CN204188571U - Pccp钢丝断丝探测的发射端子系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种PCCP钢丝断丝探测的发射端子系统，包括设于所述探测主机上的发射机和发射探头，所述发射探头包括用以响应所述探测主机输入的交流信号，发射相应的电磁波信号，从而在PCCP管壁上感应出涡流信号的发射线圈和用于衰减所述发射线圈与外部接收探头之间的直接耦合信号屏蔽盘，所述发射线圈设于所述屏蔽盘中，所述发射机包括用以产生所述交流信号的信号源和功率放大器，所述信号源产生的交流信号依次经所述功率放大器和发射线圈后发出。

Description

PCCP钢丝断丝探测的发射端子系统

技术领域

本发明涉及混凝土领域，尤其涉及一种PCCP钢丝断丝探测的发射端子系统。

背景技术

PCCP管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe)是带钢筒的预应力混凝土管的简称，是目前国际上使用广泛的大口径、耐高压管材，由嵌埋薄钢筒的管芯、缠在管芯外的预应力钢丝(直径)和钢丝外的水泥砂浆保护层组成，如图1所示。管子的两端分别焊有钢制的承口圈和插口圈，管子的柔性接头采用滑动胶圈密封。在工作状态下，嵌埋在管壁中的薄钢筒具有抗渗功能，缠绕在管芯外的预应力钢丝及管芯的混凝土壁承受管材的内水压力及外荷载，因此PCCP管是一种将钢管与普通预应力混凝土管的优点相结合的管种。

远场涡流变压器耦合(RFECTC)技术采用内探头方式检测金属管材，此技术的特点在于既能检查黑色金属材料，又能检查有色金属材料，并且对内部的或外部的异常情况具有相同的灵敏度。采用单探头就能探测凹坑、裂纹和管壁的整体减薄。

采用一个激励线圈在管壁内以低的磁化水平感应出周向的涡流,与较常规的涡流检测不同，该技术将检测线圈沿着管道放置在距激励线圈2～3倍管径处，检测器信号相对于激励线圈的相位通常被用作管壁特性的度量。

由频率相当低的正弦信号所驱动的激励线圈，在管道中产生的内部电磁场，能在激励线圈的两边分成三个性质不同的区域，这些区域被称为直接耦合区、过渡区和远场区，如图1所示，远场涡流变压器耦合技术原理示意图。

尽管多少受到管道存在的影响，直接耦合区主要是来自激励线圈直接对准的耦合，起一个简单的变压器的作用。直接激励的强度在激励线圈的附近是很大的，但随距激励线圈的距离增加而迅速衰减，大多数的涡流仪器工作在此直接激励区或近场区。然而，在设备尺寸有限的条件下，激励线圈和接收线圈的距离不能满足2-3倍管径的距离要求，就无法实现有效的断丝检测。

实用新型内容

本发明要解决的技术问题在设备尺寸有限的条件下实现PCCP管的断丝检测。

为了解决这一技术问题，本实用新型提供了一种PCCP钢丝断丝探测的发射端子系统，包括设于所述探测主机上的发射机和发射探头，所述发射探头包括用以响应所述探测主机输入的交流信号，发射相应的电磁波信号，从而在PCCP管壁上感应出涡流信号的发射线圈和用于衰减所述发射线圈与外部接收探头之间的直接耦合信号的屏蔽盘，所述发射线圈设于所述屏蔽盘中，所述发射机包括用以产生所述交流信号的信号源和功率放大器，所述交流信号包括同步参考交流信号和测试交流信号，所述同步交流信号经所述发射线圈发出，所述测试交流信号依次经所述功率放大器和发射线圈后发出。

所述信号源包括低功耗单片机、DDS芯片、低通滤波器和反相器，所述低功耗单片机、DDS芯片、低通滤波器和功率放大器依次连接，从而通过所述功率放大器输出所述测试交流信号；所述低功耗单片机、DDS芯片和反相器依次连接，从而通过所述反相器输出同步参考交流信号。

所述功率放大器包括前置放大电路、功率放大电路和稳压电源，所述交流信号依次经过所述前置放大电路和功率放大电路实现放大，从而通过所述功率放大电路输出，所述稳压电源分别与所述前置放大电路和功率放大电路连接。

所述屏蔽盘为双层屏蔽结构，包括一层铜皮层和一层铁皮层。

所述发射线圈采用单回路线圈。

所述发射线圈采用漆包线绕制。

所述同步参考交流信号为方形波，所述测试交流信号为正弦波。

本发明在设备尺寸有限的条件下考虑到发射探头和接收探头直接耦合过来的能量远大于远场涡流信号的能量。通过屏蔽盘的设置，可以衰减或阻断发射探头和接收探头之间，即激励线圈和接收线圈之间的直接耦合路径，突出远场涡流信息，使远场距离远小于2-3倍管径。

附图说明

图1是现有技术中远场涡流变压器耦合技术原理示意图

图2是本实用新型一实施例中PCCP钢丝断丝检测系统的连接示意图；

图3是本实用新型一实施例中PCCP钢丝断丝检测系统的结构示意图；

图4是本实用新型一实施例中探测主机的结构示意图；

图5是本实用新型一实施例中信号源的与原理框图；

图6是本实用新型一实施例中功率放大器的原理框图。

具体实施方式

以下将结合图1至图6对本发明提供的PCCP钢丝断丝探测的发射端子系统进行详细的描述，其为本实用新型一可选的实施例，可以认为，本领域的技术人员在不改变本实用新型精神和内容的范围内能够对其进行修改和润色。

首先，先大致介绍下采用该发射端子系统的PCCP钢丝断丝探测系统。

本实施例提供了一种PCCP钢丝断丝检测系统，请参考图2和图3，包括主控计算机、探测主机、接收探头、发射探头、车体和测距轮，所述主控计算机、探测主机、接收探头、发射探头和测距轮均设于所述车体上且随所述车体一同行进，所述接收探头、发射探头和测距轮、主控计算机均与所述探测主机连接。

关于所述发射探头：

所述发射探头包括发射线圈和屏蔽盘，所述发射线圈设于所述屏蔽盘中，所述发射线圈，至少用以响应所述探测主机输入的交流信号，发射相应的电磁波信号，从而在PCCP管壁上感应出涡流信号；所述屏蔽盘至少用于衰减所述发射线圈与接收探头之间的直接耦合信号；所述交流信号包括了互相匹配的测试交流信号和同步参考交流信号；依据屏蔽盘的作用，可知晓其具体的形状以及其与发射线圈间的空间关系，是以能实现衰减直接耦合信号为准。

发射线圈是一种换能器，把低频功放输出的交流信号转换成电磁波信号并发射出去，在PCCP管壁上感应出涡流信号。

发射线圈要求具有高的能量转换效率和低的能量损耗，即要求有较高的品质因数(Q)，通常依据工作频率选择绕制线圈的导线。低频段工作的电感线圈应采用漆包线等带绝缘的导线绕制。对于工作频率在几十千赫至两兆赫之间的电感线圈，应采用多股绝缘导线绕制，以增加导体有效截面积，减少集肤效应的影响，可使Q值提高30％-40％。对于工作频率高于2MHz的电感线圈，应采用单股粗导线绕制，导线的直径一般在0.3-1.5mm之间。本系统的工作频率较低，因此选用漆包线作为绕制线圈的导线。

发射线圈的形式采用单回路线圈形式，单回路线圈的优点是其感应场的分布规则，方向性好，其感应模式的形状如同一个玉米，同时其制作及加工也比较简单。单回路线圈的另一大特点是易于参数计算，有利于进行解析型设计，其阻抗可表示为：

Z＝R+jωL(1)

实部为直流电阻，可用欧姆定律计算：

$R=\frac{\mathrm{\ρl}}{s}---\left(2\right)$

其中ρ为导体电阻率，l为导线总长度，s为导线的横截面积。

电感的计算可依据扁平线圈的计算公式求出：

$L=\frac{{25\mathrm{\μ}}_0{N}^2{a}^2}{6a+9c+10h}---\left(3\right)$

其中a为线圈平均半径，c为线圈厚度，h为线圈高度，N为线圈匝数。

在本系统中，为了形成高强度的磁场，必然要求发射线圈中流过尽可能大的电流，这就要求发射线圈的阻抗尽可能小，选用较粗线径的漆包线就是必要的要求。

屏蔽盘是发射线圈的容器，更重要的是屏蔽盘可以有效的减小远场信号形成的距离，并有效的衰减发射线圈和接收探头之间的直接耦合信号，显著的减小近场信号干扰。本实施例中，所述屏蔽盘为双层屏蔽结构，包括一层铜皮层和一层铁皮层。

由远程涡流检测技术原理可知，远场涡流信号在2-3倍管径处产生的能量占主导地位，因此远程涡流检测设备通常将检测线圈置于该处，而本试验平台所检测的PCCP管径一般为一点几米甚至更长，若严格依据远场涡流检测原理，则设备的尺寸将达几米，不易在PCCP管内进行探测，同时设备也难以携带。因此，如何在有限的设备尺寸下模拟出远场效应，获取远场涡流信号是需要解决的一项关键技术。

在设备尺寸有限的条件下，激励线圈和接收线圈的距离不能满足2-3倍管径距离要求，此时接收线圈处于直接耦合区，由激励线圈直接耦合过来的能量远大于远场涡流信号的能量。通过高电导率的铜皮和高磁导率的铁皮制成一个双层屏蔽装置，置于激励线圈背向，阻断激励线圈和接收线圈之间的直接耦合路径，突出远场涡流信息，使远场距离由2-3倍管径缩短至1.7倍管径，大大缩短远场距离。

关于所述接收探头：

所述接收探头，至少用以响应所述涡流信号，从而感应出与所述交流信号相对应的电压信号，并传输至所述探测主机；所述电压信号包括与所述测试交流信号对应的测试电压信号以及与所述同步参考交流信号对应的同步参考电压信号；

所述接收探头主要包括接收线圈和低噪声放大器。

接收线圈的研制原理同发射线圈，与发射线圈不同的是接收线圈可以采用较细线径的漆包线绕制，这样不但可以减轻探头重量，同时较细的线径允许在相同的体积内绕制更多的线圈匝数，由法拉第电磁感应定律可知，这样可以增强接收线圈感应电压，从而提高检测系统的灵敏度。

所述接收探头通过一长度可调的探头支撑臂安装于所述车体上。所述探头支撑臂固定设于所述车体上，使得所述接收探头和发射探头沿PCCP管径向排布，且进一步使得所述接收探头位于PCCP管内侧的顶部，发射探头位于PCCP管内侧的底部。探头支撑臂的设计可方便的调节收发探头之间的间距，以适应不同内径的PCCP管道。

本实施例中，所述接收线圈和发射线圈的绕制方向互相垂直。所述接收线圈的绕制轴心水平设置，所述发射线圈的绕制轴心竖直设置。

有关所述探测主机：

请参考图4，所述探测主机，至少用以：

生成所述交流信号，并输出至所述发射探头和主控计算机；

由所述测距轮输出的脉冲信号触发，采集经处理的所述同步参考电压信号和所述测试电压信号；

将经处理的所述同步参考电压信号与所述测试电压信号处理后上传至所述主控计算机；

探测主机安装在车体上，探测主机与主控计算机、收发探头、电池和测距轮之间使用可拆卸的线缆进行连接。探测主机主要功能是发射大功率的低频交流信号，同时对穿透管壁的远场涡流信号进行接收采集。

进一步来说，所述探测主机至少包括发射机、接收机和数据采集卡，所述发射机与所述发射探头连接，所述接收机与所述接收探头连接，所述数据采集卡分别与所述接收机和主控计算机连接，所述发射机还与所述主控计算机连接。

所述发射机，用以生成交流信号，并输出至外部的发射探头和主控计算机，所述交流信号包括互相匹配的测试交流信号和同步参考交流信号；

所述接收机，用以：

接收外部的接收探头中感应到的同步参考电压信号和测试电压信号；

响应所述数据采集卡的信号，将该同步参考电压信号和测试电压信号处理后传输至所述数据采集卡；

所述同步参考电压信号与所述同步参考电流信号对应，所述测试电压信号与所述测试交流信号对应；

所述数据采集卡，用以：

由外部一测距轮的脉冲信号触发，采集所述接收机处理后的传输而来的信号，并上传至所述主控计算机；

再进一步展开来说：

所述发射机包括信号源和功率放大器，所述信号源用以产生所述交流信号；所述功率放大器用以对所述交测试流信号进行功率放大，并将所述同步参考交流信号和放大后的测试交流信号传输至所述发射探头，使之实现电磁波信号的发射。

其中：

请参考图5，所述信号源包括低功耗单片机、DDS芯片、低通滤波器和反相器，所述低功耗单片机、DDS芯片、低通滤波器和功率放大器依次连接，从而通过所述功率放大器输出所述测试交流信号；所述低功耗单片机、DDS芯片和反相器依次连接，从而通过所述反相器输出同步参考交流信号。

信号源产生正弦波和方波信号分别作为低频功率放大器的输入和信号接收器中锁相放大器的参考输入，即分别为测试交流信号和同步参考交流信号。从低功耗、高性能方面考虑，本系统拟采用超低功耗单片机为控制芯片，低功耗DDS芯片作为波形发生芯片的正弦波、方波信号发生器设计

请参考图6，所述功率放大器包括前置放大电路、功率放大电路和稳压电源，所述交流信号依次经过所述前置放大电路和功率放大电路实现放大，从而通过所述功率放大电路输出，所述稳压电源分别与所述前置放大电路和功率放大电路连接。

功率放大器的作用是对信号源输出的正弦波信号进行功率放大并驱动发射线圈发射电磁波信号。该放大器主要由前置放大电路、功率放大电路和稳压电源组成。前置放大电路主要是完成小信号电压放大任务，同时要求低噪声、低温漂。功率放大电路主要是在允许的失真限度内,尽可能高效率地向负载提供足够大的功率，要求是输出功率要大、效率要高。稳压电源主要是为前置放大器、功率放大器提供稳定的直流电源。

前置放大电路采用低噪声、高增益的集成电路构成。根据带宽、电压增益、转换速率、噪声和电流消耗等指标选择合适的集成运算放大器搭建。

功率放大电路采用集成功率放大电路搭建。集成功放电路成熟，体积小，低频性能好，内部设计具有复合保护电路，可以增加其工作的可靠性，同时外围电路简单，保护功能齐全。在本仪器的设计中，因为要产生能穿透厚钢筒的低频信号，功率要求较高，发热量很大，所以必须加散热器。

稳压电源为整个功放电路提供能量。依据前置放大电路和功率放大电路的需求，可采用三端稳压电路组输出所需的各路电源。

这里所称的发射探头与发射机构成了本实用新型所称的PCCP钢丝断丝探测的发射端子系统。

总结来说，本实施例的系统在PCCP管道内慢速推行时，信号源按控制处理软件预设的参数产生固定频率和幅度的正弦信号，正弦信号经低频功放放大后通过发射线圈产生交变的低频磁场，在PCCP管壁上感应出能穿透管壁的涡流信号，这个涡流信号沿外管壁和管壁外的预应力钢丝传播，在管壁的另一侧再次穿透管壁而进入PCCP管道内，信号源同时还输出同步参考信号至接收单元的锁相放大器作为参考信号输入。

穿透管壁的远场涡流信号能在接收线圈中感应出微弱的电压信号，这一电压信号经低噪声放大器放大后传送给锁相放大器，锁相放大器根据参考信号的频率和相位再对这一电压信号进行滤波提纯，进一步放大，经数据采集卡采集。

测距轮随试验平台推行而滚动，产生一系列的脉冲信号，触发数据采集卡对锁相放大器传送过来的信号进行采集。数据采集卡采集到的数据上传到计算机，由计算机进行存储和显示。同时根据测距轮产生的脉冲信号可以计算出当前试验平台的具体位置信息。

当PCCP出现断丝时，会对两次穿透管壁的远场涡流信号产生幅度和相位上的畸变，利用这一现象，就可以实现对PCCP断丝的根数和断丝位置进行判断。

综上所述，本发明在设备尺寸有限的条件下考虑到发射探头和接收探头直接耦合过来的能量远大于远场涡流信号的能量。通过屏蔽盘的设置，可以衰减或阻断发射探头和接收探头之间，即激励线圈和接收线圈之间的直接耦合路径，突出远场涡流信息，使远场距离远小于2-3倍管径。

Claims (7)

1.一种PCCP钢丝断丝探测的发射端子系统，其特征在于：包括设于所述探测主机上的发射机和发射探头，所述发射探头包括用以响应所述探测主机输入的交流信号，发射相应的电磁波信号，从而在PCCP管壁上感应出涡流信号的发射线圈和用于衰减所述发射线圈与外部接收探头之间的直接耦合信号的屏蔽盘，所述发射线圈设于所述屏蔽盘中，所述发射机包括用以产生所述交流信号的信号源和功率放大器，所述交流信号包括同步参考交流信号和测试交流信号，所述同步交流信号经所述发射线圈发出，所述测试交流信号依次经所述功率放大器和发射线圈后发出。

2.如权利要求1所述的PCCP钢丝断丝探测的发射端子系统，其特征在于：所述信号源包括低功耗单片机、DDS芯片、低通滤波器和反相器，所述低功耗单片机、DDS芯片、低通滤波器和功率放大器依次连接，从而通过所述功率放大器输出所述测试交流信号；所述低功耗单片机、DDS芯片和反相器依次连接，从而通过所述反相器输出同步参考交流信号。

3.如权利要求1所述的PCCP钢丝断丝探测的发射端子系统，其特征在于：所述功率放大器包括前置放大电路、功率放大电路和稳压电源，所述交流信号依次经过所述前置放大电路和功率放大电路实现放大，从而通过所述功率放大电路输出，所述稳压电源分别与所述前置放大电路和功率放大电路连接。

4.如权利要求1所述的PCCP钢丝断丝探测的发射端子系统，其特征在于：所述屏蔽盘为双层屏蔽结构，包括一层铜皮层和一层铁皮层。

5.如权利要求1所述的PCCP钢丝断丝探测的发射端子系统，其特征在于：所述发射线圈采用单回路线圈。

6.如权利要求1所述的PCCP钢丝断丝探测的发射端子系统，其特征在于：所述发射线圈采用漆包线绕制。

7.如权利要求1所述的PCCP钢丝断丝探测的发射端子系统，其特征在于：所述同步参考交流信号为方形波，所述测试交流信号为正弦波。