传感器期末论文

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

16、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

17、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

18、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: (3)可得 （4） （5） 以及 (6)式中, QX 为ECNDT 传感器品质因数; Q1 为参

19、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

20、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,

21、 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

22、11AD8230，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+ 12 V转+ 5 V及+ 5 V 转- 5 V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5 V, 因此采用了ADP667AR 和ICL7660 2 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

23、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- 40 125 e 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

24、。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 - 0.08 mV 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- 0.05 mV.(2)调理电路

25、与传感器连接时的零点漂移。在测量过程中, 其零漂值在113 312 mV 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310 mV.2.2.2 放大倍数测试通过毫伏仪输入1 10 mV 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 50M Pa ) 以1 MPa、5M Pa为单位, 正反行程各3次, 利用数据采集电路采集传

26、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+ 01 00247X式中: Y为压力, MPa、 X 为量化台阶数。

27、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) x 100% = - 1. 102%压力传感器斜率的相对误差:误差/理论值= ( 21 43647 x 10- 6 /0.00247) x 100%= 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10 m

28、V 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40 mV, 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10 mV, 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7 mV, 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

29、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341544 mm, 宽81 9662 mm, 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

30、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Frie

31、d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1和2控制，时钟频率均为fs。图12 开关电容等效电阻电路在时钟1和2的控制下，两个开关周而复始地闭

32、合与断开。1闭合时，C充电到V1，2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200 kHz，要模拟一个阻值为10 M的大电阻，所需的电容值为0.5 pF，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值容易调节，在对电路原有结构几乎不做任何改动的前提下，仅通过调整电容的比值就能改变整体电路的参数

33、。4.2低通滤波器的总体设计文中设计的低通滤波器主要用于滤除有用信号中的高频噪声，截止频率为20 kHz，开关电容采样时钟频率为1 MHz，其设计指标如表1所示。表1 开关电容低通滤波器设计指标根据滤波器设计指标的要求，文中设计一种六阶低通滤波器，采用级联式开关电容滤波器的设计方法，也就是直接将低阶滤波器连接起来而确定高阶滤波器的传递函数。高阶滤波器(高于3阶)主传递函数的分子和分母被分解成一阶或二阶子函数，每个低阶滤波器都具有各自的缓冲电路，级联在一起不会相互影响，调试电路时易于发现问题。高阶滤波器的传输函数是指整个滤波器的输出电压和输入电压的比值，从电路设计的灵敏度和复杂度来看，采用级联双

34、二阶的方法来实现高阶滤波器比较合适，它的一般形式为： (9)利用表1中设计指标进行计算，得到滤波器传递函数的所有零极点值，并进行配对。令z平面上最靠近单位圆的极点拥有最高的优先级，优先同与其最靠近的零点首先配对，然后是其次最靠近单位圆的极点进行零点的选择，依次类推，得到各双二阶子电路16的传递函数： （10） 双二阶传递函数的Q值分配会影响整体电路的性能：如果第1级的Q值过高，可能导致较大的电容分布和较高的敏感性，因为其中最敏感的极点(即靠近单位圆的极点)没有与某个与之相近的零点配对;而最后1级的Q值较高将会在拐角频率附近引起一些尖峰。由于设计的滤波器阶数为6，将具有高Q值的H1(z)放在中间

35、，即第1级和第3级使用的是低Q双二阶电路，中间级第2级使用的是高Q电路。六阶级联式开关电容低通滤波器的整体电路如图13所示图13 六阶级联式开关电容低通滤波器的整体电路4.3 电路中电容值的计算根据公式(10)计算电路中的电容值，使用动态范围定标技术对每个运放的输出电压幅值进行缩放，使得所有运放能够在同样的输入电平下饱和，从而开关电容滤波器能够在尽可能大的输入动态范围内工作。具体方法是：增大输入电压Vi直到滤波器的输出处于临界饱和状态，计算这个状态下每个内部运放的输出电压，然后将连接到每个运放输出接点的所有电容乘以相应运放的输出电压值，然后将对连接到每个运放输入端的所有电容进行最小化17或缩放

36、，使其中的最小电容(非零值)归一化为1，对系统中所有运放依次重复这个处理步骤，得到定标后的电容值。文中模拟仿真实，现时所用的运放为理想运放18，输出峰值无上限，因此定标过程对连接到每个运放输入端的电容进行缩放，由设计目标知最小电容为0.5 pF，可得到定标后的电容值在图表2中列出。4.4 仿真结果用Hspice软件对设计的开关电容低通滤波器进行仿真，图14为文中设计的开关电容低通滤波器的幅频特性及相频特性。由图中可以看出截止频率为20 kHz左右，且通带内波纹不明显，衰减明显，满足设计目标。图14 滤波器的频率特性为了更好地验证设计出的低通开关电容滤波器在实际滤波应用中的性能，文中给输入端加带

37、有高频分量的磁通门探头信号，检验电路的滤波效果。图15 滤波器对于磁通门探头信号的处理在图15中，上图输入信号带有高频分量，波形不光滑多处呈锯齿状，这些是高频分量叠加干扰的结果。下图为滤波器的输出波形：图中波形光滑，无锯齿状部分，说明设计出的滤波器能很好地实际应用于信号处理。4.5 结论传统的有源RC滤波器电路易于实现，能处理高频信号19，是实际应用中的经典电路。但是它不易集成，不适用于大规模集成的要求。本文采用相对成熟的开关电容技术实现低通滤波器的设计，提出了一种双二阶级联的六阶开关电容低通滤波器，较好地实现了低频信号的滤波，满足设计指标的要求。5.智能传感器传感器在工业生产、国防建设、科学

38、技术领域发挥着巨大的作用。传感器正向微型化、多功能化、智能化方向发展。微型化传感器利用微机械加工技术将微米级的敏感元件、信号调理器、数据处理装置集成封装在一块芯片上; 由于体积小、价格便宜、便于集成等特点, 可以提高系统测试精度。多功能化传感器能够同时检测2个或2个以上的特性参数。智能化传感器带有专用计算机, 可实现相应智能化。智能化发展方向主要有以下几个方面：（1）高精度：决定传感器是否智能化的首要因素是其精度，同时它还应具备良好的可靠和稳定性。传感器可进行数字滤波等分析处理，过滤掉无用的数据，及在多参数状态下对特定参数测量的分辨能力。（2）数字化：越来越多的智能传感器带有标准数字接口，能将

39、所检测到的信号经过交换处理后，以数字量的形式与上位计算机进行信息通信和传递。（3）低功耗：智能传感器要具备一定的判断、分析和信息处理能力，能够根据整个系统的工作情况调节各部分与上位计算机的数据传送，使系统工作在最优低功耗状态和传送效率优化的状态。总而言之，传感器趋向智能化还有重要的一点是使用者对传感器要求的不断增高，不仅是通信要求，还要求传感器要具有更高的安全性、更简单的可操作性以及更强的恶劣环境适应能力。智能传感器减少了传感器开发及制作的成本, 使用过程极为方便, 测量简单, 也易于获得较高的精度20, 有极大的发展前途。6.传感器在无损检测中的应用6.1超声波传感器在无损探伤中的应用利用超

40、声波物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波换能器，或超声波探测器、超声波传感器，有时也叫超声波探头。 超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，在检测技术中压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头；由于其结构不同，分为直探头式、斜探头式21和双探头式，直探头式结构如图16所示图16超声波直探式探头结构1压电片；2保护膜；3吸收块；4盖；5绝缘柱；6换能片；

41、7导电螺杆；8接线片；9压电片座；10外壳 它主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜、引线等组成。 压电晶片多为圆板形， 厚度为，超声波频率 f 与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板， 压电片的底面接地线，上面接导线引至电路中。阻尼块又称吸收块，它的作用是降低晶片 的机械品质22，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，压电片因惯性 作用会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。当吸收块的声阻抗等于晶体的 声阻抗时，效果最佳。 对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，遇到杂质或分介面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰

42、减小，穿透本领大。这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。（1）穿透法探伤 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况来判别工件内部质量的方法。穿透法用两个探头分别置于工件的相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连续波，也可是脉冲。其工作原理如图17所示。在测量中，当工件内无缺陷时，接收的能量大，仪表的指示值大；工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收的能量小，仪表的指示值小。据此就可检测出工件内部的缺陷。（2）反射法探伤 反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同来探测缺陷的方法。下面以纵波一次脉冲反射为例，说明其检测原理。图18是以一次底波为依据进行探伤的方法。高频脉

43、冲发生器产生的脉冲加在探头上，激励压电晶体振荡，产生超声波。超声波以一定的速度向工图18反射法探伤示意图B工件缺陷FT 探头高频发生器接收放大T F B件的内部传播。一部分超声波遇到缺陷反射回来（缺陷波F）；另一部分超声波继续传至工件底面也反射回来（底波B）。由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收，又变为电脉冲。发射波T、缺陷波F及底波B经放大后在显示器荧光屏上显示出来。由发射波T、缺陷波F及底波B在扫描线上的位置，可确定缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判断缺陷的大小；由缺陷波的形状，可判断缺陷的性质。当缺陷面积大于声束截面积时，声波全部由缺陷处反射回来，荧光屏上只有T、F波，没有B波。当工件内

44、无缺陷时，荧光屏上只有T、B波，没有F波。超声波检测是无损检测中应用最为广泛的方法之一，适用于各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件，无论是钢铁、有色金属和非金属，都可以采用超声法进行检测，包括各种机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力和化工容器等就物理性能而言，用超声法可以检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等，但无法检测表面和近表面的延伸方向平等于表面的缺陷、表面粗糙、形状复杂的试件，此外，该方法对缺陷的定性、定量表征常常不准确。6.2奥氏体钢焊缝23无损检测专用超声传感器奥氏体不锈钢由于其抗氧化性、耐腐蚀性、高温抗断裂韧性、焊接性好等优良性能, 被

45、广泛应用于石化、船舶、核电、航空航天等行业的重要构件上。不同的苛刻条件下, 为保证设备的安全运行, 必须加强对材料和焊缝的检测, 而超声检测又是其它检测方法不能取代的。但奥氏体不锈钢焊缝的粗大组织对超声波具有强烈的衰减作用, 导致检测灵敏度变化大, 无法测定缺陷的大小; 粗大组织也会引起强烈散射声波的叠加及波型转换, 导致假信号出现; 焊缝的各向异性又对声波有弯曲作用,使得缺陷的定位误差增大。由于上述组织结构的特殊性, 使缺陷的检测、定位及判别非常困难, 因此用常规超声方法难以检测。使用专用超声传感器, 即窄脉冲探头是解决该难题的途径之一。奥氏体焊缝的粗大组织对超声波具有强烈噪声干扰作用, 焊

46、缝的各向异性使波束弯曲变形, 导致探伤灵敏度降低、噪声高与测量缺陷位置发生了困难, 由于上述组织结构的特殊性, 使其超声检测存在很多技术上的难点。若用普通超声波检测方法检测, 往往无效。为此, 从20世纪70年代起, 伴随国内外对奥氏体不锈钢焊缝超声检测的研究, 作为解决途径之一的窄脉冲探头的研制也取得了一些进展。崔建英、赵中龄等人制作窄脉冲探头选用PZT材料做压电晶片, 采用负压抽吸法制做背衬, 其声阻抗可达20x kg / ( .s) 左右, 约为PZT 声阻抗的65%。用此背衬制作的探头, 探头脉冲波数由8周减至2. 5周, 得到了相当好的阻尼效果。与国内普通纵波探头以及美国Paname

47、trics 公司生产的EPOCH -2002探伤仪上的宽带窄脉冲探头(V403)进行了比较,将3种探头在Panametrics 5052UA 超声分析仪上进行了测试。结果表明, 自制窄脉冲探头比普通探头的脉冲窄, 频带宽, 而与EPOCH - 2002探伤仪上宽带窄脉冲探头(V403)接近, 但自制窄脉冲探头的灵敏度较高。北方交通大学的腾永平等人利用自制的压力装置制作高阻抗的背衬块, 最高阻抗可达25.1kg /(.s) , 压电晶片仍选用PZT 材料, 匹配后制作的窄脉冲探头能实现1.5周的窄脉冲。刘祖常等人用碘酸锂做压电晶片, 采用浇铸法加高速离心处理做背衬, 制作的高频窄脉冲探头明显提高

48、了分辨率, 实现了高精度检测。但碘酸锂是一种水溶性晶体, 制作时必须选择合适的加工工艺才能保证良好的压电性能。采用碘酸锂作压电元件还需进一步的探索。哈尔滨焊接研究所过去曾选用PZT材料做压电晶片, 采用浇铸热捣制法制作背衬, 通过声电匹配研制的窄脉冲探头可使脉冲周期缩短到1.5周, 达到0.30. 5 Ls, 已接近国外先进水平, 在奥氏体钢焊缝超声检测时, 收到了明显的效果。表3是国内、外宽频窄脉冲探头脉冲周期对比。表3 国内外宽频窄脉冲探头脉冲周期对比6.3超声传感器在点焊中的应用点焊是现代制造业中最常用的焊接工艺之一, 一个典型应用实例就是汽车车身部件24的连接。有关资料表明:一个典型的

49、汽车车身大约有5 000 多个焊点。而这些焊点的质量直接影响着车身的质量及汽车的整体性能, 为了保证车身的质量, 严格检测和控制点焊质量是非常必要的。焊点的质量由焊点强度来表征, 而焊点强度主要取决于焊点的几何尺寸。试验表明: 熔核直径与焊点强度近似成正比, 熔核直径是影响焊点强度的主要因素。所以, 焊点质量检测的关键是熔核直径的准确测量。作为重要的无损检测方法之一, 超声检测技术可以应用到焊点的质量检测。利用超声检测技术实现点焊质量检测, 首先, 必须要研制一种专用超声传感器。为此, 本文对点焊质量无损检测专用超声传感器的研制进行了探索, 结合常规超声传感器的研制技术, 根据检测对象的特殊性

50、, 利用PVDF压电薄膜研制了一种高频、高阻尼、窄脉冲点焊质量无损检测专用超声传感器。6.4霍尔传感器在无损检测中的应用霍尔效应无损探伤方法安全、可靠、实用，并能实现无速度影响检测，因此，被应用在设备故障诊断、材料缺陷检测之中。其探伤原理是建立在铁磁性材料的高磁导率特性之上。采用霍尔元件检测该泄漏磁场25B的信号变化，可以有效地检测出缺陷存在。钢丝绳作为起重、运输、提升及承载设备中的重要构件，被应用于矿山、运输、建筑、旅游等行业，但由于使用环境恶劣，在它表面会产生断丝、磨损等各种缺陷，所以，及时对钢丝绳探伤检测显得尤为重要。目前，国内外公认的最可靠、最实用的方法就是漏磁检测方法，根据这一检测方

51、法设计的断丝探伤检测装置，如EMTC 系列钢丝绳无损检测仪，其金属截面积测量精度为± 0.2，一个捻距内断丝有一根误判时准确率>90，性能良好，在生产中有着广泛的用途。 1.1 霍尔元件定义及其特点和制作 霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可

52、达m级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达55150。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAs

53、P以及多层半导体异质结构量子阱材料等。 1.2 霍尔元件的工作原理霍尔元件是一个四端子元件，由矩形半导体薄片构成，当霍尔元件a、b端通以恒定电流Ic时，在其表面垂直方向施加磁场B，则在c、d端累积电荷形成与控制电流、磁场强度成正比的霍尔电势VN（见图19），其关系为：VN=K·Ic·B·cos(a) 图19 霍尔元件的工作原理图式中，K为霍尔元件的灵敏度系数；a为B与霍尔元件法向n之间的夹角，在磁路中，当霍尔元件安装后a角一般为定角，这是如果霍尔元件采用恒流源供电，即Ic为常量，则VN与B成正比。 1.3 霍尔元件电磁无损探伤原理电磁无损探伤原理是建立在铁磁性材料

54、的高磁导率这一特性之上，通过测量铁磁性材料中由于缺陷所引起的磁导率变化来检查缺陷，铁磁性材料在外加磁场的作用下被磁化，当机械设备无缺陷时，磁力绝大部分通过铁磁材料，此时在材料的内部磁力线均匀分布（见图20），当有缺陷存在时，由于材料中缺陷的磁导率远比铁磁材料本身笑，至使磁力线发生弯曲，并且有一部分磁力线泄漏出材料表面（见图21），采用霍尔元件检测该泄漏磁场B的信号变化，就能有效地检测缺陷的存在。图20 外加磁场作用下无缺陷的铁磁性材料内部磁力线分布 图21 表面缺陷引起的磁力线弯曲现象及磁场泄漏情况检测流程如下图22：被检测元件用磁体磁化元件用电路检测有波形输出无波形输出有损伤无损伤图22 检测流程在现实生活中，由于输油管道长期使用中易产生腐蚀、裂纹等缺陷，也容易受到地基不稳、意外事故等影响产生位貌变化，如果产生的裂纹或损伤较小，就不容易被发现。由此我们认为