CN109030618B - 一种逆变电磁场智能恒磁芯片和恒磁探伤仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种逆变电磁场智能恒磁芯片和恒磁探伤仪，所述逆变电磁场智能恒磁芯片包括磁检测模块、自动控制模块和励磁电流调节模块，由所述磁检测模块检测外部磁感应器输入的电压信号，并根据所述电压信号输出平均磁场强度信号至自动控制模块，由所述自动控制模块根据所述平均磁场强度信号以及预设磁场强度信号调整驱动信号的占空比大小并将其输出至励磁电流调节模块，由所述励磁电流调节模块将输入直流电逆变成交流电，并根据驱动信号调整交流电的占空比大小后将其输出至电磁线圈，使得由交流电控制的电磁线圈产生恒定的磁场强度，进而保证仪器检测的灵敏度一致。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测设备技术领域，特别涉及一种逆变电磁场智能恒磁芯片和恒磁探伤仪。
背景技术
磁粉探伤仪是一种用于检查铁制品表面和近表面缺陷的仪器，广泛应用于压力容器、压力管道、机械装备等的制造、安装过程中。目前的磁粉探伤仪有固定式磁粉探伤仪、移动式磁粉探伤仪和携带式磁粉探伤仪，且现有的磁粉探伤仪都是采用电能转化为磁能的转化方式，即电能经过变压电路变压，而后再通过电磁绕组和电磁铁芯转换成磁能。
但在实际工作过程当中输入电压的变动、温度的变化、工作时间等都会导致输出磁能的变化。而实际使用场合的电能来源有电网提供的220V/50HZ市电、发电机和充电电池。其中，电网电压存在波动，特别在野外和现场波动范围较大，会达到160V—250V；发电机更是电压波动大和频繁；而充电电池电压随电量变化，当锂电池单节满电量时电压为4.2V，20%电量时电压则为2.5V。并且，实际使用时的温度即环境温度也会随季节不同、昼夜更替而发生变化。因此，目前磁粉探伤仪输出的磁能变化很大。而磁能的大小直接影响仪器检测的灵敏性，导致检查不出缺陷或者查出伪缺陷，进而达不到检测目的。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种逆变电磁场智能恒磁芯片和恒磁探伤仪，通过逆变电磁场智能恒磁芯片实时控制电磁线圈电流的大小，以获得通过铁芯的恒定的磁场强度，进而保证探伤仪器检测灵敏度的一致。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
所述的逆变电磁场智能恒磁芯片中，包括磁检测模块、自动控制模块和励磁电流调节模块，由所述磁检测模块检测外部磁感应器输入的电压信号，并根据所述电压信号输出平均磁场强度信号至自动控制模块，由所述自动控制模块根据所述平均磁场强度信号以及预设磁场强度信号调整驱动信号的占空比大小并将其输出至励磁电流调节模块，由所述励磁电流调节模块将输入直流电逆变成交流电，并根据驱动信号调整交流电的占空比大小后将其输出至电磁线圈，使得由交流电控制的电磁线圈产生恒定的磁场强度。
所述的逆变电磁场智能恒磁芯片中，所述磁检测模块包括滤波单元、第一电压跟随器、第二电压跟随器、整流单元、补偿单元和放大单元，由滤波单元将检测的电压信号进行滤波处理后输出至第一电压跟随器，由第一电压跟随器将电压信号进行电压跟随后输出至整流单元，由整流单元将电压信号进行整流处理后输出至补偿单元，由补偿单元将电压信号进行积分处理后输出平均磁场强度信号至第二跟随器，由第二跟随器将平均磁场强度信号进行电压跟随后输出至放大单元，由放大单元将平均磁场强度信号进行放大处理后输出至自动控制模块。
所述的逆变电磁场智能恒磁芯片中，所述自动控制模块包括控制芯片、低通滤波单元和驱动单元，由低通滤波单元将所述平均磁场强度信号和预设磁场强度信号进行滤波处理后输出至控制芯片，由控制芯片对平均磁场强度信号和预设磁场强度信号进行模数转换和PID计算后调节驱动信号的占空比大小，并将其输出至驱动单元，由驱动单元将驱动信号进行放大处理后输出至励磁电流调节模块。
所述的逆变电磁场智能恒磁芯片中，所述励磁电流调节模块包括限流滤波单元、功放逆变单元和保护单元，由限流滤波单元对输入直流电进行滤波处理之后输出至功放逆变单元，由功放逆变单元将所述输入直流电逆变成交流电，并根据驱动信号调整交流电的占空比大小后将其输出至保护单元，由保护单元输出稳定的交流电。
所述的逆变电磁场智能恒磁芯片中，所述滤波单元包括第一电阻、第二电阻和第一电容，所述第一电阻的一端连接IN信号端，所述第一电阻的另一端连接第二电阻的一端、第一电容的一端和第一电压跟随器的正相输入端，所述第一电容的另一端和第二电阻的另一端均接地。
所述的逆变电磁场智能恒磁芯片中，所述整流单元包括第三电阻、第四电阻、第一运算放大器、第一二极管、第二二极管、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第二电容和第二运算放大器，所述第三电阻的一端和第五电阻的一端连接第一电压跟随器的输出端和第一电压跟随器的反相输入端，所述第三电阻的另一端连接第四电阻的一端、第一二极管的负极和第一运算放大器的反相输入端；所述第一运算放大器的输出端和第一二极管的正极连接第二二极管的负极，所述第四电阻的另一端和第二二极管的正极通过第六电阻连接第二运算放大器的反相输入端；所述第五电阻的另一端、第二电容的一端和第七电阻的一端连接第二运算放大器的反相输入端，所述第二电容的另一端、第七电阻另一端和第二运算放大器的输出端连接补偿单元；所述第一运算放大器的正相输入端和第二运算放大器的正相输入端均接地。
所述的逆变电磁场智能恒磁芯片中，所述补偿单元包括第三电容和第八电阻，所述第三电容一端接地，所述第八电阻的一端和第三电阻的另一端连接第二电压跟随器的正相输入端，所述第八电阻的另一端连接整流单元。
所述的逆变电磁场智能恒磁芯片中，所述放大单元包括第九电阻、第十电阻、第十一电阻和第三运算放大器，所述第九电阻连接第二电压跟随器的输出端和第二电压跟随器的反相输入端，所述第九电阻的另一端连接第三运算放大器的正相输入端；所述第十电阻的一端和第十一电阻的一端连接第二运算放大器的反相输入端，所述第十电阻的另一端接地，所述第十一电阻的另一端和第三运算放大器的输出端连接自动控制模块。
所述的逆变电磁场智能恒磁芯片中，所述功放逆变单元包括第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第三二极管、第四二极管、第一稳压二极管、第二稳压二极管、第三稳压二极管、第四稳压二极管、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一隔离驱动芯片、第二隔离驱动芯片、第三隔离驱动芯片、第四隔离驱动芯片，所述第一隔离驱动芯片的第1脚通过第十二电阻连接GAH信号端，所述第一隔离驱动芯片的第2脚接地，所述第一隔离驱动芯片的第3脚、第十四电阻的一端、第一稳压二极管的正极、第一MOS管的源极连接第一信号输出端并通过第四电容连接第三二极管的负极，所述第一隔离驱动芯片的第4脚连接第十三电阻的一端；所所述第十三电阻的另一端、第十四电阻的另一端和第一稳压二极管的负极连接第一MOS管的栅极，所述第一隔离驱动芯片的第5脚连接第三二极管的负极，所述第三二极管的正极连接VCC信号端，所述第一MOS管的漏极和第二MOS管的漏极连接VDC信号端；
所述第二隔离驱动芯片的第1脚通过第十五电阻连接GAL信号端，所述第二隔离驱动芯片的第2脚和第六电容的一端接地，所述第二隔离驱动芯片的第3脚、第十七电阻的一端、第二稳压二极管的正极、第二MOS管的源极均接地，所述第二隔离驱动芯片的第4脚连接第十六电阻的一端，所述第十六电阻的另一端、第十七电阻的另一端和第二稳压二极管的负极连接第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的漏极连接第一MOS管的漏极，所述第二隔离驱动芯片的第5脚连接第六电容的另一端和VCC信号端；
所述第三隔离驱动芯片的第1脚通过第十八电阻连接GBH信号端，所述第三隔离驱动芯片的第2脚接地，所述第三隔离驱动芯片的第3脚、第二十电阻的一端、第三稳压二极管的正极、第三MOS管的源极连接第二信号输出端并通过第五电容连接第四二极管的负极，所述第三隔离驱动芯片的第4脚连接第十九电阻的一端；所述第十九电阻的另一端、第二十电阻的另一端和第三稳压二极管的负极连接第三MOS管的栅极，所述第三隔离驱动芯片的第5脚连接第四二极管的负极，所述第四二极管的正极连接VCC信号端；
所述第四隔离驱动芯片的第1脚通过第二十一电阻连接GBL信号端，所述第四隔离驱动芯片的第2脚和第七电容的一端接地，所述第四隔离驱动芯片的第3脚、第二十三电阻的一端、第四稳压二极管的正极、第四MOS管的源极均接地，所述第四隔离驱动芯片的第4脚连接第二十二电阻的一端，所述第二十二电阻的另一端、第二十三电阻的另一端和第四稳压二极管的负极连接第四MOS管的栅极，所述第四MOS管的漏极连接第三MOS管的漏极，所述第四隔离驱动芯片的第5脚连接第七电容的另一端和VCC信号端。
一种恒磁探伤仪，包括电源模块、用于将预设磁场强度信号转换成电压信号形式输出至逆变电磁场智能恒磁芯片的励磁调节转换模块、磁感应器、电磁线圈和铁芯，还包括如上所述的逆变电磁场智能恒磁芯片。
相较于现有技术，本发明提供的一种逆变电磁场智能恒磁芯片和恒磁探伤仪，所述逆变电磁场智能恒磁芯片包括磁检测模块、自动控制模块和励磁电流调节模块，由所述磁检测模块检测外部磁感应器输入的电压信号，并根据所述电压信号输出平均磁场强度信号至自动控制模块，由所述自动控制模块根据所述平均磁场强度信号以及预设磁场强度信号调整驱动信号的占空比大小并将其输出至励磁电流调节模块，由所述励磁电流调节模块将输入直流电逆变成交流电，并根据驱动信号调整交流电的占空比大小后将其输出至电磁线圈，使得由交流电控制的电磁线圈产生恒定的磁场强度，进而保证仪器检测的灵敏度一致。
附图说明
图1为本发明提供的逆变电磁场智能恒磁芯片的结构框图。
图2为本发明提供的逆变电磁场智能恒磁芯片中的磁检测模块的电路图。
图3为本发明提供的逆变电磁场智能恒磁芯片中第一低通滤波器、第二低通滤波器和控制芯片的电路图。
图4为本发明提供的逆变电磁场智能恒磁芯片中第三低通滤波器的电路图。
图5为本发明提供的逆变电磁场智能恒磁芯片中烧录单元的电路图。
图6为本发明提的逆变电磁场智能恒磁芯片中稳压单元的电路图。
图7为本发明提供的逆变电磁场智能恒磁芯片中振荡单元的电路图。
图8为本发明提供的逆变电磁场智能恒磁芯片中磁检测单元各点的波形图。
图9、图10、图11、图12为本发明提提供的逆变电磁场智能恒磁芯片中驱动单元的电路图。
图13为本发明提供的逆变电磁场智能恒磁芯片中功放逆变单元的电路图。
图14为本发明提供的逆变电磁场智能恒磁芯片中功放逆变单元输出的波形图。
图15为本发明提供的逆变电磁场智能恒磁芯片中数字PID计算调节的流程图。
图16为本发明提供的恒磁探伤仪的结构框图。
具体实施方式
本发明提供一种逆变电磁场智能恒磁芯片和恒磁探伤仪，通过逆变电磁场智能恒磁芯片实时控制电磁线圈电流的大小，以获得通过铁芯的恒定的磁场强度，进而保证探伤仪器检测灵敏度的一致。
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明提供的逆变电磁场智能恒磁芯片，包括磁检测模块110、自动控制模块120和励磁电流调节模块130，所述磁检测模块110连接自动控制模块120，所述自动控制模块120连接励磁电流调节模块130，由所述磁检测模块110检测外部磁感应器170输入的电压信号，并根据所述电压信号输出平均磁场强度信号至自动控制模块120，由所述自动控制模块120根据所述平均磁场强度信号以及预设磁场强度信号调整驱动信号的占空比大小并将其输出至励磁电流调节模块130，由所述励磁电流调节模块130将输入直流电逆变成交流电，并根据驱动信号调整交流电的占空比大小后将其输出至电磁线圈，使得由交流电控制的电磁线圈产生恒定的磁场强度。
本发明通过磁检测模块110完成磁场强度的实时检测，即由磁检测模块110检测外部磁感应器170输入的电压信号，并将电压信号进行转化处理后得到平均磁场强度信号，再由自动控制模块120根据平均磁场强度信号和预设磁场强度信号调整驱动信号的占空比大小，之后由励磁电流调节模块130根据驱动信号调节交流电占空比的大小，使得由交流电控制的电磁线圈产生恒定的磁场强度，达到任何情况下都恒磁的目的。优选地，本实施例中所述交流电为方波交流电。
具体地，本发明提供的逆变电磁场智能恒磁芯片还包括电源控制模块140，所述电源控制模块140与自动控制模块120、磁检测模块110和励磁电流调节模块130连接，在逆变电磁场智能恒磁芯片工作的过程当中，由所述电源控制模块140为各个模块的工作提供高精度的辅助电源；优选地，所述电源控制模块140为高效、高精度的开关电源，能够有效的保证逆变电磁场智能恒磁芯片工作的稳定性。
进一步地，请参阅图2，所述磁检测模块110包括滤波单元111、第一电压跟随器A1、第二电压跟随器A4、整流单元112、补偿单元113和放大单元114，所述滤波单元111、第一电压跟随器A1、整流单元112、补偿单元113、第二电压跟随器A4和放大单元114依次连接；由滤波单元111将检测的电压信号进行滤波处理后输出至第一电压跟随器A1，由第一电压跟随器A1将电压信号进行电压跟随后输出至整流单元112，由整流单元112将电压信号进行整流处理后输出至补偿单元113，由补偿单元113将电压信号进行积分处理后输出平均磁场强度信号至第二跟随器，由第二跟随器将平均磁场强度信号进行电压跟随后输出至放大单元114，由放大单元114将平均磁场强度信号进行放大处理后输出至自动控制模块120。
具体地，所述滤波单元111对电压信号即磁感应信号进行滤波处理，滤除各种杂散干扰信号，之后由第一电压跟随器A1对滤波后的电压信号进行电压跟随，以降低电压信号的输入阻抗，得到低阻抗的电压信号，再由整流单元112对低阻抗的电压信号进行整流处理，本实施例中即为对低阻抗的电压信号取绝对值，之后再由补偿单元113进行积分处理后得到准确的平均磁场强度信号，随即由放大单元114对微弱的平均磁场强度信号进行高精度的放大处理后再经第二电压跟随器A4进行电压跟随，进而得到低阻抗的平均磁场强度信号，即本发明通过磁检测模块110对检测的电压信号进行滤波、取绝对值、积分等处理，以确保得到准确稳定的平均磁场强度信号，进而满足后续电路的要求。
进一步地，请参阅图3和图4，所述自动控制模块120包括控制芯片U1、低通滤波单元121和驱动单元(图中为示出)，所述低通滤波单元121和驱动单元均与控制芯片U1连接；由低通滤波单元121将所述平均磁场强度信号和预设磁场强度信号进行滤波处理后输出至控制芯片U1，由控制芯片U1对平均磁场强度信号和预设磁场强度信号进行模数转换和PID计算后调节驱动信号的占空比大小，并将其输出至驱动单元，由驱动单元将驱动信号进行放大处理后输出至励磁电流调节模块130。
本实施例中由所述低通滤波单元121对磁检测模块110输出的平均磁场强度信号再次进行滤波之后输出至控制芯片U1，以便保证平均磁场强度信号稳定无干扰；与此同时低通滤波单元121还对供电电压和预设磁场强度信号进行滤波处理之后输出至控制芯片U1，由控制芯片U1接收稳定无干扰的预设磁场强度信号以及供电电压，并同时对平均磁场强度信号和预设磁场强度信号进行模数转换，然后再利用控制芯片U1的运算功能进行数字PID计算，根据计算结果调整驱动信号的占空比并输出驱动信号至驱动单元，由驱动单元将驱动信号进行放大后输出至励磁电流调节模块130，为励磁电流调节模块130提供精准、稳定、有效的驱动信号，通过自动控制模块120实现对磁场强度的调节，从而达到恒定磁场的目的。所述控制芯片U1的型号为DSPIC33FJ128MC710PF，当然在其他实施例中，也可采用其他具有相同功能的控制芯片U1，本发明对此不作限定。
优选地，请参阅图5、图6和图7，所述自动控制模块120还包括烧录单元122、稳压单元123和振荡单元124，所述烧录单元122、稳压单元123和振荡单元124均与控制芯片U1连接，并由所述烧录单元122将程序烧录入控制芯片U1，由稳压单元123为所述控制芯片U1的模数转换过程提供参考电压，优选地，本实施例中所述参考电压为3.1V；由所述振荡单元124保证控制芯片U1的正常工作。
更进一步地，请继续参阅图1，所述励磁电流调节模块130包括限流滤波单元131、功放逆变单元132和保护单元133，所述限流滤波单元131、功放逆变单元132和保护单元133依次连接；由限流滤波单元131对输入直流电进行滤波处理之后输出至功放逆变单元132，由功放逆变单元132将所述输入直流电逆变成交流电，并根据驱动信号调整交流电的占空比大小后将其输出至保护单元133，由保护单元133输出稳定的交流电；通过所述励磁电流调节模块130中的限流滤波单元131对输入直流电进行滤波和限流处理得到稳定无干扰的直流电，之后利用功放逆变单元132根据驱动单元中输出的驱动信号将直流电逆变成方波交流电输出给电磁线圈，进而驱动电磁线圈产生恒定强度的磁场，实现逆变电磁场智能恒磁芯片的恒磁目的，从而保证仪器检测的灵敏度一致；其中，所述限流滤波单元131和保护单元133均为现有技术，因此不作进一步地说明。
具体实施时，请继续参阅图2，所述滤波单元111包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1，所述第一电阻R1的一端连接IN信号端，所述第一电阻R1的另一端连接第二电阻R2的一端、第一电容C1的一端和第一电压跟随器A1的正相输入端，所述第一电容C1的另一端和第二电阻R2的另一端均接地，由所述滤波单元111保证了检测的输入电压信号稳定无干扰。
本实例中所述整流单元112包括第三电阻R3、第四电阻R4、第一运算放大器A2、第一二极管D1、第二二极管D2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第二电容C2和第二运算放大器A3，所述第三电阻R3的一端和第五电阻R5的一端连接第一电压跟随器A1的输出端和第一电压跟随器A1的反相输入端，所述第三电阻R3的另一端连接第四电阻R4的一端、第一二极管D1的负极和第一运算放大器A2的反相输入端；所述第一运算放大器A2的输出端和第一二极管D1的正极连接第二二极管D2的负极，所述第四电阻R4的另一端和第二二极管D2的正极通过第六电阻R6连接第二运算放大器A3的反相输入端；所述第五电阻R5的另一端、第二电容C2的一端和第七电阻R7的一端连接第二运算放大器A3的反相输入端，所述第二电容C2的另一端、第七电阻R7另一端和第二运算放大器A3的输出端连接补偿单元113；所述第一运算放大器A2的正相输入端和第二运算放大器A3的正相输入端均接地。
具体地，请一并参阅图8，由整流单元112对低阻抗的电压信号进行取绝对值。当低阻抗的电压信号为正值时，所述第一运算放大器A2的输出端为负，所述第二二极管D2导通，所述第一二极管D1截止，使得第一运算放大器A2对低阻抗的电压信号进行反相放大，Ui2=-Ui*R4/R3=-Ui，Ui1=Ui，其中第二运算放大器A3为加法电路，根据运放虚短虚断的原理，可得Ui1/R5+Ui2/R6=-Uo/R7，代入上述已知值，得Uo=Ui；当低阻抗的电压信号Ui为负值时，所述第一运算放大器A2的输出端为正，所述第二二极管D2截止，所述第一二极管D1导通，使得Ui2=0V，Ui1=Ui，Ui1/R5+Ui2/R6=-Uo/R7，代入上述已知值，得Uo=-Ui；可见第二运算放大器A3的输出14脚Uo=|Ui|。其中，Ui为A点的电压值，Ui1为B点的电压值，Ui2为C点的电压值，Uo为D点的电压值。
进一步地，所述补偿单元113包括第三电容C3和第八电阻R8，所述第三电容C3一端接地，所述第八电阻R8的一端和第三电阻R3的另一端连接第二电压跟随器A4的正相输入端，所述第八电阻R8的另一端连接整流单元112，由所述补偿单元113对整流单元112输出的电压信号进行积分处理，进而保证得到准确的平均磁场强度信号，其中U1为经积分之后得到的平均磁场强度信号，即图2中E点的电压值。
更进一步地，所述放大单元114包括第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11和第三运算放大器A5，所述第九电阻R9连接第二电压跟随器A4的输出端和第二电压跟随器A4的反相输入端，所述第九电阻R9的另一端连接第三运算放大器A5的正相输入端；所述第十电阻R10的一端和第十一电阻R11的一端连接第二运算放大器A3的反相输入端，所述第十电阻R10的另一端接地，所述第十一电阻R11的另一端和第三运算放大器A5的输出端连接自动控制模块120，通过放大单元114对微弱的平均磁场强度信号进行高精度的放大处理，以满足的后续电路的要求，进而实现逆变电磁场智能恒磁芯片的恒磁功能。具体地，所述放大单元114的放大原理如下：根据运放虚短虚断的原理，(Vs-U2)/R11=U2/R10，得Vs=10U9，其中Vs为放大单元114输出的平均磁场强度信号的电压值，U2为F点的电压值。
进一步地，请继续参阅图3和图4，所述低通滤波单元121包括第一低通滤波器1211、第二低通滤波器1212和第三低通滤波器1213，所述第一低通滤波器1211与控制芯片U1的第24脚连接，所述第二低通滤波器1212与控制芯片U1的第25脚连接，所述第三低通滤波器1213与控制芯片U1的第30脚和第31脚连接；由所述第一低通滤波器1211和第二低通滤波器1212分别将所述预设磁场强度信号和平均磁场强度信号进行低通滤波处理，使得输入至控制芯片U1的预设磁场强度信号和平均磁场强度信号稳定、无干扰。由所述第三低通滤波器1213对输入至控制芯片U1的供电电压进行滤波处理，为控制芯片U1提供更为稳定的供电电压，使得控制芯片U1的模数转换过程更加精确。
具体实施时，所述第一低通滤波器1211包括第八电容C8、第九电容C9和第二十四电阻R24，所述第八电容C8的一端和第二十四电阻R24的一端均连接VSET信号端，所述第八电容C8的另一端和第九电容C9的一端均接地，所述第九电容C9的另一端和第二十四电阻R24的另一端连接控制芯片U1的第24脚。所述第二低通滤波器1212包括第十电容C10、第十一电容C11和第二十五电阻R25，所述第十电容C10的一端和第二十五电阻R25的一端均连接VS信号端，所述第十电容C10的另一端和第十一电容C11的一端均接地，所述第十一电容C11的另一端和第二十五电阻R25的另一端连接控制芯片U1的第25脚。所述第三低通滤波器1213包括第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、第二十六电阻R26和第二十七电阻R27，所述第十二电容C12的一端和第二十六电阻R26的一端连接DVDD信号端，所述第二十六电阻R26的另一端、第十三电容C13的一端和第十四电容C14的一端均连接控制芯片U1的第30脚，所述第十二七电阻的一端、第十三电容C13的另一端和第十四电容C14的另一端连接控制芯片U1的第31脚，所述第十二电容C12的另一端和第二十七电阻R27的另一端均接地。
进一步地，请参阅图9、图10、图11和图12，所述驱动单元包括第一非门芯片B1、第二非门芯片B2、第三非门芯片B3、第四非门芯片B4、第二十八电阻R28、第二十电阻R20、第三十电阻R30和第三十一电阻R31，所述第一非门芯片B1的一端和第二十八电阻R28的一端连接控制芯片U1的第6脚，所述第二十八电阻R28的另一端连接DVDD信号端，所述第一非门芯片B1的另一端连接GAH信号端；所述第二非门芯片B2的一端和第二十九电阻R29的一端连接控制芯片U1的第7脚，所述第二十九电阻R29的另一端连接DVDD信号端，所述第二非门芯片B2的另一端连接GAL信号端；所述第三非门芯片B3的一端和第三十电阻R30的一端连接控制芯片U1的第8脚，所述第三十电阻R30的另一端连接DVDD信号端，所述第一非门芯片B1的另一端连接GBH信号端；所述第四非门芯片B4的一端和第三十一电阻R31的一端连接控制芯片U1的第9脚，所述第三十一电阻R31的另一端连接DVDD信号端，所述第四非门芯片B4的另一端连接GBL信号端；由驱动单元分别对控制芯片U1输出的驱动信号GAH1、GAL1、GBH1、GBL1进行放大处理之后输出最终的驱动信号GAH、GAL、GBH、GBL至励磁电流点调节模块。所述第一非门芯片B1、第二非门芯片B2、第三非门芯片B3和第四非门芯片B4的型号均为74HC14-SOP，当然在其他实施例中，也可采用其他具有相同功能的芯片，本发明对此不作限定。
进一步地，请继续参阅图5，所述烧录单元122包括第十五电容C15、第三十二电阻R32和插座XS，所述第十五电容C15的一端和插座XS的第4脚连接DVDD信号端，所述第十五电容C15的另一端连接插座XS的第5脚，所述插座XS的第4脚通过第三十二电阻R32连接插座XS的第3脚，所述插座XS的第1脚连接控制芯片U1的第27脚，所述插座XS的第3脚连接控制芯片U1的第13脚，所述插座XS的第5脚接地，所述插座XS的第6脚连接第26脚。将外部烧录器（图中未示出）连接插座XS建立与烧录单元122的连接关系，进而完成对应软件的下载。其中所述插座XS的型号为HEADER3X2，当然在其他实施例中，也可采用其他具有相同功能的插座，本发明对此不作限定。
更进一步，请继续参阅图6，所述稳压单元123包括稳压器U3、第四运算放大器A6、第十六电容C16、第三十三电阻R33、第三十四电阻R34、第三十五电阻R35、第三十六电阻R36、第三十七电阻R37，所述稳压器U3的第1脚的通过第三十三电阻R33连接VCC信号端，所述第十六电容C16的一端、第三十四电阻R34的一端、第三十七电阻R37的一端均连接稳压器U3的第1脚，所述第十六电容C16的另一端接地，所述第三十四电阻R34的另一端连接第三十五电阻R35的一端和稳压器U3的第8脚，所述第三十五电阻R35的另一端通过第三十六电阻R36接地，所述第三十七电阻R37的另一端连接第四运算放大器A6的正相输入端，所述第四运算放大器A6反相输入端连接第四运算放大器A6的输出端，所述第四运算放大器A6的输出端连接控制芯片U1的第29脚；通过稳压单元123为所述控制芯片U1的模数转换提供精准的参考电压。所述稳压器U3的型号为TL431-SOP8，所述第四运算放大器A6的型号为OP413，当然在其他实施例中，也可采用其他具有相同功能的控制器，本发明对此不作限定。
进一步地，请继续参阅图7，所述振荡单元124包括第三十八电阻R38、第十七电容C17、第十八电容C18和振荡器Y1，所述第十七电容C17的一端和振荡器Y1的一端通过第三十八电阻R38连接控制芯片U1的第64脚，所述第十七电容C17的另一端和第十八电容C18的一端均接地，所述第十八电容C18的另一端和振荡器Y1的另一端连接控制芯片U1的第63脚，本实施例中利用振荡单元124能够有效的保证控制芯片U1的正常工作。
具体地，请参阅13，本实施例中所述功放逆变单元132包括第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第三二极管D3、第四二极管D4、第一稳压二极管ZD1、第二稳压二极管ZD2、第三稳压二极管ZD3、第四稳压二极管ZD4、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4、第一隔离驱动芯片U11、第二隔离驱动芯片U12、第三隔离驱动芯片U13、第四隔离驱动芯片U14，所述第一隔离驱动芯片U11的第1脚通过第十二电阻R12连接GAH信号端，所述第一隔离驱动芯片U11的第2脚接地，所述第一隔离驱动芯片U11的第3脚、第十四电阻R14的一端、第一稳压二极管ZD1的正极、第一MOS管Q1的源极连接第一信号输出端并通过第四电容C4连接第三二极管D3的负极，所述第一隔离驱动芯片U11的第4脚连接第十三电阻R13的一端；所述第十三电阻R13的另一端、第十四电阻R14的另一端和第一稳压二极管ZD1的负极连接第一MOS管Q1的栅极，所述第一隔离驱动芯片U11的第5脚连接第三二极管D3的负极，所述第三二极管D3的正极连接VCC信号端，所述第一MOS管Q1的漏极和第二MOS管Q2的漏极连接VDC信号端。
所述第二隔离驱动芯片U12的第1脚通过第十五电阻R15连接GAL信号端，所述第二隔离驱动芯片U12的第2脚和第六电容C6的一端接地，所述第二隔离驱动芯片U12的第3脚、第十七电阻R17的一端、第二稳压二极管ZD2的正极、第二MOS管Q2的源极均接地，所述第二隔离驱动芯片U12的第4脚连接第十六电阻R16的一端，所述第十六电阻R16的另一端、第十七电阻R17的另一端和第二稳压二极管ZD2的负极连接第二MOS管Q2的栅极，所述第二MOS管Q2的漏极连接第一MOS管Q1的漏极，所述第二隔离驱动芯片U12的第5脚连接第六电容C6的另一端和VCC信号端。
所述第三隔离驱动芯片U13的第1脚通过第十八电阻R18连接GBH信号端，所述第三隔离驱动芯片U13的第2脚接地，所述第三隔离驱动芯片U13的第3脚、第二十电阻R20的一端、第三稳压二极管ZD3的正极、第三MOS管Q3的源极连接第二信号输出端并通过第五电容C5连接第四二极管D4的负极，所述第三隔离驱动芯片U13的第4脚连接第十九电阻R19的一端；所述第十九电阻R19的另一端、第二十电阻R20的另一端和第三稳压二极管ZD3的负极连接第三MOS管Q3的栅极，所述第三隔离驱动芯片U13的第5脚连接第四二极管D4的负极，所述第四二极管D4的正极连接VCC信号端。
所述第四隔离驱动芯片U14的第1脚通过第二十一电阻R21连接GBL信号端，所述第四隔离驱动芯片U14的第2脚和第七电容C7的一端接地，所述第四隔离驱动芯片U14的第3脚、第二十三电阻R23的一端、第四稳压二极管ZD4的正极、第四MOS管Q4的源极均接地，所述第四隔离驱动芯片U14的第4脚连接第二十二电阻R22的一端，所述第二十二电阻R22的另一端、第二十三电阻R23的另一端和第四稳压二极管ZD4的负极连接第四MOS管Q4的栅极，所述第四MOS管Q4的漏极连接第三MOS管Q3的漏极，所述第四隔离驱动芯片U14的第5脚连接第七电容C7的另一端和VCC信号端。
进一步地，所述功放逆变电路采用了H桥变换原理，具体地，上桥臂由第一MOS管Q1和第三MOS管Q3及其外围部分构成，下桥臂由第二MOS管Q2和第四MOS管Q4及其外围部分构成，由于所述第一MOS管Q1与第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4不共地，因此需要三路隔离的驱动供电电源，为了减少供电电源数量，减化电路，本申请中的功放逆变电路采用了电荷泵原理来产生上桥臂第一MOS管Q1和第三MOS管Q3所需要的驱动电源。所述第三二极管D3、第四电容C4构成第一MOS管Q1驱动供电电源的电荷泵，其中第三MOS管Q3和第二MOS管Q2交替工作，当第二MOS管Q2导通时， VCC信号端通过第三二极管D3给第四电容C4充电，由第四电容C4存储VCC信号端提供的电压；当第二MOS管Q2关断时，第四电容C4与第一MOS源极连接的一端即为第一MOS管Q1的源极，由于第四电容C4的电压不能突变，所以相对于第一MOS的源极，第四电容C4上的电压仍不变，即可给第二MOS管Q2驱动端供电，即为电荷泵的工作原理。同理第四MOS管Q4和第五电容C5构成了第三MOS管Q3的电荷泵。因此单一的供电电源即可通过电荷泵完成对整个Ｈ电桥供电。
具体地，请继续参阅图13，所述功放逆变电路的工作原理如下：当驱动信号GAH为高电平时，驱动信号GAH通过第十二电阻R12使得第一隔离驱动芯导通，进而第一隔离驱动芯片U11的第4脚变为高电平，进一步地通过第十三电阻R13驱动第一MOS管Q1导通。其中，所述第十四电阻R14和第一稳压二极管ZD1则用于对第一MOS管Q1的栅极进行保护。当驱动信号GAH为低电平时，第一隔离驱动芯片U11的第4脚变为低电平，进而使得第一MOS管Q1截止。
当驱动信号GAL为高电平时，驱动信号GAL通过第十五电阻R15使得第二隔离驱动芯片U12导通，进而第二隔离驱动芯片U12的第4脚变为高电平，进一步地通过第十六电阻R16驱动第二MOS管Q2导通。其中，所述第十七电阻R17和第二稳压二极管ZD2则用于对第二MOS管Q2的栅极进行保护。当驱动信号GAL为低电平时，所述第二隔离驱动芯片U12的第4脚则变为低电平，使得第二MOS管Q2截止。优选地，所述第六电容C6则用于对供电电源进行去耦和滤波。
当驱动信号GBH为高电平时，驱动信号GBH通过第十八电阻R18使得第三隔离驱动芯导通，进而第三隔离驱动芯片U13的第4脚变为高电平，进一步地通过第十九电阻R19驱动第三MOS管Q3导通。其中，所述第二十电阻R20和第三稳压二极管ZD3则用于对第三MOS管Q3的栅极进行保护。当驱动信号GBH为低电平时，第三隔离驱动芯片U13的第4脚变为低电平，进而使得第三MOS管Q3截止。
当驱动信号GBL为高电平时，驱动信号GBL通过第二十一电阻R21使得第四隔离驱动芯片U14导通，进而第四隔离驱动芯片U14的第4脚变为高电平，进一步地通过第二十二电阻R22驱动第四MOS管Q4导通。其中，所述第二十三电阻R23和第四稳压二极管ZD4则用于对第四MOS管Q4的栅极进行保护。当驱动信号GBL为低电平时，所述第四隔离驱动芯片U14的第4脚则变为低电平，使得第四MOS管Q4截止。优选地，所述第七电容C7则用于对供电电源进行去耦和滤波。
进一步地，请一并参阅图14，具体地，当所述功放逆变电路进入工作状态时，在前半个T周期，驱动信号GBH和驱动信号GAL同时截止，驱动信号GAH和驱动信号GBL同时导通，导通时间TD，第一输出端OUT1和第二输出端OUT2输出正方波；在后半个Ｔ周期，驱动信号GAH和驱动信号GBL同时截止，驱动信号GBH和驱动信号GAL同时导通，导通时间TD，第一输出端OUT1和第二输出端OUT2输出负方波。因此完成了一个周期的控制和输出，循环往复，输出不间断的脉宽为TD周期为T的方波交流电；其中，由控制芯片U1提供的驱动信号GAH、驱动信号GAL、驱动信号GBH、驱动信号GBL为脉宽为TD周期为T的信号，并由控制芯片U1根据PID计算结果控制脉宽的大小，从而实现对输出电磁场强度进行控制，保持电磁场强度恒定。
本发明中由所述磁检测模块110检测外部磁感应器170输入的电压信号，并将电压信号进行滤波、取绝对值、取平均值、放大等处理之后输出平均磁场强度信号至自动控制模块120，由所述自动控制模块120对所述平均磁场强度信号进行模数转换之后得到平均磁强度的数字量值，同时对预设磁场强度信号进行模数转换得到其数字量值，进而由控制芯片U1根据平均磁强度的数字量值和预设磁场强度信号的数字量值进行数字PID计算，再由控制芯片U1根据PID计算结果控制驱动信号GAH、驱动信号GAL、驱动信号GBH和驱动信号GBL的脉宽大小，从而实现对输出电磁场强度进行控制，保持电磁场强度恒定。
所述PID算法，其中P为比例，I为积分，D为微分，即通过对输入输出参数偏差进行比例、积分和微分计算，预估下一时刻的偏差走向，及时进行调节，力求输出动态接近设定值。
具体地，所述PID算法的公式如下：
（1）
其中，Kp为比例增益，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，u(t)为控制量，e(t)为被控量与给定值之间的偏差，e(t)= Es -Eo(t)，其中Eo(t)为平均磁强度的数字量值，Es为预设磁场强度信号的数字量值。
为了进行数字PID算法，(1)式离散化，得
(2)
其中
上述中的Ｔ为采样周期，k为采样序列号。
为了编程方便，(2)式进一步整理，得
(3)
其中
。
具体地，请参阅图15，所述逆变电磁场智能恒磁芯片的PID数字调节步骤如下：
S1、系统上电后，进行初始化设置，并进行采样定时设置；
S2、判断是否到采样时间，若是，则进行步骤S3，若否，则进行步骤S7；
S3、对平均磁场强度信号进行模数转换；
S4、对预设磁场强度信号进行模数转换；
S5、根据上述PID算法中的公式（3）进行PID计算；
S6、根据计算结果调节驱动信号的脉宽大小；
S7、处理其他事情。
本发明还相应提供一种恒磁探伤仪，请参阅图16，所述恒磁探伤仪包括电源模块150、用于将预设磁场强度信号转换成电压信号形式输出至逆变电磁场智能恒磁芯片的励磁调节转换模块160、磁感应器170、电磁线圈（图中未示出）和铁芯180，还包括如上所述的逆变电磁场智能恒磁芯片，所述电源模块150与励磁调节转换模块160连接，所述励磁调节转换模块160与逆变电磁场智能恒磁芯片中的自动控制模块120连接，所述电源模块150与逆变电磁场智能恒磁芯片中的电源控制模块140连接，所述磁感应器170与逆变电磁场智能恒磁芯片中的励磁电流调节模块130连接。
具体地，由所述电源模块150为整个恒磁探伤仪提供电源，优选地，所述电源模块150为可充电式电池；由所述励磁调节转换模块160根据需要设置磁场强度，并将磁场强度设定值转换为电压信号输出至逆变电磁场智能恒磁芯片，使得逆变电磁场智能恒磁芯片获得稳定、准确的预设磁场强度信号；由所述磁感应器170将磁场强度信号转换为电压信号输出至逆变电磁场智能恒磁芯片进行处理和转换；由所述电磁线圈接收逆变电磁场智能恒磁芯片输出的方波交流电产生电磁场；进一步地，由铁芯180将电磁线圈产生的电磁场传导到被测工件上，从而实现探伤功能。由于上文已对该逆变电磁场智能恒磁芯片进行了详细的描述，此处不再赘述。本发明所述恒磁探伤仪通过利用逆变电磁场智能恒磁芯片实时控制电磁线圈电流的大小，以获得通过铁芯180的恒定的磁场强度，即使得恒磁探伤仪输出的磁场形式不变，在任何情况下都能输出恒定的磁场强度，进而保证仪器检测的灵敏度的一致，保证客观统一的检验结果，为产品的安全运行和指令分析提供科学的依据。
综上所述，本发明提供的一种逆变电磁场智能恒磁芯片和恒磁探伤仪，所述逆变电磁场智能恒磁芯片包括磁检测模块、自动控制模块和励磁电流调节模块，由所述磁检测模块检测外部磁感应器输入的电压信号，并根据所述电压信号输出平均磁场强度信号至自动控制模块，由所述自动控制模块根据所述平均磁场强度信号以及预设磁场强度信号调整驱动信号的占空比大小并将其输出至励磁电流调节模块，由所述励磁电流调节模块将输入直流电逆变成交流电，并根据驱动信号调整交流电的占空比大小后将其输出至电磁线圈，使得由交流电控制的电磁线圈产生恒定的磁场强度，进而保证仪器检测的灵敏度一致。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种逆变电磁场智能恒磁芯片，其特征在于，包括磁检测模块、自动控制模块和励磁电流调节模块，由所述磁检测模块检测外部磁感应器输入的电压信号，并根据所述电压信号输出平均磁场强度信号至自动控制模块，由所述自动控制模块根据所述平均磁场强度信号以及预设磁场强度信号调整驱动信号的占空比大小并将其输出至励磁电流调节模块，由所述励磁电流调节模块将输入直流电逆变成交流电，并根据驱动信号调整交流电的占空比大小后将其输出至电磁线圈，使得由交流电控制的电磁线圈产生恒定的磁场强度；
所述磁检测模块包括滤波单元、第一电压跟随器、第二电压跟随器、整流单元、补偿单元和放大单元，由滤波单元将检测的电压信号进行滤波处理后输出至第一电压跟随器，由第一电压跟随器将电压信号进行电压跟随后输出至整流单元，由整流单元将电压信号进行整流处理后输出至补偿单元，由补偿单元将电压信号进行积分处理后输出平均磁场强度信号至第二跟随器，由第二跟随器将平均磁场强度信号进行电压跟随后输出至放大单元，由放大单元将平均磁场强度信号进行放大处理后输出至自动控制模块；
所述自动控制模块包括控制芯片、低通滤波单元和驱动单元，由低通滤波单元将所述平均磁场强度信号和预设磁场强度信号进行滤波处理后输出至控制芯片，由控制芯片对平均磁场强度信号和预设磁场强度信号进行模数转换和PID计算后调节驱动信号的占空比大小，并将其输出至驱动单元，由驱动单元将驱动信号进行放大处理后输出至励磁电流调节模块；
所述励磁电流调节模块包括限流滤波单元、功放逆变单元和保护单元，由限流滤波单元对输入直流电进行滤波处理之后输出至功放逆变单元，由功放逆变单元将所述输入直流电逆变成交流电，并根据驱动信号调整交流电的占空比大小后将其输出至保护单元，由保护单元输出稳定的交流电；
所述滤波单元包括第一电阻、第二电阻和第一电容，所述第一电阻的一端连接IN信号端，所述第一电阻的另一端连接第二电阻的一端、第一电容的一端和第一电压跟随器的正相输入端，所述第一电容的另一端和第二电阻的另一端均接地；
所述整流单元包括第三电阻、第四电阻、第一运算放大器、第一二极管、第二二极管、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第二电容和第二运算放大器，所述第三电阻的一端和第五电阻的一端连接第一电压跟随器的输出端和第一电压跟随器的反相输入端，所述第三电阻的另一端连接第四电阻的一端、第一二极管的负极和第一运算放大器的反相输入端；所述第一运算放大器的输出端和第一二极管的正极连接第二二极管的负极，所述第四电阻的另一端和第二二极管的正极通过第六电阻连接第二运算放大器的反相输入端；所述第五电阻的另一端、第二电容的一端和第七电阻的一端连接第二运算放大器的反相输入端，所述第二电容的另一端、第七电阻另一端和第二运算放大器的输出端连接补偿单元；所述第一运算放大器的正相输入端和第二运算放大器的正相输入端均接地；
所述补偿单元包括第三电容和第八电阻，所述第三电容一端接地，所述第八电阻的一端和第三电阻的另一端连接第二电压跟随器的正相输入端，所述第八电阻的另一端连接整流单元；
所述放大单元包括第九电阻、第十电阻、第十一电阻和第三运算放大器，所述第九电阻连接第二电压跟随器的输出端和第二电压跟随器的反相输入端，所述第九电阻的另一端连接第三运算放大器的正相输入端；所述第十电阻的一端和第十一电阻的一端连接第二运算放大器的反相输入端，所述第十电阻的另一端接地，所述第十一电阻的另一端和第三运算放大器的输出端连接自动控制模块；
所述功放逆变单元包括第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第三二极管、第四二极管、第一稳压二极管、第二稳压二极管、第三稳压二极管、第四稳压二极管、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一隔离驱动芯片、第二隔离驱动芯片、第三隔离驱动芯片、第四隔离驱动芯片，所述第一隔离驱动芯片的第1脚通过第十二电阻连接GAH信号端，所述第一隔离驱动芯片的第2脚接地，所述第一隔离驱动芯片的第3脚、第十四电阻的一端、第一稳压二极管的正极、第一MOS管的源极连接第一信号输出端并通过第四电容连接第三二极管的负极，所述第一隔离驱动芯片的第4脚连接第十三电阻的一端；所所述第十三电阻的另一端、第十四电阻的另一端和第一稳压二极管的负极连接第一MOS管的栅极，所述第一隔离驱动芯片的第5脚连接第三二极管的负极，所述第三二极管的正极连接VCC信号端，所述第一MOS管的漏极和第二MOS管的漏极连接VDC信号端；
所述第二隔离驱动芯片的第1脚通过第十五电阻连接GAL信号端，所述第二隔离驱动芯片的第2脚和第六电容的一端接地，所述第二隔离驱动芯片的第3脚、第十七电阻的一端、第二稳压二极管的正极、第二MOS管的源极均接地，所述第二隔离驱动芯片的第4脚连接第十六电阻的一端，所述第十六电阻的另一端、第十七电阻的另一端和第二稳压二极管的负极连接第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的漏极连接第一MOS管的漏极，所述第二隔离驱动芯片的第5脚连接第六电容的另一端和VCC信号端；
所述第三隔离驱动芯片的第1脚通过第十八电阻连接GBH信号端，所述第三隔离驱动芯片的第2脚接地，所述第三隔离驱动芯片的第3脚、第二十电阻的一端、第三稳压二极管的正极、第三MOS管的源极连接第二信号输出端并通过第五电容连接第四二极管的负极，所述第三隔离驱动芯片的第4脚连接第十九电阻的一端；所述第十九电阻的另一端、第二十电阻的另一端和第三稳压二极管的负极连接第三MOS管的栅极，所述第三隔离驱动芯片的第5脚连接第四二极管的负极，所述第四二极管的正极连接VCC信号端；
所述第四隔离驱动芯片的第1脚通过第二十一电阻连接GBL信号端，所述第四隔离驱动芯片的第2脚和第七电容的一端接地，所述第四隔离驱动芯片的第3脚、第二十三电阻的一端、第四稳压二极管的正极、第四MOS管的源极均接地，所述第四隔离驱动芯片的第4脚连接第二十二电阻的一端，所述第二十二电阻的另一端、第二十三电阻的另一端和第四稳压二极管的负极连接第四MOS管的栅极，所述第四MOS管的漏极连接第三MOS管的漏极，所述第四隔离驱动芯片的第5脚连接第七电容的另一端和VCC信号端。
2.一种恒磁探伤仪，其特征在于，包括电源模块、用于将预设磁场强度信号转换成电压信号形式输出至逆变电磁场智能恒磁芯片的励磁调节转换模块、磁感应器、电磁线圈和铁芯，还包括如权利要求1所述的逆变电磁场智能恒磁芯片。
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