金屬管道內(nèi)形貌探測(cè)系統(tǒng)方案

1、.專(zhuān)業(yè)整理 .1. 引言隨著國(guó)家工業(yè)化建設(shè)以及城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要， 金屬材料管道憑借著自身具有的許多優(yōu)點(diǎn)如良好的機(jī)械強(qiáng)度，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油天然氣等能源工業(yè)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、化工領(lǐng)域、貯藏及運(yùn)輸系統(tǒng)中。在石油天然氣工業(yè)中，管道運(yùn)輸已經(jīng)成為當(dāng)前最主要的運(yùn)輸方式。但是，金屬管道在使用中可能發(fā)生腐蝕、疲勞、蠕變、低溫脆斷、材質(zhì)劣化等破壞形式，其中腐蝕破壞最具有普遍性。 它的失效不僅會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還導(dǎo)致諸如人身安全等無(wú)法彌補(bǔ)的災(zāi)難性后果。 因此，研究可靠有效的金屬材質(zhì)管道失效檢測(cè)和診斷技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)金屬管道在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷及預(yù)警是非常有必要的。本文設(shè)計(jì)的金屬管道探測(cè)系統(tǒng)可以方便的掃描金屬

2、管道壁并獲取其部的三維形貌圖像，從而分析得到金屬管道壁是否有裂紋等， 對(duì)于檢測(cè)和解決金屬管道在使用中出現(xiàn)的各種問(wèn)題方面具有很好的應(yīng)用前景。2. 系統(tǒng)方案本文所設(shè)計(jì)的電渦流檢測(cè)系統(tǒng)， 主要用于金屬管道， 特別是部形貌較復(fù)雜的管道的測(cè)量。 在金屬管道失效檢測(cè)中， 由于金屬管道壁復(fù)雜形貌如膛線、 裂紋等的存在，因此在金屬管道的任一橫截面上， 有無(wú)磨損對(duì)應(yīng)金屬管道徑的大小顯然是不同的。但除了 CCD技術(shù)，其他多數(shù)傳統(tǒng)的金屬管道徑測(cè)試方法都僅以金屬管道截面上某一點(diǎn)對(duì)應(yīng)徑的大小作為金屬管道在該處的徑值， 而無(wú)法給出反映金屬管道橫截面整個(gè)周邊各處對(duì)應(yīng)徑的分布變化。 為了對(duì)金屬管道部形貌進(jìn)行全方位掃描檢測(cè)，以

3、獲得金屬管道橫截面形貌的完整信息， 本文研究實(shí)現(xiàn)了金屬管道各個(gè)橫截面周邊處對(duì)應(yīng)徑的測(cè)量技術(shù)，稱(chēng)之為“全徑”測(cè)量技術(shù)。使用探頭式電渦流傳感器實(shí)現(xiàn)金屬管道全徑檢測(cè)時(shí)， 為了獲得金屬管道沿軸線方向各個(gè)橫截面的徑信息， 則需要將傳感器固定在一個(gè)可在金屬管道壁邊旋轉(zhuǎn)邊直線行進(jìn)的運(yùn)載裝置上， 以保證系統(tǒng)準(zhǔn)確地測(cè)取金屬管道各處的信息。 這種運(yùn)載裝置也稱(chēng)為管道機(jī)器人。在傳感器 360°旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，傳感器的動(dòng)力線路，以及調(diào)理電路的輸入輸出信號(hào)線在探頭的旋轉(zhuǎn)過(guò)程隨著探頭的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，將不可避免的絞纏在傳動(dòng)軸上，隨著測(cè)量過(guò)程的進(jìn)行，導(dǎo)線絞纏越來(lái)越嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)導(dǎo)線脫落，探頭脫落損壞等直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行

4、的危險(xiǎn)狀況。 同時(shí)，從被測(cè)管道外部引入導(dǎo)線還會(huì)引起很多實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題， 嚴(yán)重地制約測(cè)試系統(tǒng)在工程實(shí)際中的應(yīng)用。 針對(duì). 學(xué)習(xí)幫手 .專(zhuān)業(yè)整理 .以上缺點(diǎn)，本文研究實(shí)現(xiàn)了一種可裝載的傳感器的無(wú)線采集傳輸裝置， 該裝置以微處理器 F28027 為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以藍(lán)牙模塊作為紐帶同上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信，接收指令并完成數(shù)據(jù)傳輸。 該無(wú)線采集傳輸裝置可以安裝在管道機(jī)器人或者其他運(yùn)載裝置上面， 隨著機(jī)器人在管道行進(jìn)或者旋轉(zhuǎn)。 整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將非常簡(jiǎn)單而易操作。 極大的提高了系統(tǒng)的移動(dòng)性和靈活性， 拓展了電渦流檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用圍，具有較高的實(shí)用價(jià)值。 圖 2-1 和 2-2 分別為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖和系統(tǒng)結(jié)

5、構(gòu)框圖。圖 2-1金屬管道壁形貌測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖 2-2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖. 學(xué)習(xí)幫手 .專(zhuān)業(yè)整理 .測(cè)量任務(wù)開(kāi)始后，上位機(jī)發(fā)送控制指令控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)停止在某一位置（步進(jìn)到某一深度， 旋轉(zhuǎn)到某一角度） ，然后通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信模塊發(fā)送指令給F28027 使其開(kāi)始采集傳感器輸出信號(hào)，當(dāng)采集到設(shè)定點(diǎn)數(shù)的信號(hào)以后，再次使用藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)并進(jìn)行處理和分析，然后開(kāi)始下一周期的操作，直到完成一個(gè)橫截面上多處信息檢測(cè)。 之后，運(yùn)載裝置沿金屬管道軸線行進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)的距離，開(kāi)始下一個(gè)橫截面的掃描測(cè)量工作。 每一個(gè)截面的信息被檢測(cè)到以后，上位機(jī)都會(huì)對(duì)檢測(cè)到的信息進(jìn)行三維顯示。3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中，

6、以微處理器 F28027為核心的硬件電路的主要功能是：使用 ePWM 模塊產(chǎn)生傳感器所需要的方波激勵(lì)信號(hào)； 使用置數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊對(duì)傳感器調(diào)理電路的信號(hào)進(jìn)行采樣；通過(guò)藍(lán)牙模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。3.1 電渦流傳感器簡(jiǎn)介傳感器線圈中通入交變電流時(shí)，線圈中產(chǎn)生沿線圈軸線方向的交變磁場(chǎng)。當(dāng)線圈靠近被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在導(dǎo)體中感應(yīng)出環(huán)狀交變的電渦流，如圖 3-1 所示。圖 3-1電渦流產(chǎn)生的基本原理當(dāng)在被測(cè)導(dǎo)體中感應(yīng)出交變電渦流時(shí)， 電渦流也會(huì)感應(yīng)出交變磁場(chǎng)， 該磁場(chǎng)通過(guò)激勵(lì)線圈， 并在激勵(lì)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 若忽略匝間電容， 激勵(lì)線圈本身可等效為一個(gè)電感和一個(gè)電阻串聯(lián)； 被測(cè)導(dǎo)體中

7、產(chǎn)生的渦流呈環(huán)狀分布， 可等效為一個(gè)電感和一個(gè)電阻構(gòu)成的閉合回路，如圖 3-2 所示。. 學(xué)習(xí)幫手 .專(zhuān)業(yè)整理 .圖 3-2 渦流等效電路圖 3-2 中，R1 和 L1 表示激勵(lì)線圈， R2 和 L2 表示渦流回路。 L1 和 L2 的磁路存在交鏈，二者的耦合關(guān)系用互感系數(shù) M表示。設(shè)激勵(lì)線圈兩端電壓為 U，通過(guò)電流為 I 1，渦流回路等效電流為 I 2，正方向如圖所示。 根據(jù)電路知識(shí)可以推導(dǎo)出傳感器激勵(lì)線圈的等效阻抗為：zsU1R2M 2R2i (L2M 2L2 )I11R222 L221R222 L22上式中被測(cè)導(dǎo)體與傳感頭距離 d、被測(cè)導(dǎo)體電導(dǎo)率 ，磁導(dǎo)率 ，激勵(lì)信號(hào)頻率 等因素影響式中

8、的 M、L2 和 R2 的數(shù)值大小，進(jìn)而影響激勵(lì)線圈等效阻抗Zs 的大小，因此有： Zs =f ( , ,r, d, U, ) 。當(dāng)傳感器激勵(lì)線圈的工作頻率、電壓一定時(shí)，對(duì)于特定的被測(cè)導(dǎo)體材料，傳感器等效阻抗Zs 主要取決于傳感器與被測(cè)導(dǎo)體之間的距離 d。本項(xiàng)目利用電渦流傳感器這一特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)金屬材料表面位移的測(cè)量。3.2 諧振調(diào)理電路設(shè)計(jì)電渦流傳感器常見(jiàn)的輸出調(diào)理電路形式有電橋式電路和諧振式電路。 本文選用了結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的諧振式調(diào)理電路。 調(diào)理電路的作用是將傳感器的阻抗變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并且利用了并聯(lián)諧振電路對(duì)阻抗變化的放大作用。 諧振式調(diào)理電路的基本形式如圖 3-3 所示。圖 3-3

9、傳感器并聯(lián)諧振調(diào)理電路. 學(xué)習(xí)幫手 .專(zhuān)業(yè)整理 .圖中， Us 為激勵(lì)電壓，由 F28027 產(chǎn)生。 R和 L 分別是傳感器的等效電阻和等效電感，傳感器與外部電容 C 一起構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。通過(guò)測(cè)量傳感器與外部電容 C 所構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路兩端的電壓， 以及外接電阻 R2 兩端的電壓?？梢缘玫絺鞲衅鞑⒙?lián)諧振電路的等效阻抗。由該等效阻抗的變化來(lái)表征傳感器與被測(cè)金屬之間的距離變化。為了獲得較高的測(cè)量靈敏度，傳感器輸出調(diào)理電路中的元件參數(shù)必須按照相應(yīng)的規(guī)則選取。Zs 為傳感器等效阻抗： Zs=R1+j L，Zp 為傳感器并聯(lián)電容C 之后的等效阻抗：Zp=Rp+jX p 。為了使傳感器獲得較高的靈敏度

10、，應(yīng)使傳感器等效阻抗變化量Zs 一定時(shí)，測(cè)量阻抗 Zp 變化量最大，即： | ?Zp / ?Zs | 取得最大值，由此可以推導(dǎo)出并聯(lián)諧振電路的電容 C 取值應(yīng)為：LCR122 L2同時(shí)，為獲得對(duì)傳感器阻抗的最佳測(cè)量靈敏度，即使得| ?Uc / ?Zs | 取得最大值，（ Uc 為并聯(lián)諧振電路兩端測(cè)量電壓，見(jiàn)圖3-3 ）可以推導(dǎo)出串聯(lián)電阻 R2 的最佳阻值為：R2 Z pRp2X p2實(shí)驗(yàn)中，本文選取C 為 0.2uF ， R2為 100 歐。3.3 電源模塊F28027供電電壓為 3.3V 。本文選用 TI 公司的電源芯片TLV1117-33 用來(lái)為F28027 和藍(lán)牙模塊 HC05供電，用

11、LM 7805 和 ICL7660 輸出的 +5V和 -5V 電壓來(lái)給運(yùn)算放大器 OPA830 供電。電源供電模塊部分的示意圖如下3-6 所示。圖 3-4電源管理模塊電路原理圖. 學(xué)習(xí)幫手 .專(zhuān)業(yè)整理 .3.4藍(lán)牙無(wú)線通信模塊藍(lán)牙模塊，是一種集成藍(lán)牙功能的PCBA板，用于短距離無(wú)線通訊。本文選擇了 HC05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊，主要功能是把串口轉(zhuǎn)換成了藍(lán)牙。 HC05串口通訊模塊具有兩種工作模式： 命令響應(yīng)工作模式和自動(dòng)連接工作模式。 在自動(dòng)連接工作模式下模塊又可分為主機(jī)、 從機(jī)兩種工作狀態(tài)。 當(dāng)模塊處于自動(dòng)連接工作模式時(shí)，將自動(dòng)根據(jù)事先設(shè)定的方式連接主， 從機(jī)。本系統(tǒng)中藍(lán)牙模塊工作在自動(dòng)連

12、接工作模式下。上位機(jī)連接藍(lán)牙適配器做主機(jī)使用。 DSP連接藍(lán)牙模塊的從機(jī)，可以和上位機(jī)的藍(lán)牙適配器配對(duì)通信。使用出廠默認(rèn)的9600 bps 。核心模塊尺寸大小為： 28mm x 15 mm x 2.35mm，圖 3-7 所示為藍(lán)牙芯片 HC05的實(shí)物圖。圖 3-5藍(lán)牙模塊實(shí)物圖藍(lán)牙模塊的連接框圖如圖3-8 所示。PIN1 (UART_TXD) 是藍(lán)牙串口發(fā)送腳，接 DSP的 RXD腳，CMOS電平。 PIN2 (UART_RXD)，是藍(lán)牙串口接收腳，接 F28027的 TXD腳，COMS電平。PIN12是電源輸入引腳， 典型值 3.3V ，可以使用 3.14.2V 電壓。PIN34控制模塊的可

13、編程狀態(tài)。 在模塊配對(duì)及通信時(shí)， 必須處于低電平。 當(dāng)它置為高電平可以進(jìn)入可編程模式，通信過(guò)程中也可以通過(guò)置高電平 PIN34 進(jìn)入可編程狀態(tài)，置低后恢復(fù)通信狀態(tài)。PIN31和 PIN32分別是工作狀態(tài)指示燈 LED1和LED2，這兩個(gè)燈分別指示藍(lán)牙模塊的 3種工作狀態(tài)：1）模塊上電同時(shí)令 PIN34 為高電平， LED1 輸出 1HZ 方波（慢閃）， LED2低電平（滅），表示進(jìn)入了可編程狀態(tài)；2）PIN34 低電平，給模塊上電，此時(shí)LED1 輸出 2HZ（快閃）， LED2低電平（滅）此時(shí)處于可配對(duì)狀態(tài)；. 學(xué)習(xí)幫手 .專(zhuān)業(yè)整理 .3）PIN34 低電平，LED1 將輸出 2HZ（快閃）

14、。PIN32（ LED2）高電平（長(zhǎng)亮），表示配對(duì)完畢。藍(lán)牙串口通信模塊相當(dāng)于在 F28027和上位機(jī)之間虛擬了一根串口通信線。F28027通過(guò)它接受上位機(jī)的采集指令及參數(shù)設(shè)置。數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理完成后，F(xiàn)28027又通過(guò)藍(lán)牙將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)上保存。圖 3-6 藍(lán)牙模塊電路原理圖4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件程序設(shè)計(jì)的容及流程本系統(tǒng)中的下位機(jī)程序設(shè)計(jì)在 CCS3.3環(huán)境中完成，而上位機(jī)程序在 Labview 環(huán)境中開(kāi)發(fā)而成。 整套程序設(shè)計(jì)的主要容是： 上位機(jī)軟件通過(guò)控制軸向運(yùn)動(dòng)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制傳感器測(cè)量位置； 主控芯片 F28027 使用 ePWM模塊生成高頻正弦波，為傳感器提供激勵(lì)信號(hào)

15、；對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采集； F28027通過(guò) SCI 接口與 HC05藍(lán)牙模塊連接將采集的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（包括 FFT運(yùn)算以及粗大誤差的剔除）并實(shí)現(xiàn)三維圖像的實(shí)時(shí)顯示，程序的總體流程如圖 4-1 所示。4.2 F28027 數(shù)據(jù)采集程序不同于以往的 ADC，F(xiàn)28027的數(shù)采模塊是基于SOC而不是基于序列的。 每一個(gè) SOC可以配置定義一個(gè)單獨(dú)通道的獨(dú)立轉(zhuǎn)換， 每一個(gè) SOC的觸發(fā)源也可以單獨(dú)配置，這使得該芯片的 AD相當(dāng)靈活。本文需要對(duì)單一通道實(shí)現(xiàn)固定采樣率的數(shù)據(jù)采集， 因此，利用定時(shí)器觸發(fā)每一次 AD采集，采集程序流程如圖 4-2 所示。. 學(xué)習(xí)幫手

16、.專(zhuān)業(yè)整理 .圖 4-1系統(tǒng)程序流程圖圖 4-2數(shù)據(jù)采集程序流程圖. 學(xué)習(xí)幫手 .專(zhuān)業(yè)整理 .4.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理傳感器輸出端信號(hào)為傳感器和并聯(lián)電容間的耦合諧振正弦信號(hào)， 但是，由于并聯(lián)電容并非等于激勵(lì)頻率下的諧振電容值， 因此，測(cè)得的信號(hào)并非是理想正弦波信號(hào)，那么，上位機(jī)就需要對(duì)測(cè)得的信號(hào)作頻譜分析， 提出激勵(lì)頻率下的耦合信號(hào)。頻譜分析是通過(guò)做 FFT運(yùn)算，其頻譜分量最大值即為激勵(lì)頻率下的耦合信號(hào)。另外，實(shí)驗(yàn)中難免會(huì)出現(xiàn)粗大誤差， 這對(duì) 3D 實(shí)時(shí)顯示會(huì)產(chǎn)生很明顯的影響，因此，必須予以剔除這部分誤差，對(duì)每一組（即對(duì)應(yīng)一圈）的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果某一值與相鄰值差值超過(guò)設(shè)定閾值， 那么，就認(rèn)為該

17、數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)， 將該數(shù)據(jù)前后相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)的平均值替代該數(shù)據(jù)，從而完成粗大誤差的處理。a) 3D 實(shí)時(shí)顯示Labview 系統(tǒng)自帶三維顯示控件， 使用該控件并實(shí)時(shí)給出三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維顯示。其程序框圖見(jiàn) 4-3 所示。圖 4-3 Labview 三維顯示程序圖b) 上位機(jī)軟件系統(tǒng)考慮到實(shí)際情況， 本文對(duì)軟件系統(tǒng)功能進(jìn)行了豐富， 增加了起點(diǎn)設(shè)置以及歷史曲線顯示等功能， 同時(shí)，在人機(jī)交互界面的優(yōu)化上本文做出了相應(yīng)的完善， 用戶(hù)能夠自定義測(cè)量精度（軸向電機(jī)步進(jìn)值），能實(shí)時(shí)看到測(cè)量原始數(shù)據(jù)、測(cè)量結(jié)果以及三維顯示圖，軟件界面如圖 4-4 所示。. 學(xué)習(xí)幫手 .專(zhuān)業(yè)整理 .圖 4-4軟件界面5. 系統(tǒng)創(chuàng)新在本系統(tǒng)中為電渦流檢測(cè)技術(shù)提供了一些新思路， 新方法，為金屬表面探測(cè)進(jìn)行了一定的探索。本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)具體地有以下幾點(diǎn)：1. 使用自制電渦流傳感器，在不明顯降低靈敏度的條件下大大提升了傳感器的空間分辨力2. 采用了“全徑”的掃描方式，通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙將測(cè)量數(shù)據(jù)傳出給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線測(cè)量。3. 研究使用了三維可視化測(cè)試技術(shù)，將沿軸向各處徑的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為直觀的、三維圖像信息，實(shí)現(xiàn)了形貌的實(shí)時(shí)三維顯示。6. 評(píng)測(cè)與結(jié)論為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，我