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      檢波器線圈架磁導(dǎo)率測試儀的研制

      2013-05-08 11:51:28李建良翟傳旭李淑清付麗舒
      關(guān)鍵詞:磁導(dǎo)率檢波器測試儀

      李建良,翟傳旭,李淑清,付麗舒

      (天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院,天津 300222)

      隨著地球物理勘探的發(fā)展,地震勘探將進(jìn)入一個新的階段,即進(jìn)入了高分辨率、高保真度、高信噪比的精確詳查階段[1].檢波器的技術(shù)參數(shù)直接影響數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量,靈敏度和阻尼都是檢波器的重要技術(shù)指標(biāo),在大批量生產(chǎn)過程中,最難控制的參數(shù)是阻尼[2].地震檢波器線圈架磁導(dǎo)率直接影響著這兩項(xiàng)重要指標(biāo),特別是阻尼參數(shù)的一致性.因此,地震檢波器線圈架磁導(dǎo)率測試方法的研究是十分重要的,其成果用于檢波器組裝生產(chǎn)線,可提高檢波器組裝的合格率和保障阻尼參數(shù)一致性.目前能夠測量檢波器線圈架磁導(dǎo)率的儀器少,而且大多是用計(jì)算機(jī)顯示,測量時間長、穩(wěn)定性不高、體積大不方便攜帶.

      本文研制了一種基于ATmega128單片機(jī)的檢波器線圈架磁導(dǎo)率測試儀,可測量與線圈架的磁導(dǎo)率成反比的導(dǎo)通頻率值,根據(jù)測量值可以選擇合適的磁鋼與線圈架搭配使用,以提高檢波器的性能.

      1 測量原理

      磁導(dǎo)率是軟磁材料的一個關(guān)鍵性指標(biāo).對磁導(dǎo)率的測量基本上都是在標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)上繞線測量.首先測量出繞組線圈的電感,然后計(jì)算出材料的磁導(dǎo)率.一般是在樣環(huán)上繞N砸線圈,因此可推得電感的表達(dá)式為

      式中:D 為環(huán)的外直徑;d為內(nèi)徑;h為環(huán)的高度,N為線圈的匝數(shù).樣環(huán)如圖1所示.代入式(3)得電感和磁導(dǎo)率的關(guān)系為

      圖1 測磁導(dǎo)率用的樣環(huán)Fig.1 Sample loop measuring permeability

      把環(huán)的內(nèi)徑

      式中:a為環(huán)的壁厚.

      磁導(dǎo)率的測量是間接測量,即測出磁芯上繞組線圈的電感量,再用公式計(jì)算出磁芯材料磁導(dǎo)率.所以,磁導(dǎo)率的測試儀器也就是電感測試儀.按照電感的測試原理,設(shè)計(jì)了一種測量方法及測試電路.利用通電線圈中插入鐵芯會改變其電感的原理,選取輸出頻率比較穩(wěn)定的電容三點(diǎn)式振蕩電路作為檢測電路[3],如圖2所示.

      圖2 檢測電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the detection circuit

      圖2中,電感L為纏繞的線圈,在線圈中放入被測線圈架,使得振蕩電路輸出的頻率值發(fā)生相應(yīng)的變化.振蕩器的振蕩頻率為

      可推導(dǎo)出電感為

      由式(4)和式(6)可推出磁導(dǎo)率和振蕩頻率值之間的關(guān)系

      式(7)表明,磁導(dǎo)率與檢測電路振蕩頻率的平方成反比.由此可得磁導(dǎo)率與頻率值的對應(yīng)關(guān)系

      式中:0μ、0f分別為未放入線圈架時檢測電路的磁導(dǎo)率和振蕩頻率;1μ為待測線圈架的磁導(dǎo)率;1f為對應(yīng)的頻率值,稱其為導(dǎo)通頻率.

      2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      系統(tǒng)硬件主要由正弦信號發(fā)生、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和顯示 4部分電路組成.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 3所示.

      圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture diagram of system hardware

      產(chǎn)生正弦信號的信號發(fā)生模塊即為圖 2檢測電路.信號調(diào)理及采集電路見圖 4,其中信號調(diào)理由LM393完成,信號輸入端 INA+與圖 2中電感線圈的下端連接,利用電壓比較的原理將振蕩電路輸出的正弦波信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號;信號采集電路利用單片機(jī)的 PD6引腳采集 LM393的脈沖輸出.AVR單片機(jī)內(nèi)部集成了定時/計(jì)數(shù)器,利用其定時計(jì)數(shù)器功能用電子計(jì)數(shù)法來采集頻率,主要是在單位定時時間里對被測信號脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù).這里主要是對高頻信號進(jìn)行采集,所以運(yùn)用測頻法[4].用于信號顯示的液晶屏選用LCM128645ZK.

      圖4 信號調(diào)理及采集電路原理圖Fig.4 Diagram of signal conditioning and collecting circuit

      3 軟件設(shè)計(jì)

      采用 ICC AVR 軟件進(jìn)行單片機(jī)編程[5].主程序的主要任務(wù)是進(jìn)行系統(tǒng)初始化、識別和解釋命令,并獲得轉(zhuǎn)入相應(yīng)服務(wù)程序的入口,以便完成相應(yīng)的功能,并協(xié)調(diào)各部分軟、硬件有條不紊地工作.單片機(jī)系統(tǒng)主程序流程如圖5所示.

      圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of the main program

      系統(tǒng)初始化主要是初始化硬件設(shè)備和分配寄存器,寄存器主要包括數(shù)據(jù)存儲寄存器、工作狀態(tài)寄存器等.正常工作時系統(tǒng)采集信號發(fā)生電路輸出的頻率值,并在定時時間內(nèi)對頻率值進(jìn)行累加,然后由數(shù)據(jù)處理模塊對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,消除程序掃描對采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響,并將處理后的數(shù)據(jù)通過液晶屏進(jìn)行顯示.顯示結(jié)果為導(dǎo)通頻率值,單位為Hz.

      4 實(shí) 驗(yàn)

      圖 6為測試儀實(shí)物圖.從測試儀上部的圓孔插入待測線圈架;液晶屏可以實(shí)時地顯示導(dǎo)通頻率;加減按鈕可以補(bǔ)償頻率值.

      圖6 測試儀實(shí)物Fig.6 Physical testing instrument

      采用美國福祿克公司生產(chǎn)的 PM6304/031精密電橋?qū)Ψ謩e放入20個檢波器線圈架的樣環(huán)電感值進(jìn)行了測量,通過式(2)轉(zhuǎn)換為磁導(dǎo)率作為標(biāo)準(zhǔn)值.用本測試儀對這20只檢波器線圈架重復(fù)進(jìn)行了100次測量,得到導(dǎo)通頻率,求其平均值和重復(fù)性誤差,并用式(7)換算為磁導(dǎo)率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1.

      表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experiment results

      從表1可以看出,測試儀導(dǎo)通頻率的最大重復(fù)性誤差為 2,Hz,磁導(dǎo)率相對誤差絕對值的最大值為0.90%,平均值為 0.39%.可見,檢波器線圈架磁導(dǎo)率測試儀的測試精度高、重復(fù)性好.

      5 結(jié) 語

      本文對檢波器線圈架磁導(dǎo)率測試儀的工作原理和軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.系統(tǒng)采用能夠輸出穩(wěn)定頻率信號的電容三點(diǎn)式振蕩電路作信號發(fā)生電路,采用 AVR單片機(jī)對頻率信號進(jìn)行采集,并將反映檢波器磁導(dǎo)率的頻率值實(shí)時地在液晶屏上顯示.實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性.工廠實(shí)際應(yīng)用也證實(shí)了系統(tǒng)的實(shí)用性.

      [1] 易碧金. 復(fù)雜地區(qū)地震數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].石油物探裝備,1994,4(3):7–12.

      [2] 王維波,周瑤琪,栗寶鵑,等. 基于 Cirrus地球物理測量芯片的微地震數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)[J]. 物探裝備,2009,19(5):281–285.

      [3] 周躍慶. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)教程[M]. 天津:天津大學(xué)出版社,2005:203–209.

      [4] 彭芬. 基于單片機(jī)的低頻頻率量采集設(shè)計(jì)[J]. 武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,7(3):77–73,82.

      [5] 陳冬云,杜敬倉,任柯燕. ATmega128單片機(jī)原理與開發(fā)指導(dǎo)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:292–304.

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