金属管道瞬变电磁检测技术研究

XX大学毕业设计（论文）题 目： 金属管道瞬变电磁技术研究 学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx 年 六月 金属管道的瞬变电磁技术研究摘要：管道运输是五大运输方式之一，十分重要，而金属管道运输又被广泛运用于原油、天然气、液化气等重要能源的运输，因此保证金属管道的安全关乎到经济和民生的稳定。在运输过程中，大部分金属管道埋于地下，常年受泥土中化学物质的腐蚀和暗流的冲刷，容易产生腐蚀缺陷，及时的检测出金属管道的缺陷能够挽回不同程度的损失。而瞬变电磁检测可以在不需要现场开挖的情况下对埋地金属管道做出腐蚀缺陷的检测。 本文以瞬变电磁检测理论为基础，通过改变发射和接收线圈的匝数，观察对缺陷检测的灵敏度，在不同匝数下，分别对试样金属管进行等距分点检测，利用软件描绘出归一化感应电动势与检测点位置的曲线图。 从本实验可以看出，能用于分析的数据大致处于中期，即时窗在10左右的位置，因为早期受到一次场的影响不能用于比较，后期衰减过分也不利于分析，而且“烟圈效应”从另一个角度也能证明最佳时期在中期，因为早期信号反应浅部信息、晚期信号反应深部信息，所以中期信号反应内部中间信息，综上所述最利于分析部分在中期；线圈匝数越高，对关断时间的影响越大，受到影响的数据越多，能使用的时窗越靠后，不利于分析。因此使用瞬变电磁检测技术可以快速、有效地实现埋地金属管道的无开挖检测和安全评定，具有重要的参考价值。关键字：金属管道 腐蚀缺陷 非开挖检测技术 瞬变电磁检测The study on transient electromagnetic method testing of metal pipelinesAbstract:Pipeline transport is one of the five major modes of transportation,it is very important,and metal pipeline transport was widely used in transporting crude oil,natural gas,liquefied petroleum gas,and other important energy,thus ensure the security of metal pipe about the stability of the economy and the peoples livelihood.In the process of transportation,most of the metal pipelines buried underground,a perennial soil chemical corrosion and undercurrent of scour,prone to corrosion detects,and timely detect the defects in metal pipe different degree of damage could be saved.And transient electromagnetic detection can defects corrosion detection under the condition of dont need to excavating the buried metal pipeline.In this paper,based on the theory of transient electromagnetic detection,under different heights and different frequencies,we detect the sample tube that was divided into isometric point respectively,we using matlab software to analyze three kinds of data,it is concluded that different graphs,and we analysis the influence of different excitation spectrum parameters on the detection signal,we analysis the influence of different parameters on the height of detection signal.The experiment shows that using the transient electromagnetic detection technology can achieve the buried metal pipeline without excavation detection quickly and effectively and safely evaluation,which has important reference value.Keyword：metal pipeline corrosion defects trenchless detection technology transient electromagnetic technology目 录1 引言 1.1课题来源及研究目的和意义1 1.2国内外技术发展状况2 1.3相较其他检测方法的优势3 1.4本文主要研究内容42 金属管道瞬变电磁检测基本原理 2.1瞬变电磁方法原理和特点5 2.2金属管道瞬变电磁检测原理8 2.3烟圈效应12 2.4激励波形参数的影响133 传感器的设计 3.1传感器的种类和选择15 3.2传感器的等效电路17 3.3材料选择和参数计算174 实验方法和步骤 4.1实验仪器和试样介绍19 4.2实验方法和步骤225 信号采集和特征分析 5.1仪器参数的选择24 5.2实验数据的分析246 结论与展望 6.1结论28 6.2展望28参考文献29致 谢30金属管道的瞬变电磁技术研究1 引言1.1 课题来源及研究目的和意义埋地金属管道在工业生产和工业运输中广泛使用。管道运输与其它运输方式相比，具有更方便的优势，其具体表现：一:金属管道运输具有不中断运输、效率高的特点，运输过程中不需要转运且不会出现空车带回浪费资源的现象；二:埋地管道的建设时间不到铁路建设时间的二分之一，时间短花费少；三:埋地管道建成后土地基本上还能使用，充分利用紧张的土地资源；四:由于埋地金属管道运输时处于密闭状态，运输过程耗能小，节约资源；五:管道运输在复杂的地形、恶劣的天气下均能正常工作。2014年年底，我国油气管网络局初步形成，总里程达10.62万公里，与原油进口通道建设相匹配的原油主干管网已经初步形成。并且从2015年开始，我国拟建及在建的主要天然气管道干线包括粤浙、陕京四线、中俄天然气管线和西气东输四线，四条管线总长度约1.6万公里。但随着管道使用时间的增长，管壁会发生腐蚀，加之施工期间形成的缺陷和人为破坏，管道泄漏事故不断发生，根据大量数据表明，管道事故发生符合图1.1“浴盆曲线”。图1.1浴盆曲线曲线表明，在管道运用的三个阶段中，使用的初期和衰老期发生故障的概率明显比使用稳定期要高很多，这要是因为在初期，管道的焊接或做工形成的缺陷，管道在铺设过程中造成的管体损伤和管道周围的环境未达到稳定，从而造成故障率较高；在末期，管道因使用年限长导致腐蚀、老化、磨损的缺陷严重，事故率上升。西气东输、南水北调、石油运输哪一个不要用到金属管道运输，因此金属管道的安全性异常重要，不仅涉及到人民生活所需的能源问题，更涉及运输过程中因金属管道缺陷而造成的资源浪费和环境污染及人员安全的问题。因此对金属管道缺陷检测确保安全运行意义重大。对于管内检测技术主要有清管器超声法检测准确度高，但不适合输气管线和含蜡高的输气管线上进行检测，漏磁法则对轴向裂纹检测有难度切准确率不高。而管外检测技术主要用阴极保护检测，但效果不好。因此需要寻找一种新的应用技术更好的检测金属管道，即瞬变电磁法。与常规电磁检测法相比，目前瞬变电磁法具有如下优势：1 常规电磁罚易受浅层低阻屏蔽，瞬变电磁法探测深度大，能轻易穿透厚大的低阻覆盖层；2 理论上瞬变电磁法比直流电磁法分辨率高1/3次方；3 瞬变电磁法采用密集采样方式，采样数据为千个至数百万个深度数据，大大提高了对勘察物体的空间位置和形态的控制能力。 为了尽量减少能源损失和保证人民安全，确保金属管道的缺陷能够及时有效的发现是非常重要的。瞬变电磁法是检测金属管道缺陷很理想的方法，该技术简单易行、信息丰富、精度高、投资小、见效快。瞬变电磁法它是一种人工源的时间域电磁法，利用阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场的间歇期间，测量出地下介质产生的二次场随时间的变化，来达到探测地下地质体的目的。能够确保对管道进行科学有效的检验，确保管道安全运行。1.2国内外技术发展状况1.2.1国外瞬变电磁检测技术发展状况瞬变电磁法应用于探测地质构造问题起源于前苏联，以20 世纪40 年代A.H.THXOHOB的理论研究为基础，建立起试图探查油气田地质构造的远区建场测深法。20世纪50年代以后，由B.B.THKINAEB 等人建立了近区建场测深法，主要试图用于地震勘探方法勘查油气田时效果不佳的检测范围。20世纪80年代出现供电电压达850v1000v、供电电流可达200A、用C-3数字接收站观测系统，引入了现代数据采集、处理和解释技术。在3C的同时期内，由.B.kyoBck和B.X.Kobe等人创立了应用于矿产勘查的过渡过程方法M，制定出了适用于钻井、航空和海洋领域的方法技术。在西方，1951年首先由J.R.Wait提出了利用瞬变电磁场法寻找导电矿体的概念。利用阶跃磁场使导电体激发起涡流电磁场，用接收线圈可以观测到瞬态感应电压。相继有多伦多大学、美国地质调查所、犹它大学（美）等单位投入研究。仪器系统方面，1962年加拿大Bar ringer公司的航空INPUT投入使用，经不断改进至今仍是世界主要的航电系统之一。20世纪80年代，澳大利亚推出CEOTEM航电系统兵与INPUT系统做对比，已经过了数十年的实践，它是目前世界上使用最多的吊舱式电磁系统。加拿大Aerodromes是直升机吊舱式电磁系统，其独特的三分量探头具有很高的分辨能力，也是比较先进的系统。90年代末，澳大利亚7个单位联合研制成多用途轻型固定翼飞机吊舱式数字电磁系统TEMPEST，它能够使用先进的信号处理技术获得很低的噪声水平。该系统在地下水的勘查方面取得很好效果，值得我国借鉴。1.2.2国内瞬变电磁技术发展状况 我国于20世纪70年代开始研发TEM，先后有吉利大学、中国地质科学院物化探勘察研究所、桂林有色矿产地质研究院、中南大学、长安大学、西安交通大学、北京有色矿产地质研究院、中国地质大学等参与研究。国内相关的书籍有：朴化荣电磁法勘深原理、牛之琏时间域电磁法原理、方文藻瞬变电磁测深原理、蒋邦远实用近区磁源瞬变电磁法勘探、李貅瞬变电磁测深的理论与应用。国内期刊发表的论文达到200多篇，均可上网查询。80年代末，出现省部级鉴定的WDC系列、SD系列。近十多年来，又新研制出ATEM-等产品。这些产品与澳大利亚的SIROTEM-、相类似。在二、三维的正反演问题上，国内投入实践应用的可能性不大，但发表的论文较多。1.3相较其他检测方法的优势目前比较常用的无损检测方法主要有射线检测，超声检测，涡流检测，磁粉检测、渗透检测，五大检测方法均有各自特色和优势，但对于埋地金属管道的检测，瞬变电磁法最为合适。与射线检测相比较：埋地金属管道大都在野外，射线机一般比较繁重，而一些便携式的射线机往往达不到检测要求，而且关键是需要开挖贴胶片，并未到达未开挖的目的。与超声检测相比较：超声检测常常要把探头和被检测体相接触，且对耦合要求高，完全不适用于埋地金属的检测。与涡流检测相比较：涡流检测属于表面探伤法，对于表面缺陷检测比较擅长，如裂纹这种没有面积的缺陷，突然缺失比较容易辨别出来，但对于腐蚀这种大面积缺陷则不太容易看出。磁粉和渗透检测都是需要对被检测直接接触，并不能隔空检测金属管道，并不适合。瞬变电磁法检测，不但可以在非开挖的情况下对金属管道进行检测，而且不受高低阻围岩、地形起伏的影响，能够从多测道的观查结果中易于识别，能与深部目标的响应相分离。相对于FEM、直流电法而言，对测地布点的要求可以放宽，野外工作既快又简单，工作效率高，穿透和分辨低阻覆盖能力强，无高阻屏蔽现象。可以使用同点装置工作，与探测目标有最佳的耦合，可以得到形态简单和幅度较强的异常，探测深度大，分辨能力强，更适合于对深部目标的勘查。后期数据处理时，由于图件样式多，可以丰富的反映地电体的信息。所以综上所述，对于埋地金属管道的检测，瞬变电磁检测方法可以方便迅速高效的检测出腐蚀缺陷处。1.4本文主要研究内容本文通过瞬变电磁检测技术对埋地金属管道进行腐蚀缺陷检测，本次实验采用人工制作的金属管试样，金属管试样上的腐蚀缺陷是由人工设计并加工的，有利于验证实验结果的正确性。对检测信号分析和处理，分析出缺陷的具体位置。本课题的具体研究内容如下：（1） 讨论瞬变电磁检测法在埋地金属管的应用和优势。（2） 讨论WTEM-1II/GPS系统发射部分的脉冲宽度和关断时间对时窗的影响。（3） 讨论探头的种类、选择和设计，探讨在保证准确度的情况下如何选择最佳探头。（4） 模拟金属管腐蚀缺陷，设计实验步骤，检测试样，实现探头和仪器参数的最佳匹配。（5）讨论关断时间对关断电流的影响。（6）讨论实验结果，使用数据分析，制作曲线，分析曲线变化与金属管的薄厚关系，找出缺陷位置。（7）讨论线圈匝数对实验的影响，和早中晚期曲线的区别。2 金属管道瞬变电磁检测基本原理2.1瞬变电磁方法原理和特点2.1.1瞬变电磁方法理论基础瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Methods）或称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods）,都可简称为TEM，是一种以电磁感应原理为理论指导的电磁检测方法。瞬变电磁法一般接地或不接地向被检对象发射出一个脉冲磁场，通常称为一次场；由电磁感应定律知，被检对象中将产生感应电流，再由这个变化的电流激励出一个随时间变化的磁场，称为二次磁场。二次磁场包含被检对象的丰富信息，通过提取和分析这些信息，就可以判别出被检对象的损伤情况。之所以把该方法称之为TEM，是因为由被激发出的2 个磁场都是瞬态场，随着时间而不断变化的。TEM早期就运用在地质勘探和矿产勘探等方面，发展至今，该项技术已经成功运用于地质工程的各个方面。时域电磁场基于电磁学理论，而麦克斯韦（Maxwell）集电磁学研究之大成，创立了描述宏观电磁场运动规律的方程组，从而奠定了宏观电磁场的理论基础。现在通用的麦克斯韦方程组是由赫兹（Hertz）和亥维赛（Heaviside）对原方程经过简化整理而得到的。针对不同的需要，麦克斯韦方程组可表示成不同的形式。在一般情况下，电磁场的各物理参量都是位失r和时间t的函数，在满足宏观尺度的条件时，在媒质连续的空间中，可假定场是r和t的连续函数并具有连续导数，并且假定和J也为r和t的连续函数，在以上假定成立的情况下，麦克斯韦方程组具有如下的微分形式： （2.1） （2.2） （2.3） （2.4）E-电场强度，单位为V/mD-电通量密度或电位移矢量，单位为C/mmH-磁场强度，单位为A/mB-磁通量密度或磁感应强度，单位为Wb/m-电磁场的源或被电磁场所诱导产生的电荷密度，单位为C/mJ-电流密度，单位为A/m其中和J还满足电荷守恒定律的连续性方程： (2.5)以上五个方程只有三个相互独立并能导出另两个方程。当用数学形式把电磁场的运动规律表示出来，就暗示这某些被涉及的物理量在某种形态上的假定，才足以保证完成所需要的数学运算。一般，假定相关的物理量都是单值且有限，有足够的连续性和可微性能够自由的交换积分和微分的顺序，只有在媒质不连续的情况下才出现特殊情况。当媒质布连续时，并假设场量总是在有限值的条件下场的积分总是存在的，这使得积分形式的麦克斯韦方程得以范围扩大。 (2.6) (2.7) (2.8) (2.9)这就是麦克斯韦方程组的积分形式。V-空间中的有限区域体积S-表面A-边界麦克斯韦积分形式是对电磁场的全域描述，即表示一个区域中电磁场的总体性质。严格的讲，只有在分布论的意义上微分形式和积分形式可以相互转换。因他们表达的电磁场特性的角度不同，从而各有不同的作用。积分形式的麦克斯韦方程组可用以导出媒质不连续处场量应满足的关系，即边界条件。法拉第电磁感应定律，因磁通量的变化产生感应电动势的现象。磁通量变化时，导体内产生感应电流，感应电流产生对应的感应电动势。感应电动势的大小由法拉第电磁感应定律确定： (2.10)e-感应电动势n-线圈匝数-磁通量t-磁通量变化时间B-磁感应强度，单位为TS-曲面面积，单位为上式负号表明，无论回路的正方向怎么选择（因为我们规定回路的正方向与曲面的正法线方向组成右手螺旋系统，所以回路正方向选定后，通过曲面S的磁感应通量的正负也随之确定），感应电动势e的正负总是与d/dt的正负相反，实际上这就是愣次定则的数学表达，即感应电流的方向总是使它所激发的磁场阻止磁感应通量的变化。当用瞬变电磁法对管道进行检测时，向发射线圈中通以直流电，这就是整个探测系统的激励源。在该激励源的作用下，在管道里将产生一个恒定的磁场。当断开直流电后，在关断电流的瞬间，由于通过管子横截面内的磁通量将发生变化，由法拉第电磁感应定律可知，在管子的管壁上将产生一个和原磁场方向相反的磁场。这个次生磁场便产生了一个随着时间逐渐衰减的感应电动势： (2.11)-电动势，单位为V N-接受线圈匝数S-单一线圈面积，单位为-磁通量，单位为WbB-磁感应强度，单位为T传感器设计成型之后，参数 S 、N 便成为定值其数值与接收线圈有关。由感应电流产生的二次磁场是一个变量，其将随时间变化而变化。由上式可知，磁通量的变化率d/ dt与磁感应强度的变化率dB/ dt成正比。当管子中存在缺陷时，缺陷处与无缺陷处的电导率或磁导率在数值上存在一定的差别，管子中正常处与异常处的感应电流也不相同，所以检测线圈中的感应电动势e也不同。以此为依据，将检测线圈中采集的正常处感应电动势与有缺陷处感应电动势进行对比，就可对管材中缺陷的位置进行定位。2.1.2瞬变电磁方法特点由于TEM是在没有一次背景情况下观测二次场，相对于FEM等方法有以下几个方面的特点。（1） 主要噪声来自外界的天电和人文电磁场干扰，可以采用提高功率-灵敏度的方法增大信噪比，以展窗时窗（延长有用测道）提高探测深度，实现用较小的装置探测较大深度的探测目标。（2） 可使用同点装置工作，与探测目标有最佳的耦合，可以得到形态简单和幅度较强的异常，探测深度大，分辨能力强，更适合于对深部目标的勘查。（3） 在高阻围岩条件，没有地形起伏引起的假异常；在低阻维区，地形、覆盖层等地质噪声（假异常），从多测道的观测结果中易于识别，能与深部目标的相应相分离。（4） 相对于FEM、直流电法而言，对测地布点的要求可以放宽。野外工作既快又简单，工作效率高。（5） 相对于FEM及直流电法，穿透和分辨低阻覆盖能力强，无高阻屏蔽现象。（6） 可处理绘制的图件花样多，反映地电体的信息丰富。由于有以上所述的特点，它备受人们青睐，可以称得上是“探测矿产的尖兵”、“工程勘察的好帮手”、“水源勘查的有力助手”。但是，TEM总归是基于地电体之间电阻率差异的有源测量方法，有它的局限性。首先，要求足够强的供电电流，尤其是在探测深部目标时所要求的设备较笨重、装置大，野外劳动强度大，功效低。噪声干扰往往使晚期测道利用受限制，影响了对深部目标的探测能力。异常具有多解性，量化解释水平低，尚不能适应要求。因此，有许多问题有待研究和探索。2.2金属管道瞬变电磁检测原理当被检测的金属管道中有缺陷，则有缺陷处和无缺陷处的电导率和磁导率会有所不同，金属管中有缺陷处和无缺陷处的感应电流也就不同，从而导致传感器接收到的感应电动势不一样。根据此现象，将传感器收集的不同位置的不同感应电动势进行对比分析，就可判断出和处有缺陷何处无缺陷，可确定金属管上缺陷的位置。检测系统工作阶段主要分为四个阶段：第一个阶段，通过传感器探头对其探测区域发射一定频率的原始激励信号，如图2.1a所示。第二个阶段，具有导电性质的被测金属管道接收到原始激励信号后，产生感生涡流场，当原始激励信号发射传感器内的加载电流关断后，涡流开始衰减，衰减的感生涡流场会产生衰减的磁场，如图2.1b所示。第三个阶段，信号接收传感器接收被测金属管产生的衰减磁场信号；第四阶段，根据被测样本电导率等材料性质的不同，及信号接收传感器接收信号的时间，通过数学计算推出被测样本的一些物理参数，对样本的某些物理性质进行解释。图2.1瞬变电磁收-发信号图图2.2有效导体等效电路图如图2.2，根据电压定律建立有效导体的等效回路的瞬态方程： (2.12)对(2.12)进行归一化处理： (2.13) -等效回路时间常数，=R/L又因为 (2.14)求解（2.12），得到瞬态感应电流: （2.15）设激励波产生的变化磁场是H，激励源i(t)的关断实间为，则可表示为： （2.16）当t0时，被测金属管内没有感应电流产生，一次磁通量变化率为0；当0t，一次场关断： （2.17）解得（2.17）微分方程为： (t) （2.18）又由（2.15）得： （2.19）当t=0时，i(t)=；当t时，=0，则： 0t （2.20）当t=时，代入（2.20）得： （2.21） 代入（2.18）得： （2.22）式（2.21）与式（2.22）相等，解得： （2.23）所以，得出关于感应电流的表达式： （2.24）由式（2.24)可看出，在0内，感应电流随着时间的增大而增大，且在时刻最大；在大于时，感应电流随着时间的增大而呈指数模式减小。如图2.3绘制了i(t)随t变化的曲线图。图2.3 感应电流的特性曲线 由图2.3可知，/不一样，感应电流的特性曲线不一样，且当/越大，在0内感应电流增长的越慢；在大于时，感应电流衰减速度变慢，不过无论/为多大，都是呈指数模式衰减。当/1时，即时，感应电流瞬态方程可写为： （2.25） 当且0时，根据式（2.25）可解得感应电流： （2.26）感应电流的初值/，可知取决于/，在时，即一次场间歇阶段时，接收线圈接收到的感应电压为： （2.31）当/0.9）。除此之外，激励电流也会对观测结果造成较大的影响，因为随着激励磁场强度与激励功率无关，而与激励电流成正比，故激励磁场和信噪比随激励电流的增大而增强，间接使瞬变信号的有效窗口延长。检测深度与激励电流成正比，并且外界噪声随着激励电流的增大得到抑制。当激励电流不断增大的同时关断时间也相应的增大。故因从脉冲宽度、关断时间和激励电流这三方面综合考虑来确定激励脉冲参数。3 传感器的设计3.1传感器的种类和选择 传感器根据绕线方式、检测相对位置和输出信号的不同，通常有如下分类： （1）根据线圈绕制方式的不同，传感器可分为绝对式和差动式。绝对式传感器是指只有一个线圈工作的传感器，而有两个线圈工作的是差动式传感器，并且这两个线圈反接。自比较式是将同一个检测试件的不同部位作为比较标准，若试件中没有缺陷，两个相邻线圈检测试件的相邻部位时，其物理性质和几何参数对线圈阻抗的影响较小，由于把两个线圈连接成差动式，则微弱的变化会抵消，无输出信号。线圈检测试件时，若试件中存在缺陷，输出信号会产生剧烈变化，并且此时两个线圈在缺陷处的检测信号方向相反。 （2）根据试件与检测线圈的相对位置不同，可将检测线圈分为三种，分别为外穿过式、内通式以及放置式。线圈包裹待检试件的检测方式称为外穿过式，它主要用于管、棒的检测。而内通式线圈主要用于检测管体内壁上的缺陷，因为该工作方式是将检测线圈插入管体内进行检测，尤其用来检测管体上的纵向裂缝；放置式线圈是将线圈放在被检试件表面检测的装置，该工作方式有着灵敏度高、体积小等优点，对于管体的横向裂缝检测效果更好，适用于检测板材和大直径管体的表面缺陷。 （3）根据输出信号的不同可将传感器分为两种，分别为参量式传感器和变压器式传感器。参量式检测线圈可称为自感式线圈，因为其输出信号反映线圈阻抗变化，检测线圈只有一个，既可作为发射线圈，又可作为检测线圈；而变压器式线圈又叫互感式线圈，其输出是线圈上感应电压信号的变化，它由两个线圈组成分别是接受线圈和发射线圈。而传统的瞬变电磁法检测装置则按照原始激励信号发射传感器与信号接收传感器的大小、相对位置可划分三大类：（1）同心装置：原始激励信号发射传感器与信号接收传感器的几何中心相重合的检测装置。当原始激励信号发射传感器与信号接收传感器大小相同时，称其为重叠检测装置，如图3.1（a）所示；当原始激励信号发射传感器尺寸大于信号接收传感器时，称其为中心检测装置，如图3.1（b）所示；原始激励信号发射传感器尺寸小于信号接收传感器时，会造成检测装置整体功率降低等一系列弊端出现，故没有类此的检测装置。同心装置的这两种检测装置可以与被测样本有很好的耦合，可以获得较好的分辨率。（a）重叠检测装置（b）中心检测装置图3.1 同心装置（2）偶极装置：发射线圈传感器与接收线圈传感器相分离，并始终保持一定的距离，在检测过程中保持二者的相对静止，这种装置成为偶极装置，如图3.2所示。由于其观测信号微弱、探测深度小、工作装置运用不够便利等一系列不足，虽然今年来出现了改进型的“双极-偶极”装置与“偶极-偶极”装置，使得观测信号微弱等突出问题得到了一定改善，但目前用于检测领域的依然较少。图3.2偶极装置（3）大定装置：发射线圈尺寸远远大于接收线圈尺寸，接收线圈传感器垂直于发射线圈传感器长边，逐个测点的采集感应电压的检测装置，如图3.3所示。采用该装置的检测方法，极易受到干扰电压的影响，观测信号较为微弱，虽然其信号接收传感器可以设计为阵列式，但其装置的整体尺寸过大，在城市中这样检测空间受限的地域应用不大。图3.3 大定装置3.2传感器的等效电路 传感器是由两个线圈组成的，一个是发射线圈，另外一个是接收线圈。线圈包括电阻 、分布电容 、电感以及匹配电阻 ，等效电路模型如图3.4所示。由图可见，等效电路输出的电压是线圈分布电容上的电压u(t)。图3.4传感器等效电路图V(t)可以根据电压定律解得： （3.1）3.3材料选择和参数计算 传感器的制作包括骨架和绕线，材料的不同对检测效果有很大的影响。由于木质材料不具有铁磁性，有着耐磨力强、抗热性能好的优点，所以本文采用木质材料作为线圈的骨架。在常温时，由于铜导线的电导率为，相对于其他金属导线而言，导电性和导热性都较好，而且可以使得线圈的绕制变得简易，综上原因本课题中传感器的制作材料选择漆包铜线。 本文的检测目的是对具有一定埋深的缺陷管道进行检测，因此要求发射线圈在直流段产生较大磁场，这时线圈的安匝数必须达到一定值，才能使磁力线穿透地层。采用较细的铜线绕制线圈时，由于单根铜线承受的电流很小，只有增加线圈的匝数才能使线圈达到要求的匝数，但是由于线圈匝数多，线圈直径小，增大了绕制的难度，因此，要选择线径较大的铜线，大线径的单根铜线能够承受电流要比小线径能够承受的电流大得多，所以在同一安匝数的情况下，大线径所需的匝数比小线径要少得多，此时所需的绕制匝数不必太多，易于绕制和检测。在制作发射线圈时，选用线径较大的铜线，而制作接收线圈时，可选用线径相对较小的铜线绕制。故本实验采用了发射线圈线径1mm，接受线圈线径0.8mm。4 实验方法和步骤4.1实验仪器和试样介绍4.1.1实验仪器介绍本次实验是用WTEM-1II/GPS双道浅部瞬变电磁勘探系统，配以特制的传感器和数据处理软件MATLAB（FuShi2.2）。瞬变电磁勘探系统检测金属管道的几个重要部分为：WTEM-1II/GPS主机、掌上电脑、接收线圈、发射线圈、电瓶。 WTEM-1II/GPS主机控制面板图如图4.1。图4.1浅部瞬变电磁勘探系统 面板分为接收机部分和发射机部分。 发射机部分：左边是发射机部分，左边上部分接发射线圈的接头，下部分接电源接头，输入电压12V24V。发射机部分的液晶显示器显示发射机工作信息，包括：电池电压、工作温度、供电电压、供电电流、和关断时间。液晶显示器下方的蓝色指示灯指示发射机工作信息的显示切换，由显示选择按钮控制。显示选择按钮下方的是供电电压调节旋钮用于增大或减小供电电压。再下方的是报警器，过载、过热、欠压报警，同时对应的指示灯闪烁。 接收机部分：右边是接收机部分，右边两个插孔接右边的液晶显示器显示仪器内置电池电压，当该电压低于10V应及时充电。接收机部分有同步指示灯和工作指示灯，同步指示灯用于指示同步状态，指示灯亮表示接收机已处于GPS同步状态，指示灯熄表示接收机未处于GPS同步状态，而且仅当接收机与WTEM-1II/GPS发射机同步控制器同时处于GPS同步状态时，方可进行采样工作。工作指示灯在仪器连机及工作状态时指示灯亮。同步方式有两种，置于“电缆”时，选择电缆同步方式；置于“GPS”时，选择GPS同步方式。GPS天线插座用于连接外置的GPS天线，当使用电缆同步方式时，可不用连接外置的GPS天线。当发射机选择开关置于“内置”时，则同步方式选择开关必须置于“电缆”。发射机选择开关可以选择内置小功率发射机或外置大功率发射机。 掌上电脑是我们在检测过程中使用最多的工具。设置发射频率、线圈的长宽或者直径，设置叠加次数、前放增益倍数、主放增益倍数，设置测点间距等设置参数均在掌上电脑上完成。掌上电脑可显示采样数据、剖面图、衰减曲线，也可保存数据。 本次实验使用的线圈是同心装置，由于原始激励信号发射传感器尺寸大于信号接收传感器，原始激励信号发射传感器边长为1000.00mm1000.00mm的正方形，信号接收传感器边长为500.00mm500.00mm，因此称之为中心检测装置。如图4.2。图4.2接收线圈和发射线圈示意图4.1.2实验试样的介绍 通过在钢管上车削管壁是管壁变薄，模拟实际中金属管道的腐蚀缺陷，如下图4.3是钢管上车削出来的缺陷示意图，图中表示了缺陷的位置和尺寸。单位：mm图4.3实验试样管剖面图并且把金属管平均分为30个测量点。如图4.4。 图4.4金属管实际图4.2实验方法和步骤根据瞬变电磁法的原理，对划分的29个测量点依次测量，收集二次场数据，通过数据处理软件画出归一化电压-时间坐标图，根据曲线的变化情况，可判断钢管某处的壁厚变化，然后得出是否有缺陷。如图4.5实验图。 图4.5实验图首先，发射装置发射一次场使金属管处产生涡流。该部分主要为原始激励信号发射传感器提供激励电流，同时对该激励电流进行参数读取、计算（包括：电流值、关断时间值），对信号收发装置的供电电压、工作温度等信息进行读取，其工作原理如图4.6。图4.6一次信号发射装置原理此时金属管内因受到变化的磁场的影响，产生涡流。同时，由于涡流的急速衰减，产生一个衰减的感生磁场，置于地面上的接收传感器就会采集到金属管感生的磁场信号。接收装置对接收到的感生信号进行放大、滤波、记录，为后期数据分析提供原始信号数据。其中主要包括低噪带宽前置放大器、低通滤波器等。在电子线路中，由于存在漏电阻与分布电容，这对本来就相当微弱的接收信号造成极大的影响，因此，为了将这些电子线路固有的干扰源尽可能的减小，需要应用双通道输入式的差分放大器。在数据记录部分噪声的大小决定了可检测到的最小电平，这点又反应了装置的分辨率与信号的动态范围。因此为了提高分辨率与接收信号的动态范围，装置采用低噪前置放大器，具体原理如图4.7。图4.7 接收装置原理图为了使收发装置同步工作，我们将原始激励信号发生装置与信号接收装置中的同步信号线相连接，当开始工作时，将控制信号接收装置采样“0时刻”的脉冲序列（MPC给出）通过传输线传送给原始激励信号发生装置，控制开关电路运行。接收装置将每次采样所得数据传到掌上电脑，可在掌上电脑上查看每个测点数据的30个时窗的归一化电压，并能显示剖面（测线中相同时窗点的连线集），从而可以清晰的判断金属管哪一部分发生腐蚀壁厚有变化。总结实验的步骤为图4.8：图4.8实验步骤图5 信号采集和特征分析5.1仪器参数的选择晚期的数据稳定性更好，对放大倍数的选取比较重要，因此要在一定条件下选择比较大的放大倍数。但有时由于放大倍数过大会导致早期信号饱和影响检测效果，这就需要在不同的放大倍数中选择合适的倍数才能充分利用采样数据。经对比得知，本次实验采用的放大倍数规格为864（前放增益主放增益）。由4.1.2对实验试样介绍可知，金属管是一根6米长的钢管，在上面每隔20厘米作为一个点，一共30个点；本次传感器，是外框1*1米(发射线圈)，内框0.5*0.5米(接收线圈)，发射线圈和接收线圈的匝数分别用了三组，依次是3060、4080、50100，发射线圈的频率是16Hz；传感器距离地高度1米。如图5.1。图5.1实验布置图5.2实验数据分析运用Matlab软件对WTEM-1II/GPS瞬变电磁检测系统数据进行分析，对采集到的归一化感应电动势与对应桩数的关系并绘制出曲线，如图5.2所。（a）发射和接收线圈匝数3060（b）发射和接收线圈匝数4080（c）发射和接收线圈匝数50100图5.2三种不同匝数情况下的剖面显示 由图5.2（a）、（b)、（c)中可以看出，检测出异常均在7、8