CN209727856U - 一种基于电磁超声导波的便携式管道检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电磁超声导波的便携式管道检测仪，它的组成包括：磁致伸缩纵向导波传感器，传感器接口装置(2)，数据采集卡(3)，便携式电脑(4)。磁致伸缩纵向导波传感器(1)与传感器接口装置(2)相连接，传感器接口装置(2)与数据采集卡(3)相连接，数据采集卡(3)与便携式电脑(4)相连接，在便携式电脑(4)的屏幕上通过生成的虚拟仪器界面操作整个测量仪。所述的磁致伸缩纵向导波传感器(1)组成包括：铷铁硼永磁铁、磁轭和管道外壁构成闭合的磁路，激励线圈。本实用新型的技术效果：实现非接触检测且结构简单使用较为方便，成本较低，易于在工程实际中进行管道检测，便于携带。

Description

一种基于电磁超声导波的便携式管道检测仪

技术领域

本实用新型涉及管道超声导波检测技术，具体涉及一种管用电磁超声导波传感器及检测方法，可用于不同金属管道管壁腐蚀缺陷和裂纹等的远距离、高效无损检测。

背景技术

应用于管道检测的电磁超声导波技术，可以根据不同的超声导波激励方式分为：压电效应、基于洛伦兹力机理和基于磁致伸缩机理的电磁超声导波检测。目前在无损检测领域应用最为广泛的超声导波传感器是基于压电效应的传感器，其通过压电晶体来激发、接收超声导波能量转换率高，但同时也存在一些缺点，如结构较为复杂，且压电晶体探头在检测工件时，不仅要去除管道的包裹层、对表面进行处理，还要使用耦合剂与管道表面紧密接触，检测成本较高，并且在激发单一模式的轴对称导波时难以保证探头的一致性。

实用新型内容

针对上述管道检测的电磁超声导波技术存在的缺陷，本实用新型提出基于磁致伸缩机理的电磁超声导波技术加之应用虚拟仪器技术，实现一种基于电磁超声导波的便携式管道检测仪。

本实用新型的技术方案：

一种基于电磁超声导波的便携式管道检测仪，它的组成包括：磁致伸缩纵向导波传感器1，传感器接口装置2，数据采集卡3，便携式电脑4。磁致伸缩纵向导波传感器1与传感器接口装置2相连接，传感器接口装置2与数据采集卡3相连接，数据采集卡3与便携式电脑4相连接，在便携式电脑4的屏幕上通过生成的虚拟仪器界面操作整个测量仪。

所述的传感器接口装置2组成包括：导波激励换能器5，功率放大器6，信号发生器7，导波接收传感器8，前置放大器9。

所述的磁致伸缩纵向导波传感器1组成包括：永磁体、磁轭和管道外壁构成闭合的磁路，激励线圈。

所述的导波激励换能器5与功率放大器6采用L阻抗匹配网络对其进行匹配。

本实用新型的技术效果：

可在高温下工作、有隔离层、粗糙表面等特殊场合，实现非接触检测且结构简单使用较为方便，成本较低，易于在工程实际中进行管道检测，便于携带，采用虚拟仪器结构降低了测量仪器的开发与使用成本。

附图说明

图1是便携式管道检测仪组成图。

图2是传感器接口装置组成图。

图3是磁致伸缩纵向导波传感器主视图。

图4是磁致伸缩纵向导波传感器左视图。

图5是L阻抗匹配网络等效电路原理图。

图中：1为磁致伸缩纵向导波传感器，2为传感器接口装置，3为信号采集卡，4为便携式电脑，5为导波激励换能器，6为功率放大器，7为信号发生器，8为导波接收传感器，9为前置放大器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型做进一步的说明。

1.便携仪的整体结构

一种基于电磁超声导波的便携式管道检测仪，它的组成包括：磁致伸缩纵向导波传感器1，传感器接口装置2，数据采集卡3，便携式电脑4。磁致伸缩纵向导波传感器1与传感器接口装置2相连接，传感器接口装置2与数据采集卡3相连接，数据采集卡3与便携式电脑4相连接，在便携式电脑4的屏幕上通过生成的虚拟仪器界面操作整个测量仪。如图1所示。

所述的传感器接口装置2组成包括：导波激励换能器5，功率放大器6，信号发生器7，导波接收传感器8，前置放大器9。如图2所示。

所述的磁致伸缩纵向导波传感器1组成包括：铷铁硼永磁铁、磁轭和管道外壁构成闭合的磁路，激励线圈。如图3、4所示。

所述的导波激励换能器5与功率放大器6采用L阻抗匹配网络对其进行匹配。如图5所示。

2.磁致伸缩纵向导波换能器

在磁致伸缩纵向导波换能器中，对偏置磁场进行设计的目的，是让其在被测管道的外表面附近产生较强的静态磁场。静态磁场的场强和分布是影响接收回波幅值的一个重要因素，可为换能器提高基本工作点和换能效率。所以设计的磁化器首先要有较高的磁场强度，其次应用在工程中用来进行管道检测的电磁超声导波结构要尽量紧凑，体积尽可能减小且分布要均匀。通常采用的偏置磁化器为永磁体

为获得平行于管道轴向方向的偏置磁场，故需采用U型永磁体。用稀土材料制成的铷铁硼永磁体的性能极好、磁能积和矫顽力高、磁铁体积较小，且成本较低，可以满足实际检测的需求。由于永磁铁的固有属性，在检测中可直接使用，不需要接入电源，因此，无需考虑散热和排除电磁噪声的干扰，且安装较为方便，在实际工程检测中得到广泛的应用。

在对换能器进行基本结构设计时，要保证拆装的便捷、磁场的方向及分布的均匀性，遵循实际工程的需要，故沿管道外壁面均匀排布若干U型磁体，由其组成的偏置磁源向换能器提供静态偏置磁场，如图3、4所示。由铷铁硼永磁体和高磁导率的DT4纯铁制成的磁轭，共同构成了每组磁化单元。在每组磁化单元中，铷铁硼永磁铁、磁轭和管道外壁构成闭合的磁路。

为了能随时适应实验环境和需求改变的情况，采用缠绕式线圈方式来相应调整线圈匝数。另一方面，运用三段式线圈方法，以实际激励频率做参考来辅助调节两段相邻线圈间距，并且根据相邻两簇线圈通相反电流来相应产生两股方向相反的动态磁场，以达到在不一样激励频率情况下可以用激励线圈来高效控制所激发导波模式的目的。

在对基于磁致伸缩机理的换能器进行设计时，主要为偏置磁源结构和激励线圈参数这两方面。对偏置磁源结构的设计，包含磁轭跨度及磁化器数量等。对激励线圈参数的设计，包含漆包线线径、线圈匝数与间距等。在相关参数优化设计时，首先需根据实际情况确定各自相应的参数取值范围，再在该取值范围内考虑各参数对传感器性能的影响确定最佳的传感器参数。

3.L阻抗匹配网络.

当激励换能器的线圈结构确定时，则选择阻抗匹配网络对激励线圈和功率放大器的阻抗进行匹配。如果激励换能器的阻抗和功率放大器的阻抗不能匹配时，就使用如图5所示的L阻抗匹配网络对其进行匹配。

其中R_i、X_i分别为功率放大器的电阻和电抗，一般认为R_i＝0、X_i＝50Ω；R_o、X_o分别为激励传感器激励线圈的电阻和电抗。两个位于功率放大器与激励换能器间的匹配元件阻抗为jX_a、jX_b，阻抗元件的值可以通过式(1)和式(2)来确定。

X_b＝QR_o-X_o (2)

式中，Q为

经测量换能器的阻抗和功放的输出阻抗50Ω的差值不超过10Ω，满足在实验过程当中所需的条件。

4.虚拟仪器

内置于便携式电脑内的虚拟仪器软件模块是由计算机的部分系统软件，工具软件和专为虚拟生物医学测量仪器设计的医学应用软件三部分组成的。主要功能是实现对整个仪器的有效管理，特别是生物医学信号的处理分析、存储、显示、打印等功能。最后提供友好的人机交互界面；实现比普通专用生物医学测量仪器更方便、快捷、可靠的操作；以及图形化的结果显示和自动化统计分析功能等。

虚拟生物医学测量仪器硬件接口设计实质上是面向计算机总线的设计，因此必须遵循计算机系统总线的标准。

一种是专用于笔记本电脑的PCMCIA(Personal Computer Memory CardInternational Association)总线，适用于移动环境下的生物医学仪器设计。

LabVIEW是美国NI公司研制的采用图形编程的虚拟仪器系统软件，它主要包括数据采集、实时控制、数据分析和数据显示等功能，它提供了一种新的编程语言：G语言，这是一种完全采用图形方式进行软件模块化设计的崭新方法。

LabVIEW由前面板、流程方框图和图标/连接器组成。其中前面板是用户界面，流程方框图是虚拟仪器源代码，图标/连接器是调用接口。LabVIEW的程序语言是图形化，其程序采用了数据流驱动。

LabVIEW的核心是软件模块VI(借用Virtual Instrumentation缩写字头命名)，VI有一个人机对话的用户界面-前面板(front panel)和类似于源代码功能方面的方框图(diagram)。前面板接受来自方框图的命令。在VI的前面板中，控件(controls)模拟输入仪器的输入装置并把数据提供给VI的方框图；而指示器(indicators)则模拟了仪器的输出装置并显示由方框图获得或者产生的数据。

用LabVIEW编制方框图程序时，不必受常规程序设计语法细节限制。首先，从功能菜单中选择需要的功能方框，将之置于面板上的适当位置；然后用导线(wires)连接各功能方框在方框图中的端口，用来在功能方框之间传输数据。这些方框包括了简单算术功能，高级的采集和分析VI以及实现用来存储和检索数据文件输入输出功能和网络功能。

用LabVIEW编制出图形化VI是分层次和模块化的。将之用于顶层程序。也可以用作其他程序或者子程序的子程序。一个VI用在其他VI中，称之为subVI，subVI在调用它的程序中同样是以一个图标的出现的。LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用题目分解为了一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级子任务的组合，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合。

图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最流行的发展趋势。创建虚拟仪器的过程共分三步：

(1)虚拟仪器的交互式用户接口被称为前面板，因为它模仿了实际仪器的面板。前面板包含旋钮、按钮、图形和其他的控制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，可在计算机屏幕上观看结果。

(2)虚拟仪器从流程图中接收命令(用G语言创建)。流程图是一个编程问题的图形化解决方案。流程图也是虚拟仪器的源代码。

(3)一个虚拟仪器的图标和连接就像一个图形(表示某一虚拟仪器)的参数列表。这样，其他的虚拟仪器才能将数据传输给一个子仪器。图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其他程序或者子程序中的子程序(子仪器)。

5.数据采集(DAQ)卡设计

5.1 DAQ的组成

虚拟仪器硬件平台的I/O接口称为DAQ(Data Acquisition)卡。一般而言，所以能够在计算机控制下完成数据采集与控制任务的板卡都可以称为DAQ卡。DAQ卡主要有以下几个部分组成：

(1)多路开关。将各路信号轮流切换到放大器的输入端，从而实现多参数多路信号的分时采集。

(2)放大器。将前一级多路开关切换进入的待采集信号放大(或者衰减)，至采用环节的量程范围内。通过实际系统中放大器做成增益可调的放大器，设计者可根据输入信号不同的幅值选择不同的增益倍数。

(3)采样/保持电路。取出待测信号在某一瞬时的值(即实现信号的时间离散化)并在A/D转换过程中保持信号不变。如果被测信号变化缓慢，也可以不用采样保持器。

(4)A/D转换电路。A/D转换电路把输入的模拟信号转换为数据输出。它是DAQ硬件的核心。A/D转换有三种方法：逐次逼近法、双积分法和并行比较法。在DAQ中应用最多是逐次逼近法。衡量A/D转换性能主要有两个指标：采样分辨率，即A/D转换器位数，二是A/D转换位数，二是A/D转换速度。

(5)D/A转换。DAQ系统经常需要为被测对象提供激励信号，也就是输出模拟量信号。D/A转换是将数字量信号转换为模拟量输出的器件。D/A转换器的主要性能参数是分辨率和线性误差，分辨率取决D/A转换器的位数，线性误差则刻画了D/A转换器的精度。

(6)定时/计数器。在DQA卡中还有一个重要器件，就是定时/计数器。它主要用于脉冲周期信号测量、精确时间控制和脉冲信号产生等。定时/计算器的主要性能指标是分辨率和时钟频率，分辨率越大，计算器位数越大，计数值就越高。

(7)数字I/O。DAQ利用数字I/O采集外部设备的工作状态，建立与外部的设备的通信。一般数字I/O都采用TTL电平。

5.2 DAQ的参数设置

要使数据采集卡，正确地实现数据采集功能，就必须根据实际测量的需要对DAQ的参数进行正确设置，这就是数据采集卡的软件驱动问题。对于NI公司生产的各类DAQ考，LabVIEW都提供了专门的驱动程序和测试设置软件MAX(Measurement&Automation)，MAX可以自动检测与电脑连接的设备并可调用相应的设置软件对设备参数进行设置。主要装置参数包括：

(1)模拟信号输入

1)设置信号的输入方式，如单端输入和双端输入，单击信号和双极性信号等；

2)增益选择，根据输入信号的幅值范围和分辨率要求选择增益；

3)量程选择，根据输入信号的极性选择适当的量程。

(2)A/D转换

1)设定信号输入通道；

2)设定采用点数；

3)设定采样速率；

4)设定采样结果的输出方式，即是结果放在数组中，还是放在某一缓冲区中；

5)设置采样触发方式，包括外触发、定时触发、软件触发等；

(3)D/A转换

1)模拟信号的输出通道；

2)模拟信号的输出幅值；

3)刷新速率，刷新速率决定所产生的模拟信号波形的“光滑度”，最快刷新速率的倒数即为响应时间。

Claims (4)

1.一种基于电磁超声导波的便携式管道检测仪，它的组成包括：磁致伸缩纵向导波传感器(1)，传感器接口装置(2)，数据采集卡(3)，便携式电脑(4)，其特征在于：磁致伸缩纵向导波传感器(1)与传感器接口装置(2)相连接，传感器接口装置(2)与数据采集卡(3)相连接，数据采集卡(3)与便携式电脑(4)相连接，在便携式电脑(4)的屏幕上通过生成的虚拟仪器界面操作整个检测仪。

2.根据权利要求1所述的便携式管道检测仪，其特征在于：所述的传感器接口装置(2)组成包括：导波激励换能器(5)，功率放大器(6)，信号发生器(7)，导波接收传感器(8)，前置放大器(9)。

3.根据权利要求1所述的便携式管道检测仪，其特征在于：所述的磁致伸缩纵向导波传感器(1)组成包括：永磁体、磁轭和管道外壁构成闭合的磁路，激励线圈。

4.根据权利要求2所述的便携式管道检测仪，其特征在于：所述的导波激励换能器(5)与功率放大器(6)采用L阻抗匹配网络对其进行匹配。