CN109373190A - 一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统及实现方法，信号调理模块对隧道磁阻多元传感器阵列探头输出的多通道差分模拟电压信号进行调理；数据信息高速处理模块由FPGA作为主控芯片；管道损伤特征提取及辨识模块由ARM控制实现；由损伤定位模块获取经纬度坐标信息，计算管道检测路由，对损伤处进行定位；结合现场环境对不同管段的磁场信息进行划分并单独处理，同时对15轴数据进行深度挖掘，发挥阵列优势，计算三维损伤磁场信号分别在XYZ三个方向的梯度，构建磁梯度全张量矩阵，实现管道损伤信息的有效提取和辨识；本发明无需外加激励源，为埋地钢质管道地面非开挖检测提供一种可行性方案，具有一定的参考和实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及管道检测领域，具体涉及一种埋地钢质管道损伤地面非开挖检测技术。
背景技术
我国现役油气管道中部分已进入老龄化阶段，由于腐蚀、第三方破坏、自然灾害等原因导致管道事故频发，极易引发爆炸、火灾、中毒等灾难性事故，造成人民生命财产的重大损失，并严重污染环境，社会影响恶劣。因此，为保证管道安全运行，相应的检测设备及技术方法显得尤为重要。
目前，管道检测普遍采用人工巡检和外腐蚀检测方式，都不足以对管道本体做出有效检测，不能从根本上对管道的安全运行状况做出可靠评价。对一些重特大管线会采用内检测技术实现对管道本体的检测，但检测成本极高且对管道运行压力和口径等有较高要求。管体损伤外检测技术主要有TEM瞬变电磁法、德国NoPig多频谐波电流法和俄罗斯MTM检测技术等。其中TEM和NoPig检测仪器笨重、操作复杂，且效率低、精度差，不适用于实际工程中应用和推广；MTM方法也存在抗干扰能力差、检测灵敏度低、存在检测盲区等缺点，在应用于复杂区域管道检测时存在很大的局限性。因此，亟待研究和开发一种能够针对管体本身损伤检测的低成本、高可靠、高效率的地面非开挖检测技术及仪器设备。
依据地磁检测原理,埋地钢质管道作为一种典型的铁磁性构件会在地磁场环境下感应出异于周围地磁场的信号，且在损伤部位会产生一定的漏磁场，使局部信号发生变化。通过隧道磁阻传感器阵列式探头对地磁场异常信号的检测，并采用磁梯度全张量理论，可以实现对管道损伤的诊断识别和定位，以此设计开发了一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统。该系统成本低、可靠性高、应用灵活，能够简捷、高效地实现损伤信息的有效提取和可靠辨识，解决油田集输管道、长输管道、站场管道、城市燃气/热力管道等管体损伤地面非开挖检测技术难题。
发明内容
为解决现有检测设备及方法方面存在的缺陷和不足，本发明提出了一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统及实现方法，采用FPGA与ARM双主控系统及磁梯度全张量理论，设计多元传感器阵列式探头，实现复杂环境下管道损伤地面非开挖磁场信号的可靠辨识和有效提取。
基于地磁理论,埋地钢质管道作为一种典型的铁磁性构件会在地磁场环境下感应出异于周围地磁场的信号，且在损伤部位会产生一定的漏磁场，使局部信号发生变化，通过对地磁场异常信号的检测并结合磁梯度全张量分析方法，可以实现对管道损伤的诊断识别和定位，以此设计开发了一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统。该系统成本低、可靠性高、应用灵活，能够简捷、高效地实现损伤信息的有效提取和可靠辨识，解决油田集输管道、长输管道、站场管道、城市燃气/热力管道等管体损伤地面非开挖检测技术难题。
本发明采用的技术方案为一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统，该系统包括：系统电源管理模块(1)，信号调理模块(2)，全张量地磁检测探头(3)，多元阵列结构(4)，三轴隧道磁阻传感器(5)，数据线(6)，数据信息高速处理模块(7)，数据采集模块(8)，按键控制模块(9)，LED指示模块(10)，FSMC总线(11)，管道损伤特征提取及辨识模块(12)，损伤定位模块(13)，RTC处理模块(14)，LCD显示模块(15)，数据存储模块(16)，上位机(17)，管道损伤全张量地磁检测数据分析单元(18)。
系统电源管理模块(1)连接系统中所有需要供电的单元或模块；全张量地磁检测探头(3)与信号调理模块(2)相连，信号调理模块(2)通过数据线(6)与数据信息高速处理模块(7)相连进而与数据采集模块(8)相连；数据信息高速处理模块(7)还与数据采按键控制模块(9)、LED指示模块(10)相连，且通过FSMC总线(11)与管道损伤特征提取及辨识模块(12)相连；管道损伤特征提取及辨识模块(12)与损伤定位模块(13)、RTC处理模块(14)、LCD显示模块(15)、数据存储模块(16)相连，且损伤定位模块(13)和RTC处理模块(14)能够通过管道损伤特征提取及辨识模块(12)的内部逻辑关系与LCD显示模块(15)和数据存储模块(16)相连；数据存储模块(16)中存储的数据能够通过U盘传输实现与上位机(17)间接相连，进而与管道损伤全张量地磁检测数据分析单元(18)相连。
数据采集和处理流程：首先由数据采集模块(8)控制全张量地磁检测探头(3)采集磁场信号，经过信号调理模块(2)后，由数据线(6)传输到数据信息高速处理模块(7)进行信号处理，再由FSMC总线(11)与管道损伤特征提取及辨识模块(12)桥接实现磁场数据解码和辨识，结合损伤定位模块(13)的经纬度信息和RTC处理模块(14)的检测时间信息，将信号传入LCD显示模块(15)和数据存储模块(16)，最终将保存的数据信息传输到上位机(17)，通过管道损伤全张量地磁检测数据分析单元(18)进行深度处理。此外，按键控制模块(9)和LED指示模块(10)对系统运行状态进行控制和指示。
系统电源管理模块(1)对系统中所使用电压集中设计和管理。为满足实际工程检测需求，采用12V锂电池供电，并由稳压芯片MAX1626和COMS管产生+5V输出电压；LM2662电荷泵的输入电压+5V，输出电压-5V；AMS1117-3.3和AMS1117-2.5的输入电压+5V，输出电压分别为+3.3V和+2.5V；AMS1117-1.2的输入电压+3.3V，输出电压+1.2V。
全张量地磁检测探头(3)是由5个三轴隧道磁阻传感器(5)构成的多元阵列结构(4)，其中1号传感器、2号传感器、4号传感器、5号传感器分别位于正方形检测板的四角，3号传感器位于正方形检测板的中心；全张量地磁检测探头(3)每一轴均以差分电压信号输出，为节省ADC的使用单元，采用八个精密集成运放AD8277设计差分减法电路将信号调理模块(2)设计成单端电压信号输出模式，实现五个三轴隧道磁阻传感器输出15路单端模拟电压信号，并保留1路备用通道。
数据信息高速处理模块(7)采用FPGA主控芯片设计地磁数据采集双ADC控制器、异步双FIFO“乒乓”地磁数据缓冲控制器、按键交互控制器及LED控制器，实现控制器内部指令的高速并行运行以及模块内ADC采样数据的“电压-磁场”反演；地磁数据采集双ADC控制器实现对数据采集模块(8)的控制，异步双FIFO“乒乓”地磁数据缓冲控制器实现对数据流交替缓冲的控制，按键交互控制器和LED控制器分别实现对按键控制模块(9)和LED指示模块(10)的控制；其中双FIFO“乒乓”操作是指在FPGA内部设计FIFO1和FIFO2两个FIFO，实现其读功能和写功能的交替循环，当FIFO1读时FIFO2写，当FIFO1写时FIFO2读。
数据采集模块(8)通过控制两片16bit高速模数转换芯片AD7606，实现五个三轴隧道磁阻传感器的并行数据采集。
按键控制模块(9)实现系统的复位、数据采集的停止与保存、采集文档的关闭与刷新。
LED指示模块(10)设有两个LED指示灯即绿色LED指示灯和红色LED指示灯，绿色LED指示灯和红色LED指示灯分别用于提示系统运行正常和系统死机故障，运行正常为绿色1Hz闪烁，死机故障为红色5Hz闪烁。
管道损伤特征提取及辨识模块(12)采用意法半导体ARM内核的嵌入式32位高性能控制器，通过控制程序对磁场数据解码和辨识，并设计BD/GPS控制器、RTC控制器、LCD控制器和数据存储控制器；BD/GPS控制器实现对管道损伤定位模块(13)的控制，RTC控制器实现对RTC处理模块(14)的控制，LCD控制器实现对LCD显示模块(15)的控制；管道损伤特征提取及辨识模块(12)采集损伤定位模块(13)和RTC处理模块(14)的信息，并传输到LCD显示模块(15)和数据存储模块(16)。
管道损伤定位模块(13)采用BD/GPS双坐标模式通过串口获取NEMA-0183格式地理坐标信息，并传输到LCD显示模块(15)中进行显示和数据存储模块(16)进行存储，依据经纬度坐标计算管道检测路由，并对管道损伤处进行定位。
检测系统中的RTC处理模块(14)由DS1302芯片为检测系统提供当前检测日期和时间，并传输到LCD显示模块(15)中进行显示，同时采用3V锂二氧化锰纽扣电池作为后备电源，防止系统掉电导致时钟芯片工作停止和下次检测时引起的文档命名冲突。
LCD显示模块(15)采用触摸式并口液晶显示器，用于显示检测日期、检测时间、BD/GPS管线坐标信息和五个三轴隧道磁阻传感器在XYZ轴方向的实时磁场数据曲线，并依据单轴磁场曲线切线方向过零点和法向分量有最大值的方法，初步判断管道损伤状况，还能够通过触摸屏实现当前系统日期和时间的调整、文件属性查询以及数据曲线的三级放大和缩小等功能。
数据存储模块(16)由文件管理芯片CH376实现，通过RTC处理模块(13)获取当前系统时间作为文件名，内部存储五个三轴隧道磁阻传感器在XYZ方向的磁场信息和BD/GPS坐标信息，存储格式为TXT，且能够通过控制程序判断文件大小属性，从而实现按键或程控两种方式对文件手动或自动关闭、保存、刷新和新建等功能。
将保存的数据上传至上位机(17)，建立全张量地磁检测数据分析单元(18)，根据五个三轴隧道磁阻传感器在XYZ方向的磁场信息，在上位机(17)中记1号传感器、2号传感器均值为B1，记1号传感器、4号传感器均值为B2，记4号传感器、5号传感器均值为B3，记2号传感器、5号传感器均值为B4，在均值的基础上直接计算出探头中心位置磁场的三轴分量分别在XYZ方向的磁梯度，并与3号传感器数据进行对比和校正，构建磁梯度全张量矩阵G，即Bxx、Bxy、Bxz、Byx、Byy、Byz、Bzx、Bzy、Bzz，实现管道损伤特征的和可靠辨识和有效提取。
此外，系统中信号调理模块(2)与数据信息高速处理模块(7)采用屏蔽双绞数据线(6)进行连接；数据信息高速处理模块(7)与管道损伤特征提取及辨识模块(12)之间采用FSMC总线(11)实现高速桥接通信。
相对于现有技术与实现方法，本发明的有益效果如下：
1、本发明中采用五个三轴隧道磁阻传感器构建多元阵列探头，其中1号传感器、2号传感器、4号传感器、5号传感器分别位于正方形检测板的四角，3号传感器位于检测板中心，记1号传感器、2号传感器均值为B1，记1号传感器、4号传感器均值为B2，记4号传感器、5号传感器均值为B3，记2号传感器、5号传感器均值为B4，在均值的基础上直接计算出探头中心位置磁场的三轴分量分别在XYZ方向的磁梯度，并与3号传感器数据进行对比和校正，构建磁梯度全张量矩阵G，即Bxx、Bxy、Bxz、Byx、Byy、Byz、Bzx、Bzy、Bzz，实现管道损伤特征的和可靠辨识和有效提取，阵列优势和检测效果得到显著增强。
2、本发明设计系统是基于地磁理论的被动式检测方法，无需额外施加激励，且对待检测目标状态要求不高，无需开挖或表面处理，适用于埋地钢质管道本体损伤地面非开挖检测，结合磁梯度全张量分析方法，能够解决油田集输管道、长输管道、站场管道、城市燃气/热力管道等管体损伤地面非开挖检测技术难题
3、本发明为提高系统对管道损伤信号的采集精度和处理速度，采用FPGA与ARM双核主控，前端地磁信号利用FPGA高速并行采集及处理，后端ARM承担本地显示及存储等基本外设功能成度高、灵活性好，方便各种现场环境应用。
4、本发明采用按键和液晶触摸屏实现人机交互，其中液晶用于显示检测日期、检测时间、BD/GPS坐标信息和检测探头XYZ三轴实时数据曲线，能够通过触摸屏实现对日期时间调整、文件属性查询等功能,并通过触摸屏交互实现三级曲线放大和缩小功能，且通过单轴曲线水平方向过零点和法向分量有最大值两方面初步判断管道损伤信息。
5、本发明中采用BD/GPS双定位模块，依据经纬度坐标计算管道检测路由，实现管道损伤定位和实际数据分段，通过经纬度坐标计算实际检测长度，结合实测环境、不同外界干扰物等，对已检管段长度做细节划分，相应管段内的采集信号单独处理。
附图说明
图1为本发明实施例的埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统及实现方法示意图。
图2为本发明实施例的系统电源管理模块示意图，包含各级分化电压。
图3为本发明实施例的信号调理设计原理图，采用集成运放设计成差分减法电路。
图4为本发明实施例的隧道磁阻多元传感器阵列信号调理系统设计。
图5为本发明实施例优选的AD7606与FPGA的接口设计。
图6为本发明实施例中FPGA内部16通道地磁数据流缓冲设计原理示意图。
图7为本发明实施例优选的BD/GPS管道损伤定位和RTC时钟与ARM的接口设计。
图8为本发明实施例的触摸屏液晶与ARM的接口设计。
图9为本发明实施例优选的CH376文件管理芯片与ARM的接口设计。
图10为本发明实施例的存储内容及格式。
图11为本发明实施例的FPGA与ARM桥接通信示意图。
图12为本发明实施例的硬件系统程序执行图。
图13为本发明实施例的实现流程图。
具体实施方式
本发明所述的一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统及实现方法基于地磁理论和磁梯度全张量分析方法，设计多元传感器阵列式探头，采用FPGA与ARM双主控内核控制各模块之间协同实现目标磁场检测，进而实现埋地钢质管道本体损伤的地面非开挖诊断识别和定位。图1是本发明的埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统及实现方法示意图，包括：系统电源管理模块(1)、信号调理模块(2)、全张量地磁检测探头(3)、多元阵列结构(4)、三轴隧道磁阻传感器(5)、数据线(6)、数据信息高速处理模块(7)、数据采集模块(8)、按键控制模块(9)、LED指示模块(10)、FSMC总线(11)、管道损伤特征提取及辨识模块(12)、损伤定位模块(13)、RTC处理模块(14)、LCD显示模块(15)、数据存储模块(16)、上位机(17)、管道损伤全张量地磁检测数据分析单元(18)。
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步描述。
系统电源管理模块(1)对系统中所使用电压集中设计和管理，如图2所示。为满足实际工程检测需求，优选的采用12V锂电池供电，并由稳压芯片MAX1626和COMS管产生+5V输出电压；LM2662电荷泵的输入电压+5V，输出电压-5V；AMS1117-3.3和AMS1117-2.5的输入电压+5V，输出电压分别为+3.3V和+2.5V；AMS1117-1.2的输入电压+3.3V，输出电压+1.2V。
全张量地磁检测探头(3)是由五个三轴隧道磁阻传感器(5)构成的多元阵列结构(4)，其中1号、2号、4号、5号传感器分别位于正方形检测板的四角，3号传感器位于检测板中心；探头每一轴均以差分电压信号输出，为节省ADC的使用单元，优选的采用8个精密集成运放AD8277设计差分减法电路将信号调理模块(2)设计成单端电压信号输出模式，实现五个三轴隧道磁阻传感器输出15路单端模拟电压信号，并保留1路备用通道。设计原理如图3所示，其中u_表示放大器反向输入端电压，u+表示放大器同向输入端电压，uI1表示整个放大电路的反向输入端电压，uI2表示整个放大电路的同向输入端电压，uO表示整个放大电路的输出端电压，iI放大电路的反向输入端电流，iF表示反馈电路的电流，R1表示放大器反向输入端电阻，R2表示放大器同向输入端电阻，R3表示放大器同向输入端接地电阻，RF表示放大器反馈电阻。依据运算放大器固有特性，工作在线性区时有“虚短”和“虚断”性质，因此可进行下列计算，如公式(1)、(2)。
令(1)＝(2)得
当R1＝R2且RF＝R3时，可得
当RF＝R1时，可得
uo＝uI2-uI1 (5)
公式(5)即差动放大增益为1的差分减法运算电路设计结果，可将差分信号转化为单端信号。
进一步的，信号调理模块(2)中优选的精密集成运放AD8277内部电阻R1＝R2＝R3＝RF＝40KΩ，将芯片的SENSE引脚与OUT引脚并联形成反馈电路，同时将REF引脚接地，实现上述功能。图4为探头及信号调理设计示意图，其中19为多元阵列探头结构、20为4号隧道磁阻传感器阵元、21为8个精密集成运放AD8277单元。
数据信息高速处理模块(7)优选的采用Altera公司Cyclone IV系列的EP4CE6E22C8FPGA主控芯片，设计地磁数据采集双ADC控制器、异步双FIFO“乒乓”地磁数据缓冲控制器、按键交互控制器及LED控制器，实现控制器内部指令的高速并行运行以及模块内ADC采样数据的“电压-磁场”反演，其反演规则由传感器性能及传感器供电电压决定。
进一步的，数据信息高速处理模块(7)内部设计异步双FIFO“乒乓”操作方式，系统采集到的磁场数据按顺序编为16通道，时钟采用32MHz，每个通道速度控制为2MHz。该时钟由50M晶振时钟通过内部PLL产生的，此外整个系统复位也采用全局同步复位设计。当对FIFO1写时，自动切换为对FIFO2读，当对FIFO2写时，再切换为对FIFO1读，FIFO的写时钟与ADC的控制时钟同步，读时钟由ARM主动控制。整个过程数据流控制如图6所示。FIFO内部设置了写满标志和读空标志，通过双方时钟设计与存储深度配合，实现跨时钟域的有效配合，并防止了数据溢出和读取出错。
数据采集模块(8)优选的采用两片16bit高速模数转换芯片AD7606，实现五个三轴隧道磁阻传感器的并行数据采集。为节约主控IO资源，AD7606配置采用上拉/下拉电阻实现，REF SELECT第34脚设置上拉，使用内部基准电压2.5V；PAR/SER/BYTE SEL第6脚设置下拉，选择并行模式；RANGE第8脚设置下拉，选择模拟信号输入范围为±5V，同时OS[2:0]设置下拉，选择过采样倍率为0且达到最大吞吐速度200KHz。如图5所示为优选的AD7606与FPGA接口示意图，将CONVSTA与CONVSTB引脚并联共用CONVST信号上升沿启动所有模拟输入通道同步采样。通过BUSY信号告知FPGA用户正在进行转换，当施加CONVST上升沿时，BUSY变为逻辑高电平，转换过程结束时，BUSY变为逻辑低电平。BUSY信号的下降沿用来使所有8个采样保持放大器返回跟踪模式，同时表示当前可以从并行总线DB[15:0]读取出各通道的采样数据。
按键控制模块(9)采用电阻下拉式检测，实现系统的复位、数据采集的停止与保存、采集文档的关闭与刷新；LED指示模块(10)设有两个LED指示灯即绿色LED指示灯和红色LED指示灯，绿色LED指示灯和红色LED指示灯分别用于提示系统运行正常和系统死机故障，运行正常为绿色1Hz闪烁，死机故障为红色5Hz闪烁。
管道损伤特征提取及辨识模块(12)优选的采用意法半导体ARM Crotex-M3内核的嵌入式32位高性能控制器STM32F103ZET6，通过控制程序对磁场数据解码和辨识，并设计BD/GPS控制器、RTC控制器、LCD控制器和数据存储控制器。
管道损伤定位模块(13)采用BD/GPS双坐标模式通过串口获取NEMA-0183格式地理坐标信息，获取频率设定为5Hz，依据经纬度坐标计算管道检测路由，结合实测环境、不同外界干扰物等，对已检测管段长度做细节划分，相应管段内的采集信号单独处理，保证对管道损伤处有效定位。检测系统中的RTC处理模块(14)优选的采用DS1302芯片为检测系统提供当前检测日期和时间，在芯片的RST引脚、I/O引脚、SCLK引脚各加一个4.7K上拉电阻，同时采用3V锂二氧化锰纽扣电池CR1220作为后备电源接在VCC2引脚，防止系统掉电导致时钟芯片工作停止和下次检测时引起的文档命名冲突。损伤坐标定位及RTC设计如图7所示。
LCD显示模块(15)优选的采用7寸64K真彩触摸屏，通过标准的16位8080接口与ARM进行通信,硬件接口设计如图8所示。液晶用于显示检测日期、检测时间、BD/GPS管线坐标信息和检测探头XYZ三轴实时数据曲线，同时可实现对日期时间调整、文件属性查询等功能；液晶显示界面提前设计为JPG格式图片预存在LCD内部，防止占用主CPU时间；曲线显示界面中设计有“放大”“缩小”“退出”交互功能按键，通过将屏幕图像触控点与内部程控回调函数进行衔接，实现三级曲线放大和缩小功能，且通过单轴曲线水平方向过零点和法向分量有最大值两方面初步判断管道损伤信息。此外，系统中采集信号为有符号型数值(补码形式)，但液晶显示数据格式为无符号型，将图像显示设定为632*325像素区域，将实际数值扩大10000倍保留小数点后四位小数，并以中心像素为基准向上平移0x4E20；将补码形式的数据去掉符号位后，如果正值就在中心像素加上该值，如果是负值就在中心像素减掉该值；曲线显示时，像素点自动加1，整屏显示完毕后自动向左侧平移。
数据存储模块(16)优选的采用文件管理芯片CH376实现，如图9所示。芯片支持USB主机方式和USB设备方式，为使用方便并实现热插拔，系统采用32G的U盘作为存储介质；设计中芯片配置方式通过对WR#引脚和RD#引脚下拉，PCS#引脚、A0引脚、RXD引脚和TXD引脚上拉，实现USB-HOST主机6MHz速度的SPI模式配置；U盘内数据保存为TXT格式，文件名为从RTC单元获取的日期和时间“月-日-时-分/05201314”，其中名字包括扩展名为大写；存储内容(如图10)为5个三轴隧道磁阻传感器在XYZ方向的磁场信息和BD/GPS坐标信息；通过按键手动停止外，还设计程序控制判断文件大于200M时，实现对文件自动关闭、保存、刷新和新建等功能。
此外，系统中信号调理模块(2)与数据信息高速处理模块(7)采用屏蔽双绞数据线(6)进行连接；数据信息高速处理模块(7)与管道损伤特征提取及辨识模块(12)之间采用FSMC总线(11)实现高速桥接通信，如图11所示。
将保存的数据上传至上位机(17)，建立全张量地磁检测数据分析单元(18)，由隧道磁阻多元传感器阵列构建磁梯度全张量间接表达式，见公式(6)，即正方形探头检测板中心位置矢量磁场在XYZ方向上的变化率。
式中：i,j＝x,y,z，j1和j2表示在相应方向上相距Δd的两个传感器，和表示传感器采集的磁场值。
直角坐标系下磁感应强度可表示为矢量形式，如公式(7)，
B(x,y,z)＝Bx(x,y,z)i+By(x,y,z)j+Bz(x,y,z)k (7)
式中:i、j、k分别表示x、y、z方向的单位向量，Bx(x,y,z)、By(x,y,z)、Bz(x,y,z)分别为磁感应强度在x、y、z方向的大小。
图4中，1号、2号、3号、4号、5号均表示三轴隧道磁阻传感器阵元，直接得到磁感应强度为Bi＝(Bix,Biy,Biz),(i＝1,2,3,4,5)。记1号传感器、2号传感器均值为B1，记1号传感器、4号传感器均值为B2，记4号传感器、5号传感器均值为B3，记2号传感器、5号传感器均值为B4，求均值可得到阵列中心位置磁感应强度B0，其中3号传感器磁场数据用于与B0偏差校准。因此由阵列探头采集的数据能够直接计算和构建全张量矩阵G，如公式(8)所示。
式中d表示基线距离，即正方形阵列(如图4中19所示)中1号传感器和2号传感器、1号传感器和4号传感器、2号传感器和5号传感器、4号传感器和5号传感器之间的距离。
通过全张量矩阵G的计算，反演出实际管道损伤处(x，y，z)三维坐标位置，从而实现管道损伤特征的和可靠辨识和有效提取。
如图12所示，为硬件系统程序执行图，包括各模块初始化、地磁数据采样、数据转换、存储和显示等。
如图13所示，为本发明所述系统的实现流程图。步骤如下：
步骤一，由五个三轴隧道磁阻传感器构成多元阵列结构的全张量地磁检测探头；
步骤二，由本发明系统中的FPGA及相关模块，控制探头进行磁场信号高速采集，并将模拟电压反演成磁感应强度；
步骤三，由本发明系统中的ARM及相关模块，将采集的日期/时间、BD/GPS坐标及磁场数据在液晶中进行显示，并保存于U盘中；
步骤四，在上位机中进行深度处理，对阵列中各传感器数据进行梯度计算，构建全张量矩阵；
步骤五，由张量矩阵进行反演计算，并利用BD/GPS坐标信息，确定出管道实际损伤位置。
以上所述仅为本发明的优选实施例，该实施例并不用于限制发明本身，凡在本发明精神和原理之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统，其特征在于：该系统包括：系统电源管理模块(1)，信号调理模块(2)，全张量地磁检测探头(3)，多元阵列结构(4)，三轴隧道磁阻传感器(5)，数据线(6)，数据信息高速处理模块(7)，数据采集模块(8)，按键控制模块(9)，LED指示模块(10)，FSMC总线(11)，管道损伤特征提取及辨识模块(12)，损伤定位模块(13)，RTC处理模块(14)，LCD显示模块(15)，数据存储模块(16)，上位机(17)，管道损伤全张量地磁检测数据分析单元(18)；
系统电源管理模块(1)连接系统中所有需要供电的单元或模块；全张量地磁检测探头(3)与信号调理模块(2)相连，信号调理模块(2)通过数据线(6)与数据信息高速处理模块(7)相连进而与数据采集模块(8)相连；数据信息高速处理模块(7)还与数据采按键控制模块(9)、LED指示模块(10)相连，且通过FSMC总线(11)与管道损伤特征提取及辨识模块(12)相连；管道损伤特征提取及辨识模块(12)与损伤定位模块(13)、RTC处理模块(14)、LCD显示模块(15)、数据存储模块(16)相连，且损伤定位模块(13)和RTC处理模块(14)能够通过管道损伤特征提取及辨识模块(12)的内部逻辑关系与LCD显示模块(15)和数据存储模块(16)相连；数据存储模块(16)中存储的数据能够通过U盘传输实现与上位机(17)间接相连，进而与管道损伤全张量地磁检测数据分析单元(18)相连。
2.根据权利要求1所述的一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统，其特征在于：数据采集和处理流程：首先由数据采集模块(8)控制全张量地磁检测探头(3)采集磁场信号，经过信号调理模块(2)后，由数据线(6)传输到数据信息高速处理模块(7)进行信号处理，再由FSMC总线(11)与管道损伤特征提取及辨识模块(12)桥接实现磁场数据解码和辨识，结合损伤定位模块(13)的经纬度信息和RTC处理模块(14)的检测时间信息，将信号传入LCD显示模块(15)和数据存储模块(16)，最终将保存的数据信息传输到上位机(17)，通过管道损伤全张量地磁检测数据分析单元(18)进行深度处理；此外，按键控制模块(9)和LED指示模块(10)对系统运行状态进行控制和指示。
3.根据权利要求1所述的一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统，其特征在于：系统电源管理模块(1)对系统中所使用电压集中设计和管理；为满足实际工程检测需求，采用12V锂电池供电，并由稳压芯片MAX1626和COMS管产生+5V输出电压；LM2662电荷泵的输入电压+5V，输出电压-5V；AMS1117-3.3和AMS1117-2.5的输入电压+5V，输出电压分别为+3.3V和+2.5V；AMS1117-1.2的输入电压+3.3V，输出电压+1.2V。
4.根据权利要求1所述的一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统，其特征在于：全张量地磁检测探头(3)是由5个三轴隧道磁阻传感器(5)构成的多元阵列结构(4)，其中1号传感器、2号传感器、4号传感器、5号传感器分别位于正方形检测板的四角，3号传感器位于正方形检测板的中心；全张量地磁检测探头(3)每一轴均以差分电压信号输出，为节省ADC的使用单元，采用八个精密集成运放AD8277设计差分减法电路将信号调理模块(2)设计成单端电压信号输出模式，实现五个三轴隧道磁阻传感器输出15路单端模拟电压信号，并保留1路备用通道。
5.根据权利要求1所述的一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统，其特征在于：数据信息高速处理模块(7)采用FPGA主控芯片设计地磁数据采集双ADC控制器、异步双FIFO“乒乓”地磁数据缓冲控制器、按键交互控制器及LED控制器，实现控制器内部指令的高速并行运行以及模块内ADC采样数据的“电压-磁场”反演；地磁数据采集双ADC控制器实现对数据采集模块(8)的控制，异步双FIFO“乒乓”地磁数据缓冲控制器实现对数据流交替缓冲的控制，按键交互控制器和LED控制器分别实现对按键控制模块(9)和LED指示模块(10)的控制；双FIFO“乒乓”操作是指在FPGA内部设计FIFO1和FIFO2两个FIFO，实现其读功能和写功能的交替循环，当FIFO1读时FIFO2写，当FIFO1写时FIFO2读。
6.根据权利要求1所述的一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统，其特征在于：数据采集模块(8)通过控制两片16bit高速模数转换芯片AD7606，实现五个三轴隧道磁阻传感器的并行数据采集。
7.根据权利要求1所述的一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统，其特征在于：按键控制模块(9)实现系统的复位、数据采集的停止与保存、采集文档的关闭与刷新。
8.根据权利要求1所述的一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统，其特征在于：LED指示模块(10)设有两个LED指示灯即绿色LED指示灯和红色LED指示灯，绿色LED指示灯和红色LED指示灯分别用于提示系统运行正常和系统死机故障，运行正常为绿色1Hz闪烁，死机故障为红色5Hz闪烁。
9.根据权利要求1所述的一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统，其特征在于：管道损伤特征提取及辨识模块(12)采用意法半导体ARM内核的嵌入式32位高性能控制器，通过控制程序对磁场数据解码和辨识，并设计BD/GPS控制器、RTC控制器、LCD控制器和数据存储控制器；BD/GPS控制器实现对管道损伤定位模块(13)的控制，RTC控制器实现对RTC处理模块(14)的控制，LCD控制器实现对LCD显示模块(15)的控制；管道损伤特征提取及辨识模块(12)采集损伤定位模块(13)和RTC处理模块(14)的信息，并传输到LCD显示模块(15)和数据存储模块(16)；
管道损伤定位模块(13)采用BD/GPS双坐标模式通过串口获取NEMA-0183格式地理坐标信息，并传输到LCD显示模块(15)中进行显示和数据存储模块(16)进行存储，依据经纬度坐标计算管道检测路由，并对管道损伤处进行定位；
检测系统中的RTC处理模块(14)由DS1302芯片为检测系统提供当前检测日期和时间，并传输到LCD显示模块(15)中进行显示，同时采用3V锂二氧化锰纽扣电池作为后备电源，防止系统掉电导致时钟芯片工作停止和下次检测时引起的文档命名冲突；
LCD显示模块(15)采用触摸式并口液晶显示器，用于显示检测日期、检测时间、BD/GPS管线坐标信息和五个三轴隧道磁阻传感器在XYZ轴方向的实时磁场数据曲线，并依据单轴磁场曲线切线方向过零点和法向分量有最大值初步判断管道损伤状况，还能够通过触摸屏实现当前系统日期和时间的调整、文件属性查询以及数据曲线的三级放大和缩小等功能；
数据存储模块(16)由文件管理芯片CH376实现，通过RTC处理模块(13)获取当前系统时间作为文件名，内部存储五个三轴隧道磁阻传感器在XYZ方向的磁场信息和BD/GPS坐标信息，存储格式为TXT，且能够通过控制程序判断文件大小属性，从而实现按键或程控两种方式对文件手动或自动关闭、保存、刷新和新建功能；
将保存的数据上传至上位机(17)，建立全张量地磁检测数据分析单元(18)，根据五个三轴隧道磁阻传感器在XYZ方向的磁场信息，在上位机(17)中记1号传感器、2号传感器均值为B1，记1号传感器、4号传感器均值为B2，记4号传感器、5号传感器均值为B3，记2号传感器、5号传感器均值为B4，在均值的基础上直接计算出探头中心位置磁场的三轴分量分别在XYZ方向的磁梯度，并与3号传感器数据进行对比和校正，构建磁梯度全张量矩阵G，即Bxx、Bxy、Bxz、Byx、Byy、Byz、Bzx、Bzy、Bzz，实现管道损伤特征的和可靠辨识和有效提取；
系统中信号调理模块(2)与数据信息高速处理模块(7)采用屏蔽双绞数据线(6)进行连接；数据信息高速处理模块(7)与管道损伤特征提取及辨识模块(12)之间采用FSMC总线(11)实现高速桥接通信。
10.利用权利要求1所述系统进行的一种埋地钢质管道损伤全张量地磁检测系统实现方法，其特征在于：步骤一，由五个三轴隧道磁阻传感器构成多元阵列结构的全张量地磁检测探头；
步骤二，由本发明系统中的FPGA及相关模块，控制探头进行磁场信号高速采集，并将模拟电压反演成磁感应强度；
步骤三，由本发明系统中的ARM及相关模块，将采集的日期/时间、BD/GPS坐标及磁场数据在液晶中进行显示，并保存于U盘中；
步骤四，在上位机中进行深度处理，对阵列中各传感器数据进行梯度计算，构建全张量矩阵；
步骤五，由张量矩阵进行反演计算，并利用BD/GPS坐标信息，确定出管道实际损伤位置。
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