金属管道内形貌探测系统

1. 引言随着国家工业化建设以及城市经济发展的需要，金属材料管道凭借着自身具有的许多优点如良好的机械强度，已经广泛应用于石油天然气等能源工业领域、军事领域、化工领域、贮藏及运输系统中。在石油天然气工业中，管道运输已经成为当前最主要的运输方式。但是，金属管道在使用中可能发生腐蚀、疲劳、蠕变、低温脆断、材质劣化等破坏形式，其中腐蚀破坏最具有普遍性。它的失效不仅会带来巨大的经济损失，同时还导致诸如人身安全等无法弥补的灾难性后果。因此，研究可靠有效的金属材质管道失效检测和诊断技术，实现金属管道在线自动监测和故障诊断及预警是非常有必要的。本文设计的金属管道探测系统可以方便的扫描金属管道内壁并获取其内部的三维形貌图像，从而分析得到金属管道内壁是否有裂纹等，对于检测和解决金属管道在使用中出现的各种问题方面具有很好的应用前景。2. 系统方案 本文所设计的电涡流检测系统，主要用于金属管道，特别是内部形貌较复杂的管道的测量。在金属管道失效检测中，由于金属管道内壁复杂形貌如膛线、裂纹等的存在，因此在金属管道的任一横截面上，有无磨损对应金属管道内径的大小显然是不同的。但除了CCD技术，其他多数传统的金属管道内径测试方法都仅以金属管道截面上某一点对应内径的大小作为金属管道在该处的内径值，而无法给出反映金属管道横截面整个周边各处对应内径的分布变化。为了对金属管道内部形貌进行全方位扫描检测，以获得金属管道横截面形貌的完整信息，本文研究实现了金属管道各个横截面周边处对应内径的测量技术，称之为“全内径”测量技术。使用探头式电涡流传感器实现金属管道全内径检测时，为了获得金属管道沿轴线方向各个横截面的内径信息，则需要将传感器固定在一个可在金属管道内壁边旋转边直线行进的运载装置上，以保证系统准确地测取金属管道内各处的信息。这种运载装置也称为管道机器人。在传感器360旋转过程中，传感器的动力线路，以及调理电路的输入输出信号线在探头的旋转过程随着探头的旋转而转动，将不可避免的绞缠在传动轴上，随着测量过程的进行，导线绞缠越来越严重，甚至会出现导线脱落，探头脱落损坏等直接导致实验无法进行的危险状况。同时，从被测管道外部引入导线还会引起很多实际应用中的问题，严重地制约测试系统在工程实际中的应用。针对以上缺点，本文研究实现了一种可装载的传感器的无线采集传输装置，该装置以微处理器F28027为核心进行数据采集，以蓝牙模块作为纽带同上位机进行无线通信，接收指令并完成数据传输。该无线采集传输装置可以安装在管道机器人或者其他运载装置上面，随着机器人在管道内行进或者旋转。整个测试系统结构将非常简单而易操作。极大的提高了系统的移动性和灵活性，拓展了电涡流检测系统的应用范围，具有较高的实用价值。图2-1和2-2分别为系统结构示意图和系统结构框图。图2-1 金属管道内壁形貌测量系统结构示意图图2-2 系统总体结构图测量任务开始后，上位机发送控制指令控制步进电机系统停止在某一位置（步进到某一深度，旋转到某一角度），然后通过蓝牙无线通信模块发送指令给F28027使其开始采集传感器输出信号，当采集到设定点数的信号以后，再次使用蓝牙模块将数据发送到上位机并进行处理和分析，然后开始下一周期的操作，直到完成一个横截面上多处信息检测。之后，运载装置沿金属管道轴线行进一个步长的距离，开始下一个横截面的扫描测量工作。每一个截面的信息被检测到以后，上位机都会对检测到的信息进行三维显示。3. 系统硬件设计本系统中，以微处理器F28027为核心的硬件电路的主要功能是：使用ePWM模块产生传感器所需要的方波激励信号；使用内置数模转换模块对传感器调理电路的信号进行采样；通过蓝牙模块将采集到的数据发送给上位机。3.1电涡流传感器简介 传感器线圈中通入交变电流时，线圈中产生沿线圈轴线方向的交变磁场。当线圈靠近被测导体时，线圈产生的交变磁场在导体中感应出环状交变的电涡流，如图3-1所示。图 31 电涡流产生的基本原理 当在被测导体中感应出交变电涡流时，电涡流也会感应出交变磁场，该磁场通过激励线圈，并在激励线圈中产生感应电动势。若忽略匝间电容，激励线圈本身可等效为一个电感和一个电阻串联；被测导体中产生的涡流呈环状分布，可等效为一个电感和一个电阻构成的闭合回路，如图3-2所示。图3-2 涡流等效电路图3-2中，R1和L1表示激励线圈，R2和L2表示涡流回路。L1和L2的磁路存在交链，二者的耦合关系用互感系数M表示。设激励线圈两端电压为U，通过电流为I1，涡流回路等效电流为I2，正方向如图所示。根据电路知识可以推导出传感器激励线圈的等效阻抗为：上式中被测导体与传感头距离d、被测导体电导率，磁导率，激励信号频率等因素影响式中的M、L2和R2的数值大小，进而影响激励线圈等效阻抗Zs的大小，因此有：Zs = f( , ,r, d, U, )。当传感器激励线圈的工作频率、电压一定时，对于特定的被测导体材料，传感器等效阻抗Zs主要取决于传感器与被测导体之间的距离d。本项目利用电涡流传感器这一特点，实现传感器对金属材料表面位移的测量。3.2谐振调理电路设计电涡流传感器常见的输出调理电路形式有电桥式电路和谐振式电路。本文选用了结构较简单的谐振式调理电路。调理电路的作用是将传感器的阻抗变化转换为电压信号，并且利用了并联谐振电路对阻抗变化的放大作用。谐振式调理电路的基本形式如图3-3所示。图3-3 传感器并联谐振调理电路图中，Us为激励电压，由F28027产生。R和L分别是传感器的等效电阻和等效电感，传感器与外部电容C一起构成并联谐振电路。通过测量传感器与外部电容C所构成的并联谐振电路两端的电压，以及外接电阻R2两端的电压。可以得到传感器并联谐振电路的等效阻抗。由该等效阻抗的变化来表征传感器与被测金属之间的距离变化。为了获得较高的测量灵敏度，传感器输出调理电路中的元件参数必须按照相应的规则选取。Zs为传感器等效阻抗：Zs=R1+jL，Zp为传感器并联电容C之后的等效阻抗：Zp=Rp+jXp 。为了使传感器获得较高的灵敏度，应使传感器等效阻抗变化量Zs一定时，测量阻抗Zp变化量最大，即：| Zp / Zs |取得最大值，由此可以推导出并联谐振电路的电容C取值应为：同时，为获得对传感器阻抗的最佳测量灵敏度，即使得| Uc / Zs |取得最大值，（Uc为并联谐振电路两端测量电压，见图3-3）可以推导出串联电阻R2的最佳阻值为：实验中，本文选取C为0.2uF，R2为100欧。3.3 电源模块 F28027供电电压为3.3V。本文选用TI公司的电源芯片TLV1117-33用来为F28027和蓝牙模块HC05供电，用LM 7805和ICL7660输出的+5V和-5V电压来给运算放大器OPA830供电。电源供电模块部分的示意图如下3-6所示。图3-4 电源管理模块电路原理图3.4 蓝牙无线通信模块蓝牙模块，是一种集成蓝牙功能的PCBA板，用于短距离无线通讯。本文选择了HC05嵌入式蓝牙串口通讯模块，主要功能是把串口转换成了蓝牙。HC05串口通讯模块具有两种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式。在自动连接工作模式下模块又可分为主机、从机两种工作状态。当模块处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定的方式连接主，从机。本系统中蓝牙模块工作在自动连接工作模式下。上位机连接蓝牙适配器做主机使用。DSP连接蓝牙模块的从机，可以和上位机的蓝牙适配器配对通信。使用出厂默认的9600 bps。核心模块尺寸大小为：28mm x 15 mm x 2.35mm，图3-7所示为蓝牙芯片HC05的实物图。 图3-5 蓝牙模块实物图蓝牙模块的连接框图如图3-8所示。PIN1 (UART_TXD) 是蓝牙串口发送脚，接DSP的RXD脚，CMOS电平。PIN2 (UART_RXD)，是蓝牙串口接收脚，接F28027的TXD脚，COMS电平。PIN12是电源输入引脚，典型值3.3V，可以使用3.14.2V 电压。PIN34控制模块的可编程状态。在模块配对及通信时，必须处于低电平。当它置为高电平可以进入可编程模式，通信过程中也可以通过置高电平PIN34 进入可编程状态，置低后恢复通信状态。PIN31和PIN32分别是工作状态指示灯LED1和LED2，这两个灯分别指示蓝牙模块的3种工作状态：1）模块上电同时令PIN34 为高电平，LED1 输出1HZ 方波（慢闪），LED2低电平（灭），表示进入了可编程状态；2）PIN34 低电平，给模块上电，此时LED1 输出2HZ（快闪），LED2低电平（灭）此时处于可配对状态；3）PIN34 低电平，LED1 将输出2HZ（快闪）。PIN32（LED2）高电平（长亮），表示配对完毕。蓝牙串口通信模块相当于在F28027和上位机之间虚拟了一根串口通信线。F28027通过它接受上位机的采集指令及参数设置。数据采集及数据处理完成后，F28027又通过蓝牙将测量数据传送到上位机上保存。 图3-6 蓝牙模块电路原理图4. 系统软件设计4.1 软件程序设计的内容及流程本系统中的下位机程序设计在CCS3.3环境中完成，而上位机程序在Labview环境中开发而成。整套程序设计的主要内容是：上位机软件通过控制轴向运动电机和旋转电机控制传感器测量位置；主控芯片F28027使用ePWM模块生成高频正弦波，为传感器提供激励信号；对传感器的输出信号进行采集；F28027通过SCI接口与HC05蓝牙模块连接将采集的传感器数据发送给上位机；上位机软件对数据进行处理（包括FFT运算以及粗大误差的剔除）并实现三维图像的实时显示，程序的总体流程如图4-1所示。4.2 F28027数据采集程序不同于以往的ADC，F28027的数采模块是基于SOC而不是基于序列的。每一个SOC可以配置定义一个单独通道的独立转换，每一个SOC的触发源也可以单独配置，这使得该芯片的AD相当灵活。本文需要对单一通道实现固定采样率的数据采集，因此，利用定时器触发每一次AD采集，采集程序流程如图4-2所示。图4-1 系统程序流程图图4-2 数据采集程序流程图4.3上位机数据处理传感器输出端信号为传感器和并联电容间的耦合谐振正弦信号，但是，由于并联电容并非等于激励频率下的谐振电容值，因此，测得的信号并非是理想正弦波信号，那么，上位机就需要对测得的信号作频谱分析，提出激励频率下的耦合信号。频谱分析是通过做FFT运算，其频谱分量最大值即为激励频率下的耦合信号。另外，实验中难免会出现粗大误差，这对3D实时显示会产生很明显的影响，因此，必须予以剔除这部分误差，对每一组（即对应一圈）的数据进行比较，如果某一值与相邻值差值超过设定阈值，那么，就认为该数据是错误数据，将该数据前后相邻两个数据的平均值替代该数据，从而完成粗大误差的处理。a) 3D实时显示Labview系统自带三维显示控件，使用该控件并实时给出三维坐标数据即可实现实时三维显示。其程序框图见4-3所示。图4-3 Labview三维显示程序图b) 上位机软件系统考虑到实际情况，本文对软件系统功能进行了丰富，增加了起点设置以及历史曲线显示等功能，同时，在人机交互界面的优化上本文做出了相应的完善，用户能够自定义测量精度（轴向电机步进值），能实时看到测量原始数据、测量结果以及三维显示图，软件界面如图4-4所示。图4-4 软件界面5. 系统创新在本系统中为电涡流检测技术提供了一些新思路，新方法，为金属表面探测进行了一定的探索。本系统的创新点具体地有以下几点：1. 使用自制电涡流传感器，在不明显降低灵敏度的条件下大大提升了传感器的空间分辨力2. 采用了“全内径”的扫描方式，通过无线蓝牙将测量数据传出给上位机，实现了无线测量。3. 研究使用了三维可视化测试技术，将沿轴向各处内径的测量结果转换为直观的、三维图像信息，实现了内形貌的实时三维显示。6. 评测与结论为了对系统进行实验测试，我们订做了如下图所示的金属管道，试样的材质为45号钢，试样长度为200mm，内径为104mm，40根阳线和阴线，阳线宽度为3.1mm，阴线宽度为5.1mm。阳线和阴线的高度差为1mm。为模拟内壁裂纹，在试样一端划刻了一道裂纹。 (a) 试样侧视图 (b) 试样内壁形貌图6-1 金属管道模拟式样外形图测试结果见图6-2所示。由该图可以清晰地看到金属管道内阴、阳线，以及裂纹的分布情况。(a)图6-2 金属管道模拟式样的三维可视化测量结果附录图1 测量平台实物图2 无线测量模块实物图