基于电涡流的差动式温控器检测探头及其提离消除装置和方法

摘要

本发明公开了一种基于电涡流的差动式温控器检测探头及其提离消除装置和方法。提离消除装置包括PC机、MC9S12XS128单片机系统、RS232电平转换电路、提示装置、输入信号光电隔离电路、输出信号光电隔离电路、电机、电机全桥驱动电路、下限幅触点、上限幅触点、第一磁铁、第二磁铁、升降装置、固定机构、差动式温控器检测探头，本发明采用基于电涡流的差动式检测探头进行无损检测，并利用电磁超声效应，不需要任何耦合介质，检测速度快，生产效率、检测灵敏度、可靠性高；增加的一个提离消除装置，保证探头贴近温控器，消除提离效应，进一步提高涡流检测探头的灵敏度和准确性，并利用PC机组态软件可以监控装置的工作情况。

说明书

技术领域

本发明涉及电涡流检测技术领域，尤其涉及一种基于电涡流的差动式温控器检测探头及其提离消除装置和方法。

背景技术

温控器能够根据工作环境的温度变化，在开关内部发生物理形变，从而产生某些特殊效应，使触点闭合或断开，达到接通或断开电路的目的，从而控制电路。其应用范围非常广泛，根据不同种类的温控器，应用在家电、电机、制冷或制热等众多产品中。

其中一种温控器内部有一片金属片，并且该金属片有正反面之分，如果朝向错误，也不能正常使用。在实际的生产过程中，由于生产技术的限制，不可避免的会产生一些次品或废品。比如内部没有装入金属片、金属片装反或是装入了两片或两片以上等。为使最后出厂的产品合乎标准，必须进行检测，把废品筛选出来。但是，金属片在温控器的内部，必须使用一种非接触式的无损检测方法。

无损检测方法，一般常用的是超声波，因为它原理简单，并且实现起来方便，但同时，它也存在很多的缺点，比如需要添加耦合剂、对被测工件表面的质量要求比较苛刻，并且检测速度慢，这些都会影响生产效率。

采用电涡流技术检测温控器是基于电磁感应原理。利用正弦交流信号在激励线圈中产生电磁场，激励线圈靠近待检测的温控器时，由于温控器属于金属导体，其趋肤层内会产生电涡流，并且在外加磁场的偏置作用下受到力的作用，而金属介质在交变应力的作用下产生高频振动，形成超声波波源，产生电磁超声。由于该效应存在可逆性，返回的超声波，会改变表面趋肤层内的电涡流，表面的电涡流会反过来改变空间的电磁场，导致检测线圈阻抗的电阻和电感的变化，改变了检测线圈的电流幅值与相位。因此，温控器的内部结构不同，产生的涡流对线圈的反作用就会不同，引起线圈阻抗的变化，利用涡流检测仪器就能检测出这种变化量，筛选出废品。采用电涡流技术进行检测时，线圈不需要接触温控器，也无需耦合介质，所以检测速度快；并且有很高的检出灵敏度，且在一定的范围内具有良好的线性指示，可用作质量管理与控制。

但是，涡流的检测信号常常比较微弱，并且灵敏度较高，会受到环境中的磁场的干扰，影响测量的可靠性。为此，往往会为探头添加用于电磁屏蔽的金属壳，但是，在外接环境比较复杂的工业现场，往往无法很好的消除干扰。

同时，电涡流的大小随着变化电磁场与导体的距离改变而变化，即会有提离效应，使检测信号的赋值以及相位发生改变。由于检测线圈的信号往往比较微弱，因此，在实际的检测过程中，提离的存在会影响检测的灵敏度和准确性，增加检测的难度。目前，在工业上实际应用的消除提离的方法大部分依靠的是机械方法，来尽可能的减小探头和待测物之间的提离距离。但是如果简单的只利用机械结构，存在着一定的误差，不能保证探头对每一个不同待测物的提离距离都能达到最小。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于电涡流的差动式温控器检测探头及其提离消除装置和方法。

基于电涡流的差动式温控器检测探头包括检测探头和参考探头；检测探头、参考探头包括轮毂、检测线圈、激励线圈、金属壳，轮毂上绕有检测线圈，在检测线圈上绕有激励线圈，激励线圈外设有金属壳，检测探头、参考探头为圆柱形结构，检测探头的激励线圈与参考探头的激励线圈串联连接。

基于电涡流的差动式温控器检测探头的提离消除装置包括PC机、MC9S12XS128单片机系统、RS232电平转换电路、提示装置、输入信号光电隔离电路、输出信号光电隔离电路、电机、电机全桥驱动电路、下限幅触点、上限幅触点、第一磁铁、第二磁铁、升降装置、固定机构、差动式温控器检测探头；PC机通过串口与RS232电平转换电路相连，RS232电平转换电路与MC9S12XS128单片机相连，MC9S12XS128单片机的PB0口通过输入信号光电隔离电路与上限幅触点相连，MC9S12XS128单片机的PB1口通过输入信号光电隔离电路与下限幅触点相连；MC9S12XS128单片机的PA0口连接提示装置；MC9S12XS128单片机的PP1口和PP3口通过输出信号光电隔离电路与电机全桥驱动电路相连，电机全桥驱动电路与电机相连，电机与升降装置相连，升降装置带动第一磁铁、第二磁铁上下移动，第一磁铁、第二磁铁间设置有温控器检测探头，两磁铁处于同一高度，并关于温控器检测探头中轴线对称；初始状态时第一磁铁与上限幅触点相接触，装置工作时，第一磁铁可向下移动与下限幅触点接触，温控器检测探头、升降装置、第一磁铁、第二磁铁、上限幅触点和下限幅触点安装在固定机构上。

所述的MC9S12XS128单片机系统，包括MC9S12XS128单片机、晶振电路、滤波电路、复位电路、LED显示电路、下载器接口，晶振电路、滤波电路、复位电路、LED显示电路、下载器接口分别与MC9S12XS128单片机相连。

所述的MC9S12XS128单片机的PS0和PS1口连接RS232电平转换电路，与PC机进行串口通信，PC机内安装有用Labview编写的组态软件。

所述的提示装置包括激光发射管、激光接收管、调制信号发生电路、放大电路、接收电路；调制信号发生电路与放大电路相连，放大电路与激光发射管相连，激光接收管与接收电路相连。

所述的电机全桥驱动电路为：第一IR2104S芯片的第1脚接+15V电源并通过并联的第一电容接地、第2脚接MC9S12XS128单片机的PP1口、第4脚接地、第5脚通过第二电阻连接第二MOS管的门极、第6脚连接第一MOS管的源极和第二MOS管的栅极、第7脚通过第一电阻连接第一MOS管的门极、第8脚通过第二电容与第6脚相连并通过第一IN5819二极管连接+15V电源；第二IR2104S芯片的第1脚接+15V电源并通过并联的第四电容接地、第2脚接MC9S12XS128单片机的PP3口、第4脚接地、第5脚通过第四电阻连接第四MOS的门极、第6脚连接第三MOS管的源极和第四MOS管的栅极、第7脚通过第三电阻连接第三MOS管的门极、第8脚通过第三电容与第6脚相连并通过第二IN5819二极管连接+15V电源；第一MOS管的栅极和第三MOS管的栅极连接电机电源，第二MOS管的源极和第四MOS管的源极接地，MC74HC00AD芯片的第9脚接MC9S12XS128单片机的PP1口、第10脚接MC9S12XS128单片机的PP3口、第8脚接第一IR2104S芯片的第3脚和第二IR2104S芯片的第3脚；电机两端分别连接第一IR2104S芯片的第6脚和第二IR2104S芯片的第6脚。

基于电涡流的差动式温控器检测探头提离消除装置的提离消除方法包括如下步骤：

1）待检测的温控器进入温控器检测探头正下方，此时提示装置产生脉冲信号；

2）脉冲信号触发MC9S12XS128单片机产生PWM波，通过输出信号光电隔离电路输入电机全桥驱动电路，电机全桥驱动电路驱动电机运转带动升降装置，升降装置带动第一磁铁和第二磁铁向下移动使第一磁铁脱离上限幅触点；

3）第一磁铁和第二磁铁向下移动并吸引待检测的温控器与温控器检测探头接触，消除温控器检测探头的提离效应，温控器检测探头开始输出检测信号；

4）第一磁铁继续向下移动并与下限幅触点接触，此时下限幅触点产生反馈信号，反馈信号通过输入信号光电隔离电路输入MC9S12XS128单片机，MC9S12XS128单片机的PWM波输出口停止产生PWM波，电机停止转动，同时MC9S12XS128单片机执行延时程序；

5）延时程序结束后，MC9S12XS128单片机的PWM波输出口输出PWM波，通过输出信号光电隔离电路输入电机全桥驱动电路，电机全桥驱动电路驱动电机运转带动升降装置，升降装置带动第一磁铁和第二磁铁向上移动使第一磁铁脱离下限幅触点，

6）第一磁铁继续向上移动并与上限幅触点接触，MC9S12XS128单片机的PWM波输出口停止产生PWM波，电机停止转动，过程结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用了一种基于电涡流的检测探头进行无损检测，并利用电磁超声效应，不需要任何耦合介质；

2)检测速度快，提高了生产效率；

3)检测灵敏度高，提高了可靠性；

4)增加了一个提离消除装置，保证探头贴近温控器，消除提离效应，进一步提高涡流检测探头的灵敏度和准确性，并利用PC机组态软件可以监控装置的工作情况。

附图说明

图1为本发明基于电涡流的差动式温控器检测探头及其提离消除装置结构示意图；

图2为本发明检测探头和参考探头的结构示意图；

图3为本发明检测探头和参考探头的轮毂三维图；

图4为本发明MC9S12XS128单片机系统电路图；

图5为本发明提示装置各部分连接图；

图6为本发明电机全桥驱动电路图；

图7为本发明提离消除装置运作流程图；

图中，轮毂1、检测线圈2,、激励线圈3、金属壳4。

具体实施方式

为了克服外界环境对检测信号的影响，探头采用的是差动式温控器检测探头，包括一个检测探头和一个参考探头，检测探头用来检测温控器，参考探头则放置于附近环境中，将两个探头的差动信号作为传感器的输出信号，用于后期处理。

除探头外，添加用于减小探头与温控器间提离距离的提离消除装置，其输入信号和输出信号均采用光耦隔离电路进行隔离，抑制干扰。

通过合适的安装方法，减小永磁铁产生的永久磁场对待测涡流磁场的负面影响。应用电磁感应的原理，基于电涡流的温控器无损检测方法是检测探头和参考探头放置在同一工作环境中，检测探头和参考探头采用激励线圈产生激励磁场，用检测探头的检测线圈检测生产环境中温控器返回的磁场，用参考探头的检测线圈检测生产环境中的磁场，检测探头的检测线圈产生的检测信号与参考探头的检测线圈产生的检测信号经过差动处理后可作为温控器的检测信号。在激励磁场中，温控器的趋肤层会产生的电涡流，在外加的永磁铁的磁场作用下，会受到力的作用，从而产生电磁超声，反过来作用于电涡流，产生的电涡流又会进一步改变周围磁场，温控器不同的类别，内部结构的不同，产生的电涡流也不同，使周围磁场产生不同的变化，利用传感器检测该磁场，达到分类筛选的目的。

下面结合附图对本发明所述的一种基于电涡流的温控器检测探头及驱动装置进一步说明。

图1基于电涡流的差动式温控器检测探头及其提离消除装置结构示意图，图2为本发明所述检测探头和参考探头的结构示意图，图3为本发明所述检测探头和参考探头的轮毂三维图。参见图1-图3，

基于电涡流的差动式温控器检测探头包括检测探头和参考探头；检测探头、参考探头包括轮毂1、检测线圈2、激励线圈3、金属壳4，轮毂1上绕有检测线圈2，在检测线圈2上绕有激励线圈3，激励线圈3外设有金属壳4，检测探头、参考探头为圆柱形结构，检测探头的激励线圈与参考探头的激励线圈串联连接。

基于电涡流的差动式温控器检测探头的提离消除装置包括PC机、MC9S12XS128单片机系统、RS232电平转换电路、提示装置、输入信号光电隔离电路、输出信号光电隔离电路、电机、电机全桥驱动电路、下限幅触点、上限幅触点、第一磁铁、第二磁铁、升降装置、固定机构、差动式温控器检测探头，

PC机通过串口与RS232电平转换电路相连，RS232电平转换电路与MC9S12XS128单片机相连，MC9S12XS128单片机的PB0口通过输入信号光电隔离电路与上限幅触点相连，MC9S12XS128单片机的PB1口通过输入信号光电隔离电路与下限幅触点相连；MC9S12XS128单片机的PA0口连接提示装置，MC9S12XS128单片机的PP1口和PP3口通过输出信号光电隔离电路与电机全桥驱动电路相连，电机全桥驱动电路与电机相连，电机与升降装置相连，升降装置带动第一磁铁、第二磁铁上下移动，第一磁铁、第二磁铁间设置有温控器检测探头，两磁铁处于同一高度，并关于温控器检测探头中轴线对称，将对电磁场产生的影响降到最小，并用来吸引温控器；初始状态时第一磁铁与上限幅触点相接触，装置工作时，第一磁铁可向下移动与下限幅触点接触，温控器检测探头、升降装置、第一磁铁、第二磁铁、上限幅触点和下限幅触点安装在固定机构上；上限幅触点、下限幅触点通过输入信号光耦隔离电路与单片机连接，常态输出低电平，当与磁铁接触时产生高电平。

图4为本发明所述的MC9S12XS128单片机系统，包括MC9S12XS128单片机、晶振电路、滤波电路、复位电路、LED显示电路、下载器接口，晶振电路、滤波电路、复位电路、LED显示电路、下载器接口分别与MC9S12XS128单片机相连，单片机的电源输入端，串联多级RC低通滤波电路，可以消除供电电源的高频纹波，增加系统的稳定性。MC9S12XS128单片机是一款高性能的16位单片机，具有速度快、功能强、成本低、功耗低等特点。其总线频率可高达40MHz，拥有128KB的程序存储器和8KB的数据存储器，；可配置8位、10位或12位ADC，转换时间仅为3μs；拥有SCI、SPI、CAN总线模块；含4通道16位计数器和8通道PWM信号发生器，易于实现电机控制。所述单片机，其PB0和PB1口分别连接两个限幅触点，接收开关信号；PA0连接激光对管提示装置，接收脉冲信号；PS0和PS1口连接MAX232芯片，与上位机进行串口通信。

图5为本发明所述的提示装置，包括激光发射管、激光接收管、调制信号发生电路、放大电路、接收电路；调制信号发生电路与放大电路相连，放大电路与激光发射管相连，激光接收管与接收电路相连。调制信号发生电路与放大电路相连，放大电路与激光发射管相连，激光接收管与接收电路相连，激光发射管只有发射650nm波长与180~208KHz频率的激光才能有效作用于激光接收管。所以，一般情况下，激光接收管接收到激光信号，经过接收电路，会输出低电平，当待测温控器到达图5所示位置时，激光接收管无法接收到激光信号，接收电路就输出高电平，单片机可以通过接收电路输出的电平信号判断待测温控器是否到达探头下方。

图6为本发明所述的电机全桥驱动电路：第一IR2104S芯片U1的第1脚接+15V电源并通过并联的第一电容C1接地、第2脚接MC9S12XS128单片机的PP1口、第4脚接地、第5脚通过第二电阻R2连接第二MOS管VT2的门极、第6脚连接第一MOS管VT1的源极和第二MOS管VT2的栅极、第7脚通过第一电阻R1连接第一MOS管VT1的门极、第8脚通过第二电容C2与第6脚相连并通过第一IN5819二极管D1连接+15V电源；第二IR2104S芯片U2的第1脚接+15V电源并通过并联的第四电容C4接地、第2脚接MC9S12XS128单片机的PP3口、第4脚接地、第5脚通过第四电阻R4连接第四MOS管VT4的门极、第6脚连接第三MOS管VT3的源极和第四MOS管VT4的栅极、第7脚通过第三电阻R3连接第三MOS管VT3的门极、第8脚通过第三电容C3与第6脚相连并通过第二IN5819二极管D2连接+15V电源；第一MOS管VT1的栅极和第三MOS管VT2的栅极连接电机电源，第二MOS管VT2的源极和第四MOS管VT4的源极接地，MC74HC00AD芯片U6的第9脚接MC9S12XS128单片机的PP1口、第10脚接MC9S12XS128单片机的PP3口、第8脚接第一IR2104S芯片U1的第3脚和第二IR2104S芯片U2的第3脚；电机两端分别连接第一IR2104S芯片U1的第6脚和第二IR2104S芯片U2的第6脚。

IR2104S是一款MOS管驱动芯片，能够提供控制全桥一侧两个MOS管开通和关断的信号，当第2脚PWM信号为高电平时，第7脚连接的MOS管开通，第5脚连接的MOS管关断；当第2脚PWM信号为低电平时，第5脚连接的MOS管开通，第7脚连接的MOS管关断。全桥驱动芯片U4第1脚连接15V低端电源电压；第2脚连接单片机PP1口，接收PWM信号；第3脚连接低关断信号，为两路PWM信号经过与非门后的输出信号，防止两路PWM信号都是高电平时造成同一侧的两个MOS管同时导通而短路；第4脚接地；第5脚通过电阻R6连接MOS管VT2栅极；第7脚通过R5连接MOS管VT1栅极；第8脚连接自举电容C3。全桥驱动芯片U5的连接方法与U4一致。电路中OUT1和OUT2之间连接直流电机。

两路PWM信号分别可控制电机正转和反转，其原理是：当U5第2脚输入低电平，则VT4开通，VT3关断。同时，U4第2脚输入有一定占空比的PWM波，当输入的PWM波为高电平时，就会使VT1开通，VT2关断，相当于点击两端分别连接电源和地，此时电流从OUT1流向OUT2，电机正转。反之，当U4第2脚输入低电平，则VT2开通，VT1关断，同时，U5第2脚输入有一定占空比的PWM波，当输入的PWM波为高电平时，就会使VT3开通，VT4关断，相当于点击两端分别连接电源和地，此时电流从OUT2流向OUT1，电机反转。

图7为本发明所述提离消除装置运作流程图。

MC9S12XS128单片机的PS0和PS1口连接RS232电平转换电路，与PC机进行串口通信，PC机中运行的组态软件用Labview编写，采用串口与提离消除装置控制芯片进行通信，可以设置延时时间、电机转速的参数，切换自动和手动的工作模式，并且可以获取当前装置的工作情况、本日已筛选的温控器数量，在界面上进行监控，也可以查看历史数据，生成和打印报表。

基于电涡流的差动式温控器检测探头提离消除装置的提离消除方法具体操作过程如下：

1）待检测的温控器进入温控器检测探头正下方，此时提示装置产生脉冲信号；

2）脉冲信号触发MC9S12XS128单片机产生PWM波，通过输出信号光电隔离电路输入电机全桥驱动电路，电机全桥驱动电路驱动电机运转带动升降装置，升降装置带动第一磁铁和第二磁铁向下移动使第一磁铁脱离上限幅触点；

3）第一磁铁和第二磁铁向下移动并吸引待检测的温控器与温控器检测探头接触，消除温控器检测探头的提离效应，温控器检测探头开始输出检测信号；

4）第一磁铁继续向下移动并与下限幅触点接触，此时下限幅触点产生反馈信号，反馈信号通过输入信号光电隔离电路输入MC9S12XS128单片机，MC9S12XS128单片机的PWM波输出口停止产生PWM波，电机停止转动，同时MC9S12XS128单片机执行延时程序；

5）延时程序结束后，MC9S12XS128单片机的PWM波输出口输出PWM波，通过输出信号光电隔离电路输入电机全桥驱动电路，电机全桥驱动电路驱动电机运转带动升降装置，升降装置带动第一磁铁和第二磁铁向上移动使第一磁铁脱离下限幅触点，

6）第一磁铁继续向上移动并与上限幅触点接触，MC9S12XS128单片机的PWM波输出口停止产生PWM波，电机停止转动，过程结束。

温控器能够根据工作环境的温度变化，在开关内部发生物理形变，从而产生某些特殊效应，使触点闭合或断开，达到接通或断开电路的目的，从而控制电路。其中一种温控器内部有一片金属片，并且该金属片有正反面之分，如果朝向错误，也不能正常使用。在实际的生产过程中，由于生产技术的限制，不可避免的会产生一些次品或废品。温控器的内部结构不同，产生的涡流对线圈的反作用就会不同，引起线圈阻抗的变化，利用涡流检测仪器就能检测出这种变化量，筛选出废品。