CN109854861B - 一种pccp管探伤系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PCCP管探伤系统，包括主控计算机、检测控制电路、发射探头阵列、接收探头阵列和超声波传感器，检测控制电路分别与主控计算机、发射探头阵列、接收探头阵列和超声波传感器连接，检测控制电路包括信号源、低频功率放大器、锁相放大器和低噪声放大器，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连接。本系统利用远场涡流效应检测PCCP管钢丝断丝，可以应用于各种手动或自动驾驶设备，能够适应各种复杂工作环境，极大提高了探伤检测效率。

Description

一种PCCP管探伤系统

技术领域

本发明属于PCCP管钢丝断丝检测领域，尤其涉及一种PCCP管探伤系统。

背景技术

PCCP管结构如图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管探伤工作效率，本发明提出了一种PCCP管探伤系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种PCCP管探伤系统，包括主控计算机、检测控制电路、发射探头阵列、接收探头阵列和超声波传感器，所述检测控制电路分别与所述主控计算机、发射探头阵列、接收探头阵列和所述超声波传感器连接，所述检测控制电路包括信号源、低频功率放大器、锁相放大器和低噪声放大器，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连接。

可选的，系统包括转向电机、驱动电机、第一驱动电路和第二驱动电路，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，所述转向电机用于驱动车轮转向，所述驱动电机用于驱动车轮滚动。

可选的，系统包括转速传感器和/或陀螺仪，所述检测控制电路与所述转速传感器连接，所述转速传感器安装在车轮上，用于检测车轮转速；所述检测控制电路与所述陀螺仪连接。

可选的，所述检测控制电路还包括发射通道选择模块、接收通道选择模块和若干组探头处理单元，每组探头处理单元包括发射探头、接收探头、低噪放模块和功率放大模块，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。

可选的，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。

可选的，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。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本系统利用远场涡流效应检测PCCP管钢丝断丝情况，可以应用于各种驾驶设备，可以手动驾驶，也可以自动驾驶，能够适应各种复杂工作环境，极大提高了工作效率；

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，对各组探头处理单元进行通路选择，可以采用多频点的收发探头阵列来对PCCP管钢丝断丝进行检测，以获得更丰富的PCCP管钢丝断丝响应，从而提高判断PCCP管钢丝断丝数量和断丝发生位置的准确性；

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，可以判断驾驶设备行驶状态，进而启动或关闭信号源；采用转向电机及陀螺仪，可以判断出驾驶设备的倾斜角度并及时把角度位置调整过来。

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为预应力钢筒混凝土管结构图；

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预应力钢筒混凝土管钢丝断丝自动检测控制原理图；

图5为本发明一实施例的主控计算机控制原理图；

图6为本发明一实施例的检测控制电路原理图；

图7为本发明一实施例的倾斜角度调节过程原理图；

图8为本发明一实施例的信号源电路结构框图；

图9为本发明一实施例的信号源电路原理图；

图10为本发明一实施例的锁相放大器电路结构框图。

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所示，一种PCCP管探伤系统，包括主控计算机、检测控制电路、发射探头阵列、接收探头阵列和超声波传感器，检测控制电路分别与主控计算机、发射探头阵列、接收探头阵列和超声波传感器连接，检测控制电路包括信号源、低频功率放大器、锁相放大器和低噪声放大器，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连接。本实施例中，PCCP管探伤系统应用于驾驶设备，比如具有车轮行驶的设备，但也可以应用于其他需要的场合。超声波传感器用于检测发射探头阵列以及接收探头阵列与PCCP管道内壁的距离，发射探头阵列用于发射电磁信号经两次穿透钢筒后被接收探头阵列接收，以检测电磁信号的强弱变化，从而判断PCCP管钢丝伤损情况。

进一步地，系统包括转向电机、驱动电机、第一驱动电路和第二驱动电路，检测控制电路依次与第一驱动电路和转向电机连接，检测控制电路依次与第二驱动电路和驱动电机连接，转向电机用于驱动车轮转向，驱动电机用于驱动车轮滚动，提供驾驶设备前进动力。

进一步地，系统包括转速传感器和陀螺仪，检测控制电路与转速传感器连接，转速传感器安装在车轮上，用于检测车轮转速；检测控制电路与陀螺仪连接，陀螺仪安装在检测控制电路底部，用于检测驾驶设备的倾斜角度。

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管的钢筒上产生涡流，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，然后设置发射探头阵列和接收探头阵列到PCCP管内壁的距离为15mm；同时启动驱动电机，驾驶设备以步行速度(5km/h)行走，驾驶设备启动后，转速传感器触发信号源工作，发射探头阵列发射电磁场，通过电磁场来检测PCCP管钢丝伤损情况。当驾驶设备不动时，转速传感器触发信号关闭信号源。驾驶设备在行驶过程中，由陀螺仪检测驾驶设备的水平位置，如向左倾斜，此时陀螺仪检测到驾驶设备向左倾斜的角度，通过主控计算机控制转向电机向左偏转，当陀螺仪检测到驾驶设备向左倾斜角度为0°时，此时驾驶设备处于平衡状态，停止偏转转向电机。

如图5所示，检测控制电路还包括发射通道选择模块、接收通道选择模块和若干组探头处理单元，每组探头处理单元包括发射探头、接收探头、低噪放模块和功率放大模块，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管钢丝断丝频率响应，从而提高判断PCCP管钢丝断丝数量及位置的准确性。

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6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)检测驾驶设备是否发生倾斜，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，使驾驶设备保持在平衡状态，其角度调节过程如图7所示。

如图8所示，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9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10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 (5)

1.一种PCCP管探伤系统，其特征在于，包括主控计算机、检测控制电路、发射探头阵列、接收探头阵列、超声波传感器、转速传感器和/或陀螺仪，所述检测控制电路分别与所述主控计算机、发射探头阵列、接收探头阵列和所述超声波传感器连接，所述检测控制电路包括信号源、低频功率放大器、锁相放大器和低噪声放大器，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连接；所述检测控制电路与所述转速传感器连接，所述转速传感器安装在车轮上，用于检测车轮转速；所述检测控制电路与所述陀螺仪连接；

主控计算机启动后，发出控制命令，所述超声波传感器检测发射探头阵列以及接收探头阵列与PCCP管道内壁的距离，然后设置发射探头阵列和接收探头阵列到PCCP管内壁的距离；同时启动驱动电机，驾驶设备以步行速度行走，驾驶设备启动后，转速传感器触发信号源工作；发射探头阵列发射电磁信号，经两次穿透钢筒后被接收探头阵列接收，以检测电磁信号的强弱变化，判断PCCP管钢丝伤损情况；

所述检测控制电路还包括发射通道选择模块、接收通道选择模块和若干组探头处理单元；所述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，对各组探头处理单元进行通路选择，采用多频点的收发探头阵列来对PCCP管钢丝断丝进行检测。

2.根据权利要求1所述的一种PCCP管探伤系统，其特征在于，包括转向电机、驱动电机、第一驱动电路和第二驱动电路，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，所述转向电机用于驱动车轮转向，所述驱动电机用于驱动车轮滚动。

3.根据权利要求2所述的一种PCCP管探伤系统，其特征在于，所述每组探头处理单元包括发射探头、接收探头、低噪放模块和功率放大模块，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。

4.根据权利要求3所述的一种PCCP管探伤系统，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PCCP管探伤系统，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。

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