CN109491306B - 动态磁检测探头及电磁控阵方法 - Google Patents

动态磁检测探头及电磁控阵方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种动态磁检测探头及电磁控阵方法，所述动态磁检测探头包括动磁检测模块、主控制器模块和通信模块。主控制器模块与所述动磁检测模块电连接。通信模块与所述主控制器模块通讯连接，所述主控制器模块将采集到的数据传输给所述通信模块。本发明提供的一种动态磁检测探头可以检测尺度较小的缺陷并精度较高。

Description

动态磁检测探头及电磁控阵方法
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种动态磁检测探头及电磁控阵方法。
背景技术
油气管道缺陷内检测技术与装备的工业化、实用化意义重大。
漏磁检测是目前国内外业已形成的管道缺陷内检测技术。漏磁检测技术是基于永磁铁提供的恒定磁场磁化检测区域管壁，通过霍尔传感器等磁场感测元件测量由管壁缺陷所产生的漏磁信号，根据漏磁信号特征识别管道缺陷信息。
漏磁检测一般只能检测腐蚀等尺度较大的缺陷，而对于裂纹等尺度较小的缺陷检测精度很差。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种对尺度较小的缺陷检测精度高的动态磁检测探头及电磁控阵方法，所述动态磁检测探头包括：
动磁检测模块，用于采集磁信号；
主控制器模块，与所述动磁检测模块电连接，用于控制所述动磁检测模块的工作时序；
通信模块，与所述主控制器模块通讯连接，所述主控制器模块将采集到的数据传输给所述通信模块。
在一个实施例中，所述动磁检测模块包括：
磁场激励线圈和差分接收线圈；
所述磁场激励线圈导通脉冲电流，并在所述脉冲电流的下降时所述差分接收线圈接收磁场信号。
在一个实施例中，所述动磁激励线圈包括绕制在PCB电路板上的多层螺旋
导线；
所述差分接收线圈包括绕制在PCB电路板上的前后差分式的多层螺旋导线。
在一个实施例中，所述动磁检测模块还包括：高频脉冲电流发生装置，与所述磁场激励线圈电连接，以使所述磁场激励线圈导通高频脉冲电流。
在一个实施例中，所述高频脉冲电流发生装置包括金属氧化物半导体场效应晶体管，用于产生高频脉冲电流。
在一个实施例中，所述主控制器模块包括CPLD可编程逻辑器件、时钟芯片、复位芯片、和JTAG程序配置接口，所述时钟芯片、复位芯片、和JTAG程序配置接口分别与所述CPLD可编程逻辑器件电连接。
在一个实施例中，所述CPLD可编程逻辑器件包括：时序控制单元和数据传输控制单元，所述时序控制单元和所述数据传输控制单元与所述通信模块电连接，用于给所述通信模块发送采集数据的时序并驱动所述通信模块。
在一个实施例中，所述动态磁检测探头还包括：希尔伯特变换模块，所述希尔伯特变换模块包括与所述动磁检测模块电连接的希尔伯特变换器，用于对所述磁信号进行希尔伯特变化。
在一个实施例中，所述希尔伯特变换模块还包括：
第一低噪声放大器，设置在所述希尔伯特变换器和所述动磁检测模块之间；
第二低噪声放大器，连接于所述希尔伯特变换器信号输出端；
低通滤波器，设置在所述希尔伯特变换器和所述第二低噪声放大器之间。
在一个实施例中，所述动态磁检测探头还包括与所述主控制器模块电连接的漏磁检测装置，所述漏磁检测装置为多通道霍尔芯片阵列，每个通道包括X、 Y、Z轴三个垂直方向的霍尔芯片，用于检测空间漏磁信号。
本发明还提供一种电磁控阵方法，包括：
提供多个权利要求任一前述动态磁检测探头；
通过控制系统，采用序贯控制方法通过序贯控制阵对所述动态磁检测探头进行控制。
本发明所提供的动态磁检测探头通过采用动磁检测模块可检测出待测物具有较小尺度缺陷时显示出的缺陷信息。本发明可以检测尺度较小的缺陷并精度较高。
附图说明
图1为一个实施例的磁场检测探头的结构示意图；
图2为另一个实施例的磁场检测探头的结构示意图；
图3为一个实施例的磁场检测探头的采集时序图；
图4为一个实施例的磁场检测探头中的软件流程图；
图5为一个实施例的磁场检测探头的实测X轴漏磁信号三维波形图；
图6为一个实施例的磁场检测探头的实测Y轴漏磁信号三维波形图；
图7为一个实施例的磁场检测探头的实测Z轴漏磁信号三维波形图；
图8为一个实施例的磁场检测探头的实测外表面缺陷动磁信号波形图；
图9为一个实施例的磁场检测探头的实测内表面缺陷动磁信号波形图；
图10为一个实施例的电磁控阵方法的序贯控制阵列示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明的技术方案，并不用于限定本发明的技术方案。
请参阅图1，为本发明一个实施例提供的一种磁场检测探头10，包括：动磁检测模块200、主控制器模块300和通信模块400。主控制器模块300与所述动磁检测模块200电连接。通信模块400与所述主控制器模块300通讯连接，所述主控制器模块300将采集到的数据传输给所述通信模块400。所述磁场检测探头10还包括壳体100，所述动磁检测模块200、所述主控制器模块300和所述通信模块400设置在所述壳体100内。
当检测输油管道时，本发明的磁场检测探头10在所述输油管道内运动进行磁场检测。所述动磁检测模块200用于采集磁信号。所述磁信号为所述磁场检测探头10所在位置上的磁场信号。
本实施中的动态磁检测探头10，通过采用动磁检测模块200可检测出待测物具有较小尺度缺陷时显示出的缺陷信息。所述动磁检测模块200探头移动局部感应从而得到磁场演化，因此本发明可以检测尺度较小的缺陷并精度较高。
在一个实施例中，所述动磁检测模块200包括磁场激励线圈210和差分接收线圈220。所述磁场激励线圈210导通脉冲电流，并在所述脉冲电流的下降沿所述差分接收线圈220接收磁场信号，以获得信噪比更高接的收信号。在一个实施例中，所述动磁激励线圈210为绕制在PCB电路板上的多层螺旋导线。所述差分接收线圈220为绕制在PCB电路板上的前后差分式的多层螺旋导线。多层螺旋导线可以有效消除干扰磁信号，提高了磁信号的信噪比。
在一个实施例中，所述动磁检测模块200还包括高频脉冲电流发生装置230。所述高频脉冲电流发生装置230与所述磁场激励线圈210电连接，以使所述磁场激励线圈210导通高频脉冲电流。在一个实施例中，所述高频脉冲电流发生装置230包括金属氧化物半导体场效应晶体管，用于产生高频脉冲电流。
在一个实施例中，所述主控制器模块300可包括CPLD可编程逻辑器件、时钟芯片、复位芯片、和JTAG程序配置接口。所述时钟芯片、所述复位芯片、和所述JTAG程序配置接口分别与所述CPLD可编程逻辑器件电连接。
在一个实施例中，所述CPLD可编程逻辑器件包括时序控制单元和数据传输控制单元。所述时序控制单元和所述数据传输控制单元与所述通信模块电连接，用于给所述通信模块发送采集数据的时序并驱动所述通信模块。
在一个实施例中，所述通信模块400包括查分双工通信芯片。传输距离远，传输速度达50Mbps，可以有效抵抗外界电磁干扰。
请参阅图2，在一个实施例中，所述动态磁检测探头10还包括希尔伯特变换模块500。所述希尔伯特变换模块500包括与所述动磁检测模块200电连接的希尔伯特变换器，用于对所述磁信号进行希尔伯特变化。希尔伯特模块400的采用提高所述动磁检测模块200输出的磁信号的信噪比、延长所述磁信号观测时间、模拟信息转换的作用。
在一个实施例中，所述希尔伯特变换模块500还包括：
第一低噪声放大器，设置在所述希尔伯特变换器和所述动磁检测模块200
之间；
第二低噪声放大器，连接于所述希尔伯特变换器信号输出端；
低通滤波器，设置在所述希尔伯特变换器和所述第二低噪声放大器之间。
所述第一低噪声放大器接收所述动磁检测模块200输出的磁信号，对所述磁信号进行放大。放大后的磁信号输入到所述希尔伯特变换器进行希尔伯特变换。经过所述希尔伯特变换器变换过的磁信号，输入到所述低通滤波器消除所述磁信号中的高频噪声。然后消除了高频噪声的所述磁信号再经过所述第二低噪声放大器进行放大。
在一个实施例中，所述动态磁检测探头还包括漏磁检测装置600。所述漏磁检测装置600与所述主控制器模块300电连接。所述漏磁检测装置600为多通道霍尔芯片阵列，所述多通道霍尔芯片阵列中的每个通道霍尔芯片阵列包括X、 Y、Z轴三个垂直方向的霍尔芯片，用于检测空间漏磁信号。图2所示，在一个实施例中，所述多通道霍尔芯片阵列为四个多通道霍尔芯片阵列。同时采用漏磁检测装置600和动磁检测模块200即融合漏磁检测后动磁检测，使所述磁场检测探头10即能检测管道等待测物上大尺度的缺陷又能检测小尺度缺陷，提升了应用范围和精度，扩大了所述磁场检测探头10的应用。
图3为在一个实施例中所述主控制器模块300所采用的时序控制图。
请参阅图3，当第N次采集指令的下降沿触发结束后，所述的主控制器模块300首先控制漏磁检测装置600进行采集工作，进行选通和模数采样，传输至主控制器模块300，所述主控制器模块300再通过通信模块400，将此时的采 20集数据发送至数据集线装置。所述的漏磁检测数据之间采用严格的采样顺序：首先采样第一通道X轴霍尔芯片、其次第二通道X轴霍尔芯片，4通道X 轴霍尔芯片采样结束后，开始Y轴霍尔芯片的采样，最后Z轴霍尔芯片完成采样。通过上述方式，在计算机分析软件上，也根据此先后顺序绘制各通道数据曲线图。所述漏磁检测数据采集、采样和发送共占用T1时间长度，所述探头10 的时钟工作频率可以为20-50MHz，则T1时间长度可以为80-100μs。
进一步地，在漏磁检测数据与动磁检测数据之间可以存在空闲时间间隙，防止两个模块采集工作之间的干扰，保证采集数据的质量。空闲时间间隙可以为T2＝10μs。
所述动磁检测数据的获得包括所述动磁检测模块200在所述动磁激励线圈导通脉冲电流，并在所述脉冲电流处在下降沿时所述差分接收线圈220采集动磁信号，并通过所述希尔伯特变换模块500得到所述动磁信号希尔伯特变换的变化信号，最后经由所述通信模块400将数据发送至数据集线装置。在所述脉冲电流处在下降沿时所述差分接收线圈220采集动磁信号使得采集到的磁信号信噪比提高。所述动磁检测数据占用T3时间长度，所述探头的时钟工作频率可以为50MHz，则T3时间长度可以为50μs。所述探头工作时序占用总时长为 T1+T2+T3＝160μs。油气管道内检测机器人可以采用2mm间距的里程触发模式，则当内检测机器人移动速度达到12m/s时，将产生周期约为166μs的采集指令。本发明提出的内检测器探头工作时序为160μs左右，小于166μs的采样周期。因此，本发明提出的基于电磁控阵技术的油气管道内检测器探头能够在高达12m/s 的移动速度下，可稳定地完成油气管道金属内、外金属缺陷的检测，而传统上探头在如此高的移动速度下不能稳定开展检测工作。
图4所示，在一个实施例中，所述磁场检测探头10的工作流程图。首先，对所述磁场检测探头10进行复位。所述主控制器模块300接收采集指令后启动所述漏磁检测装置600进行漏磁检测。漏磁检测工作结束后启动所述动磁检测模块200。所述动磁激励线圈210导通脉冲电流，在脉冲电流的下降沿处，所述差分接收线圈220采集动磁信号，并通过所述希尔伯特变换模块500提取动磁信号希尔伯特变换的波形极性。最后，所述通信模块400负责发送上述采集的漏磁信号和动磁信号。
图5、图6和图7分别给出才用一个实施例所述磁场检测探头10经过半径为10mm，深度为5mm缺陷时的X轴、Y轴和Z轴多通道漏磁数据曲线图。X 轴漏磁数据波形呈现单峰分布，Y轴和Z轴数据呈现双峰分布。
图8和图9中，标识“ID”表示内表面，标识“OD”表示外表面，标识“ID20-20-6”表示长度为20mm，宽度为20mm，深度为6mm的内表面缺陷。图 8为缺陷在外表面时的动磁响应。图9为缺陷在内表面时的动磁响应。当探头经过外表面缺陷时，其动磁信号希尔伯特变换的波形极性为先为正、后为负。反之，当探头经过内表面缺陷时，其动磁信号希尔伯特变换的波形极性为先为负、后为正。实际曲线显示结果与上述发明内容中的描述一致，表明本发明提出的基于电磁控阵技术的油气管道内检测器探头能够通过动磁信号的希尔伯特变换波形的极性来分辨金属缺陷的内外壁分布。
请参阅图10，本实施例还提供一种电磁控阵方法，包括：
S100’提供多个任一前述的磁场检测探头；
S200’通过控制系统，采用序贯控制方法通过序贯控制阵列对所述磁场检测探头进行控制。
具体地，图10中的模块1对应一个所述磁场检测探头10，也就是由多个所述磁场检测探头10组成一个整体的检测系统。控制模块为控制系统。所述控制模块通过序贯控制方法分配具体的采集工作时序控制不同的所述磁场检测探头 10。在一个实施例中，可将多个模块进行分组。通过序贯控制方法分别控制。所述电磁控阵方法中所述序贯控制阵列是指采用序贯触发模式，通过合理分配工作时序，序贯启动各模块的工作，降低系统瞬时工作电流，在足够短的时间窗口内高效率地完成所有模块采集工作，使得整个检测系统采集效率高、功耗低、安全性好。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的相关装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，
也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述程序可存储于一计算机可读取存储介质中，如本发明实施例中，所述程序可存储于计算机系统的存储介质中，并被所述计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体 (Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory，RAM) 等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种动态磁检测探头，其特征在于，包括：
主控制器模块，与动磁检测模块电连接，用于控制所述动磁检测模块的工作时序；
通信模块，与所述主控制器模块通讯连接，所述主控制器模块将采集到的数据传输给所述通信模块；
动磁检测模块，用于产生动磁激励信号以及采集动磁响应信号；
所述动磁检测模块包括：
动磁激励线圈和差分接收线圈；
所述动磁激励线圈导通脉冲电流，并在所述脉冲电流的下降时所述差分接收线圈接收磁场信号；
高频脉冲电流发生装置，与所述动磁激励线圈电连接，以使所述动磁激励线圈导通高频脉冲电流；
希尔伯特变换模块，所述希尔伯特变换模块包括与所述动磁检测模块电连接的希尔伯特变换器，用于对磁信号进行希尔伯特变化；
所述动态磁检测探头还包括与所述主控制器模块电连接的漏磁检测装置，所述漏磁检测装置为多通道霍尔芯片阵列，每个通道包括X、Y、Z轴三个垂直方向的霍尔芯片，用于检测空间漏磁信号。
2.如权利要求1所述的动态磁检测探头，其特征在于，
所述动磁激励线圈包括绕制在PCB电路板上的多层螺旋导线；
所述差分接收线圈包括绕制在PCB电路板上的前后差分式的多层螺旋导线。
3.如权利要求1所述的动态磁检测探头，其特征在于，所述高频脉冲电流发生装置包括金属氧化物半导体场效应晶体管，用于产生高频脉冲电流。
4.如权利要求1所述的动态磁检测探头，其特征在于，所述主控制器模块包括CPLD可编程逻辑器件、时钟芯片、复位芯片、和JTAG程序配置接口，所述时钟芯片、所述复位芯片、和所述JTAG程序配置接口分别与所述CPLD可编程逻辑器件电连接。
5.如权利要求4所述的动态磁检测探头，其特征在于，所述CPLD可编程逻辑器件包括：时序控制单元和数据传输控制单元，所述时序控制单元和所述数据传输控制单元与所述通信模块电连接，用于给所述通信模块发送采集数据的时序并驱动所述通信模块。
6.如权利要求1所述的动态磁检测探头，其特征在于，所述希尔伯特变换模块还包括：
第一低噪声放大器，设置在所述希尔伯特变换器和所述动磁检测模块之间；
第二低噪声放大器，连接于所述希尔伯特变换器信号输出端；
低通滤波器，设置在所述希尔伯特变换器和所述第二低噪声放大器之间。
7.一种电磁控阵方法，其特征在于，包括：
提供多个权利要求1-6任一所述动态磁检测探头；
通过控制系统，采用序贯控制方法，通过时间和空间联合的序贯控制阵对所述动态磁检测探头进行控制。
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