CN103398294B

CN103398294B - 管道无损检测系统

Info

Publication number: CN103398294B
Application number: CN201310257645.9A
Authority: CN
Inventors: 田颖; 王科理
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: CN103398294A

Abstract

本发明涉及一种工业管道无损检测系统。它利用智能小车为基础，利用小车在管道中行进，以电涡流传感器沿管道进行探测，以显示模块显示管道破损程度，在小车上搭载各部件，其特征在于：所述的部件包括单片机、信号采集及存储单元、控制单元、电源单元和人机接口单元。本发明结构简单，尺寸较小，无需电缆供电，可自行行进并完成数据采集，较传统车型式管道机器人操作简便、灵活度好、智能化高。本发明利用PWM进行直流电机调速，具有节约空间、抗噪性强等优点，大幅降低成本和功耗。

Description

管道无损检测系统

技术领域

本发明涉及一种工业管道的检测系统，特别涉及一种具有较高的智能化水平的管道无损检测系统。

背景技术

传统的管道无损检测机器人（即检测设备），主要分类为：

1、仿生式管道机器人。它是运用仿生学原理工作，一种是模仿昆虫运动方式研制出来的蠕动式，它在管道内移动速度慢且波动大，平稳性差，实际应用非常少。另一种是模仿蛇的身体构造和爬行原理设计的蛇形式，可顺利通过各种管道和接头，但驱动能力十分有限，移动速度有限，运动效率不易提高。

2、螺旋驱动式管道机器人。通常由静止部分和旋转部分组成，静止部分装有一组导向轮，只能沿管道轴线运动。旋转部分装有一组滚轮，各滚轮轴线与管道轴线形成一夹角。其螺旋驱动方式越障能力差，机器人很难具备主动转向能力。

3、履带式管道机器人。它靠履带卷绕时管道内壁对履带产生的反作用力推动机器人载体在管道内运动，但履带结构复杂，加工成本高且转弯性能差。

4、车型式管道机器人。它模仿普通汽车机构和工作原理。其结构简单，尺寸较小，但这种机器人只靠机器人自身的重量提供封闭力，其牵引力小，爬坡能力非常有限。

5、支撑轮式管道机器人。它在周向布置若干组支撑机构支撑在管壁上，整体呈对称分布，能在管内沿轴向行走。由于对称支撑，机器人的中心轴线能自动与管道中心轴线保持一致，因而稳定性好。通过支撑机构张开可以产生较大的封闭力，牵引能力强。但随着轮数的增多，容易造成运动干涉加大了转向的难度，也使结构变得更加复杂。

6、PIG（被动运动方式管道机器人）。它利用流体能量实现无缆自驱动。其外径略大于管道直径，作业时利用管道内流动介质的压力差驱动，克服与管壁之间的摩擦力而向前运动。通过泄流阀等装置使机器人保持合适作业速度。但对外界条件要求较高，运动易受到干扰。

总之，传统管道无损检测机器人一般结构庞大，适用于大型管道居多，并且多数需要通过电缆供电，在实际应用中其活动和检测范围常常受到限制，难以达到管道的深度进行检测。并且维修和后期使用成本高。

发明内容

本发明总结了传统的各种管道检测系统的优缺点，采用车型式管道机器人，利用小车为基础，利用电涡流传感器进行管道检测，利用小车在管道中行进，以电涡流传感器沿管道进行探测，以显示模块显示管道破损程度的状况，利用单片机控制直流电机实现系统的行进功能，以达到对管道进行无损检测的目的。本发明利用智能小车为基础，并按照实际测试的要求搭载各部件，以便于在传统检测设备难以达到的环境下进行实际作业。

本发明包括单片机、信号采集及存储单元、控制单元、电源单元和人机接口单元；整个系统采用电池供电。

在这些系统单元支持的基础上，要求系统能实现信号采集及存储、数据显示、控制等功能。

本发明利用智能小车为基础，并按照实际测试的要求搭载涡流传感器、红外线传感器、电池、驱动芯片等，以便于在传统检测设备难以达到的环境下进行实际作业。本发明结构简单，尺寸较小，其自身搭载电源模块、传感器、驱动芯片等，无需电缆供电，可自行行进并完成数据采集，较传统车型式管道机器人操作简便、灵活度好、智能化高。本发明利用PWM进行直流电机调速，具有节约空间、抗噪性强等优点，大幅降低成本和功耗。

附图说明

图1是本发明管道无损检测系统的原理框图。

图2是电机驱动程序流程图。

图3是数据采集程序流程图。

图4是键盘程序流程图。

图中标记：

1、单片机，1.1、A/D转换模块，1.2、PWM控制器，1.3、数字I/O端口，2、电池，3、电压转换模块，4、电涡流传感器，5、显示模块，6、光电接近开关，7、电机驱动模块，8、电机，9、键盘电路。

具体实施方式

本发明主要实现的功能是直流电机在单片机的控制下，在系统进入管道前，根据检测需求进行速度控制,通过系统设置的按键,可以同时控制两路电机的正转、反转，以及加速、减速的功能。在行进系统前部安置光电接近开关，测量范围约为10cm。在系统运行过程中如果前方有障碍物，则光电接近开关会向单片机输入信号，单片机经过处理迅速停止目前的检测工作并快速后退，避免设备受损，此外还能够完成数据采集和显示等功能。

本发明提出一种管道无损检测系统，图1所示的是其原理框图。参见图1，本发明包括单片机1、电池2、电压转换模块3、电涡流传感器4、显示模块5、光电接近开关6、电机驱动模块7、电机8和键盘电路9。在电路原理上，本发明是由单片机1、信号采集及存储单元、控制单元、电源单元和人机接口单元所组成。

所述的信号采集单元由模拟、数字信号采集单元和存储单元两部分组成。模拟、数字信号采集单元包括电涡流传感器4及单片机1的A/D转换模块1.1。

所述的控制单元由控制信号采集单元及输出单元两部分组成。控制信号采集单元包括光电接近开关6及单片机1中的数字I/O端口1.3；输出单元包括电机驱动模块7、电机8及单片机1中的PWM控制器1.2。

所述的电源单元由电池2和电压转换模块3组成。

所述的人机接口单元由键盘电路9和显示模块5组成。

所述的单片机1是本系统的核心控制单元。本发明所使用的16位的MC9S12DG128型号的飞思卡尔单片机，其他飞思卡尔16位单片机也可使用，如MC9S12DT128E,MC9S12DJ128E。

本发明管道无损检测系统由三种功能综合在一起：信号采集存储；行进控制；人机交互。

本发明是以智能小车为载体，利用小车在管道中行进，以电涡流传感器4沿管道进行探测，以显示模块5显示管道破损程度的状况。

本发明对于管道破损程度的显示是这样实现的：用于金属管道内侧涂层厚度检测的电涡流传感器4由电池2提供电源，电涡流传感器4与单片机1外部扩展芯片PCF8591电连接。电涡流传感器4将物理量转变为0～5V的模拟量，经单片机1外部扩展芯片PCF8591转换后，由I/O口送给MCU处理，最后将当前电压值显示在显示模块5上。电涡流传感器4输出的电压值大小反映管道破损的严重程度，输出电压值越大表明管道裂缝处越深。管道破损的严重程度可在显示模块5上由数据表示出来。电涡流传感器4可使用YTHN808型一体化电涡流传感器、HAD—STV75—77等型号的电涡流传感器,适用于裂纹、腐蚀减薄、点腐蚀等，具有检测速度快、精度高、适用范围广等优点。

本发明对于小车行进控制是这样实现的：所述的光电接近开关6也由电池2提供电源，光电接近开关6安装在了行进的最前端，测量范围约为可从3～80cm，在实际使用中可根据具体情况来自行调节。光电接近开关6与单片机1内部的数字I/O端口1.3电连接；单片机1内部的PWM控制器1.2与电机驱动模块7电连接，再操纵电机8工作。本发明中，电机8一共有两路。小车的运行是由两路电机8的运转决定的。在小车运行过程中，光电接近开关6检测小车行进的前方是否有障碍物，如果前方有障碍物，光电接近开关6输出低电平至单片机1内部的数字I/O端口1.3，经单片机1处理后，控制PWM控制器1.2发出控制信号，使行进系统立即启动避障程序，通过电机驱动模块7，使电机8立即停止检测并后退，达到保护设备的作用。光电接近开关6可选用E3F—5DN1、LJ12A3—4—Z/BX以及BS18—B—CN6X等。

键盘电路9通过单片机1可以调节电机8的加减速、正反转功能。通过对键盘电路9的键盘操作，当单片机1接收到按键信号后，经其处理，控制PWM控制器1.2发出控制信号，控制信号通过电机驱动模块7，实现电机8的调速以及前进、后退等功能。

脉宽调制(PWM)是指用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。许多微控制器内都包含PWM控制器。PWM控制器1.2给电机8提供一个具有一定频率的脉冲宽度可调的脉冲信号。脉冲宽度即占空比越大，则提供给电机8的平均电压就越大，电机8转速就高。反之脉冲宽度越小，电机8转速就越小。电机驱动模块7接收到单片机1发送的PWM信号，可以同时控制两路直流电机8的加减速、正反转功能。本发明选择以两片L298芯片和极低内阻的N沟道MOSFET组成的电机驱动模块，其它还可以采用L293D等直流电机驱动模块。

本发明选择东元电子公司制作的DY25R型号的直流减速电机。电机的速度档位要至少三档，以满足各个检测场所对检测速度的要求。该电机为12V直流供电，体积小巧，扭力大。可乘重3～4kg的负载。

整个系统供电电池采用12V锂电池供电，由于电涡流传感器4和光电接近开关直接与电源正负极相连，由12V供电。电压转换模块将12V电压转变为可对单片机1供电的5V电压，与单片机1供电端相连。

下面对本发明的实施程序作简要说明：

1、电机控制程序

本发明的检测系统需要使用键盘的按键同时控制两路直流减速电机的加速、减速以及正反转功能，同时还要考虑到当光电接近开关检测到前方有障碍物时，电机执行后退的功能。考虑到实际应用中，该行进系统应实行走停检测程序，故需要通过中断和延时程序使智能小车加载传感器时，实现前进一段距离后停下来检测，并实时显示检测结果，然后继续前行，再停下来检测的过程。当前方遇到障碍物时，光电接近开关会向单片机通过P3.2口送入低电平，单片机则快速响应外部中断而控制电机加速后退，并停止检测。电机驱动程序流程图见图2。

2、数据采集程序

在本发明中，作为实施例，A/D转换程序为：对AIN0通道进行A/D转换，将转换后的8位二进制数读取到单片机中。首先将字节地址选择字写入PCF8591中，与D/A转换设置相同为90H；接下来写入转换控制字，因只对AIN0通道进行采样，所以转换控制字为00H；接下来再写入一个地址选择字，此时的地址选择字中的D0(R/)应当设置成1（读），所以此时的地址选择字为91H。A/D转换每次输出的是上一次转换后的结果，如果需要读出当前的转换数据，则每次需要读取两次转换结果，取第二次读出的数据。A/D转换程序分析以图3为例。图3为数据采集程序流程图。

3、键盘程序

当有键按下后会产生一个低电平，单片机可以采用查询或者中断方式将数据通过DATA口以串行方式读入。按键检测的方法是对单片机的SPI模块进行编程。在进行SPI编程时，首先在程序初始化部分进行SPI系统初始化。SPI的初始化，主要是对SPI控制寄存器SPICR进行写入，以便定义工作方式、时钟的空闲电平、是否允许SPI等。同时，还要对SPI控制和状态寄存器SPISCR的控制位写入，例如通过对SPIR1、SPIR0位的写入来确定SPI的波特率。SPI初始化需写控制字到SPICR，确定是否允许SPI接收中断、SPI的工作方式、时钟极时钟相位、是否允许SPI等。还需写控制字到SPISCR,确定SPI的波特率。按照键盘程序流程（图4所示）编写程序。

在本发明揭示的上述技术内容的基础上，本领域技术人员根据所述程序均可设计出本发明的管道无损检测系统。但在此技术内容的基础上设计出的相似的检测系统，均应包含在本发明的权利范围中。

Claims

1.一种管道无损检测系统，利用智能小车为基础，利用小车在管道中行进，以电涡流传感器沿管道进行探测，以显示模块显示管道破损程度；在小车上搭载各部件；其特征在于：所述搭载的部件包括单片机、信号采集及存储单元、控制单元、电源单元和人机接口单元；

所述的管道无损检测系统由三种作用综合在一起：信号采集与存储；行进控制；人机交互；

所述的信号采集及存储单元由模拟、数字信号采集单元和存储单元两部分组成；模拟、数字信号采集单元包括电涡流传感器及单片机的A/D转换模块；存储单元为单片机中的存储器；

所述的控制单元由控制信号采集单元及输出单元两部分组成；控制信号采集单元包括光电接近开关及单片机中的数字I/O端口；输出单元包括电机驱动模块、电机及单片机中的PWM控制器。

2.根据权利要求1所述的管道无损检测系统，其特征在于：所述的电源单元由电池及电压转换模块两部分组成。

3.根据权利要求1所述的管道无损检测系统，其特征在于：所述的人机接口单元为键盘及显示模块。

4.使用权利要求1所述的检测系统显示管道破损程度的方法：用于金属管道内侧涂层厚度检测的电涡流传感器由电池提供电源，电涡流传感器与单片机的A/D转换模块电连接，电涡流传感器将涂层厚度物理量转变为0～5V的模拟量，经A/D转换模块转换后，由I/O口送给MCU处理，最后将当前涂层厚度值显示在显示模块上。

5.使用权利要求1所述的检测系统监控小车运行的方法：所述的光电接近开关也由电池提供电源，光电接近开关安装在小车最前端，光电接近开关与单片机内部的数字I/O端口电连接；单片机内部的PWM控制器与电机驱动模块电连接，再控制电机工作；电机一共有两路，小车的运行是由两路电机的运转决定的；在小车运行过程中，光电接近开关检测小车行进的前方是否有障碍物，如果前方有障碍物，光电接近开关输出低电平信号至单片机内部的I/O端口，经单片机处理后，控制PWM控制器发出控制信号，使行进系统立即启动避障程序，通过电机驱动模块，使电机立即停止检测并后退，达到保护设备的作用。

6.根据权利要求5所述的监控小车运行的方法：其特征在于，光电接近开关的测量范围为从3～80cm。

7.使用权利要求1所述的检测系统操纵小车运行的人机接口中键盘电路的方法：键盘电路通过单片机可以调节电机的加减速、正反转功能；通过对键盘的操作，当单片机接收到按键信号后，经其处理，控制PWM控制器发出控制信号，控制信号通过电机驱动模块，实现电机的调速以及前进、后退功能；

具体是：当有键按下时会产生一个低电平，单片机采用查询或者中断方式将数据通过DATA口以串行方式读入；按键检测的基本方法是对单片机的SPI模块进行编程；在进行SPI编程时，首先在程序初始化部分进行SPI系统初始化；SPI的初始化，主要是对SPI控制寄存器SPICR进行写入，以便定义工作方式、时钟的空闲电平、是否允许SPI；同时，还要对SPI控制和状态寄存器SPISCR的控制位部分写入，来确定SPI的波特率；SPI初始化需进行写控制字到SPICR，确定是否允许SPI接收中断、SPI的工作方式、时钟及时钟相位、是否允许SPI；还需写控制字到SPISCR，确定SPI的波特率，按照键盘程序流程编写程序。