金属管道内形貌探测系统

1.引言

随着国家工业化建设以及城市经济发展的需要，金属材料管道凭借着自身具有的许多优点如良好的机械强度，已经广泛应用于石油天然气等能源工业领域、军事领域、化工领域、贮藏及运输系统中。在石油天然气工业中，管道运输已经成为当前最主要的运输方式。

但是，金属管道在使用中可能发生腐蚀、疲劳、蠕变、低温脆断、材质劣化等破坏形式，其中腐蚀破坏最具有普遍性。它的失效不仅会带来巨大的经济损失，同时还导致诸如人身安全等无法弥补的灾难性后果。因此，研究可靠有效的金属材质管道失效检测和诊断技术，实现金属管道在线自动监测和故障诊断及预警是非常有必要的。

本文设计的金属管道探测系统可以方便的扫描金属管道内壁并获取其内部的三维形貌图像，从而分析得到金属管道内壁是否有裂纹等，对于检测和解决金属管道在使用中出现的各种问题方面具有很好的应用前景。

2.系统方案

本文所设计的电涡流检测系统，主要用于金属管道，特别是内部形貌较复杂的管道的测量。在金属管道失效检测中，由于金属管道内壁复杂形貌如膛线、裂纹等的存在，因此在金属管道的任一横截面上，有无磨损对应金属管道内径的大小显然是不同的。但除了CCD技术，其他多数传统的金属管道内径测试方法都仅以金属管道截面上某一点对应内径的大小作为金属管道在该处的内径值，而无法给出反映金属管道横截面整个周边各处对应内径的分布变化。为了对金属管道内部形貌进行全方位扫描检测，以获得金属管道横截面形貌的完整信息，本文研究实现了金属管道各个横截面周边处对应内径的测量技术，称之为“全内径”测量技术。

使用探头式电涡流传感器实现金属管道全内径检测时，为了获得金属管道沿轴线方向各个横截面的内径信息，则需要将传感器固定在一个可在金属管道内壁边旋转边直线行进的运载装置上，以保证系统准确地测取金属管道内各处的信息。这种运载装置也称为管道机器人。

在传感器360°旋转过程中，传感器的动力线路，以及调理电路的输入输出信号线在探头的旋转过程随着探头的旋转而转动，将不可避免的绞缠在传动轴上，随着测量过程的进行，导线绞缠越来越严重，甚至会出现导线脱落，探头脱落损坏等直接导致实验无法进行的危险状况。同时，从被测管道外部引入导线还

会引起很多实际应用中的问题，严重地制约测试系统在工程实际中的应用。针对以上缺点，本文研究实现了一种可装载的传感器的无线采集传输装置，该装置以微处理器F28027为核心进行数据采集，以蓝牙模块作为纽带同上位机进行无线通信，接收指令并完成数据传输。该无线采集传输装置可以安装在管道机器人或者其他运载装置上面，随着机器人在管道内行进或者旋转。整个测试系统结构将非常简单而易操作。极大的提高了系统的移动性和灵活性，拓展了电涡流检测系统的应用范围，具有较高的实用价值。图2-1和2-2分别为系统结构示意图和系统结构框图。

图2-1 金属管道内壁形貌测量系统结构示意图

图2-2 系统总体结构图

测量任务开始后，上位机发送控制指令控制步进电机系统停止在某一位置（步进到某一深度，旋转到某一角度），然后通过蓝牙无线通信模块发送指令给F28027使其开始采集传感器输出信号，当采集到设定点数的信号以后，再次使用蓝牙模块将数据发送到上位机并进行处理和分析，然后开始下一周期的操作，直到完成一个横截面上多处信息检测。之后，运载装置沿金属管道轴线行进一个步长的距离，开始下一个横截面的扫描测量工作。每一个截面的信息被检测到以后，上位机都会对检测到的信息进行三维显示。

3.系统硬件设计

本系统中，以微处理器F28027为核心的硬件电路的主要功能是：使用ePWM 模块产生传感器所需要的方波激励信号；使用内置数模转换模块对传感器调理电路的信号进行采样；通过蓝牙模块将采集到的数据发送给上位机。

3.1电涡流传感器简介

传感器线圈中通入交变电流时，线圈中产生沿线圈轴线方向的交变磁场。当线圈靠近被测导体时，线圈产生的交变磁场在导体中感应出环状交变的电涡流，如图3-1所示。

图3-1 电涡流产生的基本原理

当在被测导体中感应出交变电涡流时，电涡流也会感应出交变磁场，该磁场通过激励线圈，并在激励线圈中产生感应电动势。若忽略匝间电容，激励线圈本身可等效为一个电感和一个电阻串联；被测导体中产生的涡流呈环状分布，可等效为一个电感和一个电阻构成的闭合回路，如图3-2所示。

图3-2 涡流等效电路

图3-2中，R 1和L 1表示激励线圈，R 2和L 2表示涡流回路。L 1和L 2的磁路存在交链，二者的耦合关系用互感系数M 表示。设激励线圈两端电压为U ，通过电流为I 1，涡流回路等效电流为I 2，正方向如图所示。根据电路知识可以推导出传感器激励线圈的等效阻抗为：

22221221122222212222

()s U M R M L z R i L I R L R L ωωωωω==++-++

上式中被测导体与传感头距离d 、被测导体电导率δ，磁导率μ，激励信号频率ω等因素影响式中的M 、L 2和R 2的数值大小，进而影响激励线圈等效阻抗Z s 的大小，因此有：Z s = f (δ ,μ ,r, d, U, ω)。当传感器激励线圈的工作频率、电压一定时，对于特定的被测导体材料，传感器等效阻抗Z s 主要取决于传感器与被测导体之间的距离d 。本项目利用电涡流传感器这一特点，实现传感器对金属材料表面位移的测量。

3.2谐振调理电路设计

电涡流传感器常见的输出调理电路形式有电桥式电路和谐振式电路。本文选用了结构较简单的谐振式调理电路。调理电路的作用是将传感器的阻抗变化转换为电压信号，并且利用了并联谐振电路对阻抗变化的放大作用。谐振式调理电路的基本形式如图3-3所示。

图3-3 传感器并联谐振调理电路

图中，U s 为激励电压，由F28027产生。R

和L 分别是传感器的等效电阻和等效电感，传感器与外部电容C 一起构成并联谐振电路。

通过测量传感器与外部电容C 所构成的并联谐振电路两端的电压，以及外接电阻R 2两端的电压。可以得到传感器并联谐振电路的等效阻抗。由该等效阻抗的变化来表征传感器与被测金属之间的距离变化。为了获得较高的测量灵敏度，传感器输出调理电路中的元件参数必须按照相应的规则选取。

Z s 为传感器等效阻抗：Z s =R 1+jωL ，Z p 为传感器并联电容C 之后的等效阻抗：Z p =R p +jX p 。为了使传感器获得较高的灵敏度，应使传感器等效阻抗变化量Z s 一定时，测量阻抗Z p 变化量最大，即：| ∂Z p / ∂Z s |取得最大值，由此可以推导出并联谐振电路的电容C 取值应为：

2221L C R L ω=+ 同时，为获得对传感器阻抗的最佳测量灵敏度，即使得| ∂U c / ∂Z s |取得最大值，（U c 为并联谐振电路两端测量电压，见图3-3）可以推导出串联电阻R 2的最佳阻值为：

222p p p

R Z R X ==+ 实验中，本文选取C 为0.2uF ，R2为100欧。

3.3 电源模块

F28027供电电压为3.3V 。本文选用TI 公司的电源芯片TLV1117-33用来为F28027和蓝牙模块HC05供电，用LM 7805和ICL7660输出的+5V 和-5V 电压来给运算放大器OP A830供电。电源供电模块部分的示意图如下3-6所示。

图3-4 电源管理模块电路原理图