CN106248782A - 一种深海智能存储交流电磁场检测系统及缺陷判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海智能存储交流电磁场检测系统及缺陷判定方法，包括位于水面之下的ROV、安装在ROV内部的主机和位于水面下与主机连接的探头，所述ROV通过脐带缆与水面之上设备通讯，所述主机包括CPU主板、键盘、数据导出接口、SATA转USB接口、硬盘、锂电池、电压转换模块、A/D转换模块、锁相放大模块、采样开关、数字I/O、功放模块、报警灯、报警信号接口和打印机接口。本发明的有益效果是：避免了信号长距离传输衰减和信号干扰问题，主机内的CPU采用能量谱阈值和相位阈值结合的判定方法实现缺陷信号的自主分析和判定，双重判定避免提离、海洋生物等干扰因素，减少缺陷误判和漏判几率。

Description

一种深海智能存储交流电磁场检测系统及缺陷判定方法

技术领域

本发明涉及海洋结构物无损检测技术领域，特别涉及一种深海智能存储交流电磁场检测系统及缺陷判定方法。

背景技术

随着海洋勘探开发走向深海，各类深海结构装备不断服役。与浅海结构物服役特点不同，深海结构物需要承受更多的压力载荷、洋流载荷及恶劣的风浪载荷，特别是深度超过2000m水深的结构物振动载荷很容易引起结构物焊缝的开裂失效。焊缝是深海结构物连接和制造的常用手段，焊缝开裂失效将危机整个深海结构的寿命安全，因此深海结构物需要定期开展焊缝缺陷的无损检测作业。

深海结构物焊缝缺陷人工难以接触，通常需要ROV携带作业。传统磁粉、渗透检测技术在深海环境难以有效实施。依靠信号线(比如光纤或者电缆)传输无损检测信号的方式在深海，特备是超过2000m水深的环境中造成信号衰减严重，丧失对缺陷的判断能力。在长距离信号传输过程中，信号线的震动、扰动或者海洋生物的干扰容易带来干扰信号，造成对缺陷的误判。采用水下智能存储系统，可以有效避免信号线在深水环境中的干扰。超声检测技术信号复杂，干扰噪声多，深水环境下利用海水当作耦合剂检测效果差，特别是声波信号需要较多的存储空间，不利信号的存储。涡流检测提离高度影响大，不适合深海结构物，特备是焊缝区域的缺陷检测。漏磁检测技术对焊缝不连续区域的缺陷检测效果差，特别是热影响区和木材交界处信号畸变大，容易造成误判。

交流电磁场(ACFM)检测技术能够定量检测缺陷，提离效应小，不需要提前标定，很适合水下结构物缺陷的检测。交流电磁场检测技术特征信号明显，能够利用畸变特征信号判定缺陷的存在，能够依据中央处理器中的程序自动判定，便于实现水下智能存储和判定。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术不足，提供了一种深海智能存储交流电磁场检测系统及缺陷判定方法，整合了水下机器人(ROV)和交流电磁场检测系统，避免了信号长距离传输衰减和信号干扰问题，将检测的缺陷信号存储于水下主机的硬盘中，主机内的CPU采用能量谱阈值和相位阈值结合的判定方法实现缺陷信号的自主分析和判定，双重判定避免提离、海洋生物等干扰因素，减少缺陷误判和漏判几率，通过报警灯显示缺陷的存在，ROV摄像装置对缺陷信号灯的进行监控，存储的数据也可携带至水面以上分析，采用ROV、主机和探头分离设计，可以方便实现三者的组合，可根据工况选择合适的ROV或探头与主机配合，实现超过2000m的深海结构物焊缝缺陷的智能存储检测。

一种深海智能存储交流电磁场检测系统，包括位于水面之下的ROV、安装在ROV内部的主机和位于水面下与主机连接的探头，所述ROV通过脐带缆与水面之上设备通讯，所述主机包括CPU主板、键盘、数据导出接口、SATA转USB接口、硬盘、锂电池、电压转换模块、A/D转换模块、锁相放大模块、采样开关、数字I/O、功放模块、报警灯、报警信号接口和打印机接口，所述探头包括滤波模块、放大模块、U型磁芯、磁场传感器和激励线圈，所述CPU主板分别与键盘、A/D转换模块、报警灯、报警信号接口和打印机接口连接，所述CPU主板整过SATA接口与硬盘连接，所述硬盘通过SATA转USB接口与数据导出接口连接，所述CPU主板通过数字I/O与功放模块连接，所述功放模块与探头内部缠绕在U型磁芯横梁上的激励线圈连接，所述磁场传感器安装在激励线圈中心正下方且通过放大模块与滤波模块连接，所述滤波模块与安装在主机内的采样开关连接，所述采样开关和功放模块均通过锁相放大模块与A/D转换模块连接，所述锂电池通过电压转换模块为整个主机内部供电。

所述ROV包括前后推进器、升降推进器、ROV控制器、脐带缆、摄像头甲、高压泵、摄像头乙、机械手控制器、机械手和高压喷头，所述前后推进器安装在ROV的后部外侧，所述升降推进器安装在ROV的底部外侧，所述ROV控制器安装在ROV内部，ROV控制器分别与前后推进器、升降推进器、脐带缆、摄像头甲、高压泵、摄像头乙和机械手控制器连接，所述摄像头甲安装在主机的报警灯正上方，所述高压泵与安装在探头前端底部的高压喷头连接，所述摄像头乙安装在ROV前端外侧正对机械手和探头位置，所述机械手控制器与机械手连接。

一种深海智能存储交流电磁场检测系统的缺陷判定方法，包括如下步骤：

(1)将主机安装在ROV内部，将探头连接至主机上，将探头加持在ROV的机械手上，将高压喷头安装在探头前端的底部，根据结构物检测区域缺陷识别大小要求，在CPU主板内的软件中提前设置缺陷判定阈值Q和相位判定阈值P；

(2)利用水面上操作设备通过脐带缆控制水下ROV带动探头到达合适的检测区域，水面操作设备通过机械手控制探头扫查的位置和姿态，通过高压泵和高压喷头对待检测区域进行清理；

(3)主机内的CPU主板通过数字I/O发出正弦交流信号S，正弦交流信号通过功放模块放大功率后加载至探头内部的激励线圈上，激励线圈在结构物表面感应出局部均匀的电场，均匀电场遇到结构物表面缺陷产生扰动并引起空间磁场畸变，磁场传感器测得X方向(与探头方向平行)的扰动磁场信号并转化为电信号Ex，磁场传感器测得Z方向(与结构物表面垂直)的扰动磁场信号并转化为电信号Ez；

(4)对于连续信号Ex和Ez经过探头内部的放大和滤波处理后进入主机内的采样开关，经过采样开关的Ex、Ez和参考信号S进入锁相放大模块，根据电磁感应规律，激励信号S和Ex、Ez应为同频正弦信号，利用锁相放大模块可求得Ez的相位Φ_z，Ex、Ez和参考信号S经过锁相放大模块、A/D转换模块进入CPU主板，CPU内部的程序算法可求得Ex的功率谱Q_Ex；

(5)采用逐点方式判断Q_Ex与初始设定阈值Q大小关系，若Q_Ex小于等于Q，则保存数据，对Bz相位求导得到Dz，判断Dz是否满足要求，Dz大于等于相位判定阈值P则视为有效数据，则数据i增加一次；若Dz小于P则按照Bx能量谱阈值曲线递增更新阈值Q并清空保存的缺陷数据，并继续进行阈值大小判定，若Q_Ex大于Q，则舍弃该数据；

(6)判断i是否等于连续点数N，若该缺陷连续N个点满足能量谱和相位导数阈值判定方法则判定缺陷存在；若i不满足连续N个点满足阈值判定方法则视为干扰信号，从新开始数据的判定；

(7)当判断到缺陷存在时，CPU主板通过报警灯发出报警信号，ROV内的摄像头甲观测到报警灯信号并通过ROV控制器和脐带缆传输至水面上，水面上的人员可判定该结构物焊缝处存在缺陷；

(8)ROV携带探头完成焊缝扫查返回水面后，可通过数据导出接口导出硬盘内存储的缺陷数据，进行缺陷的定量分析，可通过打印机接口打印硬盘内存储的数据，形成检测报告。

附图说明

附图1是本发明的系统框图。

附图2是本发明的缺陷智能判定方法。

上图中：ROV(1)、前后推进器(1.1)、升降推进器(1.2)、ROV控制器(1.3)、脐带缆(1.4)、摄像头甲(1.5)、高压泵(1.6)、摄像头乙(1.7)、机械手控制器(1.8)、机械手(1.9)、高压喷头(1.10)、主机(2)、CPU主板(2.1)、键盘(2.2)、数据导出接口(2.3)、SATA转USB接口(2.4)、硬盘(2.5)、SATA接口(2.5.1)、锂电池(2.6)、电压转换模块(2.7)、A/D转换模块(2.8)、锁相放大模块(2.9)、采样开关(2.10)、数字I/O(2.11)、功放模块(2.12)、报警灯(2.13)、报警信号接口(2.14)、打印机接口(2.15)、探头(3)、滤波模块(3.1)、放大模块(3.2)、U型磁芯(3.3)、磁场传感器(3.4)、激励线圈(3.5)、结构物(4)。

具体实施方式

结合附图1，对本发明作进一步的描述：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例和实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明包括位于水面之下的ROV(1)、安装在ROV内部的主机(2)和位于水面下与主机连接的探头(3)，所述ROV通过脐带缆(1.4)与水面之上通讯，所述主机(2)包括CPU主板(2.1)、键盘(2.2)、数据导出接口(2.3)、SATA转USB接口(2.4)、硬盘(2.5)、锂电池(2.6)、电压转换模块(2.7)、A/D转换模块(2.8)、锁相放大模块(2.9)、采样开关(2.10)、数字I/O(2.11)、功放模块(2.12)、报警灯(2.13)、报警信号接口(2.14)和打印机接口(2.15)，所述探头(3)包括滤波模块(3.1)、放大模块(3.2)、U型磁芯(3.3)、磁场传感器(3.4)和激励线圈(3.5)，所述CPU主板(2.1)分别与键盘(2.2)、A/D转换模块(2.8)、报警灯(2.13)、报警信号接口(2.14)和打印机接口(2.15)连接，所述CPU主板(2.1)整过SATA接口与硬盘(2.5)连接，所述硬盘(2.5)通过SATA转USB接口(2.4)与数据导出接口(2.3)连接，所述CPU主板(2.1)通过数字I/O(2.11)与功放模块(2.12)连接，所述功放模块(2.12)与探头内部缠绕在U型磁芯(3.3)横梁上的激励线圈(3.5)连接，所述磁场传感器(3.4)安装在激励线圈(3.5)中心正下方且通过放大模块(3.2)与滤波模块(3.1)连接，所述滤波模块(3.1)与安装在主机(2)内的采样开关(2.10)连接，所述采样开关(2.10)和功放模块(2.12)均通过锁相放大模块(2.9)与A/D转换模块(2.8)连接，所述锂电池(2.6)通过电压转换模块(2.7)为整个主机内部供电。

所述ROV(1)包括前后推进器(1.1)、升降推进器(1.2)、ROV控制器(1.3)、脐带缆(1.4)、摄像头甲(1.5)、高压泵(1.6)、摄像头乙(1.7)、机械手控制器(1.8)、机械手(1.9)和高压喷头(1.10)，所述前后推进器(1.1)安装在ROV的后部外侧，用于为ROV提供前进或后退动力，所述升降推进器(1.2)安装在ROV的底部外侧，用于为ROV提供升降的动力，所述ROV控制器(1.3)安装在ROV内部，ROV控制器(1.3)分别与前后推进器(1.1)、升降推进器(1.2)、脐带缆(1.4)、摄像头甲(1.5)、高压泵(1.6)、摄像头乙(1.7)和机械手控制器(1.8)连接，所述脐带缆(1.4)用于连接ROV(1)和水面控制装置，实现ROV(1)和机械手(1.9)的控制，所述摄像头甲(1.5)安装在主机(2)的报警灯(2.13)正上方，用于监控缺陷报警灯的缺陷报警信号，报警信号也可通过报警信号接口(2.14)与ROV控制器内部接口连接，所述高压泵(1.6)与安装在探头(3)前端底部的高压喷头(1.10)连接，高压泵提供高压水流通过高压喷头对待检测部位附着物进行清理，所述摄像头乙(1.7)安装在ROV前端外侧正对机械手(1.9)和探头(3)位置，用于监控机械手的动作和探头的位置，所述机械手控制器(1.8)与机械手(1.9)连接，机械手用于加持探头并作出相应的动作。

如图1-2所示，一种深海智能存储交流电磁场检测系统的缺陷判定方法，包括如下步骤：

(1)将主机(2)安装在ROV(1)内部，将探头(3)连接至主机(2)上，将探头(2)加持在ROV(1)的机械手(1.9)上，将高压喷头(1.10)安装在探头(3)前端的底部，根据结构物检测区域缺陷识别大小要求，在CPU主板(2.1)内的软件中提前设置缺陷判定阈值Q和相位判定阈值P；

(2)利用水面上操作设备通过脐带缆(1.4)控制水下ROV(1)带动探头(3)到达合适的检测区域，水面操作设备通过机械手(1.9)控制探头(3)扫查的位置和姿态，通过高压泵(1.6)和高压喷头(1.10)对待检测区域进行清理；

(3)主机(2)内的CPU主板(2.1)通过数字I/O(2.11)发出正弦交流信号S，正弦交流信号通过功放模块(2.12)放大功率后加载至探头(3)内部的激励线圈(3.5)上，激励线圈(3.5)在结构物(4)表面感应出局部均匀的电场，均匀电场遇到结构物表面缺陷产生扰动并引起空间磁场畸变，磁场传感器(3.4)测得X方向(与探头方向平行)的扰动磁场信号并转化为电信号Ex，磁场传感器(3.4)测得Z方向(与结构物表面垂直)的扰动磁场信号并转化为电信号Ez；

(4)对于连续信号Ex和Ez经过探头(3)内部的放大和滤波处理后进入主机(2)内的采样开关(2.10)，经过采样开关的Ex、Ez和参考信号S进入锁相放大模块(2.9)，根据电磁感应规律，激励信号S和Ex、Ez应为同频正弦信号，利用锁相放大模块(2.9)可求得Ez的相位Φ_z，Ex、Ez和参考信号S经过锁相放大模块(2.9)、A/D转换模块(2.8)进入CPU主板(2.1)，CPU内部的程序算法可求得Ex的功率谱Q_Ex；

(5)采用逐点方式判断Q_Ex与初始设定阈值Q大小关系，若Q_Ex小于等于Q，则保存数据，对Bz相位求导得到Dz，判断Dz是否满足要求，Dz大于等于相位判定阈值P则视为有效数据，则数据i增加一次；若Dz小于P则按照Bx能量谱阈值曲线递增更新阈值Q并清空保存的缺陷数据，并继续进行阈值大小判定，若Q_Ex大于Q，则舍弃该数据；

(6)判断i是否等于连续点数N，若该缺陷连续N个点满足能量谱和相位导数阈值判定方法则判定缺陷存在；若i不满足连续N个点满足阈值判定方法则视为干扰信号，从新开始数据的判定；

(7)当判断到缺陷存在时，CPU主板(2.1)通过报警灯(2.13)发出报警信号，ROV(1)内的摄像头甲(1.5)观测到报警灯信号并通过ROV控制器(1.3)和脐带缆(1.4)传输至水面上，水面上的人员可判定该结构物焊缝处存在缺陷；

(8)ROV(1)携带探头(3)完成焊缝扫查返回水面后，可通过数据导出接口(2.3)导出硬盘(2.5)内存储的缺陷数据，进行缺陷的定量分析，可通过打印机接口(2.15)打印硬盘(2.5)内存储的数据，形成检测报告。

本发明的有益效果是：提供了一种深海智能存储交流电磁场检测系统及缺陷判定方法，整合了水下机器人(ROV)和交流电磁场检测系统，避免了信号长距离传输衰减和信号干扰问题，将检测的缺陷信号存储于水下主机的硬盘中，主机内的CPU采用能量谱阈值和相位阈值结合的判定方法实现缺陷信号的自主分析和判定，双重判定避免提离、海洋生物等干扰因素，减少缺陷误判和漏判几率，通过报警灯显示缺陷的存在，ROV摄像装置对缺陷信号灯的进行监控，存储的数据也可携带至水面以上分析，采用ROV、主机和探头分离设计，可以方便实现三者的组合，可根据工况选择合适的ROV或探头与主机配合，实现超过2000m的深海结构物焊缝缺陷的智能存储检测。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种深海智能存储交流电磁场检测系统，其特征是：包括位于水面之下的ROV、安装在ROV内部的主机和位于水面下与主机连接的探头，所述ROV通过脐带缆与水面之上设备通讯，所述主机包括CPU主板、键盘、数据导出接口、SATA转USB接口、硬盘、锂电池、电压转换模块、A/D转换模块、锁相放大模块、采样开关、数字I/O、功放模块、报警灯、报警信号接口和打印机接口，所述探头包括滤波模块、放大模块、U型磁芯、磁场传感器和激励线圈，所述CPU主板分别与键盘、A/D转换模块、报警灯、报警信号接口和打印机接口连接，所述CPU主板整过SATA接口与硬盘连接，所述硬盘通过SATA转USB接口与数据导出接口连接，所述CPU主板通过数字I/O与功放模块连接，所述功放模块与探头内部缠绕在U型磁芯横梁上的激励线圈连接，所述磁场传感器安装在激励线圈中心正下方且通过放大模块与滤波模块连接，所述滤波模块与安装在主机内的采样开关连接，所述采样开关和功放模块均通过锁相放大模块与A/D转换模块连接，所述锂电池通过电压转换模块为整个主机内部供电。

2.根据权利要求1所述的一种深海智能存储交流电磁场检测系统，其特征是：所述ROV包括前后推进器、升降推进器、ROV控制器、脐带缆、摄像头甲、高压泵、摄像头乙、机械手控制器、机械手和高压喷头，所述前后推进器安装在ROV的后部外侧，所述升降推进器安装在ROV的底部外侧，所述ROV控制器安装在ROV内部，ROV控制器分别与前后推进器、升降推进器、脐带缆、摄像头甲、高压泵、摄像头乙和机械手控制器连接，所述摄像头甲安装在主机的报警灯正上方，所述高压泵与安装在探头前端底部的高压喷头连接，所述摄像头乙安装在ROV前端外侧正对机械手和探头位置，所述机械手控制器与机械手连接。

3.根据权利要求1所述的一种深海智能存储交流电磁场检测系统的缺陷判定方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将主机安装在ROV内部，将探头连接至主机上，将探头加持在ROV的机械手上，将高压喷头安装在探头前端的底部，根据结构物检测区域缺陷识别大小要求，在CPU主板内的软件中提前设置缺陷判定阈值Q和相位判定阈值P；

(2)利用水面上操作设备通过脐带缆控制水下ROV带动探头到达合适的检测区域，水面操作设备通过机械手控制探头扫查的位置和姿态，通过高压泵和高压喷头对待检测区域进行清理；

(3)主机内的CPU主板通过数字I/O发出正弦交流信号S，正弦交流信号通过功放模块放大功率后加载至探头内部的激励线圈上，激励线圈在结构物表面感应出局部均匀的电场，均匀电场遇到结构物表面缺陷产生扰动并引起空间磁场畸变，磁场传感器测得X方向(与探头方向平行)的扰动磁场信号并转化为电信号Ex，磁场传感器测得Z方向(与结构物表面垂直)的扰动磁场信号并转化为电信号Ez；

(4)对于连续信号Ex和Ez经过探头内部的放大和滤波处理后进入主机内的采样开关，经过采样开关的Ex、Ez和参考信号S进入锁相放大模块，根据电磁感应规律，激励信号S和Ex、Ez应为同频正弦信号，利用锁相放大模块可求得Ez的相位Φ_z，Ex、Ez和参考信号S经过锁相放大模块、A/D转换模块进入CPU主板，CPU内部的程序算法可求得Ex的功率谱Q_Ex；

(5)采用逐点方式判断Q_Ex与初始设定阈值Q大小关系，若Q_Ex小于等于Q，则保存数据，对Bz相位求导得到Dz，判断Dz是否满足要求，Dz大于等于相位判定阈值P则视为有效数据，则数据i增加一次；若Dz小于P则按照Bx能量谱阈值曲线递增更新阈值Q并清空保存的缺陷数据，并继续进行阈值大小判定，若Q_Ex大于Q，则舍弃该数据；

(6)判断i是否等于连续点数N，若该缺陷连续N个点满足能量谱和相位导数阈值判定方法则判定缺陷存在；若i不满足连续N个点满足阈值判定方法则视为干扰信号，从新开始数据的判定；

(7)当判断到缺陷存在时，CPU主板通过报警灯发出报警信号，ROV内的摄像头甲观测到报警灯信号并通过ROV控制器和脐带缆传输至水面上，水面上的人员可判定该结构物焊缝处存在缺陷；

(8)ROV携带探头完成焊缝扫查返回水面后，可通过数据导出接口导出硬盘内存储的缺陷数据，进行缺陷的定量分析，可通过打印机接口打印硬盘内存储的数据，形成检测报告。