CN109781850A - 一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无损检测技术领域，更具体的说是一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统,包括电磁超声监测主机、监测网络、云服务器和客户端，所述电磁超声监测主机通过脉冲压缩对被测工件进行监测，电磁超声监测主机和监测网络通信连接,监测网络和云服务器通信连接,客户端和云服务器通信连接；根据被测工件的大小，电磁超声监测主机通过强永磁铁吸附和扎带捆扎等可拆卸的方式安装在被测工件上，其中的控制电路控制低压脉冲压缩电路激发低压编码脉冲串，电磁超声换能器发射和接收低压编码电磁超声信号；信号被采集后通过无线通信电路将数据发送给监测网络，监测网络将数据发送云服务器进行计算和分析，结果返回至客户端进行显示。

Description

一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，更具体的说是一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统。

背景技术

石油、化工、天然气、核电等工业领域存在大量管道和储罐。在使用过程中，由于受到局部应力集中、内容物化学变化、表面氧化等多种因素的作用，管道和储罐内外壁某些薄弱部位容易产生腐蚀、裂纹等缺陷。这些缺陷如未及时发现，经过发展后将造成壁厚减薄、穿孔，从而导致油、燃料、化学原料等泄漏，轻则造成环境污染、经济损失，重则酿成爆炸等安全事故、危及人的生命安全。因此，常采用一定技术对管道和储罐壁的完整性进行监测和评估，以解决传统人工检测造成的覆盖率不足、检测一致性欠佳、作业人员人身不安全等问题。

电磁超声技术是一种无损检测技术，能直接在金属材料表面形成超声波源，具有无需藕合、无需表面处理的特点，适用于高温、恶劣环境的无损检测。目前，常将电磁超声传感器布置于易腐蚀部位，对管道和储罐的剩余壁厚进行长期在线监测。因为电磁超声传感器换能效率很低，所以通常会对其施加高达数百伏甚至数千伏的瞬态激励电压来激发超声波。石油、化工、天然气、核电等工业管道和储罐内容物通常为各类易燃易爆的流体，因此对部分危险环境中工作的监测设备的安全性提出很高要求。对于传统的电磁超声监测技术而言，监测设备本体的高压激励存在一定的安全隐患。此外，电磁超声传感器信号信噪比通常很低，不利于进一步的数据分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，可以实现了电磁超声监测网络化和监测主机的低压化，增强了监测覆盖率、提升设备安全性。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，包括电磁超声监测主机、监测网络、云服务器和客户端，其特征在于：所述电磁超声监测主机通过脉冲压缩对被测工件进行监测，电磁超声监测主机和监测网络通信连接,监测网络和云服务器通信连接,客户端和云服务器通信连接。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，所述所述电磁超声监测主机具备低功耗休眠功能，电磁超声监测主机可拆卸安装在被测工件上。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，所述电磁超声监测主机包括外壳、供电电路、无线通信电路、控制电路、低压脉冲压缩电路和电磁超声换能器，外壳内设置有供电电路，供电电路为无线通信电路、控制电路和低压脉冲压缩电路供电，无线通信电路的通信信号输入和输出端均与控制电路连接，控制电路的控制信号输入和输出端均与低压脉冲电路连接，低压脉冲压缩电路功率信号输出端和微弱信号接收端均与电磁超声换能器连接。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，所述低压脉冲压缩电路包括脉冲压缩序列生成电路、低压激励电路、信号接收电路和脉冲压缩信号采集电路，脉冲压缩序列生成电路通过控制电路的指令生成电磁超声二相脉冲压缩编码，电磁超声二相脉冲压缩编码传递给低压激励电路，低压激励电路将电磁超声二相脉冲压缩编码转变为低电压的功率信号，低电压的功率信号激励电磁超声换能器，信号接收电路接收来自于电磁超声换能器的回波信号，信号接收电路将回波信号进行滤波、放大、消噪处理，信号接收电路将经过处理的回波信号传递给脉冲压缩信号采集电路，脉冲压缩信号采集电路对经过处理的回波信号进行数字化采样，将采样数据发送给控制电路。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，所述脉冲压缩序列生成电路根据控制电路指令生成电磁超声子脉冲波形、发射编码序列、发射波形和收发控制信号，脉冲压缩信号采集电路根据收发控制信号对原始回波信号进行采集和点乘运算，形成回波信号。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，所述低压激励电路输出为二相脉冲串信号，脉冲串电压幅度为3.3V至20V。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，所述供电电路包括电池和电源管理电路。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，所述电磁超声监测主机还包括长窄通孔和电磁超声监测主机头部，电磁超声监测主机头部固定连接在电磁超声监测主机上，电磁超声监测主机头部上设置有强永磁铁，电磁超声监测主机的外壳内设置有长窄通孔，长窄通孔内穿过扎带。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，所述通信连接为无线通信，无线通信使用无线Lora通信方式，电磁超声监测主机、监测网络和云服务器构成的网络拓扑结构为星型结构。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，所述监测网络包括无线通信电路和卡片电脑，卡片电脑通过有线或无线方式与本地互联网连接。

本发明一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统的有益效果为：

本发明一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，根据被测工件的大小，电磁超声监测主机通过强永磁铁吸附和扎带捆扎等可拆卸的方式安装在被测工件上，其中的控制电路控制低压脉冲压缩电路激发低压编码脉冲串，电磁超声换能器发射和接收低压编码电磁超声信号；信号被采集后通过无线通信电路将数据发送给监测网络，监测网络将数据发送云服务器进行计算和分析，结果返回至客户端进行显示；实现了电磁超声监测网络化和监测主机的低压化，增强了监测覆盖率、提升设备安全性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统的结构示意框图；

图2是本发明基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统网络拓扑图的结构示意框图；

图3是本发明电磁超声监测主机外壳的结构示意图一；

图4是本发明电磁超声监测主机外壳的结构示意图二；

图5是本发明电磁超声监测主机安装方式的结构示意图；

图6是本发明电磁超声监测主机内部电路的结构示意框图；

图7是本发明电磁超声脉冲压缩方法的实施过程的结构示意框图。

图中：长窄通孔2-1；电磁超声监测主机3-1；被测工件3-2；扎带3-3；电磁超声监测主机头部3-4。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式一：

下面结合图1至7说明本实施方式，一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，包括电磁超声监测主机3-1、监测网络、云服务器和客户端，所述电磁超声监测主机3-1通过脉冲压缩对被测工件3-2进行监测，电磁超声监测主机3-1通过无线网络和监测网络通信连接，所述云服务器和监测网络通过互联网通信连接，所述客户端和云服务器通过互联网通信连接；根据被测工件3-2的大小，电磁超声监测主机3-1通过强永磁铁吸附和扎带3-3捆扎等可拆卸的方式安装在被测工件3-2上，其中的控制电路控制低压脉冲压缩电路激发低压编码脉冲串，电磁超声换能器发射和接收低压编码电磁超声信号；信号被采集后通过无线通信电路将数据发送给监测网络，监测网络将数据发送云服务器进行计算和分析，结果返回至客户端进行显示；实现了电磁超声监测网络化和监测主机的低压化，增强了监测覆盖率、提升设备安全性。

具体实施方式二：

下面结合图1至7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述电磁超声监测主机3-1具备低功耗休眠功能，电磁超声监测主机3-1可拆卸安装在被测工件3-2上；电磁超声监测主机3-1上的无线通信电路采用Lora电路，通过其主芯片的休眠控制，能够实现电磁超声监测主机3-1的低功耗和休眠唤醒。

具体实施方式三：

下面结合图1至7说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述电磁超声监测主机3-1包括外壳、供电电路、无线通信电路、控制电路、低压脉冲压缩电路和电磁超声换能器，外壳内设置有供电电路，供电电路为无线通信电路、控制电路和低压脉冲压缩电路供电，无线通信电路的通信信号输入和输出端均与控制电路连接，控制电路的控制信号输入和输出端均与低压脉冲电路连接，低压脉冲压缩电路功率信号输出端和微弱信号接收端均与电磁超声换能器连接。

具体实施方式四：

下面结合图1至7说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述低压脉冲压缩电路包括脉冲压缩序列生成电路、低压激励电路、信号接收电路和脉冲压缩信号采集电路，脉冲压缩序列生成电路通过控制电路的指令生成电磁超声二相脉冲压缩编码，电磁超声二相脉冲压缩编码传递给低压激励电路，低压激励电路将电磁超声二相脉冲压缩编码转变为低电压的功率信号，低电压的功率信号激励电磁超声换能器，信号接收电路接收来自于电磁超声换能器的回波信号，信号接收电路将回波信号进行滤波、放大、消噪处理，信号接收电路将经过处理的回波信号传递给脉冲压缩信号采集电路，脉冲压缩信号采集电路对经过处理的回波信号进行数字化采样，将采样数据发送给控制电路；图7中所示的“×”为“点乘”，“*”为卷积。

具体实施方式五：

下面结合图1至7说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述脉冲压缩序列生成电路根据控制电路指令生成电磁超声子脉冲波形、发射编码序列、发射波形和收发控制信号，脉冲压缩信号采集电路根据收发控制信号对原始回波信号进行采集和点乘运算，形成回波信号。

具体实施方式六：

下面结合图1至7说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述低压激励电路输出为二相脉冲串信号，脉冲串电压幅度为3.3V至20V。

具体实施方式七：

下面结合图1-7说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述供电电路包括电池和电源管理电路；电池可以采用高能量密度的锂亚硫酰氯电池。

具体实施方式八：

下面结合图1至7说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述电磁超声监测主机3-1还包括长窄通孔2-1和电磁超声监测主机头部3-4，电磁超声监测主机头部3-4固定连接在电磁超声监测主机3-1上，电磁超声监测主机头部3-4上设置有强永磁铁，电磁超声监测主机3-1的外壳内设置有长窄通孔2-1，长窄通孔2-1内穿过扎带3-3。

具体实施方式九：

下面结合图1至7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一至八任一项作进一步说明，所述通信连接为无线通信，无线通信使用无线Lora通信方式，电磁超声监测主机3-1、监测网络和云服务器构成的网络拓扑结构为星型结构；电磁超声监测主机、监测网络、云服务器三者构成三级星型网络拓扑，能够实现一个监测网络覆盖10千米以内的监测区域，全国组网。

具体实施方式十：

下面结合图1至7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一至八任一项作进一步说明所述监测网络包括无线通信电路和卡片电脑，卡片电脑通过有线或无线方式与本地互联网连接；所述监测网络中的卡片电脑为树莓派、香蕉派、香橙派等品牌的卡片电脑，所述卡片电脑通过串口或SPI方式控制监测网络中的无线通信电路。

本发明的一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，其工作原理为：

如图2所示一种基于脉冲压缩的电磁超声在线监测系统的网络拓扑结构，电磁超声监测主机、监测网络、云服务器和客户端，电磁超声监测主机3-1、监测网络和云服务器构成三级星型网络拓扑，针对每个范围在10千米以内的监测区域，设置一个监测网络，该区域内分布“1～1000”个电磁超声监测主机3-1，监测网络可广泛分布于全国各地，监测网管通过本地有线或无线网络接入互联网，通过市电不间断供电，与云服务器连接通信，云服务器对监测数据进行计算和分析，将结果发送到客户端，客户端可以为用户的台式电脑、笔记本电脑、平板电脑、手机等；如图5所示电磁超声监测主机的安装方式，电磁超声监测主机3-1可拆卸安装在被测工件3-2的外壁；被测工件3-2为管道或储罐外壁，当被测工件3-2较小时，利用扎带3-3捆扎方式进行安装，扎带3-3通过电磁超声监测主机3-1侧面的长窄通孔2-1，扎带3-3在管道上捆扎；当被测工件3-2较大时，去除扎带3-3，直接利用电磁超声监测主机头部3-4的强永磁体进行吸附安装；如图6示出了电磁超声监测主机内部电路结构示意图，供电电路包括锂亚硫酰氯电池和电源管理电路，一共有三路电源输出，分别为无线通信电路、控制电路、低压脉冲压缩电路供电，无线通信电路的通信信号输入和输出端均与控制电路连接，控制电路的控制信号输入和输出端均与低压脉冲电路连接，低压脉冲压缩电路功率信号输出端和微弱信号接收端均与电磁超声换能器连接；低压脉冲压缩电路包括脉冲压缩序列生成电路、低压激励电路、信号接收电路和脉冲压缩信号采集电路，脉冲压缩序列生成电路通过控制电路的指令生成电磁超声二相脉冲压缩编码，电磁超声二相脉冲压缩编码传递给低压激励电路，低压激励电路将电磁超声二相脉冲压缩编码转变为低电压的功率信号，低电压的功率信号激励电磁超声换能器，信号接收电路接收来自于电磁超声换能器的回波信号，信号接收电路将回波信号进行滤波、放大、消噪处理，信号接收电路将经过处理的回波信号传递给脉冲压缩信号采集电路，脉冲压缩信号采集电路对经过处理的回波信号进行数字化采样，将采样数据发送给控制电路；如图7所示的电磁超声脉冲压缩方法的实施过程，该实施过程在低压脉冲压缩电路中实现，在所述脉冲压缩序列生成电路中，单脉冲信号和子脉冲编码序列进行点乘，生成子脉冲波形；收发编码序列和二相编码序列进行点乘运算，生成发射编码序列；子脉冲波形和发射编码序列进行卷积，生成发射波形；发射波形通过所述低压激励电路进行功率放大；此外，在所述脉冲压缩序列生成电路中，收发编码序列和单个采样周期信号进行卷积，生成收发控制信号；在所述信号接收电路，电磁超声信号经过滤波、放大等基本处理，成为原始回波信号；原始回波信号和收发控制信号进行点乘，最终获得回波信号，回波信号经过采集，数据被送往控制电路。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，包括电磁超声监测主机(3-1)、监测网络、云服务器和客户端，其特征在于：所述电磁超声监测主机(3-1)通过脉冲压缩对被测工件(3-2)进行监测，电磁超声监测主机(3-1)和监测网络通信连接,监测网络和云服务器通信连接,客户端和云服务器通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，其特征在于：所述电磁超声监测主机(3-1)具备低功耗休眠功能，电磁超声监测主机(3-1)可拆卸安装在被测工件(3-2)上。

3.根据权利要求2所述的一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，其特征在于：所述电磁超声监测主机(3-1)包括外壳、供电电路、无线通信电路、控制电路、低压脉冲压缩电路和电磁超声换能器，外壳内设置有供电电路，供电电路为无线通信电路、控制电路和低压脉冲压缩电路供电，无线通信电路的通信信号输入和输出端均与控制电路连接，控制电路的控制信号输入和输出端均与低压脉冲电路连接，低压脉冲压缩电路功率信号输出端和微弱信号接收端均与电磁超声换能器连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，其特征在于：所述低压脉冲压缩电路包括脉冲压缩序列生成电路、低压激励电路、信号接收电路和脉冲压缩信号采集电路，脉冲压缩序列生成电路通过控制电路的指令生成电磁超声二相脉冲压缩编码，电磁超声二相脉冲压缩编码传递给低压激励电路，低压激励电路将电磁超声二相脉冲压缩编码转变为低电压的功率信号，低电压的功率信号激励电磁超声换能器，信号接收电路接收来自于电磁超声换能器的回波信号，信号接收电路将回波信号进行滤波、放大、消噪处理，信号接收电路将经过处理的回波信号传递给脉冲压缩信号采集电路，脉冲压缩信号采集电路对经过处理的回波信号进行数字化采样，将采样数据发送给控制电路。

5.根据权利要求4所述的一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，其特征在于：所述脉冲压缩序列生成电路根据控制电路指令生成电磁超声子脉冲波形、发射编码序列、发射波形和收发控制信号，脉冲压缩信号采集电路根据收发控制信号对原始回波信号进行采集和点乘运算，形成回波信号。

6.根据权利要求4所述的一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，其特征在于：所述低压激励电路输出为二相脉冲串信号，脉冲串电压幅度为3.3V至20V。

7.根据权利要求3任一项所述的一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，其特征在于：所述供电电路包括电池和电源管理电路。

8.根据权利要求3任一项所述的一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，其特征在于：所述电磁超声监测主机(3-1)还包括长窄通孔(2-1)和电磁超声监测主机头部(3-4)，电磁超声监测主机头部(3-4)固定连接在电磁超声监测主机(3-1)上，电磁超声监测主机头部(3-4)上设置有强永磁铁，电磁超声监测主机(3-1)的外壳内设置有长窄通孔(2-1)，长窄通孔(2-1)内穿过扎带(3-3)。

9.根据权利要求1至8任一项所述的一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，其特征在于：所述通信连接为无线通信，无线通信使用无线Lora通信方式，电磁超声监测主机(3-1)、监测网络和云服务器构成的网络拓扑结构为星型结构。

10.根据权利要求1至8任一项所述的一种基于脉冲压缩方法的电磁超声在线监测系统，其特征在于：所述监测网络包括无线通信电路和卡片电脑，卡片电脑通过有线或无线方式与本地互联网连接。