CN112799077B - 一种基于有水管道的声呐检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于有水管道的声呐检测系统，通过非接触式电磁角位置检测模块实现对步进电机转动角位置实时获取，换能器信号线通过集电环连接方式，实现换能器可一直沿同一方向转动连续检测，提高检测效率；换能器的激励频率由主控单元提供，即激励频率可控，确保该激励方式适用于不同频率的水声换能器；换能器激励电压由电压/电流输出可调的电源模块提供，即激励电压实时可调，实现在各种不同待测管径条件下，一次激励信号能量强度满足检测需求，且二次反射信号都能被准确感测并提取。本发明的管道声呐检测系统适用于有水管道检测场景，避免了常规声呐探头存在的不足，提高管道声呐设备的适用性和便捷性。

Description

一种基于有水管道的声呐检测系统
技术领域
本发明属于管道声呐检测技术领域，具体为一种基于有水管道的声呐检测系统。
背景技术
现有技术中，常规的管道检测方式包含通过管道电视、管道机器人、无线潜望镜等方式实现对待测管道状况进行检测，这些检测方式需要待测管道水位在1/3以下甚至更少；而管道声呐检测方式则可在待测管道水位较高甚至满水状态下对管道进行检测，主要依靠声波反射法对有水管道进行功能性检测，例如管道缺陷状态及位置、管道淤泥沉积状态，弥补了常规检测方式存在的不足，提高了管道检测的便捷性和安全性。
管道声呐检测的基本原理为：采用声波反射法，以待测管道内的水体作为声波传播的介质，通过水声换能器发射特定频率的激励信号，并通过换能器接收从待测管道中二次反射的声波信号进行分析，二次反射信号中幅值表示信号强度，时间表示待测物体与水声换能器之间的距离。
现有的管道声呐检测在结构组成、连接方式、实现方式等方面具有以下特点：
1）结构组成方面：管道声呐由PC机、线缆车、声呐探头组成，PC机、线缆车大体都相同，差别在于声呐探头，常规声呐探头内部由通讯单元、主控单元、信号激励与调理单元、电机驱动单元、水声换能器、步进电机组成，声呐探头采样信号上传方式也分为两种，即采样的模拟信号直接上传给线缆车和采样的模拟信号转换为数字信号后再上传给线缆车，后者传输方式的抗干扰能力更强。
2）连接方式方面：线缆车通过线缆与声呐探头内部的通讯单元连接，通讯单元与主控单元连接，主控单元分别与信号激励与调理单元、电机驱动单元连接，信号激励与调理单元与水声换能器连接，电机驱动单元与步进电机连接，水声换能器固定于步进电机旋转轴上。
3）实现方式方面：系统上电后，PC机通过有线/无线的连接方式与线缆车连接，线缆车通过有线方式与声呐探头连接，具体实现方式为：PC机通过线缆车上的路由器及线缆车与声呐探头连接的电缆把指令发送给探头内的主控单元，探头内的主控单元接收到指令后依据指令通过电机驱动单元控制步进电机运动，通过信号激励与调理单元产生固定频率和幅值的激励信号作用于水声换能器，并在激励换能器的同时，收集换能器感测的二次响应信号进行处理，同时主控单元不断采集声呐探头整体姿态信息、气压信息，并逆向发送给PC机处理并显示。
现有的管道声呐检测具有以下缺点：
1）开环控制：步进电机开环控制，即电机旋转一周过程中实时角位置无法获知，依据驱动步进电机转动的脉冲个数和步进电机步距角换算并不能准确得出电机实时转动的绝对角度，甚至无法检测电机是否转动，导致换能器的实时绝对角位置也无法准确获知，最终采样信号在上位机进行绘图显示时只能从固定起始点开始，将采样数据包按照360°均分绘制，与待测物体缺陷的实际状态和位置可能存在误差。
2）刷新速度慢：市场上主流的管道声呐探头在检测过程中，换能器从固定起始点开始转动一圈完成检测，到达机械限位点后反向转动到起始点，因为若连续沿同一方向转动则存在将换能器信号线拧断的风险，且反向转动过程中换能器不进行检测，这种工作模式拉长了上位机图像刷新时间。
3）激励频率不可调：常规的管道声呐探头，其激励频率是固定的，当更换换能器后，整个硬件部分需要重新设计，这与激励方式及其后级的滤波电路相关连，因为不同频率的换能器，其二次反射信号对应的带通频段范围也不同，对应的后级信号调理电路也会不同。
4）激励电压不可调：常规的管道声呐探头，其换能器激励电压是固定的，即激励能量也是固定的，由于常规管道声呐探头都选用谐振型换能器，即换能器自发自收，这就导致在测量较小孔径（<φ220mm）的待测管道时二次反射信号会被一次激励信号覆盖；测量较大孔径（>φ6100mm）的待测管道时二次反射信号很微弱，即使通过调节后级信号调理电路中的信号增益也无明显改善。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于有水管道的声呐检测系统，所述系统可以实现对换能器转动角位置实时获取，提高检测效率，同时，可以实现对换能器激励频率和激励电压可调，适用于对不同管径的待测管道进行检测，且可确保检测效果的准确性。
根据本发明说明书的一方面，提供了一种基于有水管道的声呐检测系统，包括：网络通讯单元NU（Network communication unit）、ARM控制单元AU(ARM control unit)、电机驱动单元MU(Motor drive unit)、检测单元DU(Detection unit)、信号激励与调理单元SU(Signal excitation and conditioning unit)、集电环CR(Collector ring)、水声换能器UAT（underwater acoustic transducer）和步进电机SM(Stepper motor)；其中，所述ARM控制单元AU分别与网络通讯单元NU、电机驱动单元MU、检测单元DU和信号激励与调理单元SU连接，所述信号激励与调理单元SU与集电环CR连接，所述集电环CR与水声换能器UAT连接，所述水声换能器UAT固定在步进电机SM的旋转轴上，所述检测单元DU与步进电机SM连接；
所述ARM控制单元AU通过网络通讯单元NU接收上位机指令，根据指令执行以下动作：通过所述电机驱动单元MU控制步进电机SM运动；通过信号激励与调理单元SU和集电环CR对水声换能器UAT发射特定幅值和频率的激励脉冲信号；通过所述信号激励与调理单元SU对水声换能器UAT接收的二次反射的声波信号进行处理，并将处理后的模拟信号传入ARM控制单元AU进行采集；通过所述检测单元DU实时监测步进电机SM转动的绝对角位置、声呐探头整体姿态以及探头密封腔内的气压信息。
上述声呐检测系统适用于有水管道检测场景，解决了常规声呐探头存在的不足，提高了管道声呐设备的适用性和便捷性。
上述技术方案中，在步进电机SM转动时，ARM控制单元AU通过信号激励与调理单元SU和集电环CR对水声换能器UAT发射特定频率和幅值的方波信号进行激励，同时对水声换能器UAT接收的二次反射信号进行调理，调理后的信号最后进入ARM控制单元AU自带的ADC模块进行采集。其中，水声换能器UAT的激励频率由ARM控制单元AU提供，满足激励频率可控，确保该激励方式适用于不同频率的水声换能器UAT；以及，水声换能器UAT的激励电压实时可调，实现在各种不同待测管径条件下，一次激励信号能量强度满足检测需求，且二次反射信号都能被准确感测并提取。
在步进电机SM转动期间，ARM控制单元AU通过检测单元DU实时监测步进电机SM转动的绝对角位置、声呐探头整体姿态以及探头密封腔内的气压信息。其中，通过对步进电机转动角位置实时获取，来实现对水声换能器UAT实时角位置的获取，进而实现水声换能器UAT转动位置可控。步进电机SM转动一圈过程中，已知水声换能器UAT实时角位置，当需要对某一区域进行重点检测，可通过上位机软件设置需重复检测区域，即在0-360°区间中设置一段检测角度，结合水声换能器UAT波束角和步进电机SM的步距角，可对该待测角度进行细分采集，最终实现对待测管道内部指定区域重点检测。
水声换能器UAT信号线通过集电环连接方式，实现水声换能器UAT可一直沿同一方向转动，实现换能器连续检测，相对于常规检测过程中，换能器信号线只沿一个方向连续转动会拧断，转动一圈后需回退到固定起始位置才开始下一次检测的方式而言，本发明的方式能够提高水声换能器UAT的检测效率。
作为进一步的技术方案，所述ARM控制单元AU包括：模数转换器ADC(Analog-to-Digital Converter)，用于处理信号激励与调理单元SU输出的模拟信号；数模转换器DAC(Digital-to-Analog Converter)，用于控制信号激励与调理单元SU中输出可调电源OS的输出电压和电流；TIM定时器，用于输出不同频率的方波信号，且方波频率能够通过上位机实时更改。
所述ARM控制单元AU控制TIM定时器输出不同频率的方波信号进入信号激励与调理单元SU，产生特定幅值和频率的激励脉冲信号，通过所述激励脉冲信号对水声换能器UAT进行激励。因为方波信号的频率可由上位机实时更改，因此，满足激励频率可调，能够适用于不同频率的水声换能器UAT。
所述ARM控制单元AU还控制TIM定时器输出不同频率的方波信号进入电机驱动单元MU，实现控制步进电机SM转动。所述步进电机SM的转动速率与其驱动频率成正比，即与进入的方波信号的频率成正比，而方波信号的频率可由ARM控制单元AU实时更改，且与上位机界面可设置的待测管径相关联，即可通过改变待测管径来改变步进电机SM的转动速率，实现依据不同管径变换电机转动速率，适用于不同管径的检测。具体地，依据管径来变换电机速率，因为依据不同的管径最小回波时间，可以计算出在当前待测管径条件下，转动一圈需要多长时间，再将此时间换算成驱动电机的频率。例如步进电机步距角0.9°，理论上转动一圈需要400步，而在步进电机每转动一步的过程中，要结合待测管径的最小回波时间以及换能器的波束角，确保在该转动速率下，二次回波可被换能器接收到（在换能器波束角范围内）而不会转过。
作为进一步的技术方案，所述信号激励与调理单元SU包括信号激励模块DM和信号调理模块CM；其中，
所述信号激励模块DM(Signal driving module)包括：输出可调电源OS(Outputadjustable power supply)，用于提供特定幅值的电压；激励驱动电路EC(Excitationdrive circuit)，用于产生脉冲个数可控的方波信号；变压器TS(transformer)，用于将原边的脉冲信号按照指定的匝数比，在变压器副边输出特定幅值的交变脉冲信号；
所述信号调理模块CM(Signal conditioning module)包括：可编程带通滤波器PF(Programmable band-pass filter)和对数检波器LD(Logarithmic detector)，用于对水声换能器UAT接收到的二次声波反射信号进行处理，并将处理后的信号输入ARM控制单元AU进行采集。
所述ARM控制单元AU控制TIM定时器输出不同频率的方波信号进入信号激励与调理单元SU中的激励驱动电路EC，驱动该激励驱动电路EC产生脉冲个数可控的方波信号，该方波信号输入至变压器TS原边两端引脚，输出可调电源OS接入变压器TS原边中间抽头，输出可调电源OS的输出电压值由上位机通过ARM控制单元AU进行调节，调节的机制依据上位机实时绘制待测管道的轮廓而定，若依据水声换能器UAT实时接收的二次反射信号绘制的管道轮廓较粗，且存在多圈等间距轮廓，说明此时的激励能量太强，会影响对待测管径缺陷的判断，可适当减小输出可调电源OS的输出电压值，反之若依据水声换能器UAT实时接收的二次反射信号绘制的管道轮廓较细且存在较多空缺，可适当增大输出可调电源OS的输出电压值，即增强激励能量，确保水声换能器UAT发出的脉冲信号能够到达待测管道且能接收到从待测管道反射回的二次反射信号。激励驱动电路EC和输出可调电源OS相结合产生的电压脉冲信号经由变压器TS变换后输出，由于变压器TS的匝数比可指定，因此在变压器TS副边能够得到具有特定幅值和个数的脉冲信号，该具有特定幅值和个数的脉冲信号对水声换能器UAT进行激励。
所述激励驱动电路EC产生的激励脉冲个数可控，可避免激励脉冲个数较多覆盖二次反射信号。激励脉冲个数与激励能量成正比，调节依据与输出可调电源OS相同。
所述可编程带通滤波器PF的滤波频段范围依据水声换能器UAT的中心频率而定。所述对数检波器LD适用于声波信号这种动态范围宽，信号幅度会在很短时间内从几微伏变化到几伏，但输出信号应保持在几十毫伏到几伏范围内的应用场景，所述对数检波器LD能使弱信号得到高增益放大，对于强信号则自动降低增益，避免饱和。
作为进一步的技术方案，所述变压器TS的磁芯依据水声换能器UAT的中心频率点确定，变压器TS匝数的平方与变压器TS的电感量成正比，依据公式
Figure 810592DEST_PATH_IMAGE001
可以算出变压器TS的电感量，其中
Figure 836317DEST_PATH_IMAGE002
为驱动水声换能器UAT的方波信号频率，即水声换能器UAT的中心频率点，
Figure 306613DEST_PATH_IMAGE003
为水声换能器UAT的静态电容，
Figure 679081DEST_PATH_IMAGE004
则为变压器的电感量，当变压器的电感量与理论计算所需值接近时，可确保此时的激励能量和激励效果最优。因此，可通过调整匝数比来调整变压器TS的电感量，使变压器TS的实际电感量与理论计算值相接近，从而达到最优的激励能量和激励效果。
作为进一步的技术方案，所述检测单元DU包括姿态传感器AS(Attitude sensor)、气压传感器BS(Barometric sensor)、电磁角位置传感器ES(Electromagnetic angularposition sensor)和槽型光耦GC(Groove type optical coupling)；其中，所述姿态传感器AS用于实时获取声呐探头的角度信息；所述气压传感器BS用于检测声呐探头腔体内部的气压值；所述电磁角位置传感器ES用于实时检测步进电机SM转动的绝对角位置；所述槽型光耦GC用于提供步进电机SM绝对初始位置。
所述姿态传感器AS实时获取声呐探头的角度信息并发送给ARM控制单元AU，ARM控制单元AU将获得的实时角度信息经由网络通讯单元NU上传至上位机，便于上位机进行图形绘制。
所述气压传感器BS检测声呐探头腔体内部的气压值，初始时刻探头内部会注入适量气压并密封，通过气压值是否快速下降来判定声呐探头是否存在漏水的风险。
作为进一步的技术方案，所述电磁角位置传感器ES固定在步进电机SM底部旋转轴的正下方区域，所述电磁角位置传感器ES与步进电机SM底部旋转轴的间距不超过0.5mm。所述电磁角位置传感器ES与步进电机SM底部旋转轴间距保持在0.5mm内线性度最好，通过检测旋转轴上永磁体的磁性变化并量化，得出永磁体的绝对角位置，从而得出电机实时转动的角位置，进而也得到水声换能器UAT的实时角位置。
作为进一步的技术方案，所述步进电机SM旋转轴上固定有一圆盘，所述圆盘上留有一个缺口，当所述缺口不处于槽型光耦GC几何中心时，所述槽型光耦GC处于关断状态，输出高电平；当所述缺口转到槽型光耦GC几何中心时，所述槽型光耦GC导通，输出低电平。所述ARM控制单元AU通过实时读取电磁角位置传感器ES输出的角度信息以及实时捕获槽型光耦GC输出引脚电平变化，实现检测步进电机SM是否已完整转动了一圈且对转动一圈过程中的绝对角度实时获取。
作为进一步的技术方案，所述网络通讯单元NU包括信号隔离模块IM(Signalisolation module)、电力猫模块PM(Power cat module)和以太网接口模块EM(Ethernetinterface module)；其中，所述信号隔离模块IM用于将声呐探头与线缆车通讯的2芯线缆中的供电电源和通讯信号进行隔离；所述电力猫模块PM用于将2芯信号线转换为标准的LAN口，与以太网接口模块EM连接；所述以太网接口模块EM用于LAN口与ARM控制单元AU进行桥接通讯。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明提供的声呐检测系统，在步进电机SM转动时，ARM控制单元AU通过信号激励与调理单元SU和集电环CR对水声换能器UAT发射特定频率和幅值的方波信号进行激励，同时对水声换能器UAT接收的二次反射信号进行调理，最后进入ARM控制单元AU自带的ADC模块进行采集。其中，水声换能器UAT的激励频率由上位机提供，满足激励频率可控，确保该激励方式适用于不同频率的水声换能器UAT；以及，水声换能器UAT的激励电压实时可调，实现在各种不同待测管径条件下，一次激励信号能量强度满足检测需求，且二次反射信号都能被准确感测并提取。
（2）本发明在步进电机SM转动期间，ARM控制单元AU通过检测单元DU实时监测步进电机SM转动的绝对角位置，通过对步进电机转动角位置实时获取，来实现对水声换能器UAT实时角位置的获取，进而实现水声换能器UAT转动位置可控，并且，结合水声换能器UAT波束角和步进电机SM的步距角，可对任意待测角度进行细分采集，最终实现对待测管道内部指定区域重点检测。
（3）本发明将水声换能器UAT信号线通过集电环连接方式连接，实现水声换能器UAT可一直沿同一方向转动，达到换能器连续检测的目的，相对于常规检测过程中，换能器信号线只沿一个方向连续转动会拧断，转动一圈后需回退到固定起始位置才开始下一次检测的方式而言，本发明的方式能够提高水声换能器UAT的检测效率。
（4）本发明的声呐检测系统及方法适用于有水管道检测场景，避免了常规声呐探头存在的不足，提高了管道声呐设备的适用性和便捷性。
附图说明
图1为根据本发明实施例的基于有水管道的声呐检测系统的结构示意图。
图2为根据本发明实施例的基于有水管道的声呐检测系统的原理框图。
图3为根据本发明实施例的网络通讯单元NU的原理框图。
图4为根据本发明实施例的信号激励与调理单元SU的原理框图。
图5为根据本发明实施例的信号激励模块DM的原理框图。
图6为根据本发明实施例的信号调理模块CM的原理框图。
图7为根据本发明实施例的检测单元DU的原理框图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明提供一种基于有水管道的声呐检测系统，如图1-2所示，所示系统包括：网络通讯单元NU、ARM控制单元AU、电机驱动单元MU、检测单元DU、信号激励与调理单元SU、集电环CR、水声换能器UAT、步进电机DM。其中，所述ARM控制单元AU分别与网络通讯单元NU、电机驱动单元MU、检测单元DU和信号激励与调理单元SU连接，所述信号激励与调理单元SU与集电环CR连接，所述集电环CR与水声换能器UAT连接，所述水声换能器UAT固定在步进电机SM的旋转轴上，所述检测单元DU与步进电机SM连接。
作为一种实施方式，如图3，网络通讯单元NU包括信号隔离模块IM、电力猫模块PM、以太网接口模块EM。信号隔离模块IM由4.7uH/8A电感和1uF/100V电容组成π型滤波网络，用于将2芯电缆中直流电源和通讯信号进行隔离；电力猫模块PM选用TPLINK千兆电力猫模块，以太网接口模块EM选用WIZnet公司的高吞吐率的以太网接口芯片，可满足声波信号这种快速、较大数据量传输的使用场景。
作为一种实施方式，ARM控制单元AU选用ST公司的32位ARM处理器，其自带的模数转换器ADC便于处理信号激励与调理单元SU输出的模拟信号，采样电压区间为0-3.3V；自带的数模转换器DAC便于控制信号激励与调理单元SU中输出可调电源OS的输出电压和电流，数模转换器DAC输出电压范围为0-3.3V，最终实现对换能器的激励电压幅值进行控制；其自带的TIM定时器可输出不同频率的方波信号，且方波频率上位机可实时更改，确保本发明的控制系统适用于驱动不同中心频率的水声换能器进行工作。
作为一种实施方式，如图4，信号激励与调理单元SU包括信号激励模块DM和信号调理模块CM。如图5，信号激励模块DM主要由输出可调电源OS、变压器TS和激励驱动电路EC组成。
输出可调电源OS选用synqor公司的八分之一砖型大功率DC-DC电源模块，其输入为0-60V，输出电压9-60V可调，输出电流0-10A可调，转换效率高达96%，基板温度100℃无明显降额。
变压器TS的磁芯依据驱动换能器的方波信号频率而定，变压器匝数比依据水声换能器UAT的静态电容和中心频率点确定，依据公式
Figure 816802DEST_PATH_IMAGE001
可以算出变压器的电感量，其中
Figure 279007DEST_PATH_IMAGE005
为驱动换能器的方波信号频率，即水声换能器UAT的中心频率点，
Figure 971020DEST_PATH_IMAGE006
为水声换能器UAT的静态电容，
Figure 176873DEST_PATH_IMAGE007
则为变压器的电感量，当变压器的电感量与理论计算所需值接近时，可确保此时的激励能量和激励效果最优。
激励驱动电路EC则是由常规的三极管、与门、D触发器组成，实现激励脉冲个数可控，避免激励脉冲个数较多覆盖二次反射信号。
如图6，信号调理模块CM主要由可编程带通滤波器和对数检波器组成，其中MAXIM公司的可编程带通滤波器，滤波频段范围依据水声换能器UAT的中心频率而定，例如水声换能器UAT的中心频率点为1MHz，常规测试时可设置200K的带通频段范围；对数检波器选用ADI公司的对数检波器，适用于声波信号这种动态范围宽，信号幅度会在很短时间内从几微伏变化到几伏，但输出信号应保持在几十毫伏到几伏范围内的应用场景。采用对数检波器可以满足这种要求，它能使弱信号得到高增益放大，对于强信号则自动降低增益，避免饱和。
作为一种实施方式，集电环CR选用小型集电环，用于将水声换能器UAT的2芯信号线进行转接，确保水声换能器UAT可沿一个方向持续转动，最终实现换能器连续采集，提高管道声呐整体检测效率。
作为一种实施方式，水声换能器UAT本实例中选用中心频率为1MHz的水声换能器；本次设计中，选用谐振式换能器，自发自收，其发射的波束角计算公式为：
Figure 136476DEST_PATH_IMAGE008
其中
Figure 238425DEST_PATH_IMAGE009
为换能器波束角，单位为°；
Figure 683312DEST_PATH_IMAGE010
为波长，声呐在水中的波速为1500m/s，对应的波长为
Figure 692857DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 539590DEST_PATH_IMAGE012
为换能器激励频率，取1MHz，即对应的波长
Figure 343598DEST_PATH_IMAGE013
为0.0015m；
Figure 788966DEST_PATH_IMAGE014
为换能器半径，20mm，计算得到换能器波束角
Figure 602201DEST_PATH_IMAGE015
，即换能器单次可覆盖角度为2.2346°。
本实例中步进电机SM选用42型、步距角为0.9°的小型直流步进电机，由于水声换能器UAT固定于步进电机旋转轴上，0.9°的步距角结合步进电机驱动芯片的细分功能，可确保换能器扫描更加细腻精确。
作为一种实施方式，电机驱动单元MU选用Trinamic公司的抑共振、超静音的步进电机驱动芯片，可实现4/8/16/32细分，使步进电机控制更加细腻平稳。步进电机的转速与脉冲频率成正比，步进电机的转速计算公式如下：
Figure 569020DEST_PATH_IMAGE016
Figure 543929DEST_PATH_IMAGE017
为电机转速，单位为转/分;
Figure 228988DEST_PATH_IMAGE018
为驱动频率，单位为Hz；T为步距角，一般为0.9°或1.8°；
Figure 580335DEST_PATH_IMAGE019
为驱动芯片细分倍数，本实例中，需要每秒转动一圈，步进电机步距角固定为0.9°，4细分，转一圈360°，需要走400步，则驱动频率
Figure 136081DEST_PATH_IMAGE020
需要取值1600Hz，
Figure 514848DEST_PATH_IMAGE021
，每分钟60转，即每秒转动一圈，依据此公式，可实现依据不同管径变换电机转动速率，即改变转动一圈所需时间。
换能器单次可覆盖角度为2.2346°，步进电机SM为0.9°步距角，默认4细分，即4步转动0.9°，8步才转动1.8°，小于换能器单次可覆盖角度，所以理论上只需要激励200次即可覆盖一圈，但常规为了测试更细腻，单圈激励次数以及采样数据包个数都可增加。
作为一种实施方式，检测单元DU包括姿态传感器AS、气压传感器BS、电磁角位置传感器ES和槽型光耦GC。
如图7，姿态传感器AS选用9轴陀螺仪MPU9250，可实时检测声呐探头的方位信息。气压传感器BS选用NXP公司的高精度气压传感器，实现对声呐探头内部密封腔体气压值实时监测，避免探头密封性不好导致探头进水最终损坏。电磁角位置传感器ES选用MPS公司的电磁角位置传感器，固定于步进电机SM底部旋转轴的正下方，用于实时检测电机旋转轴的角位置，即水声换能器UAT转动的实时角位置，实现对水声换能器UAT转动位置可控，结合水声换能器UAT波束角和步进电机SM的步距角，可对任意待测角度进行细分采集，最终实现对待测管道内部指定区域重点检测。槽型光耦GC选用ROHM公司的槽型光耦开关，用于提供水声换能器UAT转动一圈的绝对起始点。
系统实现方式为：系统上电后，PC机通过有线/无线连接方式连接到线缆车内部的路由器，路由器与声呐探头内部的ARM控制单元AU通过网络通讯单元NU进行通讯，具体实现方式为：线缆车与声呐探头通过2芯电缆连接，系统开始工作时，PC机通过线缆车上的路由器把指令经2芯电缆发送给探头内的网络通讯单元NU，经网络通讯单元NU转接后进入ARM控制单元AU，探头内的ARM控制单元AU接收到指令后根据指令通过电机驱动单元MU控制步进电机SM运动，且通过检测单元DU中的电磁角位置传感器ES实时获取步进电机SM绝对角位置，在步进电机SM转动时，ARM控制单元AU通过信号激励与调理单元SU和集电环CR对水声换能器UAT发射特定频率和幅值的方波信号进行激励，同时对水声换能器UAT接收的二次反射信号进行调理，最后进入ARM控制单元AU自带的ADC模块进行采集；通过检测单元DU中的电磁角位置传感器ES实时获取步进电机转动的实时角位置；通过姿态传感器AS获取声呐探头整体姿态信息；通过气压传感器BS获取探头内部密封腔体的气压信息逆向发送给上位机处理并显示。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (7)

1.一种基于有水管道的声呐检测系统，其特征在于，包括：网络通讯单元NU、ARM控制单元AU、电机驱动单元MU、检测单元DU、信号激励与调理单元SU、集电环CR、水声换能器UAT和步进电机SM；其中，所述ARM控制单元AU分别与网络通讯单元NU、电机驱动单元MU、检测单元DU和信号激励与调理单元SU连接，所述信号激励与调理单元SU与集电环CR连接，所述集电环CR与水声换能器UAT连接，所述水声换能器UAT固定在步进电机SM的旋转轴上，所述检测单元DU与步进电机SM连接；
所述ARM控制单元AU通过网络通讯单元NU接收上位机指令，根据指令执行以下动作：通过所述电机驱动单元MU控制步进电机SM运动；通过信号激励与调理单元SU和集电环CR对水声换能器UAT发射特定幅值和频率的激励脉冲信号；通过所述信号激励与调理单元SU对水声换能器UAT接收的二次反射的声波信号进行处理，并将处理后的模拟信号传入ARM控制单元AU进行采集；通过所述检测单元DU实时监测步进电机SM转动的绝对角位置、声呐探头整体姿态以及探头密封腔内的气压信息；
所述检测单元DU包括姿态传感器AS、气压传感器BS、电磁角位置传感器ES和槽型光耦GC；其中，所述姿态传感器AS用于实时获取声呐探头的角度信息；所述气压传感器BS用于检测声呐探头腔体内部的气压值；所述电磁角位置传感器ES用于实时检测步进电机SM转动的绝对角位置；所述槽型光耦GC用于提供步进电机SM绝对初始位置。
2.根据权利要求1所述一种基于有水管道的声呐检测系统，其特征在于，所述ARM控制单元AU包括：模数转换器ADC，用于处理信号激励与调理单元SU输出的模拟信号；数模转换器DAC，用于控制信号激励与调理单元SU中输出可调电源OS的输出电压和电流；TIM定时器，用于输出不同频率的方波信号，且方波频率能够通过上位机实时更改。
3.根据权利要求1所述一种基于有水管道的声呐检测系统，其特征在于，所述信号激励与调理单元SU包括信号激励模块DM和信号调理模块CM；其中，
所述信号激励模块DM包括：输出可调电源OS，用于提供特定幅值的电压；激励驱动电路EC，用于产生脉冲个数可控的方波信号；变压器TS，用于将原边的脉冲信号按照指定的匝数比，在变压器副边输出特定幅值的交变脉冲信号；
所述信号调理模块CM包括：可编程带通滤波器PF和对数检波器LD，用于对水声换能器UAT接收到的二次声波反射信号进行处理，并将处理后的信号输入ARM控制单元AU进行采集。
4.根据权利要求3所述一种基于有水管道的声呐检测系统，其特征在于，所述变压器TS的磁芯依据水声换能器UAT的中心频率点而定，变压器匝数比依据水声换能器UAT的静态电容和中心频率点确定。
5.根据权利要求1所述一种基于有水管道的声呐检测系统，其特征在于，所述电磁角位置传感器ES固定在步进电机SM底部旋转轴的正下方区域，所述电磁角位置传感器ES与步进电机SM底部旋转轴的间距不超过0.5mm。
6.根据权利要求1所述一种基于有水管道的声呐检测系统，其特征在于，所述步进电机SM旋转轴上固定有一圆盘，所述圆盘上留有一个2mm缺口，当所述缺口不处于槽型光耦GC几何中心时，所述槽型光耦GC处于关断状态，输出高电平；当所述缺口转到槽型光耦GC几何中心时，所述槽型光耦GC导通，输出低电平。
7.根据权利要求1所述一种基于有水管道的声呐检测系统，其特征在于，所述网络通讯单元NU包括信号隔离模块IM、电力猫模块PM和以太网接口模块EM；其中，所述信号隔离模块IM用于将声呐探头与线缆车通讯的2芯线缆中的供电电源和通讯信号进行隔离；所述电力猫模块PM用于将2芯信号线转换为标准的LAN口，与以太网接口模块EM连接；所述以太网接口模块EM用于LAN口与ARM控制单元AU进行桥接通讯。
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