤仍无法被发现，这就需要设计出其他有效的检测方法。钢丝绳的无损检测技术是指在不对钢丝绳的结构进行破坏的情况下，使用某种
27、方法对钢丝绳的内部情况、机械特性以及工作的状态进行检测，同时根据检测所得的结果与规定的准则对钢丝绳的情况做出评估。目前钢丝绳的无损检测技术有很多种。根据钢丝绳具体损伤的特性, 可以把钢丝绳损伤归为截面损耗和局部缺陷两种。局部损伤为在钢丝绳的局部所发生的损伤, 其包括锈蚀、内外部的断丝和局部形变等主要状况, 特征是钢丝绳截面突然变小。截面损耗为钢丝绳轴向的较长范围内，有效的金属截面积逐渐变少, 包括长距离的锈蚀、磨损以及绳径变细等情况, 特征是钢丝绳金属截面在长的范围内减小。一部分检测方法因为技术或原理上的约束在工程中很难应用，目前还只是处于实验室的研究中。目前，能够在工程上广名师资料总结 -
28、- -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）6 泛使用的方法之一是电磁检测法1。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）7 第 3 章 钢丝绳无损检测装置设计 3.1 断丝的漏磁场检测漏磁检测的原理图如图3-1 所示。图
29、3-1 漏磁检测原理铁磁性材料自身磁导率较空气磁导率要高至少一百倍。磁场中铁磁材料的表面发生缺陷时，由于该材料的局部磁导率下降，一些磁场会从材料中漏出来，然后利用霍尔传感器来检测这部分外泄的磁场。本文的设计利用霍尔元件的聚磁检测原理和阵列组合检测相组合的方式，阵组检测是指沿着钢丝绳的轴向，每隔固定的距离放置2 个检测环，每个环上分别安装若干个霍尔元件，将两个环上处于同轴向剖面的2 个检测元件所得到的信号进行加法或差分计算处理，以消除所产生的噪声。只利用多元件相结合检测的方法时，随钢丝绳直径的增大，元件数量的增加；利用检测信号的叠加来去除绳间漏磁场的影响时，检测元件放置需要满足特定的精确度要求。
30、聚磁检测的方法利用聚磁器来采集被测漏磁场，可以有效地增加损伤漏磁场的测量灵敏程度，且通过聚磁器之后，磁场情况被输入到霍尔元件中去，检测到的是钢丝绳沿着轴向的漏磁场平均分布的量。结果分析可以看出，钢丝绳断丝所造成的漏磁检测，用高性能的导磁材料所做成的聚磁器呈现圆形。聚磁器的放置方式是包围在钢丝绳的外围，沿钢丝绳的轴向进行成对顺次安装，在这两环的凸台之间安装测量用的霍尔元件2。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科
31、毕业设计（论文）8 3.2 钢丝绳磁化方法无损检测中磁化是完成检测的基础，磁化决定了被测的对象是否能够产生可以被分辨和可以被测量的信号，同时可以影响检测设备结构的特性与被测信号特性。基于测量目的和被测对象特性，选择需要采用的磁化方式是磁化关键所在。在钢丝绳的电磁无损检测原理实际应用时，钢丝绳磁化的方法有很多种，从被选励磁源性质化分，分为直流励磁法和交流励磁法。其中交流励磁法会在钢丝绳的表面引起涡流和集肤效应，目前己被逐渐的淘汰。依据所使用直流励磁源的差异，可将直流励磁的方法化分为永久磁铁的励磁和直流有源的励磁，直流有源励磁的励磁强度能够进行调整，但是通常重量很大且结构较为繁杂，并且运行时还需要
32、提供相应的直流电源装置。永久磁铁励磁强度通常无法调节，在产生同样的励磁下，对于直径小于40mm的钢丝绳，使用永久磁铁的励磁在重量、使用方便性以及成本上，相比于直流有源的励磁方式都具有较大的优势。近年来新型永磁材料的研制和实际应用，永久磁铁励磁方式在很多领域正逐渐地替代直流有源励磁。根据上述的优点，在钢丝绳的断丝传感器励磁中，本文设计将采用永久磁铁当做励磁源。目前的磁化钢丝绳所使用的励磁回路通常由软磁连接体、永久磁铁、极靴、气隙、钢丝绳等部分构成都如图3-2 示。励磁回路需要以最低成本、最优性能、最小重量，使钢丝绳磁场强度满足本设计所需要的要求。为了降低励磁回路的体积，以增加回路的性能，通常选用
33、具有高矫顽力、高剩磁特性的材料。根据钢丝绳探伤检测的实际情况，考虑各类永磁材料的自身特性，本设计选用稀土材料所制成的磁铁是较为理想的。稀土永磁材料的矫顽力较大，剩磁也较高，基本可以保证钢丝绳磁化的要求，并且其最大磁能积和磁稳定性都比较优良，温度系数较低，可以在大温度范围内稳定工作。采用钕铁硼稀土材料作为本文设计的回路励磁源，。此外，钕铁硼磁铁作为一种铁基材料，成本较为低廉。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科
34、毕业设计（论文）9 图 3-2 永磁励磁回路软磁材料作为励磁回路中用来形成磁线通路的的一部分，在励磁回路中具有改变磁线方向的作用，以降低回路磁阻，增大主要部件磁通密度，用来聚集磁场。软磁材料磁轭通常选用饱和磁通密度和磁导率都较高的材料。本文设计选用的软磁材料为工业纯铁。 3.3 检测元件漏磁场的测量利用磁敏感元件来实现，一般采用的是霍尔效应法和感应法。 3.3.1 感应法感应法是利用感应线圈来进行检测的，利用感应线圈来检测钢丝绳的损伤的具体原理如图3-3 所示。当钢丝绳相对于励磁器和线圈移动，钢丝绳会被励磁器分段磁化到饱和的状态，如果钢丝绳有损伤的话，其内部的磁通量必然会减少，会使感应的线圈产
35、生输出电压，通过对得到的电压信号进行处理，可以评估钢丝绳损伤的情况。当具有损伤钢丝绳相对感应线圈进行移动时，感应线圈会产生感应电动势。即：/(/)(/)(/)eNddtN dds ds dtN dds v(2-1) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）10 式中： N 为感应线圈的匝数；d/ds 为钢丝绳内磁通量相对于钢丝绳的运动距离变化率；v 为钢丝绳相对于感应线圈移动速度。由式 (2-1)
36、 可得，当线圈的运动速度和匝数固 定时，感应线圈的输出电动势可以反映钢丝绳中磁通量轴向变化量。在检测的过程中钢丝绳的移动为非匀速运动，同时钢丝绳会产生摆动，以及其它的各种因素影响，必然会引起所测的感应电动势与实际所发出的电动势存在一定的差异但是要做到匀速运动难度极大。同时还要求检测的运动速度必须要大于0.4m/s，否则会丢失信号。从而给定量的检测带来较大困难，因此该法目前正逐渐淘汰，同时业界在找寻更为有效的方法。图 3-3 全磁通检测法原理 3.3.2 霍尔效应法霍尔效应法是利用霍尔元件来进行检测的，其不会受到检测移动速度变化量的影响，并且能够测量磁场强度绝对值。如图3-4 所示，若垂直磁场的
37、导体中流过电流，在垂直磁场和电流方向会有电场，并且在其两端会有电动势产生，该现象被称为霍尔效应。霍尔效应是由于半导体或金属的载荷子受到外加磁场的作用引起的。图 3-4 霍尔效应原理图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）11 设I为电流的强度，K为Hall 灵敏度的系数，B为磁感应强度， 为Hall 元件 平 面 法 线 与 B 之 间 的 夹 角 ， 则 Hall 元 件 的 输 出 霍 尔
38、电 压 可 表 示 为HcosVKIB。K由Hall 元件的尺寸、材质以及工作环境的温度等决定。在工作环境的温度固定情况下，其可被视为一个常数。在元件的放置位置已经确定且 不变时，若霍尔元件利用恒流源进行供电，I为一定值，则式中的HV跟B成正比关系，这就是Hall 元件的线性输出特性。通过应用该原理，只要能够检测霍尔元件两端输出电压HV，就可以得到钢丝绳内部的断丝损伤信号。因此，霍尔元件的输出电压HV能够线性地反映出钢丝绳表面的漏磁情况2。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -
39、第 16 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）12 第 4 章 信号调理电路设计 4.1 信号调理电路信号的预处理电路是整个检测系统的中间环节，主要对信号进行放大、调整、除噪等处理。在钢丝绳的无损检测系统中，信号预处理电路应满足如下要求和功能：（1） 能够将传感器所输出的检测电压信号进行尽量不失真的放大和滤波等处理，信号的电平能够达到A/D 转换的工作范围内；（2）在进行多个传感器的同时检测时，可以对单个传感器的输出信号进行单独处理，各处理通道之间不会相互干扰；（3）能对调节放大器增益；（4）信号的预处理电路应尽量降低对检测电压信号的干扰。为了满足以上的要
40、求，本文设计了信号的调理电路。信号的调理电路包括放大电路与滤波电路两部分。4.2 SS495A 霍尔传感器特点霍尔传感器是一类依据霍尔效应原理制作的传感器，其主要作用是磁将电转换应用于与磁场所相关的运动参数检测，把被测对象的各非电参量转换为电压信号输出，该器件在控制及检测方面得到较多的应用。近些年集成电路的发展导致集成型霍尔传感器占领了主体市场。集成型霍尔传感器具有频响宽、体积小、动态性好的特点，受到各界的好评。本文设计所使用的SS495A 型霍尔传感器， 是一种高精确度集成型霍尔传感器，其对外围的要求较为简单、工作寿命长且被广泛应用。其工作原理为：放置相对的两块相同极性的磁铁，当磁铁之间的霍
41、尔器件运动到x 位置时， Uh 的数值由x 位置的磁场强度来决定。根据公式Uh = KhIB可得：在保持 I 固定的条件下，则dUh/dx = IKhdB/dx = KhI = K，积分可得Uh=Kx ，即霍尔电势跟位移成一定的比例关系。因此磁场的梯度越大，则磁场的改变越均匀，灵敏度越高，电压与位移越线性。最后通过霍尔传感器的输出端将输出的电压信号传输到放大器的输入端。（B 为磁场强度， I 为电流， Uh 为霍名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 43 页
42、- - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）13 尔电势， Kh 为霍尔电压与位移比例系数）。 4.3 放大电路钢丝绳断丝所产生的漏磁场是非常微弱的，通常只有几高斯，当利用霍尔传感器进行检测时，传感器的输出电压信号只有几毫伏，因此对传感器的输出信号必须进行放大出力，本文设计使用的三运放共模抑制比放大电路，如图 4-1 所示3-5。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）14 图 4-1
43、 放大电路图中， R2=7R，3R =8R ，4R=9R，外接电阻平衡且对称。A1A2 的性能一致且平衡对称，构成了差动放大的输入级。A3为双端输入单端输出电路的输出级，进一步抑制了A1A2 的共模信号6-8。22o1i1i266(1)RRuuuRR77o2i2i166(1)RRuuuRR27o2o1i2id1i2i16(1)()RRuuuu =KuuR（4oo1o2d2o2o33()()RuuuKuuR名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 43 页 - -
44、- - - - - - - 本科毕业设计（论文）15 55565oo2o1o2o1333463(1)(1)RRRRRuuuuuRRRRRR差模增益：274dd1d236(1)RRRKKKRR。 4.3.1 LM741运算放大器LM741 型运算放大器为一种应用十分广泛的通用运放集成电路。因为其采用有源负载的形式，只要使用两级放大就能够达到较高的电压放大增益以及较宽的共、差模电压输入范围。本电路使用的是内部补偿的方式，电路较为简单且不易发生自激，使用非常方便，工作点较为稳定，同时配备了有效的器件保护电路，不易发生损坏。LM741 能够应用在各种工业自动仪器和数字化仪表中。LM741 是众多运算放
45、大器中较为常用的一种，具有同相和反相2 个输入端，从输入端输入要被放大的电压信号，经过放大后从输出端进行输出。放大器在工作时需要一对大小一样的正负电源，其值由 12Vdc 到 18Vdc 不等，一般采用 15Vdc 电源。 LM741 的封装管脚配置如图4-2 所示。图 4-2 LM741运算放大器管脚配置图 4.3.2 电源供应器电源供应器自身具有2 组外接孔用来输出2 组电压，其如图4-3 所示。当需要正、 负电压时， 可以通过电源供应器的Tracking 键来实现相应的功能。如果要产生 15V 的直流电压，首先要把2 组电源输出中的一组正端接在另一组负端，剩下的未连接的2 个输出端作为电
46、源的输出端，然后将电源供应名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）16 器的电源开启，并把仪表板上的Tracking 按下，再通过板面上的旋钮调出所需要的 15V 直流电压。调整时可以发现，只调整其中一组电源的输出调整钮， 2 组电压的输出会发生变化且显示的数字一样，一端为正值，一端为负值，此时就可以得到一端为正、一端为负，且同为15V 直流的输出电压。图 4-3 电源供应器产生 Vdc 电压输出
47、接线图 4.4 滤波电路二阶无限增益的反馈型低通滤波电路如图4-4 所示。图 4-4 二阶有源低通滤波电路图中，通带增益Kp=1，截止频率为100Hz，依据二阶有源滤波器的电容名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）17 选择表可以查出C4=0.1uF，根据所选电容C4实际值，根据下式计算出电阻换标系数Kc4100Kf C=10 其中cf的单位为Hz， C4的单位为 F。再根据表4-1 来确定 C
48、5和归一化电阻1ir的值，将归一化电阻值乘以K 可得到R1i=1iKr（i=0、 1、 2） ，由此可以 得 到 各 个 电 阻 实 际 值 ， 最 后 各 个 电 阻 取 标 称 值 为 ：101133kRR，1241kR，电容 C4=0.1uF，C5=0.02uF。表 4-1 二阶无限增益多路反馈型低通滤波器设计表|Kp| 1 2 6 10 r10/k 3.111 2.565 1.697 1.625 r11/ k 4.0723.292 4.977 4.723 r12/ k 3.111 5.13010.180 16.252 C5/C40.2 0.15 0.05 0.033 名师资料总结 -
49、- -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 43 页 - - - - - - - - - 本科毕业设计（论文）18 第 5 章 硬件电路及软件设计 5.1 AT89C51 AT89C51 单片机为一种价位低、功耗低、 性能高且其系统自带4KB 可编程闪存程序存储器的八位控制器，其封装管脚如图5-1 所示。该单片机可擦除的只读存储器能够反复擦除一千次。该单片机使用ATMEL高密度的非易失存储器技术制造，同时可以与工业标准的MCS-51 输出管脚及指令集相兼容。图 5-1 AT89C51
50、管脚图P0 口：P0 口是一个八位的漏级开路双向I/O 口，该脚可以吸收8 个 TTL门电流。当P1 口管脚在第一次写入1 后，定义其为高阻输入。P0 可以用于外部程序数据的存储器，能够被定义成数据/地址的第8 位。在闪存编程时，P0 口被作为原码输入口使用，当闪存进行校验时，P0 口可以输出原码，此时 P0 口的外部必须为高电位。P1 口： P1 口为一个由内部来提供上拉电阻的八位双向I/O 口， P1 口缓冲器可以接收、输出4 个 TTL 门电流。当P1 口的管脚被写入1 时，其会被内部上拉为高电位，可用作输入使用，当P1 口被外部作用下拉为低电位时，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下