金屬管道內(nèi)形貌探測系統(tǒng)

1、1. 引言隨著國家工業(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)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還導(dǎo)致諸如人身安全等無法彌補(bǔ)的災(zāi)難性后果。因此，研究可靠有效的金屬材質(zhì)管道失效檢測和診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)金屬管道在線自動(dòng)監(jiān)測和故障診斷及預(yù)警是非常有必要的。本文設(shè)計(jì)的金屬管道探測系統(tǒng)可以方便的掃描金屬管道內(nèi)壁并獲取其內(nèi)部的

2、三維形貌圖像，從而分析得到金屬管道內(nèi)壁是否有裂紋等，對于檢測和解決金屬管道在使用中出現(xiàn)的各種問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)的電渦流檢測系統(tǒng)，主要用于金屬管道，特別是內(nèi)部形貌較復(fù)雜的管道的測量。在金屬管道失效檢測中，由于金屬管道內(nèi)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，有無磨損對應(yīng)金屬管道內(nèi)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)的金屬管道內(nèi)徑測試方法都僅以金屬管道截面上某一點(diǎn)對應(yīng)內(nèi)徑的大小作為金屬管道在該處的內(nèi)徑值，而無法給出反映金屬管道橫截面整個(gè)周邊各處對應(yīng)內(nèi)徑的分布變化。為了對金屬管道內(nèi)部形貌進(jìn)行全方位掃描檢測，以獲得金屬管道橫截面

3、形貌的完整信息，本文研究實(shí)現(xiàn)了金屬管道各個(gè)橫截面周邊處對應(yīng)內(nèi)徑的測量技術(shù)，稱之為“全內(nèi)徑”測量技術(shù)。使用探頭式電渦流傳感器實(shí)現(xiàn)金屬管道全內(nèi)徑檢測時(shí)，為了獲得金屬管道沿軸線方向各個(gè)橫截面的內(nèi)徑信息，則需要將傳感器固定在一個(gè)可在金屬管道內(nèi)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)確地測取金屬管道內(nèi)各處的信息。這種運(yùn)載裝置也稱為管道機(jī)器人。在傳感器360°旋轉(zhuǎn)過程中，傳感器的動(dòng)力線路，以及調(diào)理電路的輸入輸出信號線在探頭的旋轉(zhuǎn)過程隨著探頭的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，將不可避免的絞纏在傳動(dòng)軸上，隨著測量過程的進(jìn)行，導(dǎo)線絞纏越來越嚴(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)無法進(jìn)行的危險(xiǎn)狀況。同時(shí)，

4、從被測管道外部引入導(dǎo)線還會(huì)引起很多實(shí)際應(yīng)用中的問題，嚴(yán)重地制約測試系統(tǒng)在工程實(shí)際中的應(yīng)用。針對以上缺點(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)行無線通信，接收指令并完成數(shù)據(jù)傳輸。該無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)器人在管道內(nèi)行進(jìn)或者旋轉(zhuǎn)。整個(gè)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將非常簡單而易操作。極大的提高了系統(tǒng)的移動(dòng)性和靈活性，拓展了電渦流檢測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，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)構(gòu)框圖。圖2-1 金屬管道內(nèi)壁形貌測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖2-2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

5、圖測量任務(wù)開始后，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），然后通過藍(lán)牙無線通信模塊發(fā)送指令給F28027使其開始采集傳感器輸出信號，當(dāng)采集到設(shè)定點(diǎn)數(shù)的信號以后，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。之后，運(yùn)載裝置沿金屬管道軸線行進(jìn)一個(gè)步長的距離，開始下一個(gè)橫截面的掃描測量工作。每一個(gè)截面的信息被檢測到以后，上位機(jī)都會(huì)對檢測到的信息進(jìn)行三維顯示。3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中，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；使用內(nèi)置數(shù)

6、模轉(zhuǎn)換模塊對傳感器調(diào)理電路的信號進(jìn)行采樣；通過藍(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。當(dāng)線圈靠近被測導(dǎo)體時(shí)，線圈產(chǎn)生的交變磁場在導(dǎo)體中感應(yīng)出環(huán)狀交變的電渦流，如圖3-1所示。圖 31 電渦流產(chǎn)生的基本原理 當(dāng)在被測導(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，該磁場通過激勵(lì)線圈，并在激勵(lì)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。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)；被測導(dǎo)體中產(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。圖3-2 渦流等效電路圖3-2中，R1和L1表示激

7、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，通過電流為I1，渦流回路等效電流為I2，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：上式中被測導(dǎo)體與傳感頭距離d、被測導(dǎo)體電導(dǎo)率，磁導(dǎo)率，激勵(lì)信號頻率等因素影響式中的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)，對于特定的被測導(dǎo)體材料，傳感器等效阻抗Zs主要取決于傳感器與被測導(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)傳感器對金屬材料表面位移的

8、測量。3.2諧振調(diào)理電路設(shè)計(jì)電渦流傳感器常見的輸出調(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，并且利用了并聯(lián)諧振電路對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 傳感器并聯(lián)諧振調(diào)理電路圖中，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。通過測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表征傳感器與被測金屬之間的距離變化。為了獲

9、得較高的測量靈敏度，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+jL，Zp為傳感器并聯(lián)電容C之后的等效阻抗：Zp=Rp+jXp 。為了使傳感器獲得較高的靈敏度，應(yīng)使傳感器等效阻抗變化量Zs一定時(shí)，測量阻抗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：同時(shí)，為獲得對傳感器阻抗的最佳測量靈敏度，即使得| Uc / Zs |取得最大值，（Uc為并聯(lián)諧振電路兩端測量電壓，見圖3-3）可以推導(dǎo)出串聯(lián)電阻R2的最佳阻值為：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

10、.3V。本文選用TI公司的電源芯片TLV1117-33用來為F28027和藍(lán)牙模塊HC05供電，用LM 7805和ICL7660輸出的+5V和-5V電壓來給運(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3.4 藍(lán)牙無線通信模塊藍(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

11、接主，從機(jī)。本系統(tǒng)中藍(lán)牙模塊工作在自動(dòng)連接工作模式下。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

12、制模塊的可編程狀態(tài)。在模塊配對及通信時(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，通信過程中也可以通過置高電平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)處于可配對狀態(tài)；3）PIN34 低電平，LED1 將輸出2HZ（快閃）。PIN32（LED2）高電平（長亮），表示配對

13、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又通過藍(lán)牙將測量數(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)的內(nèi)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)境中開發(fā)而成。整套程序設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：上位機(jī)軟件通過控制軸向運(yùn)動(dòng)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制傳感器測量位置；主控芯片F(xiàn)28027使用ePWM模塊生成高頻正弦波，為傳感器提供激勵(lì)信號；對傳感器的輸出信號進(jìn)行采集；F28027通過SCI接口與HC0

14、5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。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4.3上位機(jī)數(shù)據(jù)處理傳感器輸出端信號為傳感器和并聯(lián)電容間的耦合

15、諧振正弦信號，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，測得的信號并非是理想正弦波信號，那么，上位機(jī)就需要對測得的信號作頻譜分析，提出激勵(lì)頻率下的耦合信號。頻譜分析是通過做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。另外，實(shí)驗(yàn)中難免會(huì)出現(xiàn)粗大誤差，這對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，對每一組（即對應(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設(shè)定閾值，那么，就認(rèn)為該數(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

16、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維顯示。其程序框圖見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，用戶能夠自定義測量精度（軸向電機(jī)步進(jìn)值），能實(shí)時(shí)看到測量原始數(shù)據(jù)、測量結(jié)果以及三維顯示圖，軟件界面如圖4-4所示。圖4-4 軟件界面5. 系統(tǒng)創(chuàng)新在本系統(tǒng)中為電渦流檢測技術(shù)提供了一些新思路，新方法，為金屬表面探測進(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“全內(nèi)徑”的掃描方式，通過無線藍(lán)牙將測量數(shù)據(jù)傳出給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了無線測量。3. 研究使用了三維可視化測試技術(shù)，將沿軸向各處內(nèi)徑的測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為直觀的、三維圖像信息，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)形貌的實(shí)時(shí)三維顯示。6. 評