CN111220699A - 一种基于环形阵列探头的管道涡流无损检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于环形阵列探头的管道涡流无损检测装置及方法，属于电磁无损检测技术领域。本发明由环形阵列传感器、环形支架、微控制器、步进电机、蓝牙模块、存储模块、PC机组成，其中，环形支架由两个半环形支架和八个滚轮组成，两个半环形支架一端通过铰链固定，可围绕铰链固定点转动，另一端是带有螺丝扣的可活动开口，八个滚轮分别安装在环形支架内侧四个方位，每个位置安装两个滚轮，环形阵列传感器安装在环形支架的内圈上，整个装置通过步进电机驱动滚轮在管壁上的移动，从而对管道进行扫描检测，扫描过程中，检测信号通过蓝牙模块上传到PC机，PC机通过对检测信号进行处理分析得出管道外壁表面及亚表面缺陷检测结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于环形阵列探头的管道涡流无损检测装置及方法，属于电磁无损检测技术领域。
背景技术
管道在能源、化工等各类工业领域广泛运用。在长时间的使用过程中，尤其是很多管道直接暴露在室外，风吹雨淋，不可避免的在其外壁或内壁会产生缺陷和损伤，给工业生产埋下很大的隐患。所以，定期检测管道成了必要的工作。
涡流检测方法是基于电磁感应现象进行缺陷和损伤检测的方法，具有对表面及近表面浅缺陷检测能力高、非接触、快速扫查等优点，是一种对管道结构表面/近表面缺陷进行定量无损评估的有效方法。然而，目前对管道的检测一般采用手持式探头，扫查速度慢，并且检测探头与涡流分析仪需要用导线连接，操作运行非常不便，尤其对于室外长距离管道的外壁全面检测，如果采用手持式探头，将会消耗大量的人力、物力、财力，不仅检测速度慢，再加上管道壁是曲面的，非常容易受提离效应的影响，检测结果会产生较大误差，给工业生产埋下了隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于环形阵列探头的管道涡流无损检测装置及方法，可以快速准确的检出管道外表缺陷，解决上述问题。
本发明的技术方案是：一种基于环形阵列探头的管道涡流无损检测装置及方法。其中检测装置由环形阵列传感器、环形支架、微控制器、步进电机、蓝牙模块、SD卡存储模块、PC机组成。
进一步的，环形阵列传感器由聚酯薄膜基材、激励线圈、检测线圈、地线组成，激励线圈、检测线圈和地线均印制在聚酯薄膜基材上，其中激励线圈为多匝矩形线圈，匝数为500匝，检测线圈为多个排列成两行的矩形螺旋线圈，每5cm有十个线圈，每个线圈绕10匝，布置于激励线圈内，相邻的两个检测线圈绕制方向相反，最外圈触点接地线，中心焊点接信号输出端，环形阵列传感器紧密贴合在环形支架的内侧，形成环形阵列线圈结构。
进一步的，环形支架由两个半环形支架和八个滚轮组成，两个半环形支架的一端铰接，可围绕铰链固定点转动，另一端是带有螺丝扣的可活动开口，半环形支架两端接触位置处分别设有缓冲垫，八个滚轮通过轮毂杆分别安装在环形支架内侧四个方位，每个方位安装两个滚轮，在两个滚轮中间布置环形阵列传感器，步进电机通过齿轮传动带动滚轮转动，从而使环形阵列传感器沿管道扫描运动。
进一步的，环形支架是由PVC材料制成的内空结构，并内置微控制器、步进电机及其驱动模块、信号调理模块、波形发生模块、聚合物锂电池、蓝牙从机模块、SD卡存储模块。
进一步的，所述的微控制器为ST(意法半导体)推出的STM32F427，其采用了90纳米的NVM工艺和ART技术,具有动态功耗调整功能，主频达到180MHz，有3个ADC，20个通信接口。
进一步的，所述的步进电机为35BYJ26型永磁步进电机，工作方式为双极性两相四拍，工作电压为12V，步进是0.2m/s。
进一步的，所述的步进电机驱动模块为凌阳SPGT62C19B电机驱动芯片，SPGT62C19B是低电压单片式步进电机驱动器集成电路芯片，可驱动一台两相步进电机，并提供4位LED数码管可用来显示电机转速信息。
进一步的，所述的蓝牙从机模块为德州仪器推出的CC2540，体积为6mm×6mm，可有效降低所需的印刷电路板面积，其自身带有2个USART串行接口可以与MCU进行数据传输，传输速率1Mbps，工作频段2.4GHz。
进一步的，所述的蓝牙主机模块为德州仪器推出的CC2541，其功耗低，非常适合应用于需要超低能耗的系统。主机模块采用上位机USB供电，经过AMS1117芯片5V转3.3V电路处理后给各单元供电。
进一步的，该装置上使用USB转串口电路来实现主机CC2541与PC机间的通信，电路用的是CH340G芯片，外围电路还包括程序下载接口CC Debugger。
进一步的，所述信号调理模块由德州仪器公司的低功耗双路运算放大器芯片LM358-N构成，为有源二阶低通滤波器和有源二阶高通滤波器组成的四阶带通滤波器。
进一步的，所述的波形发生模块为NI公司的PXI-5421任意波形发生器，PXI-5421具有16位分辨率和高达512MB板上存储器的1插槽PXI模块，可以产生高精度的脉冲波形。
进一步的，所述的聚合物锂电池为根据检测探头装置外形定制的弧状锂电池，额定电压12V，可通过微型USB充电电路实现对锂电池的充电，可通过电源管理模块对装置中的各单元进行供电。
进一步的，所述的微控制器与波形发生模块相连，控制波形发生模块产生相应的激励信号，加载到环形阵列传感器的激励线圈上，从而在试件中产生涡流，环形阵列传感器的检测线圈获得涡流检测信号，检测线圈与信号调理模块相连，环形阵列传感器输出的检测信号经信号调理后传到微控制器，微控制器与步进电机驱动模块相连，控制步进电机的运动状态，同时，微控制器还与蓝牙模块、SD卡存储模块相连，通过UART串口实现检测数据的存储与发送及接收PC机的控制指令。
进一步的，一种基于环形阵列探头的管道涡流无损检测方法：
首先，将检测装置安装在待测管件上，扣紧螺丝扣，检测装置在滚轮的支撑下与待测管道紧密贴合，并保持环形阵列传感器与管壁距离不变。
其次，检测开始时，PC机通过蓝牙无线模块给微控制器发出指令，使检测装置处于连接状态，微控制器接到控制指令后，控制步进电机驱动模块实现对步进电机的精确控制，从而使检测装置在管道外壁上精确移动，移动过程中波形发生模块在微控制器的控制下产生脉冲激励信号加载到环形阵列传感器的激励线圈上，激励线圈通入脉冲激励信号后，在管道内产生变化的磁场，变化的磁场感应出涡流，涡流受到管道缺陷扰动，产生包含管道缺陷信息的合成磁场，被检测线圈接收形成检测信号，并经信号调理模块处理后进行A/D转换，送至微控制器。
最后，微控制器通过UART串口把采集的检测信号经蓝牙无线模块上传给PC机，PC机对收到的检测信号进行分析处理，得出管道缺陷信息，并记录缺陷位置，从而实现对管道外壁的快速检测。
进一步的，检测线圈中的多个矩形螺旋线圈在电子切换开关的控制下，可分别构成周向和轴向差分对检测线圈，周向方向相邻的矩形螺旋线圈A1，A2接通后构成一个周向差分对阵列单元，以此类推，A2，A3等周向方向相邻的矩形螺旋线圈可构成多个周向差分对阵列单元；轴向方向相邻的矩形螺旋线圈A1，B1接通后构成一个轴向差分对阵列单元，以此类推，A2，B2等轴向方向相邻的矩形螺旋线圈可构成多个轴向差分对阵列单元。应用周向和轴向差分对检测线圈可分别对管道周向和轴向缺陷进行更有效地检测，检测结果更加准确。
进一步的，检测装置具有在线和离线两种运行方式，在运行距离较近时，检测装置采用在线运行方式，微控制器与PC机通过蓝牙模块进行通讯，实时接收PC机控制指令和向PC机发送检测信号，PC机对检测信号进行实时分析与处理，给出检测结果；在运行距离较远时，检测装置采用离线运行方式，微控制器检测到蓝牙信号中断后，自动关闭蓝牙模块，通过UART串口将检测信号写入SD卡，待该管段检测完毕后，自动停止对激励线圈加载激励信号以及停止检测信号采集和存储，控制步进电机使检测装置沿管道原路返回至检测起始位置，然后重启蓝牙模块，把SD卡中存储的检测信号上传至PC机，进行处理分析，给出最终的检测结果。
本发明的有益效果是：
(1)检测时探头装置安装步骤简单，其自身可产生动力沿着管道前进，检测探头和上位机分析装置之间采用蓝牙模块进行数据传输，功耗较低，使设备运行时间得到延长，并且不受导线的束缚，大大提高了检测效率。
(2)由于阵列传感器会紧贴管道外壁，探头移动过程中会保持与管道外壁的距离不变，较好地避免了提离效应的影响，同时在电子切换开关的控制下多个检测线圈可分别构成轴向和周向差分对，可有效抑制检测过程中的噪声，并且可同时检测管道轴向和周向的缺陷，大大提高了检测精度。
(3)由于检测过程中可实现离线与在线的自动切换，可应对更为复杂的检测环境，保证了检测数据的完整性，给操作人员提供了更多的选择。
(4)装置工作过程中，通过对步进电机运动精确控制，可得到管道外壁缺陷的精确位置，为检修人员检修提供便利。
附图说明
图1是本发明检测装置的周向截面图；
图2是本发明检测装置的轴向视图；
图3是本发明检测装置的系统硬件结构图；
图4是本发明检测装置的从设备硬件电路示意图；
图5是本发明检测装置的蓝牙主设备硬件电路示意图；
图6是本发明的环形阵列传感器的平面展开图；
图7是本发明主/从设备软件流程和节点软件流程图。
图中：1-环形阵列传感器，2-环形支架，3-滚轮，4-轮毂杆，5-铰链，6-螺丝扣，7-缓冲垫，8-管道，9-聚酯薄膜基材，10-激励线圈，11-检测线圈，12-地线，13-中心焊点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，一种基于环形阵列探头的管道涡流无损检测装置包括环形阵列传感器1、环形支架2、滚轮3、微控制器、步进电机、蓝牙模块、存储模块、PC机组成。
环形阵列传感器1紧密贴合在环形支架2的内侧，形成环形阵列式线圈结构。
环形支架2由两个半环形支架和八个滚轮3组成，两个半环形支架的一端通过铰链5连接，可围绕铰链固定点转动，另一端是带有螺丝扣6的可活动开口，半环形支架两端接触位置处分别设有缓冲垫7，八个滚轮3通过轮毂杆4分别安装在环形支架2内侧四个方位，每个方位安装两个滚轮3，在两个滚轮3中间布置环形阵列传感器1，步进电机通过齿轮传动带动滚轮3转动，从而使环形阵列传感器1沿管道8扫描运动。
环形支架2是由PVC材料制成的内空结构，并内置了微控制器、步进电机及其驱动模块、信号调理模块、波形发生模块、聚合物锂电池、蓝牙从机模块、SD卡存储模块。
如图3所示，为本发明的检测装置的系统硬件结构图，包括：微控制器、波形发生模块、阵列涡流探头、信号调理模块、步进电机及其驱动模块、蓝牙从机模块(CC2540)、SD卡存储模块、聚合物锂电池、电源管理模块、充电电路、蓝牙主机模块(CC2541)、PC机等。
所述的微控制器为ST(意法半导体)推出的STM32F427，其采用了90纳米的NVM工艺和ART技术,具有动态功耗调整功能，主频达到180MHz，有3个ADC，20个通信接口。
所述的波形发生模块为NI公司的PXI-5421任意波形发生器，PXI-5421具有16位分辨率和高达512MB板上存储器的1插槽PXI模块，可以产生高精度的脉冲波形，此处产生幅值为5V，频率为100Hz的脉冲信号。
所述信号调理模块由德州仪器公司的低功耗双路运算放大器芯片LM358-N构成，为有源二阶低通滤波器和有源二阶高通滤波器组成的四阶带通滤波器。
所述的步进电机为35BYJ26型永磁步进电机，工作方式为双极性两相四拍，此处工作电压为12V，每个步进电机都在凌阳SPGT62C19B电机驱动芯片的控制下工作，速度为0.2m/s。
所述的蓝牙从机模块为德州仪器推出的CC2540，体积为6mm×6mm，可有效降低所需的印刷电路板面积，其自身带有2个USART串行接口可以与MCU进行数据传输，传输速率1Mbps，工作频段2.4GHz。
所述的蓝牙主机模块为德州仪器推出的CC2541，其功耗低，非常适合应用于需要超低能耗的系统。
所述的聚合物锂电池为根据检测探头装置外形定制的弧状锂电池，可通过微型USB充电电路实现对锂电池的充电，通过电源管理模块对装置中的各单元进行供电，微控制器与波形发生模块相连，控制波形发生模块产生相应的脉冲激励信号，微控制器与信号调理模块相连，读取传感器的接收信号，微控制器与步进电机驱动模块相连，控制步进电机的运动状态，微控制器同时还与蓝牙从机模块(CC2540)、SD卡存储模块相连，通过UART串口实现检测数据的存储与发送。主机模块(CC2541)负责接收节点传输的环形阵列探头数据，实时发送到PC端，并且将PC端针对节点的一些操作指令无线传输给从机。蓝牙主从机模块采用相同的硬件平台。
如图4所示，为本发明检测装置的从设备硬件电路示意图，原始的检测数据先经过信号调理模块LM358-N处理，MCU通过I2C总线方式与LM358-N进行涡流数据传输。这种传输方式对硬件要求简单，传输效率高。MCU上的UART接口PA9/TX、PA10/RX引脚分别与CC2540从模块上P0.3/RXD、P0.2/TXD引脚相连接，实现CC2540与MCU之间的数据传输。MCU微控制器通过使用8MHz外部晶振，使得单片机系统主频达到了168MHz，代码执行起来速率更快，各部件都通过锂电池供电电路进行供电。
如图5所示，为本发明检测装置的蓝牙主设备硬件电路示意图，主机采用上位机USB供电，经过AMS1117芯片5V转3.3V电路处理后给各单元供电。通过使用CH340G芯片，实现CC2541主机与上位机间的通信，同时设置了程序下载接口CC Debugger。
如图6所示，为本发明的环形阵列传感器的平面展开图，所述的环形阵列传感器1由聚酯薄膜基材9、激励线圈10、检测线圈11、地线12组成，激励线圈10、检测线圈11和地线12均印制在聚酯薄膜基材9上，其中激励线圈10为多匝矩形线圈，匝数为500匝，检测线圈11为多个排列成两行的矩形螺旋线圈，每5cm有十个线圈，每个线圈绕10匝，布置于激励线圈内，相邻的两个检测线圈绕制方向相反，最外圈触点接地线12，中心焊点13接信号输出端，环形阵列传感器1紧密贴合在环形支架2的内侧，形成环形阵列线圈结构。
实施例1：本装置可实现管道周向和轴向缺陷同时检测，使用上述装置进行检测时，首先，将检测装置安装在待测管件8上，扣紧螺丝扣6后，检测装置在滚轮3的支撑下与待测管道8紧密贴合，并保持环形阵列传感器1与管壁之间的距离不变。如图7所示，主设备采用串口中断的方式发送命令包，当CC2541串口收到命令包时，调用无线发送函数，将检测信号数据包丢给从设备，从设备采用轮询的方式接收数据包，从而控制检测设备的运转和传感器信号的采集。如图7(b)所示，为检测节点软件流程图。设备开启后，首先对STM32F427时钟、端口配置进行初始化，再对聚合物锂电池电量进行检测，电量不足时设备报警提示充电。MCU进入待机模式，等待上位机的指令。当收到采集开始命令时，步进电机和阵列传感器按指令工作，步进电机在驱动模块的控制下实现在待测管道8上以0.2m/s的速度运动，阵列传感器在MCU的控制下往激励线圈10中通入幅值为5V，频率为100Hz的脉冲信号，检测线圈11中的多个矩形螺旋线圈在电子切换开关的控制下，可分别构成周向和轴向差分对检测线圈，周向方向相邻的矩形螺旋线圈A1，A2接通后构成一个周向差分对阵列单元，以此类推，A2，A3等周向方向相邻的矩形螺旋线圈可构成多个周向差分对阵列单元；轴向方向相邻的矩形螺旋线圈A1，B1接通后构成一个轴向差分对阵列单元，以此类推，A2，B2等轴向方向相邻的矩形螺旋线圈可构成多个轴向差分对阵列单元。同时MCU接收周向和轴向的检测数据，然后通过串口发送给从设备(CC2540)，从设备调用无线发送函数发送数据给主设备，上位机串口接收数据包，然后对数据进行分析处理，得出管道缺陷信息，实现对管道外壁的周向和轴向缺陷快速检测。
实施例2：针对室外一段50M架空的天然气管道，由于其处在蓝牙信号发射范围内，使用本装置可实现管道缺陷的在线检测，将装置同实施例1中安装完成后，设定为在线检测模式，检测装置与上位机之间实时通信，在收到PC机发出的开始检测命令后，步进电机在驱动模块的控制下实现在待测管道8上以0.2m/s的速度运动，阵列传感器的激励线圈10通入幅值为5V，频率为100Hz的脉冲信号，检测信号通过蓝牙模块实时传输给PC机，PC机通过分析计算实时得出管道检测位置的结构状态信息。
实施例3：针对室外一段100M以上架空的天然气管道，使用上述装置对其进行检测时，将装置同实施例1中安装完成后，可直接设置为离线检测模式，在从机接收完指令信号后蓝牙模块自动关闭，检测装置在微控制器的自主控制下实现在管道上以0.2m/s的速度移动，阵列传感器的激励线圈10通入幅值为5V，频率为100Hz的脉冲信号，检测线圈获取的检测信号直接写入SD卡存储模块中，当检测结束时PC机可选择USB直接读取SD卡存储模块中的检测数据，也可启动蓝牙模块，把SD卡中存储的检测数据上传至上位机中处理分析，得出检测结果。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种基于环形阵列探头的管道涡流无损检测装置，其特征在于：包括环形阵列传感器(1)、环形支架(2)、微控制器、步进电机、蓝牙模块、存储模块、PC机；
所述的环形阵列传感器(1)由聚酯薄膜基材(9)、激励线圈(10)、检测线圈(11)、地线(12)组成，激励线圈(10)、检测线圈(11)和地线(12)均印制在聚酯薄膜基材(9)上，其中激励线圈(10)为多匝矩形线圈，检测线圈(11)为多个排列成两行的矩形螺旋线圈，布置于激励线圈内，相邻的两个检测线圈绕制方向相反，最外圈触点接地线(12)，中心焊点(13)接信号输出端，环形阵列传感器(1)紧密贴合在环形支架(2)的内侧，形成环形阵列式线圈结构；
所述的环形支架(2)由两个半环形支架和八个滚轮(3)组成，两个半环形支架的一端铰接，可围绕铰链固定点转动，另一端是带有螺丝扣(6)的可活动开口，半环形支架两端接触位置处分别设有缓冲垫(7)，八个滚轮通过轮毂杆(4)分别安装在环形支架内侧四个方位，每个方位安装两个滚轮(3)，在两个滚轮(3)中间布置环形阵列传感器(1)，步进电机通过齿轮传动带动滚轮(3)转动，从而使环形阵列传感器(1)沿管道(8)扫描运动；
所述的环形支架(2)是由PVC材料制成的内空结构，并内置微控制器、步进电机及其驱动模块、信号调理模块、波形发生模块、聚合物锂电池、蓝牙从机模块、SD卡存储模块；
所述的聚合物锂电池为定制的适应于环形支架(2)的弧状锂电池，可通过微型USB充电电路实现对锂电池的充电，通过电源管理模块对装置中的各单元进行供电；
所述的微控制器与波形发生模块相连，控制波形发生模块产生相应的激励信号，加载到环形阵列传感器(1)的激励线圈(10)上，从而在试件中产生涡流，环形阵列传感器(1)的检测线圈(11)获得涡流检测信号，检测线圈与信号调理模块相连，环形阵列传感器(1)输出的检测信号经信号调理后传到微控制器，微控制器与步进电机驱动模块相连，控制步进电机的运动状态，同时，微控制器还与蓝牙模块、SD卡存储模块相连，通过UART串口实现检测数据的存储与发送及接收PC机的控制指令。
2.一种基于环形阵列探头的管道涡流无损检测方法，其特征在于：
首先，将检测装置安装在待测管件(8)上，扣紧螺丝扣(6)，检测装置在滚轮(3)的支撑下与待测管道(8)紧密贴合，并保持环形阵列传感器(1)与管壁距离不变。
其次，检测开始时，PC机通过蓝牙无线模块给微控制器发出指令，使检测装置处于连接状态，微控制器接到控制指令后，控制步进电机驱动模块实现对步进电机的精确控制，从而使检测装置在管道外壁(8)上精确移动，移动过程中波形发生模块在微控制器的控制下产生脉冲激励信号加载到环形阵列传感器(1)的激励线圈(10)上，激励线圈(10)通入脉冲激励信号后，在管道(8)内产生变化的磁场，变化的磁场感应出涡流，涡流受到管道缺陷扰动，产生包含管道缺陷信息的合成磁场，被检测线圈(11)接收形成检测信号，并经信号调理模块处理后进行A/D转换，送至微控制器。
最后，微控制器通过UART串口把采集的检测信号经蓝牙无线模块上传给PC机，PC机对收到的检测信号进行分析处理，得出管道缺陷信息，并记录缺陷位置，从而实现对管道外壁(8)的快速检测。
3.根据权利要求2所述的基于环形阵列探头的管道涡流无损检测方法，其特征在于：所述检测线圈(11)中的多个矩形螺旋线圈在电子切换开关的控制下，可分别构成周向和轴向差分对检测线圈，周向方向相邻的矩形螺旋线圈A1，A2接通后构成一个周向差分对阵列单元，以此类推，A2，A3等周向方向相邻的矩形螺旋线圈可构成多个周向差分对阵列单元；轴向方向相邻的矩形螺旋线圈A1，B1接通后构成一个轴向差分对阵列单元，以此类推，A2，B2等轴向方向相邻的矩形螺旋线圈可构成多个轴向差分对阵列单元。
4.根据权利要求2所述的一种基于环形阵列探头的管道涡流无损检测方法，其特征在于：所述检测装置具有在线和离线两种运行方式，在运行距离较近时，检测装置采用在线运行方式，微控制器与PC机通过蓝牙模块进行通讯，实时接收PC机控制指令和向PC机发送检测信号，PC机对检测信号进行实时分析与处理，给出检测结果；在运行距离较远时，检测装置采用离线运行方式，微控制器检测到蓝牙信号中断后，自动关闭蓝牙模块，通过UART串口将检测信号写入SD卡，待该管段检测完毕后，自动停止对激励线圈(10)加载激励信号以及停止检测信号采集和存储，控制步进电机使检测装置沿管道(8)原路返回至检测起始位置，然后重启蓝牙模块，把SD卡中存储的检测信号上传至PC机，进行处理分析，给出最终的检测结果。
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