CN202362276U - 一种磁致伸缩导波检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁致伸缩导波检测仪。本实用新型包括上位机数据处理系统，嵌入式控制系统和探头部分；嵌入式控制系统中的信号控制与处理模块和上位机数据处理系统连接，探头部分中的线圈适配器与嵌入式控制系统中的功率放大模块和前置放大模块连接，探头部分中的磁致伸缩带材用环氧树脂粘在或机械方式直接耦合在检测管道上并进行磁化，线圈包在磁致伸缩带材的外面与线圈适配器与功率放大模块连接。与传统的检测技术相比，通过时频滤波技术，对检测到的波形进行滤波分析，从而增大信噪比，使缺陷信号更易识别。本实用新型可对埋于介质（土壤、水泥、岩土等）中的管道构件或架空的钢缆吊杆、钢缆等进行检测，定位缺陷的位置和大小。

Description

一种磁致伸缩导波检测仪

技术领域

本实用新型涉及一种无损检测仪，尤其是涉及对埋于介质中的管道或架空的钢缆吊杆、钢缆等进行检测的一种磁致伸缩导波检测仪。

背景技术

管道在经济建设和国防工业中的运输作用及其重要，已经成为国民经济的命脉，管道输送效率高运输容量大，易于实现自动化管理；建设一次投资可以长期使用，投资省占地少，运输损耗低，并且不受到地形、地貌和气候条件的影响。然而，工业管道一般都在非常恶劣的条件下工作，由于不可避免的腐蚀、自然作用和人为损坏等因素，管道壁厚减薄与泄漏事故频频发生，不仅给人们的生命、财产成了巨大的威胁，而且还会严重污染环境、影响生态。根据政府有关部门统计，因管道严重腐蚀引起的泄漏事故占事故总量的60％，但是传统的检测方法需要挖开或拆除保温层、防腐层，因此难以对其进行检测，即使进行检测，其辅助费用(如搭脚手架等)也远远大于其检测本身的费用。

磁致伸缩导波检测技术具有单点激励即可实现构件的长距离检测、无需耦合的非接触式检测、在高温腐蚀等恶劣环境下的在线检测与长期状态检测、导波传播方向具有双向性等优点，在工业界得到了广泛的应用。专利号200710053209.4提出了测定磁致伸缩导波传播距离的方法。专利号200910272923.1提出使用磁致伸缩导波单方向检测方法，通过信号叠加增加信号幅值。该技术在实际检测中需要两个相同的接收传感器进行收发检测，操作复杂，耗费时间，在恶劣环境中对工人身体要求高。上述专利利用磁致伸缩技术进行检测时，需要两个传感器，安装麻烦，如果在恶劣条件下进行实验，难以保证实验能正常进行；同时，以上技术并未进行时频滤波，导致对实验结果的信息获得没有针对性；再则，以上技术并没有对所获得波形进行识别，难以判断在缺陷的位置和大小。

发明内容

为了克服背景技术中存在的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种磁致伸缩导波检测仪，通过使用单一探头、时频滤波、波形识别技术进行磁致伸缩导波检测，对管道、金属构件的各种缺陷进行全方位检测，从而快速、准确地检测出管道、金属构件的内部裂纹和腐蚀等缺陷。

本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型包括上位机数据处理系统，嵌入式控制系统和探头部分；嵌入式控制系统中的信号控制与处理模块和上位机数据处理系统连接，探头部分中的线圈适配器与嵌入式控制系统中的功率放大模块和前置放大模块连接，探头部分中的磁致伸缩带材用环氧树脂粘在或机械方式直接耦合在检测管道上并进行磁化，线圈包在磁致伸缩带材的外面与线圈适配器与功率放大模块连接。

所述的嵌入式控制系统包括由激励信号发生单元、信号时序控制单元和回波信号处理单元组成的信号控制与处理模块，功率放大模块和前置放大模块；信号控制与处理模块中的激励信号发生单元经信号时序控制单元和回波信号处理单元连接后，激励信号发生单元经功率放大模块与探头部分中的线圈适配器连接连接，回波信号经前置放大模块和回波信号处理单元连接。

所述的激励信号发生单元包括型号为EP4CE115F29C7N的FPGA、AD9765模块、THS3062模块，接收FPGA传送来的由上位机数据处理系统的设置激励信号并在信号时序控制单元作用下产生两路相位相差1/4周期的激励信号，其输出端与功率放大模块的输入端相连。

所述的信号时序控制单元采用FPGA上的信号时序控制单元。

所述的回波信号处理单元的两路回波信号的输入端与前置放大模块的输出端连接，经过AD9254模块的处理后由FPGA经过USB数据接口传送到上位机数据处理系统中。

所述的前置放大模块有相同的两路，均包括三个AD817放大电路U8、U10、U11和由两个ADA4898组成的带通滤波器，回波信号由SIGIN输入，通过AD817进行三级放大，放大后的信号经过两块ADA4898模块即U2A、U2B组成的带通滤波器，滤波后由输出端O输出，输出端与回波信号处理单元的输入端连接。

所述的功率放大模块有相同的两路，激励信号发生单元的输出端与其输入端连接，信号由输入端W输入，首先经过AD817模块即U4电压被放大；AD817模块即U5、U6分别作为同相、反相单位增益放大器，把经过模块U4后放大后的信号转换为一路差分信号输出至LM3886模块即U7、u9，作为差分功率放大级，把U5、U6输出的差分信号功率放大后从输出端LN、LP输出驱动线圈。

本实用新型具有的有益效果是：

本实用新型与传统的检测技术相比，通过时频滤波技术，对检测到的波形进行滤波分析，从而增大信噪比，使缺陷信号更易识别。主要具有以下的突出优点：(2)检测准确度高，误差能够满足工程要求；(2)检测成本低，探头结构简单、价格低廉，除探头安装区域外，无需挖开或拆除保温层、腐蚀层，免搭脚手架，可进行长期检测，从而大大降低检测成本；(3)应用范围广，适用于各种工业管道、钢索、锚杆等；(4)测量长度远，同一位置单向可检测几十米到上百米距离，双向检测距离更长；(5)缺陷分类详细(6)采用方向控制技术，导波能量只向特定的方向发射，接收特定方向的回波信号，避免了反向回波的干扰。

本实用新型可对埋于介质(土壤、水泥、岩土等)中的管道构件或架空的钢缆吊杆、钢缆等进行检测，定位缺陷的位置和大小。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构平面示意图。

图2是本实用新型的主机面板示意图。

图3是本实用新型的系统结构原理框图。

图4是本实用新型的导波方向控制原理图。

图5是本实用新型的信号时频分析步骤图。

图6是本实用新型的构件整体示意图。

图7是本实用新型的激励信号发生单元图。

图8是本实用新型的回波信号处理单元图。

图9是本实用新型信号控制与处理模块与上位机连接关系图。

图10是本实用新型的前置放大模块图。

图11是本实用新型的功率放大模块图。

图12是滤波后的最终结果图。

图中：1、工业便携箱，2、主机面板，3、航空插头，4、电源插头，5、蓄电池，6、工作信号灯，7、激励信号发生单元，8、信号时序控制单元，9、回波信号处理单元，10、功率放大模块，11、前置放大模块，12、线圈，13、线圈适配器，14、磁致伸缩带材，15、被测管道，16、上位机数据处理系统，

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1、图3所示，本实用新型包括上位机数据处理系统16，嵌入式控制系统和探头部分；嵌入式控制系统中的信号控制与处理模块和上位机数据处理系统16连接，探头部分中的线圈适配器13与嵌入式控制系统中的功率放大模块10和前置放大模块11连接，探头部分中的磁致伸缩带材14用环氧树脂粘在或机械方式直接耦合在检测管道15上并进行磁化，线圈12包在磁致伸缩带材14的外面与线圈适配器13与功率放大模块10连接。

所述的上位机数据处理系统是采用Labview编写，通过usb数据接口与嵌入式控制系统连接。构件的几何尺寸、材料特性、所需检测精度，选择合适频率的激励波形，通过设置正弦激励脉冲的幅值、频率、脉冲个数对激励信号发生单元7发出的脉冲进行设置；对采集回来的的回波信号进行波形调整包括计算实际的波速；衰减补偿；幅值百分比调整：选取一个已知的信号作为参考信号，一般选用端面信号或者是珐琅信号。如果是端面信号，则设为100％，若为珐琅信号，则设为85％，其他信号按照参考信号转化成百分数表示；波形调整完成之后进行波形识别，波形识别分成两步进行：第一步是利用幅值进行粗略的判断：焊缝和缺陷的幅值为4％～15％，珐琅为85％左右，断面为100％；第二步是利用相位进一步判断信号为焊缝或者是缺陷。由于缺陷和焊缝的幅值大小差不多，所以单从幅值上难以区分缺陷和相位。如果将起始信号的相位设为正，那么焊缝信号的相位正，缺陷信号为负。区分各种信号之后，将缺陷信号标记为“D”，焊缝信号标记为“W”；最后生成结果图，保存在计算机中用于分析。

所述的探头部分由线圈12、线圈适配器13和磁致伸缩带材14组成。磁致伸缩带材14用环氧树脂粘在或机械方式直接耦合在检测管道上并进行磁化，产生一个周向的偏置磁场；线圈12包在磁致伸缩带材14的外面可以为2个线圈，也可以用一个线圈，本实例采用一个线圈的方式，在收激励信号时为发送元件，在接收回波时为接收元件使用，通过线圈适配器13与功率放大模块10相连，接收激励信号单元7发出的经过放大的脉冲时产生一个激励磁场；激励磁场和偏置磁场是正交的，由魏德曼效应会产生扭转波，扭转波由此耦合到管道上。线圈12通过线圈适配器13与前置放大模块11的输入端相连，当扭转波在管道上传播遇到缺陷时，一部分波会产生回波信号，由于逆魏德曼效应，线圈12中能够感应出微弱的模拟电压信号，实现对扭转波的声电转换，经过放大前置放大模块11、模拟滤波后进入回波信号处理单元9，然后由上位机数据处理系统16进行处理并将缺陷显示。

如图1所示，本实用新型包括：工业便携箱1、主机面板2、嵌入式控制系统、探头部分、蓄电池5、上位机数据处理系统16。工业便携箱1底层的左上角安装有蓄电池5，底层其他空间安装嵌入式控制系统，蓄电池5给嵌入式控制系统供电；其上层安装主机面板2，主机面板2与蓄电池5、嵌入式控制系统相连；其箱体内左侧面安装有笔记本适配器，给笔记本电脑供电；箱体右侧板安装220V电源插头4和两个航空插头3，220v电源插头4用于蓄电池5充电和笔记本适配器充电，两个航空插头3为分别发射插头和发射/接收插头与探头部分连接，由主机面板2上的模式开关选择控制。

如图2所示，主机面板2的左侧安装有工作信号灯6，显示嵌入式控制系统和蓄电池5的工作状态和故障信息；右下角是电源开关，控制整个系统的通断电；左下角安装模式开关，控制检测的航空插头的选择，当模式开关为脉冲回波时，航空插头3为发射插头，当模式开关为一发一收时，航空插头3为发射/接收插头；中间是笔记本电脑扎带用来固定笔记本电脑。

如图3所示，所述的嵌入式控制系统包括由激励信号发生单元7、信号时序控制单元8和回波信号处理单元9组成的信号控制与处理模块，功率放大模块10和前置放大模块11；信号控制与处理模块中的激励信号发生单元7经信号时序控制单元8和回波信号处理单元9连接后，激励信号发生单元7经功率放大模块10与探头部分中的线圈适配器13连接连接，回波信号经前置放大模块11和回波信号处理单元9连接。

如图7所示，所述的激励信号发生单元7包括型号为EP4CE115F29C7N的FPGA、AD9765模块、THS3062模块，接收FPGA传送来的由上位机数据处理系统16的设置激励信号并在时序控制单元8作用下产生两路相位相差1/4周期的激励信号，其输出端与功率放大模块10的输入端相连，采用导波方向控制技术，产生两路相位差为1/4周期的正弦激励脉冲，使导波向加强方向传播，避免了其反方向的几何特征信号对驳回波信号的干扰，激励脉冲的幅值可根据要求设置；频率为4～250KHZ、1Hz分辨率；脉冲为每秒1～16脉冲；

如图8所示，所述的回波信号处理单元9的两路回波信号的输入端与前置放大模块11的输出端连接，经过AD9254模块的处理后由FPGA经过USB数据接口传送到上位机数据处理系统16中，功能是将经过前置放大模块11进行声压变换并放大的两路回波模拟电压信号经A/D转换成数字信号，对数字信号运用短时傅里叶变换进行时频滤波，然后由FPGA经过USB数据接口传送给上位机数据处理系统16，上位机数据处理系统16将结果存储显示。

如图9所示，FPGA通过USB数据接口与上位机数据处理系统16连接，传递数据，信号时序控制单元8采用FPGA中的信号时序控制单元，其功能是控制激励信号发生单元和回波信号处理单元之间的时序，两路正弦激励脉冲的延时以及两路A/D转换之间的延时。检测过程中，同一组探头要完成信号激励和接收的双重任务，这就需要信号时序控制单元8来控制激励脉冲信号单元7和回波处理信号单元9的工作时序不同，由于采用导波方向控制，A/D转换之间同样相差1/4周期。

如图10所示，所述的前置放大模块11有相同的两路，均包括三个AD817放大电路和由两个ADA4898组成的带通滤波器，回波信号由SIGIN输入，通过AD817进行三级放大，放大后的信号经过两块ADA4898模块即U2A、U2B组成的带通滤波器，滤波后由输出端O输出，输出端与回波处理单元9的输入端连接，功能是将两路微弱的回波电压信号(电压峰值约为几毫伏)放大成适合A/D转换的电压(-2V至+2V)，并对回波电压信号进行模拟滤波，其增益程控可调，由于导波会随着传播距离的增长而衰减，采用时间可控增益技术，即前置放大模块的增益随着时间的推移而增大，可以补偿导波的衰减。

如图11所示，所述的功率放大模块10有相同的两路，激励信号单元7的输出端与其输入端连接，信号由输入端W输入，首先经过AD817模块即U4，电压被放大；AD817模块即U5、U6分别作为同相、反相单位增益放大器，把经过U4后放大后的信号转换为一路差分信号输出至LM3886模块即U7、u9，作为差分功率放大级，把U5、U6输出的差分信号功率放大后从输出端LN、LP输出驱动线圈12，功能是将两路正弦激励脉冲(电压峰值低于3.5V)放大成施加到探头部分的线圈12的功率脉冲信号(峰峰值80v)，其工作频率为4～250KHz。

如图4所示为导波方向控制原理图，由于导波会向管道的两侧传播，在导波检测中往往关注某一方向的几何特征，其反方向的几何特征信号会对回波信号造成干扰。为了减少这种干扰，本实用新型采用了导波方向控制技术，在激励和接收导波时减小非检测方向信号，加强检测方向信号。

如图4a所示，激励导波时，为了使导波向加强方向传播，控制第二路激励信号f2相对于第一路激励信号f1延时1/4周期，线圈12的第1部分与线圈12的第2部分间隔为1/4周长。此时，激励信号f1、f2在加强方向对应的导波分量f1′、f2′的相位差Δφ′以及在减弱方向对应的导波分量f1″、f2″的相位差Δφ″可按以下方法计算：

加强方向：Δφ′＝φ1′-φ2′＝k(x1′-x2′)+ω(t1-t2)

式中：φ1′、φ2′：f1′、f2′相位角；

      x1′、x2′：线圈12的第1部分与线圈1的2部分相对加强方向参考点的距离；

      t1、t2：f1、f2相对参考时刻的时间；

k：波数；ω：角频率。

显然，

故Δφ′＝0。此时，导波在加强方向得到加强。减弱方向：Δφ″＝φ1″-φ2″＝k(x1″-x2″)+ω(t1-t2)

式中：

φ1″、φ2″：f1″、f2″相位角；

x1″、x2″：线圈12的第1部分与线圈12的第2部分相对减弱方向参考点的距离；

t1、t2：f1、f2相对参考时刻的时间；

k：波数；ω：角频率。

显然，

故此时，导波在减弱方向得到减弱。

类似的，如图4b所示，接收回波时，为了使特定方向(敏感方向)的导波被接受，控制第一路回波信号r1相对于第二路回波信号r2延时1/4周期，线圈12的第1部分与线圈12的第2部分间隔为1/4波长。此时，敏感方向回波信号r1、r2的相位差ΔΦ′以及非敏感方向回波信号r1、r2的相位差ΔΦ″可按以下方法计算：

敏感方向：ΔΦ′＝Φ1′-Φ2′＝k(X1′-X2′)+ω(T1-T2)

式中：

Φ1′、Φ2′：r1、r2相位角；

X1′、X2′：线圈12的第1部分与第2部分相对敏感方向参考点的距离；

T1、T2：r1、r2相对参考时刻的时间；

k：波数；ω：角频率。

显然，

故ΔΦ′＝0。此时，回波信号r1、r2叠加后得到加强。

非敏感方向：ΔΦ′＝Φ1′-Φ2′＝k(X1′-X2′)+ω(T1-T2)

式中：

Φ1′、Φ2′：r1、r2相位角；

X1′、X2′：线圈12的第1部分与第2部分相对敏感方向参考点的距离；

T1、T2：r1、r2相对参考时刻的时间；

k：波数；ω：角频率。

显然，

故ΔΦ″＝0。此时，回波信号r1、r2叠加后得到减弱。

回波信号的延时可以通过由信号时序控制单元8控制A/D转换的时序来实现；

如图5所示，采用短时傅里叶变换对信号进行时频滤波，避免了传统傅立叶变换的功率谱不能反映频率随时间的变化的缺点，短时傅立叶变换是通过时间和频率的联合函数来描述信号在不同时间和频率的能量密度，非常适合对导波信号的分析。

信号处理的步骤是：首先用窗函数来截取信号，假定信号在窗内是平稳的，采用傅立叶变换来分析窗内信号，以便确定在那个时间存在的频率，然后沿着信号移动窗函数，得到信号频率随时间的变化关系。在得到短时傅里叶变换之后，设定一个频率能量的阈值，将阈值以下的频率滤掉，然后经过短时傅里叶反变换得到滤波后的信号。

如图6所示，本实例中管道构件为4.1m长，其上有3个缺陷，分别为2个横向缺陷和1个钻孔，具体位置如图所示，磁致伸缩带材可以用铁镍合金、镍钴合金、铁钴合金，本实例采用铁钴合金。

图12是本实例滤波后的最终结果图。

具体实施步骤如下：

1)将磁致伸缩带材14本例中为铁钴合金，耦合在被测管道15上面，并进行磁化产生一个周向的偏置磁场；

2)铁钴合金条固定好后，将线圈12绕在其上面并通过线圈适配器13与工业便携箱1的航空插头2相连，系统上电，主机面板2的模式开关选择为脉冲回波；

3)由上位机数据处理系统16设定激励信号的幅值为3V、频率64K，脉冲个数为3，设置好后由usb数据接口传给激励信号发生单元7，在信号时序控制单元8的作用下产生两路相位差为1/4周期的正弦激励脉冲，经功率放大模块10放大后施加给探头部分的线圈12，产生一个激励磁场；激励磁场和偏置磁场是正交的，由魏德曼效应产生扭转波，扭转波在管道15中传播，遇到缺陷后发生反射，产生回波传播回线圈12，由逆魏德曼效应，线圈中感应出回波信号的两路模拟电压信号，

4)采用导波方向控制技术，激励信号单元7两路相位差为1/4周期的正弦激励脉冲，线圈12的第1部分与第2部分间隔为1/4导波波长

5)两路模拟电压信号经过前置放大模块11放大，由回波信号处理单元9进行A/D转换成数字信号运用短时傅里叶变换对信号进行时频滤波，然后读入上位机中进行存储和显示；

6)上位机数据处理系统16将采集到的波形进行分析识别和判断，确定被测构件的缺陷，缺陷的部位、数量、大小、类别等状况，实际检测波形如图12所示，并存储在计算机中。图12中负方向的端面信号远比正反向的端面信号小，可以证明，本实用新型完全能完成导波方向控制，实现单方向的检测，且对于2％以上的缺陷检测效果明显。

Claims (7)

1.一种磁致伸缩导波检测仪，其特征在于：包括上位机数据处理系统(16)，嵌入式控制系统和探头部分；嵌入式控制系统中的信号控制与处理模块和上位机数据处理系统(16)连接，探头部分中的线圈适配器(13)与嵌入式控制系统中的

功率放大模块(10)和前置放大模块(11)连接，探头部分中的磁致伸缩带材(14)用环氧树脂粘在或机械方式直接耦合在检测管道(15)上并进行磁化，线圈(12)包在磁致伸缩带材(14)的外面与线圈适配器(13)与功率放大模块(10)连接。

2.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩导波检测仪，其特征在于：所述的嵌入式控制系统包括由激励信号发生单元(7)、信号时序控制单元(8)和回波信号处理单元(9)组成的信号控制与处理模块，功率放大模块(10)和前置放大模块(11)；信号控制与处理模块中的激励信号发生单元(7)经信号时序控制单元(8)和回波信号处理单元(9)连接后，激励信号发生单元(7)经功率放大模块(10)与探头部分中的线圈适配器(13)连接，回波信号经前置放大模块(11)和回波信号处理单元(9)连接。

3.根据权利要求2所述的一种磁致伸缩导波检测仪，其特征在于：所述的激励信号发生单元(7)包括型号为EP4CE115F29C7N的FPGA、AD9765模块、THS3062模块；接收FPGA传送来的由上位机处理系统（16）的设置激励信号并在信号时序控制单元（8）作用下产生两路相位相差1/4周期的激励信号，其输出端与功率放大模块（10）的输入端相连。

4.根据权利要求2所述的一种磁致伸缩导波检测仪，其特征在于：所述的信号时序控制单元(8)采用FPGA上的信号时序控制单元。

5.根据权利要求2所述的一种磁致伸缩导波检测仪，其特征在于：所述的回波信号处理单元(9)的两路回波信号的输入端与前置放大模块（11）的输出端连接，经过AD9254模块的处理后由FPGA经过USB数据接口传送到上位机数据处理系统中。

6.根据权利要求2所述的一种磁致伸缩导波检测仪，其特征在于：所述的前置放大模块（11）有相同的两路，均包括三个AD817放大电路U8、U10、U11和由两个ADA4898组成的带通滤波器，回波信号由SIGIN输入，通过AD817进行三级放大，放大后的信号经过两块ADA4898模块即U2A、U2B组成的带通滤波器，滤波后由输出端O输出，输出端与回波信号处理单元（9）的输入端连接。

7.根据权利要求2所述的一种磁致伸缩导波检测仪，其特征在于：所述的

功率放大模块（10）有相同的两路，激励信号发生单元（7）的输出端与其输入端连接，信号由输入端W输入，首先经过AD817模块即U4电压被放大；AD817模块即U5、U6分别作为同相、反相单位增益放大器，把经过模块U4后放大后的信号转换为一路差分信号输出至LM3886模块即U7、u9，作为差分功率放大级，把U5、U6输出的差分信号功率放大后从输出端LN、LP输出驱动线圈（12）。

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