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、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
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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Uion?R2Uomin?0。截止的阈值R1?R2电压为Uioff?R2R2R2Uomax?Vcc。其回差电压为Uioff?Uion?Vcc， R1?R2R1?R2R1?R2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
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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R1?2.4k?,R2?4.3k?R,3?5.1k?V,cc?V5,得Uion?1.2V,Uioff?3.6V。其回差为Uioff?Uion?3.6?1.2?2.4V。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
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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:
即：
(1)
ZA1?ZA3?ZA2?ZA4和?1+?3=?2+?4 （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?2=?3=0), 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?4=?1), 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, R 1 为参考线圈直流阻抗, R 2、R 3 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:
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?Rx?j?Lx??R2??R1?j?L1??R3 (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R 3、R 2 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
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