CN109506078B - 一种用于pccp管道钢丝断丝检测的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人，包括主体支架、可伸缩支撑臂、液压工作缸、发射探头阵列、接收探头阵列、主控计算机、检测控制电路及滚轮装置，主体支架前后设置有第一固定杆和第二固定杆，四个滚轮装置分别安装在第一固定杆或第二固定杆两侧的卡槽上，至少两个可伸缩支撑臂的一端分别安装在第一固定杆或第二固定杆两侧的卡槽上，另一端用于分别支撑连接两个水平放置的液压工作缸，两个液压工作缸上还分别安装有靠近PCCP管内壁的发射探头阵列和接收探头阵列，主控计算机与检测控制电路电连接，检测控制电路分别与发射探头阵列和接收探头阵列电连接。本机器人可以提高PCCP管道钢丝断丝检测效率。

Description

一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人

技术领域

本发明属于PCCP管道钢丝断丝检测领域，尤其涉及一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人。

背景技术

PCCP管道结构如图1所示，由内到外共有五层结构，分别为混凝土层、钢筒层、混凝土层、钢丝层和砂浆层。PCCP管道爆炸事故多是由于环向预应力钢丝在使用环境各种因素长期作用下产生钢筋锈蚀继而陆续发生断裂，导致管壁抗压强度下降，直至引发爆管。通过远场涡流可以探测PCCP管道钢丝断丝数目和大致断丝区间位置。

远场涡流效应原理如图2所示。探测装置由激励线圈和检测线圈构成，激励线圈和检测线圈相距约2～3倍管内径长度。激励线圈通以低频交流电，产生磁场，检测线圈用以接收发自激励线圈的磁场、涡流信号，利用接收到的信号能有效判断出金属管道内外壁缺陷和管壁的厚薄情况。

如图3所示，随着两线圈间距的增大，检测线圈感应电压的幅值开始急剧下降，然后逐渐变缓，并且相位存在跃变。通常把信号幅值急剧下降后变化趋缓而相位发生跃变之后的区域称为远场区，信号幅值急剧下降区域称为近场区，近场区与远场区之间的相位发生较大跃变的区域称为过渡区。远场涡流的能量耦合可能存在两种方式：一种是在管道内部与激励线圈直接耦合，另一种是通过管壁与激励线圈间接耦合。近场区直接耦合占优势，远场区间接耦合占优势。

发明内容

为了提高PCCP管道钢丝断丝检测效率，本发明提出了一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人，包括主体支架、可伸缩支撑臂、液压工作缸、发射探头阵列、接收探头阵列、主控计算机、检测控制电路及滚轮装置，所述主体支架前后设置有第一固定杆和第二固定杆，四个所述滚轮装置分别安装在所述第一固定杆和所述第二固定杆两侧的卡槽上，至少两个所述可伸缩支撑臂的一端分别安装在所述第一固定杆或所述第二固定杆两侧的卡槽上，另一端用于分别支撑连接两个水平放置的所述液压工作缸，两个所述液压工作缸上还分别安装有靠近PCCP管内壁的所述发射探头阵列和所述接收探头阵列，所述主控计算机与所述检测控制电路电连接，所述检测控制电路安装在所述主体支架上方，分别与所述发射探头阵列和所述接收探头阵列电连接。

优选的，所述检测控制电路包括信号源、锁相放大器、低噪声放大器、低频功率放大器，所述接收探头阵列依次与所述低噪声放大器、锁相放大器、信号源、低频功率放大器和所述发射探头阵列电连接。

优选的，两个所述液压工作缸的活塞杆上还安装有与所述检测控制电路电连接的超声波传感器，和/或其中一个所述滚轮装置上安装有与所述检测控制电路电连接的转速传感器，和/或所述检测控制电路的底部还安装有与所述检测控制电路电连接的陀螺仪。

优选的，所述检测控制电路还包括发射通道选择模块和接收通道选择模块，所述发射探头阵列包括若干发射探头，所述接收探头阵列包括若干接收探头，所述低噪声放大器包括若干低噪放模块，所述低频功率放大器包括若干功率放大模块，所述信号源依次与所述发射通道选择模块、功率放大模块、发射探头和所述主控计算机连接，所述主控计算机依次与所述接收探头、低噪放模块、接收通道选择模块和所述锁相放大器连接，所述主控计算机逻辑控制所述发射通道选择模块和所述接收通道选择模块。

优选的，所述信号源包括RC振荡电路、选频网络和电压放大电路，所述RC振荡电路、选频网络和所述电压放大电路依次连接，所述电压放大电路将输出的低频正弦波发送给所述低频功率放大器和所述锁相放大器。

优选的，所述锁相放大器包括噪声分压电路、信号分压电路、加法器、微控制器、移相电路、方波驱动电路、前置放大模块、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器和直流放大电路，所述低噪声放大器依次与所述噪声分压电路和所述加法器连接，所述信号源与所述加法器连接，所述信号电压与所述加法器连接，所述前置放大模块选择连通所述加法器和所述信号分压器，所述前置放大器依次与所述带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大电路和所述微控制器形成闭环回路，所述直流放大电路还与所述主控计算机连接，所述信号源还依次与所述移相电路、方波驱动电路和所述相敏检波器连接，所述微控制器与所述移相电路连接。

优选的，所述发射探头阵列的发射面平行于PCCP管壁，所述接收探头阵列的接收面垂直于PCCP管壁。

优选的，所述发射探头阵列及所述接收探头阵列中心与PCCP管道中心连线的夹角呈120°。

优选的，前面的两个所述滚轮装置均包括转向电机、第一驱动电路和第一滚轮，所述检测控制电路依次与所述第一驱动电路和所述转向电机连接，所述转向电机驱动所述第一滚轮进行转向；后面的两个所述滚轮装置均包括驱动电机、第二驱动电路和第二滚轮，所述检测控制电路依次与所述第二驱动电路和所述驱动电机连接，所述驱动电机驱动所述第二滚轮进行滚动。

优选的，所述卡槽上设有轮胎调节标尺，所述轮胎调节标尺用于根据PCCP管道直径调节前面的以及后面的两个所述滚轮装置之间的距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明设计的机器人可以沿着PCCP管道行驶，利用远场涡流效应检测PCCP管道钢丝断丝，无需人员手动驾驶，能适应于各种复杂工作环境，极大提高了工作效率；

发射探头阵列和接收探头阵列可以通过两个液压工作缸来调节间距，可以通过至少两个可伸缩支撑臂来调节高度，前后两个滚轮装置可以通过卡槽来调节间距，以此来适应不同内径的PCCP管道，同时能够满足接收探头阵列位于远场区的要求；

主控计算机逻辑控制发射通道选择模块和接收通道选择模块进行通道切换，用以对各组探头单元进行通路选择，进而可以采用多频点的收发探头阵列来对PCCP管道钢丝断丝进行检测，可以获得更丰富的PCCP断丝频率响应，从而提高判断PCCP断丝数量和断丝发生位置的准确性；

发射探头阵列的发射面平行于PCCP管壁，接收探头阵列的接收面垂直于PCCP管壁，使得接收探头阵列感应的电压大小主要是来自于两次穿透钢筒的远场涡流信号；

采用超声波传感器，可以自动检测发射探头阵列和接收探头阵列距离管壁的距离，采用转速传感器，可以判断机器人工作状态，进而可以启动和关闭信号源，采用转向电机及陀螺仪，可以及时判断机器人是否发生倾斜并及时把位置调整过来。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的全部优点。

附图说明

图1为PCCP管道结构图；

图2为经典的管道远场涡流检测原理图；

图3为检测线圈感应电压的幅值随距离变化曲线；

图4为本发明一实施例的一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人后视图；

图5为本发明一实施例的一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人仰视图；

图6为本发明一实施例的PCCP管道钢丝断丝自动检测控制原理图；

图7为本发明一实施例的主控计算机控制原理图；

图8为本发明一实施例的远场涡流接收探头放置示意图；

图9为本发明一实施例的检测控制电路原理图；

图10为本发明一实施例的机器人角度调节过程原理图；

图11为本发明一实施例的信号源电路结构框图；

图12为本发明一实施例的信号源电路原理图；

图13为本发明一实施例的锁相放大器电路结构框图。

图中，1-主体支架；2-可伸缩支撑臂；3-液压工作缸；4-发射探头阵列；5-接收探头阵列；6-检测控制电路；7-滚轮装置；8-第一固定杆；9-第二固定杆；10-卡槽；11-轮胎调节标尺；12-超声波传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。

如图4和图5所示，一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人，包括主体支架1、可伸缩支撑臂2、液压工作缸3、发射探头阵列4、接收探头阵列5、主控计算机、检测控制电路6及滚轮装置7，主体支架1前后设置有第一固定杆8和第二固定杆9，四个滚轮装置4分别安装在第一固定杆8和第二固定杆9两侧的卡槽10上，至少两个可伸缩支撑臂2的一端分别安装在第一固定杆8或第二固定杆9两侧的卡槽10上，另一端用于分别支撑连接两个水平放置的液压工作缸3，两个液压工作缸3上还分别安装有靠近PCCP管内壁的发射探头阵列4和接收探头阵列5，主控计算机与检测控制电路6电连接，检测控制电路6安装在主体支架1上方，分别与发射探头阵列4和接收探头阵列5电连接。

本实施例中，主控计算机可以安装在检测控制电路6的顶部或者机器人的其他位置，在此不做限制。图中采用四个可伸缩支撑臂2，每两个可伸缩支撑臂2用于固定一个液压工作缸3，并且可伸缩支撑臂2的高度可调节，比如可伸缩支撑臂2本身可以根据需要伸长和缩短，也可以在可伸缩支撑臂2上设定等位孔，不同的等位孔对应不同的高度，可伸缩支撑臂2通过等位孔固定在卡槽10或者第一固定杆8的其他位置上，在此不做限制。发射探头阵列4和接收探头阵列5分别靠近PCCP管道两侧内壁，液压工作缸3用于调节发射探头阵列4和接收探头阵列5与PCCP管道内壁的距离。发射探头阵列4用于发射远场涡流信号经两次穿透钢筒后被接收探头阵列5接收，通过接收探头阵列5检测接收到的远场涡流信号的强弱变化来判断PCCP管道钢丝断丝情况。

在一个实施例中，卡槽10上设有轮胎调节标尺11，轮胎调节标尺11用于根据PCCP管道直径调节前面的以及后面的两个滚轮装置7之间的距离。本实施例中，也可以通过轮胎调节标尺11来调节发射探头阵列4和接收探头阵列5之间的距离，保证两者距离在远场检测的区间内。

如图6所示，检测控制电路包括信号源、锁相放大器、低噪声放大器、低频功率放大器，接收探头阵列依次与低噪声放大器、锁相放大器、信号源、低频功率放大器和发射探头阵列电连接。

继续参看图6，两个液压工作缸的活塞杆上还安装有与检测控制电路电连接的超声波传感器，超声波传感器用于检测发射探头阵列和接收探头阵列与PCCP管道内壁的距离。四个滚轮装置中的任意一个安装有与检测控制电路电连接的转速传感器，转速传感器可以检测滚轮转速，当滚轮开始滚动时，转速传感器可以触发检测控制电路控制发射探头阵列和接收探头阵列工作。检测控制电路的底部还安装有与检测控制电路电连接的陀螺仪，陀螺仪用于检测机器人是否发生倾斜，如发生倾斜，则可以通过检测控制电路控制滚轮装置调整机器人的倾斜角度。

进一步地，前面的两个滚轮装置均包括转向电机、第一驱动电路和第一滚轮，检测控制电路依次与第一驱动电路和转向电机连接，转向电机驱动第一滚轮进行转向；后面的两个滚轮装置均包括驱动电机、第二驱动电路和第二滚轮，检测控制电路依次与第二驱动电路和驱动电机连接，驱动电机驱动第二滚轮进行滚动。

本实施例中，信号源产生低频正弦信号，经低频功率放大器送至发射探头阵列发射，产生交变电磁场，并在PCCP管道的缸筒上产生涡流，远场涡流二次穿透钢筒传播到接收探头阵列处，接收探头阵列感应远场涡流信号，经低噪声放大器、锁相放大器，锁相放大器检测参考电压信号和接收探头阵列检测的电压信号。主控计算机启动后，发出控制命令，超声波传感器检测发射探头阵列和接收探头阵列距离PCCP管内壁的距离，通过液压工作缸调节发射探头阵列和接收探头阵列到PCCP管道内壁的距离为15mm；同时启动后轮驱动电机，机器人以步行速度(5km/h)行走，机器人启动后，转速传感器触发信号源工作，发射探头阵列发射电磁场，PCCP管道钢丝断丝检测开始；当机器人不动时，转速传感器触发信号关闭信号源。机器人移动过程中，由陀螺仪检测装置的水平位置，如向左倾斜，此时陀螺仪检测到机器人向左倾斜的角度，通过主控计算机控制转向电机向左偏转，当陀螺仪检测到机器人向左倾斜角度为0°时，机器人处于平衡状态，停止偏转转向电机。

如图7所示，检测控制电路还包括发射通道选择模块和接收通道选择模块，发射探头阵列包括若干发射探头，接收探头阵列包括若干接收探头，低噪声放大器包括若干低噪放模块，低频功率放大器包括若干功率放大模块，若干发射探头、若干接收探头、若干低噪放模块和若干功率放大模块组成若干组探头处理单元，每组探头处理单元中，信号源依次与发射通道选择模块、功率放大模块、发射探头和主控计算机连接，主控计算机依次与接收探头、低噪放模块、接收通道选择模块和锁相放大器连接。主控计算机通过功率放大模块对发射信号进行功率放大驱动发射探头阵列发射电磁信号，低噪放模块将接收探头阵列接收到的微弱信号进行放大，改善系统的噪声系数，提高检测灵敏度，发射通道选择模块和接收通道选择模块在主控计算机的逻辑控制时序控制下进行数据采集。优选的，各组探头处理单元工作于不同频率点，以此来获得更丰富的PCCP断丝频率响应，从而提高判断PCCP断丝数量和断丝发生位置的准确性。

本实施例中，发射探头阵列可以是由多个发射探头串联或者各自独立集成在一起，接收探头阵列可以是由多个接收探头串联或者各自独立集成在一起，发射探头阵列可以是发射线圈阵列，接收探头阵列可以是接收线圈阵列，而发射线圈阵列可以是由多个发射线圈串联或者各自独立集成在一起，接收线圈阵列可以是由多个接收线圈串联或者各自独立集成在一起，在此不做限制。

如图8所示，发射探头阵列4的发射面平行于PCCP管壁，接收探头阵列5的接收面垂直于PCCP管壁。PCCP管道外侧的箭头表示的是远场电磁传播路径，D为发射探头阵列4和接收探头阵列5的距离，L＝2πR-Rα表示远场电磁场沿管壁传播的距离，为保证距离L约为2～3倍管内径的长度，α取值为

此时能保证接收探头阵列5工作在远场区。图中所示的虚线箭头涡流能量传播的方向平行于接收探头阵列5，在接收探头阵列5感应的电压大小可以忽略不计，接收探头阵列5感应的电压大小主要是来自于两次穿透钢筒的远场涡流信号。

如图9所示，检测控制电路原理图，由STM32F103 32位微处理器为控制芯片，陀螺仪(加速度传感器ADXL345)检测机器人是否发生倾斜，如倾斜则控制芯片发出控制命令，检测控制电路工作，驱动转向电机工作，使机器人保持在平衡状态，其角度调节过程如图10所示。

如图11所示，信号源电路结构框图，信号源包括RC振荡电路、选频网络和电压放大电路，RC振荡电路、选频网络和电压放大电路依次连接，电压放大电路将输出的低频正弦波发送给低频功率放大器和锁相放大器。本实施例中，信号源采用RC串并联网络进行选频，利用uA741运算放大器以及负反馈网络组成振荡信号产生低频正弦波信号输出。

如图12所示，信号源电路原理图，R2、R3构成反馈网络，当满足R2≥2R3时，电路即可振荡起来。R4、R5和C2构成选频电桥，并且R4＝R5，C2＝C11，此时即可以选择特定频率输出。选择不同的阻值电阻和不同容量的电容可以改变不同的输出频率，在电阻R1两端并联的一对稳压二极管D1、D2，由于稳压管的稳压特性，使得R1两端导通电压保持不变，这样就可以稳定输出电压了。

如图13所示，锁相放大器包括噪声分压电路、信号分压电路、加法器、微控制器、移相电路、方波驱动电路、前置放大模块、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器和直流放大电路，低噪声放大器依次与噪声分压电路和加法器连接，信号源与加法器连接，信号电压与加法器连接，前置放大模块选择连通加法器和信号分压器，前置放大器依次与带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大电路和微控制器形成闭环回路，直流放大电路还与主控计算机连接，信号源还依次与移相电路、方波驱动电路和相敏检波器连接，微控制器与移相电路连接。

本实施例中，由信号源产生的20Hz、1V信号和15Hz～25Hz的噪声经过衰减器衰减后，同时送入由同相放大电路构成的加法器中进行叠加，使得信号湮灭在噪声中，然后将混合信号送入前级放大电路放大，经由带通滤波器滤波后，作为相敏检波器输入信号输入，再由初始的20Hz、1V信号同时送入移相网络、低通滤波进行检测，并经过电位比较器产生同样有效值的方波作为参考信号送入相敏检波器AD630。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人，其特征在于，包括主体支架、可伸缩支撑臂、液压工作缸、发射探头阵列、接收探头阵列、主控计算机、检测控制电路及滚轮装置，所述主体支架前后设置有第一固定杆和第二固定杆，四个所述滚轮装置分别安装在所述第一固定杆和所述第二固定杆两侧的卡槽上，至少两个所述可伸缩支撑臂的一端分别安装在所述第一固定杆或所述第二固定杆两侧的卡槽上，另一端用于分别支撑连接两个水平放置的所述液压工作缸，两个所述液压工作缸上还分别安装有靠近PCCP管内壁的所述发射探头阵列和所述接收探头阵列，所述主控计算机与所述检测控制电路电连接，所述检测控制电路安装在所述主体支架上方，分别与所述发射探头阵列和所述接收探头阵列电连接；

其中，两个所述液压工作缸的活塞杆上安装有与所述检测控制电路电连接的超声波传感器，用于检测发射探头阵列和接收探头阵列与PCCP管道内壁的距离；和/或其中一个所述滚轮装置上安装有与所述检测控制电路电连接的转速传感器，用于检测滚轮转速，当滚轮开始滚动时，触发所述检测控制电路控制所述发射探头阵列和所述接收探头阵列工作；

所述检测控制电路包括信号源、锁相放大器、低噪声放大器、低频功率放大器，所述接收探头阵列依次与所述低噪声放大器、锁相放大器、信号源、低频功率放大器和所述发射探头阵列电连接；所述信号源产生低频正弦信号，经低频功率放大器送至发射探头阵列发射，产生交变电磁场，并在PCCP管道的缸筒上产生涡流，远场涡流二次穿透钢筒传播到接收探头阵列处，接收探头阵列感应远场涡流信号，经低噪声放大器、锁相放大器，锁相放大器检测参考电压信号和接收探头阵列检测的电压信号；

所述检测控制电路还包括发射通道选择模块和接收通道选择模块，所述主控计算机逻辑控制所述发射通道选择模块和所述接收通道选择模块，进行通道切换，对各组探头单元进行通路选择，采用多频点的收发探头阵列来对PCCP管道钢丝断丝进行检测；

所述主控计算机启动后，发出控制命令，超声波传感器检测发射探头阵列和接收探头阵列距离PCCP管内壁的距离，通过液压工作缸调节发射探头阵列和接收探头阵列到PCCP管道内壁的距离；同时启动后轮驱动电机，机器人以步行速度行走，机器人启动后，转速传感器触发信号源工作；发射探头阵列发射远场涡流信号经两次穿透钢筒后被接收探头阵列接收，通过接收探头阵列检测接收到的远场涡流信号的强弱变化来判断PCCP管道钢丝断丝情况。

2.根据权利要求1所述的一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人，其特征在于，所述检测控制电路的底部还安装有与所述检测控制电路电连接的陀螺仪，用于检测机器人是否发生倾斜，如发生倾斜，通过检测控制电路控制滚轮装置调整机器人的倾斜角度。

3.根据权利要求2所述的一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人，其特征在于，所述检测控制电路还包括发射通道选择模块和接收通道选择模块，所述发射探头阵列包括若干发射探头，所述接收探头阵列包括若干接收探头，所述低噪声放大器包括若干低噪放模块，所述低频功率放大器包括若干功率放大模块，所述信号源依次与所述发射通道选择模块、功率放大模块、发射探头和所述主控计算机连接，所述主控计算机依次与所述接收探头、低噪放模块、接收通道选择模块和所述锁相放大器连接，所述主控计算机逻辑控制所述发射通道选择模块和所述接收通道选择模块。

4.根据权利要求3所述的一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人，其特征在于，所述信号源包括RC振荡电路、选频网络和电压放大电路，所述RC振荡电路、选频网络和所述电压放大电路依次连接，所述电压放大电路将输出的低频正弦波发送给所述低频功率放大器和所述锁相放大器。

5.根据权利要求4所述的一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人，其特征在于，所述锁相放大器包括噪声分压电路、信号分压电路、加法器、微控制器、移相电路、方波驱动电路、前置放大模块、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器和直流放大电路，所述低噪声放大器依次与所述噪声分压电路和所述加法器连接，所述信号源与所述加法器连接，所述信号分压电路与所述加法器连接，所述前置放大模块选择连通所述加法器和所述信号分压电路，所述前置放大器依次与所述带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大电路和所述微控制器形成闭环回路，所述直流放大电路还与所述主控计算机连接，所述信号源还依次与所述移相电路、方波驱动电路和所述相敏检波器连接，所述微控制器与所述移相电路连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人，其特征在于，所述发射探头阵列的发射面平行于PCCP管壁，所述接收探头阵列的接收面垂直于PCCP管壁。

7.根据权利要求1所述的一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人，其特征在于，所述发射探头阵列及所述接收探头阵列中心与PCCP管道中心连线的夹角呈120°。

8.根据权利要求1所述的一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人，其特征在于，前面的两个所述滚轮装置均包括转向电机、第一驱动电路和第一滚轮，所述检测控制电路依次与所述第一驱动电路和所述转向电机连接，所述转向电机驱动所述第一滚轮进行转向；后面的两个所述滚轮装置均包括驱动电机、第二驱动电路和第二滚轮，所述检测控制电路依次与所述第二驱动电路和所述驱动电机连接，所述驱动电机驱动所述第二滚轮进行滚动。

9.根据权利要求1所述的一种用于PCCP管道钢丝断丝检测的机器人，其特征在于，所述卡槽上设有轮胎调节标尺，所述轮胎调节标尺用于根据PCCP管道直径调节前面的以及后面的两个所述滚轮装置之间的距离。

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