无损探伤机驱动电路及主电路的设计本科毕业设计论文

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1、无损探伤机驱动电路及主电路的设计Design of Driving Circuit and Main Circuit ofNondestructive Inspection摘 要近年来，X射线探伤已成为一种行之有效不可缺少的探伤方法，其探伤效率高，能满足多种多样的探伤要求，应用于几乎所有的工业部门。本设计主要运用晶闸管整流和逆变技术设计了X射线探伤机的主电路及其驱动电路。论文第一章阐述了X射线无损探伤研究的背景与意义、国内外研究现状和论文的主要工作。第二章介绍了X射线的产生与探伤的成像方法以及X射线探伤机的种类、特点和根本结构。第三章描述了系统的总体设计思路，在该思路指导下，建立了系统的总体框

2、架，设计了系统的工作流程；其中着重阐述了X射线探伤机主电路及其驱动电路各个功能模块的作用和工作原理，以及其硬件设计和实现。第四章主要对整流功能模块的输出电压曲线进行分析，并介绍了系统常见典型问题的解决方法。最后对本系统的设计过程做了总结。关键词：无损探伤；X射线；晶闸管；IGBTABSTRACTIn recent years, X-ray testing has become a proven indispensable testing method, testing its high efficiency, to meet a wide variety of testing requirem

3、ents for almost all the industrial sectors. The main circuit and driving circuit of X-ray detector are designed by use of the SCR and the use of inverter technology. In chapter 1, research background and significance and research status of the X-ray nondestructive testing and the main thesis work ar

4、e given. In chapter 2, the selection of X-ray detection and imaging methods are discussed. Types and characteristics and the basic structure of X-ray detection machine are introduced. The design ideas are described in Chapter 3. Based on that train of thoughts, the system general framework, the work

5、 flow of the supervision system is constructed .The role and work principle of functional module of main circuit and driving circuit of the X-ray detection machine as well as its hardware design and implementation are focuses on describing. The output voltage curve of the main rectifier module is an

6、alyzed, and the solutions for the typical problems of the system are introduced. Finally, the design process of the system is summed up.Key Words：nondestructive inspection；X-ray； thyristors；IGBT 目 录1 绪论1无损探伤研究的背景与意义1国内外研究现状2本文的主要工作22 X射线探伤机的根本原理及结构分析3射线的产生与探伤的成像方法3射线的产生4射线探伤的成像方法4射线探伤机的种类5移动式X射线机5携带

7、式X射线机5射线探伤机的根本结构6高压功能模块6冷却功能模块6保护功能模块6控制功能模块6人机界面功能模块63 X射线探伤机主电路及其驱动电路的设计与实现9射线探伤机的总体设计9系统总体框架93.1.2 X射线探伤机工作流程设计10基于晶闸管的主电路及其驱动电路设计11主电路设计11驱动电路设计14电路板设计与制作20基于IGBT的主电路及其驱动电路的设计24的选择25主电路设计27驱动电路的设计284 实验及结果分析30整流输出曲线分析30典型问题的解决32结 论33参考文献34附录1： 基于晶闸管的主电路原理图35附录2： 基于晶闸管的驱动电路原理图36附录3： 基于IGBT的X射线探伤机

8、电路原理图37附录4： 基于晶闸管的主电路板实物图38附录5： 基于晶闸管的驱动电路实物图39致 谢40英文资料及中文翻译 1 绪论在各种无损检测方法中，射线探伤是应用最广泛、最成熟，最有效的方法之一。射线探伤的根本原理是：X射线、射线、中子射线等，在真空中沿直线前进，能贯穿物体。射线在贯穿物体的过程中，由于与物质相互作用，强度逐渐减小。当一种射线贯穿于不同厚度、不同材质的材料时，强度减小的程度不同。而工件中的缺陷，总是引起工件厚度或材质的局部改变。因此，显示或测量穿透射线的强度及其分布，即可发现和判别缺陷。例如，用强度均匀的射线照射工件，穿透射线使胶片感光，再经暗室处理得到射线照相底片。出于

9、底片的黑度分布依赖于各部位接受的射线量，而透过射线的强度取决于工件的材料、厚度和缺陷状况，通过对射线底片的观察，便可以发现缺陷并判断缺陷的大小、性质及分布情况，这就是常用的射线照相法探伤。X射线是德国著名物理学家W.K.伦琴(WKRontgen)在研究阴极射线管时，偶然发现的。1895年11月8日伦琴在一个嵌有两个板形电极的低真空玻璃管的两极间加上几万伏电压，偶然发现一种用肉眼看不到的“光线，它能使放在旁边的涂有铂氰化钡的纸板发出可见的荧光，并且在涂有铂氰化钡的纸板上发现了伦琴的手部骨骼影像。进一步实验，还发现它能穿透许多物质，诸如衣服、纸板，甚至页数很多的书本，并能使胶片感光，X射线就这样被

10、发现了。新光线发现不久，马上就有人想把这种新光线用到实际中去。例如，在伦琴发现新光线的消息传到美国的第四天，就有一位医生利用新光线来检查受枪伤的病人看有没有枪弹留在他的身体里。由于当时对这种新光线的性质不甚了解，便借用数学上未知数“X来代表，故称之为X射线。后来，人们为了纪念伦琴的伟大发现，又称为伦琴射线。X射线探伤是最早应用的几种探伤方法之一。时至今日，射线探伤已开展成为应用多种射线和多种显示方法的探伤技术。对射线探伤设备大多已做到系列化，能满足多种多样的探伤要求，探伤的效率也显著提高了。射线探伤的结果己被列为许多重要产品和零部件的质量判断依据，射线探伤已成为一种行之有效不可缺少的探伤方法，

11、应用于几乎所有的工业部门。在过去的十几年里，这一领域已经取得了大量的研究成果，对社会生活产生了深刻的影响。自X射线发现后，法国的科学家们发现了放射线性。二十世纪三十年代，科学家发现了中子。自此以后，各种加速器、核反响堆相继建成。对射线性质的深入研究和工艺技术科学的飞跃开展，给射线探伤应用打下了根底。在第一次世界大战时期，X射线已开始用于战地医疗诊断。第二次世界大战之前的三十年代，由于军事工业的迫切需要，无损探伤逐渐形成一项专门的技术学科。X射线探伤是最早应用的几种探伤方法之一。时至今日，X射线探伤实时成像数字图象处理技术(XRTIP)，成为国际上无损探伤领域广泛并深入研究的重要课题之一。美国、

12、丹麦、日本等一些工业兴旺国家都有各具特色的(XRTIP)系统。其中美国VARIAN公司的ER-110.ER-120系统，德国SEIFERT公司的实时图象处理器OPS-3型PHILJPS公司的MU系列产品,贝麦ANDREX公司的TRUVTSON150等产品都曾打入中国市场，有的己被国内一些厂家使用。在我国自八十代中期就有一些大学和研究单位，开始了此项研究。有的已通过鉴定，有的己投入使用。但大都是在需要完善和将要定型阶段。相信用不了多久,工业XRTIP系统也同医学T-V成像一样，很快就会普及并开展起来。其中，应用逆变电源技术的工业X射线探伤机，早在1969年比利时波涛公司己经研制成功。随后西方兴旺

13、国家纷纷引进逆变电源技术，并应用于工业X射线探伤机。我国也于80年代初引进日本理学X射线探伤机后，仿制了逆变气绝缘X射线探伤机，并根本上一直沿用此设计原理至今，但所选用的关键逆变器件一直是SCR，没有进行元器件更新。当时电路设计是基于原有的电力电子技术和元器件开发的，多数采用琼斯电路作逆变电路。本文第一章主要阐述了X射线无损探伤研究的背景与意义，以及对国内外的现状进行介绍和分析。第二章首先阐述了X射线的产生与探伤的成像方法，然后介绍了X射线探伤机的种类、特点和根本结构。第三章首先描述了X射线无损探伤机的总体设计；然后分析主电路及其驱动电路各功能模块的工作原理，具体包括整流功能模块、逆变功能模块

14、、零点检测功能模块、半控桥触发功能模块、逆变器触发功能模块、电压反响功能模块、电流反响功能模块、温度检测功能模块、电压等级选择功能模块、扬声器驱动功能模块和电源功能模块；最后阐述了采用IGBT对探伤机的主电路进行改良，以及设计了其驱动电路，使X射线机功耗更低，工作更可靠稳定，系统性能更优。第四章主要对整流功能模块的输出电压曲线进行分析，并介绍了系统常见典型问题的解决方法。2 X射线探伤机的根本原理及结构分析工业上广泛应用射线照相来发现工件内部存在的缺陷，分析其形成的原因和规律，评价这些缺陷对工件使用性能的影响，以便改良设计或工艺，进一步提高产品质量，降低生产本钱，防止恶性事故的发生。射线探伤是

15、利用射线对材料具有一定的穿透能力，及其在穿透材料过程中，不同物质和不同物体结构对射线衰减程度各不相同。从而使缺陷在照相软片或电视荧光屏上形成影像，借以判断工件内部的缺陷和完整性，射线检测原理如图2-1所示：图2-1 射线检测原理图1.辐射源； 2.射线； 3.被检测的工件；辐射源照射工件，X射线胶片放在工件的底面，由于有缺陷的材料与没缺陷的材料吸收射线不同，所以工件的缺陷显影在底片上，借助于缺陷的图像，可以判断工件的质量。X射线具有电磁波的共性，同时也具有不同于可见光和无线电波等其他电磁辐射的特性，以下对X射线的产生和使用X射线探伤的成像方法作简单介绍。X射线是由韧致辐射而产生的，当快速运动的

16、电子被物质阻止时，电子运动的速度急剧减小，电子原有的一局部或全部动能转换为电磁波射出去,此即韧致辐射。X射线发生的示意图如图2-2所示：图2-2 X射线发生示意图1.高压发生器； 2.阴极； 3.阳极；X射线发生的原理是由变压器等组成的高压发生器产生高电位差，加到X射线的两端，阳极的电位高于阴极的电位。通常，将作为阴极的灯丝予以加热，使得灯丝上有电子溢出。接通高压之后，在电场的作用下，溢出的电子飞向阳极，同时电子被电场加速。为了防止电子在渡越由阴极到阳极的空间时与空气分子发生碰撞，管内被抽成很高的真空。高速运动的电子撞击到阳极靶上，发生韧致辐射，产生X射线。射线探伤的成像方法很多，其中应用最广

17、泛的是射线照相法、荧光屏成像法、工业射线电视法、射线剂量率测量法等。所有显示方法，均是利用射线与显示物质相互作用的某种后果，而这种后果又与射线的剂量或剂量率有相应关系，从而到达射线探伤的目的。2.1.2.1 射线照相法射线照相法是由射线源辐射的射线，贯穿于距射线源适宜距离的被探伤工件。在工件远离射线源的一侧,放置装有X射线胶片的暗盒。由于贯穿工件后有无缺陷部位的射线强度不同，X射线胶片将不同程度地被感光，感光的胶片经暗室处理得到射线照相底片，利用射线照相底片黑度变化而显现的图像，来发现和判别缺陷。2.1.2.2 荧光屏成像法这是大家熟悉的一种射线显示方法，它广泛地用于人体医疗透视检查中。荧光屏

18、成像法是利用射线与荧光物质相互作用产生荧光的现象呈现图像的。选择荧光亮度高，发出的荧光物质，加工成粉末，均匀涂布到透明材料做的支撑层上，即成荧光屏。荧光屏成像法原理是射线辐射的射线贯穿工件照射到荧光屏上，由于存在缺陷而引起射线强度的差异，进而引起荧光屏各部位荧光亮度的差异。因此，呈现出工件的透视图像。不过，与射线照相底片比拟荧光屏呈黑度分布正好相反。工业X射线实时成像法是将贯穿工件后射线强度分布变为电视图像显示缺陷。它能把射线增强数千倍，探伤时可以用肉眼直接观察工件内部缺陷。转开工件,可以从各个侧面观察工件的透视图像。它也能用于铸造、焊接工艺连续观察。检查的速度快、本钱低，便于自动探伤和远距操

19、作与观察。目前，国内外所生产和使用的工业X射线探伤机的种类、形式、规格繁多，按结构可分为两大类，移动式X射线机和携带式X射线机。移动式X射线机是一种体积较大、重量较重的探伤机，安装在移动小车上，用于固定或半固定场合使用的X射线机。它的高压发生局部一般是两个对称的高压发生器和X射线管是分开的，它们之间用高压电缆连接，为了提高工作效率，一般采用强制油循环冷却。携带式X射线机是一种体积小、重量轻、便于携带、适用于高空和野外作业的X射线机。它采用结构简单的半波自整流线路，X射线管和高压发生局部共同装在射线机头内，控制箱通过一根多芯的低压电缆将其连接在一起。本设计中的X射线探伤机是属于携带式X射线机，控

20、制器为立式便携机箱结构，有一个把手便于携带，在仪器斜放时把手可以固定作为支撑。控制线路板通过扁平电缆插头座与显示电路板及主回路连接，整个仪器的模块化结构设计便于检查、维修和更换部件。一般X射线探伤机的结构由五个功能模块组成：高压功能模块、冷却功能模块、保护功能模块、控制功能模块和人机界面功能模块，下面分别对各模块作简单介绍。X射线探伤机的高压局部包括X射线机、高压发生器高压变压器、灯丝变压器、高压整流管和高压电容及高压电缆等。冷却是保证X射线机能否长期使用的关键，冷却效果的好坏直接影响X射线管的寿命和连续使用时间。X射线管会因阳极过热而发生损坏，冷却得不好还会发生高压变压器过热，绝缘性能变坏，

21、耐压强度降低而击穿的事件。所以X射线管阳极在实际制造时，都采取各种措施保证冷却效率。X射线探伤机的保护系统主要有以下局部组成：每一个独立电路的短路过流保护、X射线管阳极的冷却保护、X射线管的过载保护过流或过压、零位保护、接地保护和其他保护等。控制功能模块是指X射线管外部工作条件的总控制局部，主要包括管电压的调节、管电流的调节以及过电流、过电压保护等。人机界面常使用键盘、旋钮、LED显示和LCD显示，X射线探伤机一般通过控制台上的开关、按钮或它们的组合进行操作，操作实现的功能由控制台上的文字和操作手册给出。本设计的X射线探伤机前面板主要是系统人机界面，由LED显示器、发光二极管和按键组成；侧面板

22、是配电和电缆连接面板，主要由电源开关、电源线插座、连接X射线发生器电缆插座、20A保险丝管座、2A保险丝管座和接地端子组成。前面板和侧面板分别如图2-3、图2-4所示。 图2-3 前面板图其中，前面板中的LED显示器、发光二极管状态说明如下所述：1数码显示器共8位a、状态：3位，显示当前工作状态或故障代码；b、千伏：3位，显示机器工作KV值或预置KV值；c、时间：2位，显示机器工作时间或预置时间。2发光二极管指示灯共七个a、电源灯：机器通电时亮；b、预置灯：机器处于预置参数时亮；c、准备灯：机器准备完毕时亮；d、训机灯：训机时亮；e、工作灯：训机或曝光时周期性闪亮；f、休息灯：训机或工作休息时

23、亮；g、故障灯：机器发生故障保护时亮。图2-4 侧面板图 1.电源开关； 2.电源线插座； 3.连接X射线发生器电缆插座； 4.20A保险丝管座； 5.2A保险丝管座； 6.接地端子 3 X射线探伤机主电路及其驱动电路的设计与实现本系统由操纵台、X射线发生器和低压连接电缆三局部组成。系统的结构图如图3-1所示：图3-1 系统结构图操作台面板上有LED显示器、控制按钮、信号指示灯等。侧面插座盘有电源插座、连接电缆插座、断路器、报警扬声器、熔断器和接地端子。操作台内部有整流电路、电源变压器、滤波电感、滤波电容及逆变器等组成。根据各局部电路的功能特点，本系统分主电路电路局部、驱动电路局部和面板电路局

24、部三大模块。其中，主电路局部主要由整流功能模块、逆变功能模块组成；驱动电路局部主要由零点检测功能模块、半控桥触发功能模块、逆变器触发功能模块、电压反响功能模块、电流反响功能模块、温度检测功能模块、电压等级选择功能模块、扬声器驱动功能模块和电源功能模块组成。3.1.1.2 X射线发生器结构简介X射线发生器的结构如图3-2所示，高压变压器和X射线管安装在同一个管桶内，其外壳用铝板加工而成，采用六氟化硫气体绝缘，供电频率为125300Hz，为便于X射线管散热采用了阳极接地方式，在阳极靶伸出的端部安装一个多叶片的铝散热器，再用风机强迫冷却，加强了散热效果。在发生器内在铺设了一层防辐射的铅板，并用环氧树

25、脂粘结在发生器内壁上。另外，在管桶内铁心和外部散热器上各装有一个温度继电器，用来防止温度过高而损坏机器。图3-2 X射线发生器3.1.2 X射线探伤机工作流程设计X射线探伤机工作流程：220V交流电经晶闸管桥式整流后，由LC组成的滤波器滤为平滑直流电，再送晶闸管逆变器逆变，将直流电斩截成单向矩形脉冲波，作为升压变压器一次绕组的供电电源，经变压器升压后为X射线发生器提供高压。滤波后的直流电压与给定电压在电压调节单元中进行比拟，控制晶闸管导通角，使输出电压与设定电压相等，且保持较高的稳定度。当输出电压高于最高点压5%时，控制电路中的过电压保护动作，使逆变器停止工作，即切断高压。X射线探伤机原理框图

26、如图3-3所示： 图3-3 X射线探伤机原理框图 本局部是采用晶闸管为核心，设计了X射线机的逆变功能模块和整流功能模块，并针对主电路的触发要求合理设计了其驱动电路。为了保证探伤机的工作性能，因此在主电路和驱动电路中参加必要保护环节。以下是主电路和驱动电路的具体设计。主电路局部主要由整流功能模块、逆变功能模块、航空头功能模块组成。下面分别对各功能模块的功能及工作原理进行描述。整流功能模块采用了单相桥式整流电路调压。整流电路把220V交流电整流，再进行LC滤波，输出一个较平滑的直流电作为逆变电路的输入电压，并送到电压反响电路的输入端。整流功能模块如图3-4所示：图3-4 整流功能模块原理图在电路中

27、，两个桥臂上的晶闸管VT1、VT2的阴极通常式连接在一起共阴极，此时他们的门极电位接近，故采用脉冲变压器隔离时，二次绕组间绝缘要求较低，不会因绝缘损坏造成短路。此外，在整流后加上滤波电感和负载，这样感性负载的特点是电流的变化落后于电压的变化，这就有可能在电源正半周结束时，阳极电流仍大于维持电流，使晶闸管久久不能关断，破坏了整个电路正常工作，称这种现象为晶闸管“失控，必须严加防止。为此，在输出端并联一个续流二极管，为感性负载提供了一个放电回路，防止了感性负载持续电流流过晶闸管，保证晶闸管正常工作。必须注意，续流二极管的极性不能接错，否那么会造成短路事故。本功能模块采用副晶闸管和换向电容及换向电感

28、的强迫换向方式，由于晶闸管在直流电压下触发导通后,其控制极已失去控制能力，不能自行关断，因而采取了这种专门的措施。逆变功能模块原理图如图3-5所示:图3-5 逆变功能模块原理图在电路图中SCR3、SCR4分别为主、副晶闸管，L2为换向变压器电感，C31、C32、C33、C34为换向电容，D4为反响二极管削尖峰，AR3、D5为逆峰吸收回路，C7、C8、R7和R8分别为主、副晶闸管过压吸收保护元件，AR2、AR3为压敏电阻。工作原理简述如下：在接通低压电源未接通高压电源之前，电流调节单元输出的连续触发脉冲使副晶闸管SCR3导通，电流经高压变压器一次侧 C31、C32、C33、C34L2，迅速向C3

29、1、C32、C33、C34充电，当充电流小于SCR4的维持电流时，SCR4自行关断。换向电容两端电压等于VCC时，下正上负，为强迫副晶闸管关断准备。接通高压后，触发脉冲使主晶闸管SCR3导通，一方面负载电流经SCR3 L2，流经电源负极；另一方面，C31、C32、C33、C34上电压下正上负经SCR3强迫SCR4关断。同时，C31、C32、C33、C34、L21、2经SCR3、D3串联谐振，使电容放电后再充电为上正下负，反偏振荡停止。当下一次SCR4导通时，就把C31、C32、C33、C34跨接在SCR3的两端，使SCR3受反压而迫使其关断。C31、C32、C33、C34剩余电荷经SCR4、L

30、22、3、D4串联谐振，使电容电压上负下正而停止，电源继续向电容充电，开始下一个过程。C31、C32、C33、C34、L2、D4所组成串联谐振电路，可节约电能，并加速下正上负电压的建立过程，使逆变器在频率较高时也能正常工作。航空头是操作台与X射线管的连接口，航空头的质量和连接的可靠性直接影响到X射线机工作的稳定性和X射线管的寿命。航空头管脚功能如表3-1所示，管脚分布如图3-6所示。表3-1航空头管脚功能表管脚号颜色定义功能1黄色220V(N)2悬空3绿色升压变压器初级4黄色220V(L)5红色升压变压器初级6灰色温度反响7悬空8白色电流反响9黑色地图3-6 航空头管脚分布图驱动电路局部主要由

31、零点检测功能模块、半控桥触发功能模块、逆变器触发功能模块、电压反响功能模块、电流反响功能模块、温度检测功能模块、电压等级选择功能模块、扬声器驱动功能模块和电源功能模块组成。下面分别对各功能模块的功能及工作原理进行描述。零点检测电路的作用是保证半控桥触发功能模块与整流功能模块工作时能到达同步。零点检测电路如图3-7所示：图3-7 零点检测功能模块原理图电路工作原理是：220V交流电压经电源变压器降压后送到零点检测电路的两个输入端，经C13、C14滤波和D5、D6限幅后送到电压比拟器的反相输入端。每当输入电压的波形从负到正过零点时，电压比拟器的输出端将会输出一次低电平到单片机的外部中断端，单片机就

32、以该时刻为给触发电路输出脉冲的基准点，使整流功能模块与其触发电路能够时刻保持同步。半控桥触发电路主要作用是对整流功能模块输出的直流电压进行调整和控制。根据不同的曝光要求选择其输出电压。半控桥触发电路如图3-8所示：图3-8 半控桥触发功能模块原理图半控桥触发功能模块中，74HC123与其外围电路组成脉宽可调的单稳态触发器，来自单片机的频率信号送到74HC123的9脚，由74HC123的5脚产生矩形脉冲，经C24和R27微分电路微分后，产生正负尖脉冲送T3的基极并放大后送到脉冲变压器B3分别触发整流功能模块中的两个晶闸管。通过改变单片机的输出脉冲的相位将能改变主晶闸管的导通时间，进而可改变整流功

33、能模块输出的直流电压。逆变器触发功能模块主要功能是为逆变功能模块中的主、副晶闸管门极提供触发信号，使逆变功能模块稳定工作在设定频率上。逆变器触发功能模块如图3-9所示：图3-9 逆变器功能模块原理图逆变器功能模块中，74HC123接成脉宽可调的单稳态触发器，来自单片机的频率信号送到74HC123的1脚，由74HC123的4和13脚产生相位相反的两列矩形脉冲，经C22、R23，C23和R25微分电路微分后，产生正负尖脉冲送T1、T2的基极并放大后送到脉冲变压器B1、B2分别触发副和主晶闸管。W1可调节脉冲，脉冲决定主晶闸管的导通时间，进而可改变电流的大小。电压反响功能模块的主要功能就是在电压调节

34、系统中自动调节整流功能模块的输出电压，当整流功能模块的输出电压升高或降低一定数值时，此时通过电压反响电路反响到控制电路中进行输出电压调整。电路如图3-10所示：图3-10 电压反响功能模块原理图电压反响功能模块主要由LM358及外围元件组成，其工作原理是：整流功能模块整流后的直流电压送到电压反响电路的输入端，由R28-R30限流，光电耦合器G04隔离变换信号后送到LM358同相输入端，进行放大后经R20和W3分压取样后送至控制电路对整流功能模块的输出电压进行调整。并通过反响电压的数值判断输出是否过压和欠压。一旦由于失控或者故障使电压超过设定值时，控制电路将会发出控制信号切断高压，使脉冲变压B3

35、停止工作到达保护目的。其中，电位器W3的作用是调节反响电压的取样值。电流反响功能模块的主要功能就是在电流调节系统中自调节控制管电流，当升高管电压时，尽管X射线管电压幅值增加，但通过降低频率，而管灯丝电压的平均值没有增加，管电流毫安值根本保持在小范围内变化。电路如图3-11所示：图3-11 电流反响功能模块原理图电流反响功能模块工作原理是：X射线管的工作电流通过航空头的第8脚反响到电流反响功能模块的输入端，经降压、滤波和光电耦合器隔离变换信号后送到LM358进行放大，LM358输出电压经R20和W3分压取样后送至控制电路，判断X射线管工作电流是否过流和欠流。一旦X射线发生过流和欠流，控制电路将会

36、发出控制信号切断高压，使脉冲变压B3停止工作到达保护目的。其中，电位器W2的作用是调节反响电压的取样值。X射线管温度检测功能模块主要功能就是实时检测X射线管的工作温度。防止X射线管因过热而损坏。其工作原理是：X射线管工作时的温度信号通过航空头的第6脚反响到温度检测功能模块输入端，温度电压信号经光电耦合器隔离变换信号后送至控制电路，并通过反响电压的数值判断X射线管是否超过设定的温度值。假设超过设定的温度控制电路将发出控制信号切断高压，使脉冲变压B3停止工作到达保护光管的目的。电路如图3-12所示：图3-12 温度检测功能模块原理图电压等级选择功能模块的作用是给控制电路的单片机一个选择的信号，最终

37、决定以使用者可选择的输出高压范围。输出电压范围的选择通过改变一个双位数码开关的档位来实现。数码开关拨向的改变能代表四种状态，其中的三种状态分别代表三个输出电压的范围：开关1向上拨、开关2向下拨代表输出200伏，开关1和开关2同时向下拨为输出250伏，开关1和开关2同时向上拨为输出300伏。数码开关各种状态的含义如表3-2所示。电压等级选择电路如图3-13所示。表3-2 电压等级选择开关的含义开关1状态开关2状态输出电压范围KV上拨下拨100200下拨下拨150250上拨上拨170300图3-13 电压等级选择功能模块原理图扬声器驱动功能模块的功能是在系统发生异常情况时如过压、过流、欠压、欠流等

38、驱动扬声器发出报警声。电路中主要由三极管8550把控制电路传送过来的报警信号进行功率放大，最后驱动扬声器发出报警声。电路如图3-14所示：图3-14 扬声器驱动功能模块原理图电源稳压功能模块主要由两个通道组成，其电路图如图3-15所示：图3-15 电源功能模块原理图电源功能模块中，通道一是对变压器二次测的交流电压进行整流滤波，再由L7812和L7805稳压出5V电压传送至控制电路的AD转换芯片ADC0809电压基准端，作为AD转换得参考电压。通道二是对变压器二次测的交流电压进行整流、滤波、稳压后对各芯片进行供电。对于研发高电压精密仪器来说，确定了硬件和软件的详细设计后，绘制电路原理图和制作PC

39、B控制电路板就成为必要的步骤了。高质量的印制线路板能保证所设计的电路实现预先设定的各项指标是系统功能分析和调试设计结果的根底，因此需要再设计印制线路板时精心安排，合理布局，使设计出来的线路板稳定可靠运行，抗干扰能力强。本系统的电路原理图的绘制和PCB图的设计，是通过强大的电路板设计软件Protel99SE来完成的。下面介绍一下设计印制电路办的过程和在设计过程中应注意的问题。本系统主电路及驱动电路原理图和PCB的设计均使用工具软件Protel99SE来完成。在众多的电子线路计算机辅助设计软件中，Protel99SE是这类软件的杰出代表。Protel99SE是Protel公司2000年推出的基于W

40、indows平台的第六代产品，集强大的设计能力、复杂工艺的可生产性分析及设计过程管理(PDM)于一体。可完整实现电子产品从电学概念设计到生成物理生产数据的全过程，以及中间的所有分析、仿真和验证。Prote199SE 较以前版本新增加的三项技术SmarTDoc,SmartTeam 和Smart Tool。这些技术把产品开发的三个方面有机的结合在一起，即设计人员、设计文件和建立文件的工具三者合为一体。Prote1 99SE 软件包主要包含了以下几个模块:原理图设计软件Protel Advanced Schematic 99SE、电路板设计软件Protel Advanced PCB 99SE、用于P

41、CB 自动布线的Protel Advanced Route 99SE、用于可编程逻辑器件Protel Advanced PLD 99SE、用于电路仿真的Advanced SM199和信号完整性分析的Advanced Integrity99，可谓功能齐全。电路设计的最终目的是为了获得装配原理图合PCB图，而原理图是为了设计PCB图效劳的。Prote199SE的印制电路板编辑器为用户提供了一条快捷的设计印刷电路板的途径，PCB编辑器通过它的交互性编辑环境到达了手动设计和自动化设计的完美结合。通过对功能强大的设计法那么的设置，可以有效的控制印制电路板的设计过程。对于特别复杂的、电脑难以自动完成的布线

42、工作，可以手动完成。本课题的印制电路板的设计是计算机辅助设计与手工设计这两种方法的综合。概括的说，对于普通电路板的设计主要分为原理图、网络表和印刷板三个局部，具体流程如图3-16所示:图3-16 普通电路板设计三步骤具体过程如下:1.绘制电路板之前，要先定义电路板属性，包括：定义电路板层数、电路板的外 形尺寸和形状等；2.定义好线路板的属性后，启动电路板编辑进入电路板编辑环境。在此环境下，可 以根据个人的环境和喜好设置电路板设计系统的环境参数和文档参数；3.加载网络表和元件封装；4.加载网络表和元件封装后，在电路板中会出现元件封装连接关系组成的一些凌乱的图案，需要人工或自动将元件放置到适当的位

43、置；5.在自动布线前需要对布线规那么进行设定，包括设定导线间距、导线拐角、导线形式 、导线宽度等；6.设定好规格之后用Protel Advance Rote 99-Protel高级无网格布线器进行自动布线。Protle自动布线功能很强，一般都可以100%的布通，不满意的方面再进行人工修改；7.将设计结果输出以便加工。3.2.3.2 PCB元件布局的根本原那么一个性能优良的系统，除了选择高质量的元器件，合理的电路之外，印制线路板的组件布局和电器连接方向的正确结构设计也是决定系统能否可靠工作的一个关键问题，对于同一种组件和参数的电路，由于组件布局设计和电气连接方向的不同会产生不同的结果，其结果可能

44、存在很大的惊讶。所以合理的PCB布局是一个关键的环节，应当从机械结构、散热、电磁干扰、将来布线的方便性、美观性等方面综合考虑。PCB板元件布局的好坏将直接影响布线的效果和系统的可靠性，而期间的合理布局是布局中最为重要的一个环节，合理布局的原那么主要有一下几个原那么：1.元件分布的整体性一块PCB板不管大小，都能完成一定的功能，是一个特定的系统，因此再设计PCB时一定要注意布局的整体效果，有一个全盘的考虑设计。2.元件分布的独立性和关联性电路中的期间有很大的相关性和独立性，在设计过程中，特别要考虑这些因素。在本系统中，元件布局时就将功能相关的元件放在一起，便于系统的调试。3.布局和布线的相互影响

45、元件的布局对后面的布线有很大的影响，好的布局可以给后面的布线带来很大的方便，节约了布线的时间，提高了系统的可靠性。同时在布线的工程中要不断的修改元件的布局来保证布线的要求。4.元器件分布和艺术的美观性PCB设计是一项科学性和实践性很强的工作，也是一门带有艺术性的设计。一个产品的成功既要注重内在质量的可靠性，也要兼顾整体的美观性。5.元器件布局的可安装性和可焊接性元器件布局必须考虑元件的可安装性和可焊接性，不要因为一个小小的元件封装问题给后来的工作带来麻烦。6.元器件布局对系统热设计的影响元器件的布局要有利于电路板和芯片的散热。本系统在设计时，将功率元件放在了电路板的边上，有利于散热片的安装。3

46、.2.3.3 PCB的制作首先要导出适合生产厂家的PCB文件。对于支持PROTEL99SE格式的加工厂家，将这个文件导出为一个格式的*. PCB文件，注意导出时不要翻开该件，而是在文件夹中直接将该文件导出。对于支持PROTEL99格式的加工厂家，可将文件另存为PCB 3.0 格式的二进制文件，然后做一次DRC，通过后不存盘退出，再在观看文档目录情况下将这个文件导出为一个格式*.PC B文件。接着发Email或拷盘给加工厂家。通常要注明板子材料和厚度(做一般板子时厚度为，特大型板可用2mm，射频用微带板等一般在-1mm左右)。最后要焊接元件到PCB板。PCB板做好之后，就到把它焊接的阶段了，由于

47、电路板上注明了每个元件的具体参数，所以焊接的过程还是相对很简单的，只要认真仔细一点就可以。注意要先焊接“矮器件，再焊接“高器件。焊接场效应管时注意焊接引脚的顺序，最好是烧热电烙铁后将电烙铁的电源切断后再焊接，以免损坏场效应管。主电路和驱动电路的PCB图如图3-17、3-18所示。3D仿真图分别如图3-19、3-20所示。主电路、驱动电路的整机原理图和实物图见附录1、附录2、附录4和附录5所示。图3-17 主电路PCB图图3-18 驱动电路PCB图图3-19 主电路3D仿真图图3-20 驱动电路3D仿真图 考虑到以晶闸管为核心的逆变电路，在换向时电感产生较大的噪声和干扰，由于受回路时间常数及晶闸

48、管关断时间限制，因而效率不高，且完成逆变需要两组相关触发信号。另外，控制电路采用模拟电路，可靠性不高，主回路与逆变电路仅采用电感起扼流作用，因而对元器件质量要求相当高，一旦负载发生短路，受反响影响，往往使控制局部又产生新的故障点。控制电路由于其电路复杂，晶闸管承载能力差、反向耐压低、性能不稳定等诸多因素， X射线机使用中较易出现故障，晶闸管极易击穿，严重时会直接影响X射线管的平安及使用寿命。在电路设计上，又不易高度集成化、模块化，且很难实现微机智能化、控制模糊化，难以简化电路设计、减少使用器件，到达减轻重量、缩小体积、易于携带的目的。因此，X射线探伤机在原系统的根底上，采用IGBT模块对逆变电

49、路进行改良。IGBT本质上是一个场效应晶闸管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。根据国际电工委员会IEC/TCCO1339文件建议，其各局部名称根本上沿用场效应晶体管的相应命名方法。IGBT既具有功率MOSFET的高速开关及电压驱动特性，又具有双极型晶体管的低饱和电压特性极易实现较大电流的能力，是近年来电力电子领域中最令人注目及开展最快的一种器件。IGBT是将功率MOSFET和GTR集成在一个芯片上的复合器件。功率MOSFET是单机型电压驱动器件，它具有工作速度低、输入阻抗高、热稳定性好以及驱动电路简单等特点，但它的导通电阻较大，电流容量也较低；而GTO是双极性电流驱动器件，其阻断电压高，载

50、流能力强，但工作速度较慢，驱动电流大，控制电路较复杂。这两类器件的缺点限制了它们的开展。目前出现了许多新型复合器件，如MOS双极复合晶体管等。这些新型电力电子复合器件集合了单极型和双极型器件各自的优点。IGBT是少子器件，它不但具有非常好的导通特性，而且也具有功率MOSFET的许多特性，如容易驱动、平安工作区宽峰值电流、巩固耐用等。一般来讲，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，但是IR公司新系列IGBT的开关特性非常接近功率MOSFET，而且导通特性也不受工作电压的影响。由于IGBT内部不存在反向二极管，应用中可以灵活选用外接恢复二极管。这个特性是优点还是缺点，应根据工作频率、二极管的价格

51、和电流容量等参数来衡量。3.3.1.1 IGBT驱动电路的形式和特点IGBT是电压驱动型器件，根据电路隔离方式，IGBT驱动器可分为两大类，一类用光电耦合器，另一类用脉冲变压器，两者均可实现信号传输及电路隔离。在设计电路中具体选用那种驱动器，这就要求设计者在清楚地了解各种驱动器的特点的根底上，根据实际需要进行正确选择，已到达较好的效果。通常，对于变频器等输出和输入有直接联系的设备，由于逆变器对地直接短路的危险性比拟大，而且IGBT关断的等待时间比拟长，故采用光耦隔离式驱动器比拟适宜。而对于X射线探伤机，由于其采用的IGBT直接对地短路的可能型很小，因此只要能保证不发生逆变电路的桥臂直通现象，I

52、GBT就不会受到过流威胁。3.3.1.2 IGBT逆变电路的特点采用IGBT组成的逆变电路只需一只IGBT和一路控制信号，就能完成逆变工作，因IGBT是由大功率晶体管GTR和场效应MOS管复合而成，且有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小等特点(MOS管的特性)，加之其本身是晶体管器件，开关损耗小、通断快(IGBT的特性)，因而能使整机工作效率提高，且噪声极小。IGBT逆变电路的另外一个显著特点是控制电路简单、控制功能模块集成化程度高、功能齐全，与晶闸管逆变电路相比，减少了电感和换向电容，因而整机重量大为减轻，并大大改善了X射线机整体性能、可靠性和智能性。3.3.1.3 IGBT的保护电路简介电力

53、电子装置故障可分为结构性故障和参数性故障。结构性故障主要表现为由于功率器件的损坏造成主电路结构改变；参数性故障主要表现为元件参数的偏移所造成的装置特性严重偏移正常特性。IGBT的保护电路主要是针对结构性故障而言。电力电子器件都有各自的电压、电流、温度等额定值，都有一定的平安运行区，假设超出了平安运行区工作，器件就会遭到损坏。因此，在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择适宜，驱动电路设计良好外，采用合理的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dr保护也是必要的。在IGBT的使用过程中，导致器损坏的原因主要有两个方面：1IGBT在高频下工作，当其关断时，正向电流迅速降低，而线路电感电流

54、不能突变，于是在IGBT集射极间感应出较高的电压值；当IGBT导通时，寄生电容通过IGBT放电，从而产生较大的浪涌电流；由于IGBT反并联的续留二极管在换向结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载离子恢复，而当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在IGBT两端产生换向过电压。这些因素都会造成芯片过热，最终导致IGBT损坏。2由于负载短路引起流过IGBT集电极和发射极的电流异常增大，使栅极附近局部过热而损坏。因此，对于IGBT的保护，主要包括IGBT过电流保护、IGBT过电压保护和IGBT过热保护等。1IGBT过电流保护一般是检测逆变桥输入直

55、流母线上的电流，当该电流值超过设定值时，封锁IGBT的驱动信号；2IGBT过压保护一般采用RC吸收电路或RCD吸收电路。RC吸收电路接法是吸收电容Cs于电阻RS串联后跨接在IGBT的C、E两端就构成了RC吸收电路。RCD吸收电路接法是在RC吸收电路的RS上并联一只二极管Ds；3IGBT过热保护是利用温度传感器检测IGBT的散热器温度，当超过允许温度时使主电路停止工作。3.3.1.4 IGBT的选择FGA25N120ANTD 1200V是一种高性能的IGBT，其为NPT沟道，具有极佳的抗雪崩能力和经优化的开关和导通损耗性能权衡，能为逆变应用提高系统可靠性和效率。与上一代器件相比，它的工作温度可降

56、低达10，因而能够延长系统寿命。它能够耐受最大450mJ的雪崩能量，确保在异常的雪崩模式情况下仍能进行无故障运作。FGA25N120ANTD图形符号如图3-19所示：图3-21 FGA25N120ANTD图形符号FGA25N120ANTD的其他特性包括：1、低饱和电压(VCE(sat),typ=2.0V IC = 25A和TC=25C)以限制导通损耗；2、低开关损耗(Eoff,typ=0.96mJ IC = 25A和TC=25C)以减少系统功耗；3、内置FRD (快速恢复二极管)以简化电路设计和减少元件数。整流功能模块是把220V交流电整流，再进行LC滤波，输出一个较平滑的直流电作为逆变电路的

57、输入电压。并送到电压反响电路的输入端。整流功能模块原理图如图3-22所示：图3-22 半控整流功能模块原理图逆变功能模块主要由IGBT及其外围元件组成，电路如图3-23所示：图3-23 逆变功能模块原理图逆变功能模块中，R9和C3组成RC缓冲电路，对IGBT有过压保护的作用，与R3并联的二极管D2为缓冲二极管，其使缓冲电阻的阻值增大，避开了开通时，IGBT功能受阻的问题。AR1为压敏电阻，用于电路过压时对IGBT过压保护。R8是取样电阻，用于把输出电压的取样值反响到控制电路进行输出电压的调整。L1为高压变压器的初级绕组，由IGBT斩波后的脉动电压送到高压变压器进行升压，最后驱动X射线管进行探伤

58、。IGBT驱动电路设计中，最常用的是分立元件构成的驱动电路和专用的混合集成驱动电路。分立元件构成的驱动电路结构简单，本钱低，适用于低频小功率驱动；专用的混合集成驱动电路保护功能比拟完善、可靠性和性能较高、驱动频率高、可驱动电流容量较大的IGBT。在本设计中，IGBT工作时的最大电流在10A以下，工作频率在500Hz以下，属于低频小功率驱动。因此，选用了电路结构简单，本钱较低的分立元件驱动电路。驱动电路中，TS01起隔离作用，VT1为中间级，VT2和VT3组成推挽输出级。电路原路图如图3-24所示：图3-24 驱动电路原理图IGBT正常开通过程和正常关断过程为：1正常开通过程当控制电路使TS01

59、的1脚和2脚有电流流过时，光电耦合器TS01就会导通，A点电位迅速下降至0V，使VT1截止。VT1截止使D点电位上升至20V，VT2导通VT3截止，通过VT3及栅极电阻R7向IGBT提供电流，使之迅速导通。2正常关断过程当控制电路使TS01的1脚和2脚无电流流过时，光电耦合器TS01不通，A点电位上升，使VT1导通。VT1导通使VT2截止VT3导通，IGBT栅极电荷通过VT3迅速放电，使C点电位迅速下降至0V，使IGBT可靠关断，UCE迅速上升，IGBT正常关断。其中，5V电压基准单元由R6、ZD2和C2组成。它为驱动IGBT提供-5V反偏压，使IGBT更加可靠关断。基于IGBT的主电路及其驱

60、动电路的整机原理图见附录3所示。4 实验及结果分析整流输出曲线分析在测试过程中，为了分析系统输出电压的线性度，分别对整流功能模块各典型输出电压及其对用的触发相位作了记录。在电压等级选择功能模块中可改变数码开关的状态得到整流功能模块不同的输出电压范围。200档、250档各典型电压及其触发相位如表4-1和表4-2所示：表4-1 200档型电压及其触发相位触发时间单位:ms输出电压单位:V100110120130140150160170180190200表4-2 250档型电压及其触发相位触发时间单位:ms输出电压单位:V150160170180190200210220230240250为了方便观察和分析，采用了MATLAB对整流功能模块电压及其触发相位进行曲线拟合， 200档电压及其触发相位曲线如图4-1所示，250档电压及其触发相位曲线如图4-2 所示：图4-1 200档电压及其触发相位曲线图