CN113804758A - 一种具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，充电过程由控制电路SC1控制充电开关管Q1导通，放电开关管Q2关闭，高压充电电源V1对高压储能电容C1充电；当控制电路SC1收到触发信号，敲击器进入放电过程，此时关闭充电开关管Q1，导通放电开关管Q2，电容C1的电荷经过敲击探头L1、检流电阻R1进行放电；通过能量回馈控制算法，确定关闭放电开关Q2的时间点，关闭放电开关Q2，完成放电过程；关闭放电开关Q2后，敲击探头L1电流通过续流二极管D1回馈到电容C1；当能量回馈完成时，续流二极管D1反偏，能量回馈过程结束，敲击器再次回到充电过程。本发明可以自适应不同敲击探头和不同敲击对象，非接触式，速度快。

Description

一种具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器

技术领域

本发明涉及在线声学质量检测装置技术领域，具体涉及一种具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器。

背景技术

在线声学质量检测装置，作为主动声学检测装置的一部分，通过敲击物体，使得物体发声，根据发出声音的特征，判断物体的性状。这种主动声学检测方法可用于罐装食品、金属零件、产品外壳等的质量检测。接触式敲击装置具有控制难、速度慢、损伤产品表面等缺点。

非接触式的磁脉冲敲击器中，目前一些能量回馈的磁脉冲控制器采用固定时间片的方法控制回馈开关，但由于敲击探头参数、敲击对象的不同，使得不同应用场景下，时间片的长短不一样，需要进行适配，否则可能损坏放电开关管。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，该敲击器能使得金属物体发声，采用的能量回馈控制算法可以自适应不同敲击探头和不同敲击对象，确定关闭放电开关的时间点，具有非接触式、速度快、力度大小可控、探头发热量低、只需要小功率高压电源等优点，可广泛用于金属物件的检测。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，包括充电电路、放电电路、电压测量电路、电流测量电路、控制电路、能量回馈电路以及能量回馈控制算法；

所述充电电路连接放电电路；

所述控制电路分别连接充电电路、放电电路、电压测量电路和电流测量电路；

所述电压测量电路分别连接充电电路、放电电路和能量回馈电路；

所述能量回馈电路分别连接充电电路和放电电路；

所述电流测量电路连接放电电路；

所述控制电路内集成有能量回馈控制算法。

进一步地，所述充电电路包括高压充电电源V1、充电开关管Q1和高压储能电容C1；

所述放电电路包括放电开关管Q2和敲击探头L1；

所述电压测量电路包括分压电阻R2和分压电阻R3；

所述电流测量电路包括检流电阻R1和差分放大器U1；

所述控制电路包括控制电路SC1；

所述能量回馈电路包括续流二极管D1；

高压充电电源V1的正极连接充电开关管Q1的集电极，高压充电电源V1的负极接地，充电开关管Q1的发射极分别连接高压储能电容C1的一端、分压电阻R2的一端、放电开关管Q2的漏极和续流二极管D1的负极，高压储能电容C1的另一端接地，充电开关管Q1的发射极连接控制电路SC1的脚SW1；控制电路SC1的脚UC分别连接分压电阻R2的另一端和分压电阻R3的一端，分压电阻R3的另一端接地，控制电路SC1的脚SW2连接放电开关管Q2的栅极，放电开关管Q2的源极分别连接续流二极管D1的正极和敲击探头L1的一端，敲击探头L1的另一端分别连接检流电阻R1的一端和差分放大器U1的正相输入端，差分放大器U1的反相输入端连接检流电阻R1的另一端并接地，差分放大器U1的输出端连接控制电路SC1的脚IC；

其中控制电路SC1连续采集分压电阻R2和分压电阻R3输出的电压，得到高压储能电容C1两端的电压数据；

其中控制电路SC1连续采集差分放大器U1输出电压，从而获得检流电阻R1两端的电压，进而得到放电电流数据；

所述能量回馈控制算法的目的是根据连续采集的高压储能电容C1两端电压和放电电流，给出放电开关管Q2关闭的时间点；

所述敲击器有三个工作过程，分别为：充电、放电和能量回馈。

进一步地，充电过程由控制电路SC1控制充电开关管Q1导通，放电开关管Q2关闭，高压充电电源V1对高压储能电容C1充电。

进一步地，在控制电路SC1内部，包含两个阈值，阈值一与阈值二，阈值二大于阈值一，当高压储能电容C1两端的电压小于阈值一时，导通充电开关管Q1，当高压储能电容C1两端的电压大于阈值二时，关闭充电开关管Q1。

进一步地，放电过程由控制电路SC1收到触发信号TRGI触发，敲击器进入放电过程，此过程充电开关管Q1关闭，放电开关管Q2导通，高压储能电容C1的电荷经过敲击探头L1和检流电阻R1进行放电。

进一步地，能量回馈过程发生在放电过程中，当高压储能电容C1电荷为零时，敲击探头L1内有正向续电流，通过开关管Q2回馈到高压储能电容C1，对高压储能电容C1充电，当高压储能电容C1被续电流充满时，再次反向放电，高压储能电容C1电荷反向放电归零时，敲击探头L1内有反向续电流，通过开关管Q2回馈到高压储能电容C1，对高压储能电容C1充电，根据能量回馈控制算法确定的时间点，控制电路SC1关闭放电开关管Q2；关闭放电开关管Q2后，敲击探头L1电流通过续流二极管D1回馈到高压储能电容C1；当能量回馈完成时，续流二极管D1反偏，能量回馈过程结束。

进一步地，敲击器完成能量回馈过程后，敲击器回到充电过程，并等待下一次触发信号TRGI。

进一步地，能量回馈控制算法给出放电开关管Q2关闭的时间点，具体分为三个步骤：第一步，持续采样放电电流，判断放电电流方向是否为负值，当判断为负值时，执行第二步；第二步，持续采样高压储能电容C1两端电压，判断电压是否为正值，当电压为正值时，执行第三步；第三步，当放电电流为负值并且绝对值小于阈值三时，为放电开关管Q2关闭的时间点。

进一步地，能量回馈控制算法给出放电开关管Q2关闭的时间点的三个步骤中，每个步骤设定一个超时时间，当到达超时时间时，算法放弃执行余下的步骤，敲击器回到充电工作过程。

进一步地，判断放电电流方向为负值具体为：当流过检流电阻R1的电流方向，与高压储能电容C1通过高压充电电源V1充电后，放电时流过检流电阻R1的电流方向相反时，电流方向为负值；

判断高压储能电容C1两端电压为正值具体为：当高压储能电容C1两端电压极性与通过高压充电电源V1充电时形成的极性相同时，高压储能电容C1两端电压为正值。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

1、本发明具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器为非接触式敲击器，具有无机械惯性作用、速度快、敲击点定位准确、力度可调、能耗小、无运动装置、使用寿命长等优点；

2、本发明具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器敲击完成后，剩余能量可以回馈到高压储能电容中，可采用小功率高压源，具有发热小、充电时间短等优点；

3、本发明具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器包含的能量回馈控制算法，具有自适应能力，放电开关管关闭时间点准确，能保证放电开关管不被损坏等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器的结构图；

图2是本发明具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器的原理图；

图3是本发明具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器放电过程电压电流波形图；

图4是本发明具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器确定放电开关管关闭时间点流程图；

图5是本发明具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器工作过程流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，包括充电电路、放电电路、电压测量电路、电流测量电路、控制电路、能量回馈电路以及能量回馈控制算法；

所述充电电路连接放电电路；

所述控制电路分别连接充电电路、放电电路、电压测量电路和电流测量电路；

所述电压测量电路分别连接充电电路、放电电路和能量回馈电路；

所述能量回馈电路分别连接充电电路和放电电路；

所述电流测量电路连接放电电路；

所述控制电路内集成有能量回馈控制算法。

如图2所示，所述充电电路包括高压充电电源V1、充电开关管Q1和高压储能电容C1；

所述放电电路包括放电开关管Q2和敲击探头L1；

所述电压测量电路包括分压电阻R2和分压电阻R3；

所述电流测量电路包括检流电阻R1和差分放大器U1；

所述控制电路包括控制电路SC1；

所述能量回馈电路包括续流二极管D1；

高压充电电源V1的正极连接充电开关管Q1的集电极，高压充电电源V1的负极接地，充电开关管Q1的发射极分别连接高压储能电容C1的一端、分压电阻R2的一端、放电开关管Q2的漏极和续流二极管D1的负极，高压储能电容C1的另一端接地，充电开关管Q1的发射极连接控制电路SC1的脚SW1；控制电路SC1的脚UC分别连接分压电阻R2的另一端和分压电阻R3的一端，分压电阻R3的另一端接地，控制电路SC1的脚SW2连接放电开关管Q2的栅极，放电开关管Q2的源极分别连接续流二极管D1的正极和敲击探头L1的一端，敲击探头L1的另一端分别连接检流电阻R1的一端和差分放大器U1的正相输入端，差分放大器U1的反相输入端连接检流电阻R1的另一端并接地，差分放大器U1的输出端连接控制电路SC1的脚IC。

其中控制电路SC1连续采集分压电阻R2和分压电阻R3输出的电压，得到高压储能电容C1两端的电压数据；

其中控制电路SC1连续采集差分放大器U1输出电压，从而获得检流电阻R1两端的电压，进而得到放电电流数据；

所述能量回馈控制算法的目的是根据连续采集的高压储能电容C1两端电压和放电电流，给出放电开关管Q2关闭的时间点；

所述敲击器有三个工作过程，分别为：充电、放电和能量回馈。

高压充电电源V1是一种可以工作在恒流、恒压两种模式的高压直流电源。当给高压储能电容C1充电时，工作在恒流模式，当充电电压到达指定值时，进入恒压模式。

充电开关管Q1耐压应该大于高压储能电容C1工作电压两倍，主要原因是高压储能电容C1在能量回馈时将处以反向充电状态，此时加在充电开关管Q1两端的电压接近两倍的储能电压。

高压储能电容C1应该选择一种低等效电阻电容，并且用铜片引出，降低放电电阻，提高放电电流。

充电过程由控制电路SC1控制充电开关管Q1导通，放电开关管Q2关闭。高压充电电源V1对高压储能电容C1充电。

在控制电路SC1内部，包含两个阈值，阈值一与阈值二，阈值二大于阈值一，当高压储能电容C1两端的电压小于阈值一时，导通充电开关管Q1，当高压储能电容C1两端的电压大于阈值二时，关闭充电开关管Q1。

充电开关管Q1受控制电路SC1控制。控制电路SC1通过测量分压电阻输出的电压，得到当前高压储能电容C1两端的电压。为了避免充电开关管短时间内反复开关，设定了阈值一，阈值二。当电压低于阈值一时导通充电开关管Q1，电压高于阈值二时关闭充电开关管Q1。

放电过程由控制电路SC1收到触发信号TRGI触发，敲击器进入放电过程，此过程充电开关管Q1关闭，放电开关管Q2导通。高压储能电容C1的电荷经过敲击探头L1、检流电阻R1进行放电。

连接高压储能电容C1、放电开关管Q2、敲击探头L1和检流电阻R1的导线尽可能低的电阻，并能够耐高压。检流电阻R1两端的电压经过差分放大器U1放大，偏移，最后被控制电路SC1采样。通过采集检流电阻R1的电压可得到放电电流。

能量回馈过程发生在放电过程中，当高压储能电容C1电荷为零时，敲击探头L1内有正向续电流，通过开关管Q2回馈到高压储能电容C1，对高压储能电容C1充电，当高压储能电容C1被续电流充满时，再次反向放电，高压储能电容C1电荷反向放电归零时，敲击探头L1内有反向续电流，通过开关管Q2回馈到高压储能电容C1，对高压储能电容C1充电，根据能量回馈控制算法确定的时间点，控制电路SC1关闭放电开关管Q2；关闭放电开关管Q2后，敲击探头L1电流通过续流二极管D1回馈到高压储能电容C1；当能量回馈完成时，续流二极管D1反偏，能量回馈过程结束。

敲击器完成能量回馈过程后，敲击器回到充电过程，并等待下一次触发信号TRGI。

能量回馈控制算法给出放电开关管Q2关闭的时间点，具体分为三个步骤：第一步，持续采样放电电流，判断放电电流方向是否为负值，当判断为负值时，执行第二步；第二步，持续采样高压储能电容C1两端电压，判断电压是否为正值，当电压为正值时，执行第三步；第三步，当放电电流为负值并且绝对值小于阈值三时，为放电开关管Q2关闭的时间点。

能量回馈控制算法给出放电开关管Q2关闭的时间点的三个步骤中，每个步骤设定一个超时时间，当到达超时时间时，算法放弃执行余下的步骤，敲击器回到充电工作过程。

判断放电电流方向为负值具体为：当流过检流电阻R1的电流方向，与高压储能电容C1通过高压充电电源V1充电后，放电时流过检流电阻R1的电流方向相反时，电流方向为负值；

判断高压储能电容C1两端电压为正值具体为：当高压储能电容C1两端电压极性与通过高压充电电源V1充电时形成的极性相同时，高压储能电容C1两端电压为正值。

阈值一、阈值二、阈值三可以根据具体的电路参数和应用场景人为确定。

图3为放电过程高压储能电容C1两端的电压与流过的电流波形图。本发明只涉及放电电流第一个周期。采用本发明提供的能量回馈控制算法，在第一个放电周期快要结束时(电流绝对值小于阈值三时)关闭放电开关管Q2。设备重新进入充电模式。

图4是确定放电开关管关闭时间点流程图，首先通过连续采样查找电流为负值的点，既是图中的T1点；然后连续采样查找电压为正值的点，既是图中的T2点；最后查找电流绝对值小于阈值三的点，既是图中T3点，此时关闭放电开关管Q2。

作为优选方案，判断电压、电流为正值，或者负值时，可以采集三个连续的样点，如果三个都同为正数，判断为正值；三个同为负数，判断为负值。

能量回馈过程中，关闭放电开关管Q2后，仍然有来自敲击探头L1的一定大小的反向续电流。该续电流通过续流二极管D1回送到高压储能电容C1中。当续电流减小为零时，放电开关管Q2关闭，续流二极管D1反偏，不再有电流经过放电回路。

其中放电开关管Q2宜采用场效应管，因为场效应管速度快，可以快速打开，或者关闭放电回路。

如果查找T1、T2、T3点不成功，则采用延时一段时间后关闭放电开关管Q2。延时时间大于放电电路衰减振荡的时间。既是等放电电路中敲击探头L1内的线圈和高压储能电容C1两者都没有能量时，关闭放电开关管Q2。如果出现这种情况，本发明提供的敲击器可通过声光指示，提醒用户敲击器存在故障。

图5为本发明提供的敲击器的工作过程流程图。首先敲击器工作在充电过程中，当高压储能电容C1两端电压达到阈值一时，打开触发信号输入端口，等待触发信号TRGI。

当收到触发信号TRGI时，关闭充电开关管Q1，导通放电开关Q2，同时启动能量回馈控制算法。

当能量回馈控制算法执行完成时，回到充电过程。

总的来说，本发明敲击器分为三个工作过程，充电、放电和能量回馈。其中充电过程由控制电路SC1控制充电开关管Q1导通，放电开关管Q2关闭。高压充电电源V1对高压储能电容C1充电。控制电路SC1测量高压储能电容C1电压，当电压达到一个设定值时，关闭充电开关管Q1，当电压小于另外一个设定值时再导通充电开关管Q1。这样在充电过程中，高压储能电容C1两端的电压始终在设定电压附近。当控制电路SC1收到触发信号TRGI，敲击器进入放电过程。此时关闭充电开关管Q1，导通放电开关管Q2。高压储能电容C1的电荷经过敲击探头L1、检流电阻R1进行放电。被敲击物体的金属表面为S1，当受到敲击探头L1产生的磁脉冲时，会受到磁力作用，产生振动发声的现象。在放电的过程中，控制电路SC1连续采集高压储能电容C1两端的电压，同时通过差分放大器U1连续采集检流电阻R1两端电压得到放电电流。最后根据电流电压数据，通过能量回馈控制算法，确定关闭放电开关Q2的时间点，关闭放电开关Q2，完成放电过程。关闭放电开关Q2后，敲击探头L1电流通过续流二极管D1回馈到高压储能电容C1。当能量回馈完成时，续流二极管D1反偏，能量回馈过程结束，敲击器再次回到充电过程。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，其特征在于，包括充电电路、放电电路、电压测量电路、电流测量电路、控制电路、能量回馈电路以及能量回馈控制算法；

所述充电电路连接放电电路；

所述控制电路分别连接充电电路、放电电路、电压测量电路和电流测量电路；

所述电压测量电路分别连接充电电路、放电电路和能量回馈电路；

所述能量回馈电路分别连接充电电路和放电电路；

所述电流测量电路连接放电电路；

所述控制电路内集成有能量回馈控制算法。

2.根据权利要求1所述的具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，其特征在于，所述充电电路包括高压充电电源V1、充电开关管Q1和高压储能电容C1；

所述放电电路包括放电开关管Q2和敲击探头L1；

所述电压测量电路包括分压电阻R2和分压电阻R3；

所述电流测量电路包括检流电阻R1和差分放大器U1；

所述控制电路包括控制电路SC1；

所述能量回馈电路包括续流二极管D1；

高压充电电源V1的正极连接充电开关管Q1的集电极，高压充电电源V1的负极接地，充电开关管Q1的发射极分别连接高压储能电容C1的一端、分压电阻R2的一端、放电开关管Q2的漏极和续流二极管D1的负极，高压储能电容C1的另一端接地，充电开关管Q1的发射极连接控制电路SC1的脚SW1；控制电路SC1的脚UC分别连接分压电阻R2的另一端和分压电阻R3的一端，分压电阻R3的另一端接地，控制电路SC1的脚SW2连接放电开关管Q2的栅极，放电开关管Q2的源极分别连接续流二极管D1的正极和敲击探头L1的一端，敲击探头L1的另一端分别连接检流电阻R1的一端和差分放大器U1的正相输入端，差分放大器U1的反相输入端连接检流电阻R1的另一端并接地，差分放大器U1的输出端连接控制电路SC1的脚IC；

其中控制电路SC1连续采集分压电阻R2和分压电阻R3输出的电压，得到高压储能电容C1两端的电压数据；

其中控制电路SC1连续采集差分放大器U1输出电压，从而获得检流电阻R1两端的电压，进而得到放电电流数据；

所述能量回馈控制算法的目的是根据连续采集的高压储能电容C1两端电压和放电电流，给出放电开关管Q2关闭的时间点；

所述敲击器有三个工作过程，分别为：充电、放电和能量回馈。

3.根据权利要求2所述的具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，其特征在于，充电过程由控制电路SC1控制充电开关管Q1导通，放电开关管Q2关闭，高压充电电源V1对高压储能电容C1充电。

4.根据权利要求3所述的具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，其特征在于，在控制电路SC1内部，包含两个阈值，阈值一与阈值二，阈值二大于阈值一，当高压储能电容C1两端的电压小于阈值一时，导通充电开关管Q1，当高压储能电容C1两端的电压大于阈值二时，关闭充电开关管Q1。

5.根据权利要求2所述的具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，其特征在于，放电过程由控制电路SC1收到触发信号TRGI触发，敲击器进入放电过程，此过程充电开关管Q1关闭，放电开关管Q2导通，高压储能电容C1的电荷经过敲击探头L1和检流电阻R1进行放电。

6.根据权利要求2所述的具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，其特征在于，能量回馈过程发生在放电过程中，当高压储能电容C1电荷为零时，敲击探头L1内有正向续电流，通过开关管Q2回馈到高压储能电容C1，对高压储能电容C1充电，当高压储能电容C1被续电流充满时，再次反向放电，高压储能电容C1电荷反向放电归零时，敲击探头L1内有反向续电流，通过开关管Q2回馈到高压储能电容C1，对高压储能电容C1充电，根据能量回馈控制算法确定的时间点，控制电路SC1关闭放电开关管Q2；关闭放电开关管Q2后，敲击探头L1电流通过续流二极管D1回馈到高压储能电容C1；当能量回馈完成时，续流二极管D1反偏，能量回馈过程结束。

7.根据权利要求2所述的具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，其特征在于，敲击器完成能量回馈过程后，敲击器回到充电过程，并等待下一次触发信号TRGI。

8.根据权利要求2所述的具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，其特征在于，能量回馈控制算法给出放电开关管Q2关闭的时间点，具体分为三个步骤：第一步，持续采样放电电流，判断放电电流方向是否为负值，当判断为负值时，执行第二步；第二步，持续采样高压储能电容C1两端电压，判断电压是否为正值，当电压为正值时，执行第三步；第三步，当放电电流为负值并且绝对值小于阈值三时，为放电开关管Q2关闭的时间点。

9.根据权利要求8所述的具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，其特征在于，能量回馈控制算法给出放电开关管Q2关闭的时间点的三个步骤中，每个步骤设定一个超时时间，当到达超时时间时，算法放弃执行余下的步骤，敲击器回到充电工作过程。

10.根据权利要求8所述的具有能量回馈功能的磁脉冲敲击器，其特征在于，判断放电电流方向为负值具体为：当流过检流电阻R1的电流方向，与高压储能电容C1通过高压充电电源V1充电后，放电时流过检流电阻R1的电流方向相反时，电流方向为负值；

判断高压储能电容C1两端电压为正值具体为：当高压储能电容C1两端电压极性与通过高压充电电源V1充电时形成的极性相同时，高压储能电容C1两端电压为正值。

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