金屬管道內形貌探測系統(tǒng).doc

1. 引言隨著國家工業(yè)化建設以及城市經濟發(fā)展的需要，金屬材料管道憑借著自身具有的許多優(yōu)點如良好的機械強度，已經廣泛應用于石油天然氣等能源工業(yè)領域、軍事領域、化工領域、貯藏及運輸系統(tǒng)中。在石油天然氣工業(yè)中，管道運輸已經成為當前最主要的運輸方式。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。它的失效不僅會帶來巨大的經濟損失，同時還導致諸如人身安全等無法彌補的災難性后果。因此，研究可靠有效的金屬材質管道失效檢測和診斷技術，實現(xiàn)金屬管道在線自動監(jiān)測和故障診斷及預警是非常有必要的。本文設計的金屬管道探測系統(tǒng)可以方便的掃描金屬管道內壁并獲取其內部的三維形貌圖像，從而分析得到金屬管道內壁是否有裂紋等，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用前景。2. 系統(tǒng)方案 本文所設計的電渦流檢測系統(tǒng)，主要用于金屬管道，特別是內部形貌較復雜的管道的測量。在金屬管道失效檢測中，由于金屬管道內壁復雜形貌如膛線、裂紋等的存在，因此在金屬管道的任一橫截面上，有無磨損對應金屬管道內徑的大小顯然是不同的。但除了CCD技術，其他多數(shù)傳統(tǒng)的金屬管道內徑測試方法都僅以金屬管道截面上某一點對應內徑的大小作為金屬管道在該處的內徑值，而無法給出反映金屬管道橫截面整個周邊各處對應內徑的分布變化。為了對金屬管道內部形貌進行全方位掃描檢測，以獲得金屬管道橫截面形貌的完整信息，本文研究實現(xiàn)了金屬管道各個橫截面周邊處對應內徑的測量技術，稱之為“全內徑”測量技術。使用探頭式電渦流傳感器實現(xiàn)金屬管道全內徑檢測時，為了獲得金屬管道沿軸線方向各個橫截面的內徑信息，則需要將傳感器固定在一個可在金屬管道內壁邊旋轉邊直線行進的運載裝置上，以保證系統(tǒng)準確地測取金屬管道內各處的信息。這種運載裝置也稱為管道機器人。在傳感器360旋轉過程中，傳感器的動力線路，以及調理電路的輸入輸出信號線在探頭的旋轉過程隨著探頭的旋轉而轉動，將不可避免的絞纏在傳動軸上，隨著測量過程的進行，導線絞纏越來越嚴重，甚至會出現(xiàn)導線脫落，探頭脫落損壞等直接導致實驗無法進行的危險狀況。同時，從被測管道外部引入導線還會引起很多實際應用中的問題，嚴重地制約測試系統(tǒng)在工程實際中的應用。針對以上缺點，本文研究實現(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為核心進行數(shù)據采集，以藍牙模塊作為紐帶同上位機進行無線通信，接收指令并完成數(shù)據傳輸。該無線采集傳輸裝置可以安裝在管道機器人或者其他運載裝置上面，隨著機器人在管道內行進或者旋轉。整個測試系統(tǒng)結構將非常簡單而易操作。極大的提高了系統(tǒng)的移動性和靈活性，拓展了電渦流檢測系統(tǒng)的應用范圍，具有較高的實用價值。圖2-1和2-2分別為系統(tǒng)結構示意圖和系統(tǒng)結構框圖。圖2-1 金屬管道內壁形貌測量系統(tǒng)結構示意圖圖2-2 系統(tǒng)總體結構圖測量任務開始后，上位機發(fā)送控制指令控制步進電機系統(tǒng)停止在某一位置（步進到某一深度，旋轉到某一角度），然后通過藍牙無線通信模塊發(fā)送指令給F28027使其開始采集傳感器輸出信號，當采集到設定點數(shù)的信號以后，再次使用藍牙模塊將數(shù)據發(fā)送到上位機并進行處理和分析，然后開始下一周期的操作，直到完成一個橫截面上多處信息檢測。之后，運載裝置沿金屬管道軸線行進一個步長的距離，開始下一個橫截面的掃描測量工作。每一個截面的信息被檢測到以后，上位機都會對檢測到的信息進行三維顯示。3. 系統(tǒng)硬件設計本系統(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模塊產生傳感器所需要的方波激勵信號；使用內置數(shù)模轉換模塊對傳感器調理電路的信號進行采樣；通過藍牙模塊將采集到的數(shù)據發(fā)送給上位機。3.1電渦流傳感器簡介 傳感器線圈中通入交變電流時，線圈中產生沿線圈軸線方向的交變磁場。當線圈靠近被測導體時，線圈產生的交變磁場在導體中感應出環(huán)狀交變的電渦流，如圖3-1所示。圖 31 電渦流產生的基本原理 當在被測導體中感應出交變電渦流時，電渦流也會感應出交變磁場，該磁場通過激勵線圈，并在激勵線圈中產生感應電動勢。若忽略匝間電容，激勵線圈本身可等效為一個電感和一個電阻串聯(lián)；被測導體中產生的渦流呈環(huán)狀分布，可等效為一個電感和一個電阻構成的閉合回路，如圖3-2所示。圖3-2 渦流等效電路圖3-2中，R1和L1表示激勵線圈，R2和L2表示渦流回路。L1和L2的磁路存在交鏈，二者的耦合關系用互感系數(shù)M表示。設激勵線圈兩端電壓為U，通過電流為I1，渦流回路等效電流為I2，正方向如圖所示。根據電路知識可以推導出傳感器激勵線圈的等效阻抗為：上式中被測導體與傳感頭距離d、被測導體電導率，磁導率，激勵信號頻率等因素影響式中的M、L2和R2的數(shù)值大小，進而影響激勵線圈等效阻抗Zs的大小，因此有：Zs = f( , ,r, d, U, )。當傳感器激勵線圈的工作頻率、電壓一定時，對于特定的被測導體材料，傳感器等效阻抗Zs主要取決于傳感器與被測導體之間的距離d。本項目利用電渦流傳感器這一特點，實現(xiàn)傳感器對金屬材料表面位移的測量。3.2諧振調理電路設計電渦流傳感器常見的輸出調理電路形式有電橋式電路和諧振式電路。本文選用了結構較簡單的諧振式調理電路。調理電路的作用是將傳感器的阻抗變化轉換為電壓信號，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)諧振調理電路圖中，Us為激勵電壓，由F28027產生。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一起構成并聯(lián)諧振電路。通過測量傳感器與外部電容C所構成的并聯(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。為了獲得較高的測量靈敏度，傳感器輸出調理電路中的元件參數(shù)必須按照相應的規(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，應使傳感器等效阻抗變化量Zs一定時，測量阻抗Zp變化量最大，即：| Zp / Zs |取得最大值，由此可以推導出并聯(lián)諧振電路的電容C取值應為：同時，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）可以推導出串聯(lián)電阻R2的最佳阻值為：實驗中，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用來為F28027和藍牙模塊HC05供電，用LM 7805和ICL7660輸出的+5V和-5V電壓來給運算放大器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 藍牙無線通信模塊藍牙模塊，是一種集成藍牙功能的PCBA板，用于短距離無線通訊。本文選擇了HC05嵌入式藍牙串口通訊模塊，主要功能是把串口轉換成了藍牙。HC05串口通訊模塊具有兩種工作模式：命令響應工作模式和自動連接工作模式。在自動連接工作模式下模塊又可分為主機、從機兩種工作狀態(tài)。當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據事先設定的方式連接主，從機。本系統(tǒng)中藍牙模塊工作在自動連接工作模式下。上位機連接藍牙適配器做主機使用。DSP連接藍牙模塊的從機，可以和上位機的藍牙適配器配對通信。使用出廠默認的9600 bps。核心模塊尺寸大小為：28mm x 15 mm x 2.35mm，圖3-7所示為藍牙芯片HC05的實物圖。 圖3-5 藍牙模塊實物圖藍牙模塊的連接框圖如圖3-8所示。PIN1 (UART_TXD) 是藍牙串口發(fā)送腳，接DSP的RXD腳，CMOS電平。PIN2 (UART_RXD)，是藍牙串口接收腳，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控制模塊的可編程狀態(tài)。在模塊配對及通信時，必須處于低電平。當它置為高電平可以進入可編程模式，通信過程中也可以通過置高電平PIN34 進入可編程狀態(tài)，置低后恢復通信狀態(tài)。PIN31和PIN32分別是工作狀態(tài)指示燈LED1和LED2，這兩個燈分別指示藍牙模塊的3種工作狀態(tài)：1）模塊上電同時令PIN34 為高電平，LED1 輸出1HZ 方波（慢閃），LED2低電平（滅），表示進入了可編程狀態(tài)；2）PIN34 低電平，給模塊上電，此時LED1 輸出2HZ（快閃），LED2低電平（滅）此時處于可配對狀態(tài)；3）PIN34 低電平，LED1 將輸出2HZ（快閃）。PIN32（LED2）高電平（長亮），表示配對完畢。藍牙串口通信模塊相當于在F28027和上位機之間虛擬了一根串口通信線。F28027通過它接受上位機的采集指令及參數(shù)設置。數(shù)據采集及數(shù)據處理完成后，F(xiàn)28027又通過藍牙將測量數(shù)據傳送到上位機上保存。 圖3-6 藍牙模塊電路原理圖4. 系統(tǒng)軟件設計4.1 軟件程序設計的內容及流程本系統(tǒng)中的下位機程序設計在CCS3.3環(huán)境中完成，而上位機程序在Labview環(huán)境中開發(fā)而成。整套程序設計的主要內容是：上位機軟件通過控制軸向運動電機和旋轉電機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，為傳感器提供激勵信號；對傳感器的輸出信號進行采集；F28027通過SCI接口與HC05藍牙模塊連接將采集的傳感器數(shù)據發(fā)送給上位機；上位機軟件對數(shù)據進行處理（包括FFT運算以及粗大誤差的剔除）并實現(xiàn)三維圖像的實時顯示，程序的總體流程如圖4-1所示。4.2 F28027數(shù)據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SOC可以配置定義一個單獨通道的獨立轉換，每一個SOC的觸發(fā)源也可以單獨配置，這使得該芯片的AD相當靈活。本文需要對單一通道實現(xiàn)固定采樣率的數(shù)據采集，因此，利用定時器觸發(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)據采集程序流程圖4.3上位機數(shù)據處理傳感器輸出端信號為傳感器和并聯(lián)電容間的耦合諧振正弦信號，但是，由于并聯(lián)電容并非等于激勵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，上位機就需要對測得的信號作頻譜分析，提出激勵頻率下的耦合信號。頻譜分析是通過做FFT運算，其頻譜分量最大值即為激勵頻率下的耦合信號。另外，實驗中難免會出現(xiàn)粗大誤差，這對3D實時顯示會產生很明顯的影響，因此，必須予以剔除這部分誤差，對每一組（即對應一圈）的數(shù)據進行比較，如果某一值與相鄰值差值超過設定閾值，那么，就認為該數(shù)據是錯誤數(shù)據，將該數(shù)據前后相鄰兩個數(shù)據的平均值替代該數(shù)據，從而完成粗大誤差的處理。a) 3D實時顯示Labview系統(tǒng)自帶三維顯示控件，使用該控件并實時給出三維坐標數(shù)據即可實現(xiàn)實時三維顯示。其程序框圖見4-3所示。圖4-3 Labview三維顯示程序圖b) 上位機軟件系統(tǒng)考慮到實際情況，本文對軟件系統(tǒng)功能進行了豐富，增加了起點設置以及歷史曲線顯示等功能，同時，在人機交互界面的優(yōu)化上本文做出了相應的完善，用戶能夠自定義測量精度（軸向電機步進值），能實時看到測量原始數(shù)據、測量結果以及三維顯示圖，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提供了一些新思路，新方法，為金屬表面探測進行了一定的探索。本系統(tǒng)的創(chuàng)新點具體地有以下幾點：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“全內徑”的掃描方式，通過無線藍牙將測量數(shù)據傳出給上位機，實現(xiàn)了無線測量。3. 研究使用了三維可視化測試技術，將沿軸向各處內徑的測量結果轉換為直觀的、三維圖像信息，實現(xiàn)了內形貌的實時三維顯示。6. 評