（信号与信息处理专业论文）钢管端头可视化检测系统和方法.pdf

钢管端头可视化检测系统和方法 摘要 钢管端头可视化检测一直是石油行业、化工行业、压力容器行业和油气高 压远距离输送工程着力解决的课题，本文根据漏磁检测方法对“钢管端头可视 化检测方法与系统”做了探讨，设计了一个基于漏磁检测原理的钢管端头可视 化检测系统。从而使钢管端头的无盲区检测成为可能。 在本文中首先讨论了端头检测的研究现状及其意义，然后研究漏磁检测的 基本原理，这是端头漏磁检测系统设计的基础。文中详细说明端头盲区的消除 方法：同时讨论了缺陷参数与漏磁信号的相互关系，并对端头漏磁检测中漏磁 场的分布特性作了一定的分析：并讨论了钢管端头检测系统的整体结构和性能 指标，并对接口信号的处理作了详细的分析。重点是钢管端头可视化检测系统的 软件设计，所设计的软件采用了d a o 的数据库访问技术，使得对数据的存取 速度更快，在性能上有了较大的改进。另外本文还讨论了蓝牙传感器在本系统 中的应用。 一 整个系统设计的关键在于：接口电路的设计、h y - 6 0 7 0 c 数据采集卡虚拟 驱动程序的编写、缺陷判定算法的设计、数据库的设计和操作。在本文中对于 这几部分作了详细的讨论。 本系统应是一种性质优良的检测系统，能够实现钢管端头无盲区检测。 关键词：端头、可视化检测、缺陷、盲区、v x d 、蓝牙传感器 t h ev i s u a l t e s t i n g m e t h o da n d s y s t e m o ft h es t e e lt u b ee n d s a b s t r a c t t h em e t h o do fv i s u a lt e s t i n go ft h es t e e lt u b ee n d si sa nu n r e s o l v e dp r o b l e mi n p e t r o li n d u s t r y ，c h e m i c a li n d u s t r y ，p r e s s u r e v e s s e l i n d u s t r y a n do i la n dg a s t r a n s p o r t i n gp r o j e c t id i s c u s st h ev i s u a lm e t h o da n ds y s t e mo f t h es t e e lt u b ee n d s b a s e do nt h em a g n e t i cf l u xl e a k a g et h e o r y , d e s i g nav i s u a lt e s t i n gs y s t e mo fs t e e l t u b ee n d st h a tm a k e st h eu n d e t e c t e da r e a st e s t i n go ft h es t e e lt u b ee n d sp o s s i b l e if i r s ti n t r o d u c et h ei m p o r t a n c ea n dt h eb a s i cs i t u a t i o no ft h es t e e lt u b ee n d s t e s t i n g ；t h e ne x p l a i nt h ef l u xl e a k a g et h e o r y , w h i c hi st h eb a s eo f t h ed e s i g no ft h e t e s t i n g f l u x l e a k a g es y s t e m t h ee m p h a s i s i so nt h er e a s o n sw h yt h e r ee x i s t s u n d e t e c t e da r e a sa n dt h em e t h o d so fg e tr i do ft h eu n d e t e c t e da r e a s d i s c u s st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e f l u xl e a k a g es i g n a la n dt h ef l a wp a r a m e t e r s ，f i n a l l y ，i i n t r o d u c et h es t r u c t u r ea n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m ；d i s c u s s t h e p r o c e s s i n go ft h e i n t e r f a c e s i g n a l i nd e t a i l t h ee m p h a s i so ft h i s s y s t e mi s t h e d e s i g no f t h es o f t w a r e w h a tid e s i g nu s e st h ed a t a b a s ea c c e s st e c h n o l o g yo fd a o ， w h i c hm a k e st h ea c c e s ss p e e dh i g h e rt h a nt h ef o r m e rs y s t e m i ti m p r o v e st h e p e r f o r m a n c e o ft h es o f t w a r e i na d d i t i o n ，i i l l u s t r a t eh o wt ou s eb l u e t o o t h t e c h n o l o g y i nt h i ss y s t e m ， 、 t h ee m p h a s i so ft h i sp a p e ri st h es o f t w a r ed e s i g no fs t e e lt u b ee n d st e s t i n g s y s t e m t h ed i f f i c u l tp a r to ft h ew h o l es y s t e mi s ：t h ed e s i g no f t h ei n t e r f a c ec i r c u i t ， t h ev i r t u a ld e v i c ed r i v e ro ft h ed a t ac o l l e c t i o nc a r dh y - 6 0 7 0 c ，t h ed e s i g no f t h e f l a wd e t e r m i n a n ta l g o r i t h ma n dt h ed e s i g na n do p e r a t i o no f t h ed a t a b a s e ig i v ea d e t a i l e dd i s c u s s i o nf o rt h o s eq u e s t i o n si nt h i sp a p e r t h i ss y s t e mc a nr e a c ht h eg o a lo fn ou n d e t e c t e da r e a st e s t i n g i ti s ah i g h p e r f o r m a n c et e s t i n gs y s t e m - k e y w o r d s ： t u b ee n d s ，v i s u a lt e s t i n g ，u n d e t e c t e da r e a s ，v i r t u a ld e v i c ed r i v e r ，b l u e t o o t h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒世王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 靴做储婵谪舛期飙幻呼年弓鼢日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥起王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 世。些厶堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做者签名蔼五细 签字日期：御年弓月阳日 导师虢切 签字日期；彬洚乡月加日 学位论文作者毕业后去向： 禹承乏 主集盏筹! 秉把职业删陀 电话：币一了形口p f 如 邮编：，d 丘o o 厶y i v 丌v 致谢 三年的研究生生活即将结束，感慨万千! 在这三年中，无论是在学习 上还是生活上，我都有很大的收获，所有这一切都离不开关心我的老师同 学和亲人朋友，他们给予我关心和帮助，我都将铭记于心! 首先衷心地感谢我的导师何辅云教授。三年来，我从何老师的身上学 到了很多东西。他治学严谨、学术思维开阔：对学生关怀备至，悉心指导。 所有这一切为我以后的工作生活打下良好的基础。在此，我要向何老师表 示深深地谢意! 感谢0 1 级的董文雯和王宝，无论是学术上，还是生活上，都给了我很 多的帮助! 感谢0 2 级和0 3 级的师弟师妹们给予的帮助! 在我三年的学习、生活中计算机与信息学院的各位老师都给予了我极 大的支持，对于他们的教育和指导深表谢意! 我要衷心的感谢我的爸爸、妈妈对我的支持，他们在生活上给了我无 尽的关怀，在学习上给了我莫大鼓舞! 我还要感谢我的男友潘理刚及其家 人，他们在生活上给了我许多的关心和照顾! 作者：蒋立新 2 0 0 4 年3 月 第一章序言 1 1 本课题的意义 油气输送管道旋工前可靠检测和管道在线检测对石油行业、化工行业、压 力容器行业和油气高压远距离输送工程等具有极其重要的作用。由于采油管、 套管和油气输送管道缺少可靠的检测方法和系统，各种故障和油气井事故频繁 发生，严重影响油气生产，经济损失严重，甚至给人民生命财产造成严重危害， 因此急需一种快速可靠的检测方法。目前，美国、德国、日本和我国部分高校 对钢管管体部分的检测方法已经趋于成熟，然而对于钢管端头的研究还处在初 期，缺少可靠的检测方法。钢管端头盲区内如存在缺陷，就严重影响其安全使 用；同时，端头是加工区和作业安装损伤最多的部位，许多重大事故多出现在 钢管端头。对钢管端头的可靠检测不但可以解决以上问题，而且在生产时还可 以减少材料的浪费。本课题针对钢管端头检测中迫切需要解决的技术问题，研 究钢管端头检测方法和系统，为以后的研究奠定了一定的基础。 1 2 无损检测技术 无损检测( n o nd e s t r u c t i v et e s t i n g 简称n d t ) ，又称非破坏检测 1 】，是保 证产品质量和装备安全可靠的现代化检测技术，已成为石油，化工，铁路运输， 航天，航空，航海，原子能，冶金和机械等领域保证产品质量和系统安全运行 不可缺少的检测技术。 它利用物质中因为存在缺陷或组织结构上的差异而使表示其某些物理性质 的物理量发生变化的现象，以不使被测物的使用性能及形态受到损伤为前提，一 通过一定的检测手段来测量、显示和评估这些变化，从而了解和评价材料、产 品、系统构件的性质、状态或内部结构等。 在钢管检测领域，目前无损检测的方法很多，常用的主要有【2 】f 3 ：磁粉检 测( m a g n e t i cp o w d e rt e s t i n g ) ，超声波检测( u l t r a s o n i ct e s t i n g ) ，渗透检测 ( p e n e t r a t i o nt e s t i n g ) ，射线检测( r a d i a lt e s t i n g ) ，涡流检测( e d d yt e s t i n g ) 等5 种 常规检测方法，此外还有一些新兴技术如漏磁检测和电磁超声等。 1 ，3 漏磁检测技术 漏磁检测方法是一种先进的非常规无损检测方法，它适用于对铁磁性物质 的无损检测，可以检测出铁磁性构件表面的和内部缺陷。漏磁检测法不仅检测 速度快，检出率高，灵敏度高，而且操作简单，因而有广阔的应用前景。 漏磁检测的主要原理是 4 】【5 】：以磁敏传感器沿被磁化的铁磁性材料表面扫 查，拾取缺陷漏磁场，形成缺陷电信号，达到发现缺陷的位置及参数的目的。 目前，漏磁检测技术主要应用于工业上检查铁磁性材料及零部件的表面和近表 面缺陷。 漏磁检测技术与其他技术相比较，具有以下的优点： 端头盲区短( 2 0 r a m 左右) ，检测速度快( 2 5 7 2 m r a i n ) ，漏检误检率低，检 测范围多( 包括缩孔，内、外壁裂缝，锈蚀坑等等) ，可以实现可视化、无 盲区、自动化动态检测。 测量范围大，不需耦合剂，也不需要任何防护设施等，可以大大提高检测 效率，减小工作量 探头装置结构简单，易于实现。成本低且操作简单。 因此，本课题在对钢管端头检测系统和方法的研究中采用的是漏磁检测技 术。 1 4 漏磁检测技术国内外研究现状 ( 1 ) 国外的漏磁技术的发展 6 1 1 7 1 目前，国际检测界普遍用“磁漏无损检测技术”检测铁磁性管道。德国采 用d i n 标准、美国采用a s t m 、a p i 标准，日本采用j i s 标准，英国采用b s 标准，非常重要的国际标准是：“i s o9 5 9 8 ：无缝和焊接( 埋弧焊除外) 铁磁性压 力钢管横向缺陷的全周传感器和漏磁探伤( t c l 7 1 ”和“i s o9 5 9 8 ：无缝和焊 接( 埋弧焊除外) 铁磁性压力钢管轴向缺陷的全周传感器和漏磁探伤( t c l 7 ) ”。 国外对漏磁探伤研究较早，国际上主要有德国和美国进行此项技术和系统 的研究。目前，德国和美国主要研究和开发对无缝钢管生产线上的钢管进行高 速检测的漏磁检测系统，也有对石油行业的套管、钻杆和采油管进行质量检测 的系列系统。 国外生产实用的漏磁检测装置的主要厂家有美国的a m ft u b o s c o p e 公司、 德国的f o r s t e r 研究所和日本的岛津制作所。美国的漏磁探伤装置主要用于石油 工业，美国n d ts y s t e m 和t u b o s c o p ev e t c h 公司生产的w e l lc h e c k 井v i 检测 系统和n e wt e c h 公司的w e l l t e c h i i 井口油管数控探伤系统，适用于采油管 提出井口的同时对其进行探伤，是种快速、准确和经济的方法。还有美国的 o e m 公司的a r t i s 2 型、n e wt e c h 公司的t e c h sc o p ee z w 型和美国n d t s y s t e m 和t u b o s c o p e v e t c h 公司的s p e c t a l o g 型电磁检测系统，属先进的 实时检测系统，可以检测钻杆、油管裂缝和壁厚。德国的f o r s t e r 研究所生产的 系列漏磁探伤装置，由于型式的不同而名称各异，r o t o m a t 是磁轭与检测元 件安装一体的探头旋转的探伤装置，对于钢管进行直流磁化，对于钢棒进行交 流磁化。日本的s a m 系统采用磁敏二极管作为检测元件，自动化程度高，可 用于热扎钢棒和钢管的检测。 ( 2 1 漏磁检测技术在我国的发展【8 我国的漏磁检测工作始于7 0 年代后期，目前研究工作处于刚刚起步阶段， 整体水平较低，无论在研究还是在应用领域都落后于欧美、日本等工业国家。 j 9 9 8 年1 j 月我国冶金部标准信息研究院根据国外技术的发展情况和我国的迫 2 切需求情况，组织我国大型冶金企业和相关高校审定我国“石油管道漏磁探伤 方法”国家标准b t 1 2 0 6 ，促进对引进系统的消化和正确使用，同时极大地促 进了我国对浚技术的研究和推广应用。 随着漏磁检测技术在我国的研究，国内一些大学和科研院所也逐渐结合我 国实际情况，在一些方面展开了应用研究。近年来我国有很多大学和研究所在 这方面进行研究并已经取得了很大的进展。沈阳工业大学工业测量与控制中心 开展了3 7 7 m m 管道漏磁内检测装置的样机研制工作，并成功地进行了模拟管道 实验和实际输油管道的检测实验；四川联合大学研制的便携式漏磁检测装置， 可以检测到宽度为o 5 m m ，深度为0 8 m m ，长度为4 m m 的人工缺陷；中原油 田钻井机械仪器研究所综合研究室经过几年来的探索研究，开发出了抽油杆井 口无损检测装置、抽油杆地面检测装置和油管现场检测装置。 另外，合肥工业大学自九十年代以来就开始石油管道动态探伤自动化技术 及装置研究，取得了一定的成果，积累了丰富的经验，这些为油气输送管道高 速检测技术与系统的研究奠定了基础。我校从1 9 9 1 年开始，对二维漏磁钢管检 测装置开始研究。我校生产的l m t - l 型钢管漏磁检测装置于1 9 9 3 年在胜利油 田投入运行，接着l m t - 2 型钢管漏磁检测装置于1 9 9 7 年在大港油田投入运行。 l m t - 3 型钢管漏磁检测装置于1 9 9 9 年在辽河油田投入运行。 ( 3 ) 钢管端头检测技术现状 目前，国内外都很少对钢管端头进行研究，所以现在对钢管端头的质量检 测只能采用磁粉法。磁粉探伤法是传统的局部探伤法，它是先将钢管夹持住后， 对其端头施加大电流( 或通电线圈) 电流产生磁化场，使钢管端部磁化，然后 再在钢管端头区外表面喷撒磁粉，最后依探伤人员的眼睛观察端头外表面磁粉 的分布磁迹，来分析、判断缺陷的有无和形状。 钢管端头的磁粉法检测特点是方法简单，但存在以下主要缺点： 其检测靠人眼观察，还要旋转钢管对其各区间逐步仔细检查，结果是 检测每个端头至少要花费数分种的对间，速度太慢、受人为的因素影响太大； 此方法对钢管端头磁化的长度小( 一般3 0 0 m m 左右) ，造成检测钢管 盲区的范围小。如果钢管的端头盲区较长，又会形成磁粉法检测不到的剩余盲 区： 磁粉法只能检测钢管端头外表面的缺陷，却难以发现钢管端头内表面 的各种缺陷： 同时，磁粉法本身决定检测过程不能自动化和智能化，不适合大批量 高速检测探伤。 所以说，目前国内外还缺少对钢管端头缺陷进行可靠的高速的自动化的检 测方法和系统。 1 5 本文的主要内容 目前，对钢管端头的检测缺少可靠的检测方法和系统。本文主要研究钢管 端头可视化检测方法和系统，解决端头检测中存在的问题，其中软件的设计是 本文的重点。所设计的软件系统是基于w i n d o w s 操作平台的。w i n d o w s 平 台具有多任务特性、友好的图形用户界面、完备的内存管理机制、图形系统接 口( g d i ) 、数据动态交换功能( d d e ) 及动态链接库( d l l ) 的支持等优点。 而且在以往的检测系统中对于数据的处理都是以单个文件的形式存储，这样为 查询和离线分析带来了不便，在本课题中使用了数据库连接技术，可以方便的 对检测数据进行存储和查询，并采用了d a o 的数据库访问技术，使得对数据 的访问速度更快。 本文的主要内容： 介绍了物质的磁性，讨论漏磁检测的基本原理，以及在此基础上发展 起来的端头漏磁检测技术的基本原理。讨论了消除端头盲区的方法。另外还对 端头漏磁检测中漏磁场的分布特性作了一定的分析。最后简要地讨论了缺陷参 数与漏磁信号的相互关系。 介绍钢管端头漏磁检测系统的整体结构组成，以及检测系统所采用的 检测标准，和检测系统的整体性能指标。还讨论了数字信号处理技术在端头漏 磁检测系统中的应用，以及缺陷判定的基本流程。 研究钢管端头漏磁检测系统的外部硬件结构、h y - 6 0 7 0 ca d 转换卡的 基本功能和工作原理以及外部系统与计算机之间的信号接口技术。 研究钢管端头漏磁检测系统的软件设计中的关键技术，其中h y - 6 0 7 0 c 的虚拟系统驱动程序和数据库的开发是重点和难点。 对整个论文作了一个总结，并指出以后深入研究应该注意的一些问题。 在此基础上还提出了今后可能发展的方向。 整个系统设计的重点在于：端头盲区的消除；缺陷判定算法的设计： h y - 6 0 7 0 c 数据采集卡的虚拟驱动程序编写：数据库的设计和操作。 4 第二章端头漏磁检测基本方法 2 1 物质的磁性 根据物质在外磁场作用下磁性表现的不同，可把物质分为以下五类【9 】：抗 磁性物质，顺磁性物质，铁磁性物质，反铁磁性物质和亚铁磁性物质。 抗磁性物质在外磁场作用下，原子系统获得与外磁场方向相反的弱磁性。属于 抗磁性的物质有惰性气体、许多有机化合物、石墨以及若干金属、非金属等。 顺磁性物质在外磁场作用下，能呈现出微弱的磁性，并且磁化强度和外磁场方 向相同。顺磁性物质包括许多稀土金属和铁族元素的盐类、碱金属纳、钾等。 铁磁性物质在磁场中非常容易被磁化，而且在被磁化时表现出非常强烈的磁性。 铁、钴、镍以及它们的合金等都是铁磁性物质。反铁磁性物质具有弱磁性，亚 铁磁性物质具有强磁性。 铁磁性物质所表现出来的磁性叫做铁磁性【l ，它具有很大的磁导率，在外 磁场的作用下，铁磁性物质中将产生与外磁场同向的、量值很大的磁感应强度。 不仅如此，铁磁性物质还具有以下两个特性j ：( 1 ) 其磁导率( 以及磁化率) 不是恒量，而是随所在处的磁场强度而变化的。( 2 ) 在外磁场撤出以后，仍能 保留部分磁性。正是因为铁磁性材料的这些特性，才使漏磁检方法测成为可能。 2 2 漏磁检测基本原理 在磁导率不同的两种物质的晃面上，磁力线的方向会发生改变，这与光和 声的折射相似，称为磁力线的折射。若两种介质的磁导率相差悬殊，例如铁和 空气，磁力线折射进入空气后几乎垂直于界面，从而引起磁场路径的改变，导 致部分磁通量泄漏于钢材的表面，形成漏磁场。 漏磁检测法就是通过检测被磁化的金属表面溢出的漏磁通来判断是否有缺 陷存在f 他1 f 】。如果铁磁性材料的表面光滑、无裂纹、内部无缺陷或央杂物，将 此材料磁化后其磁力线在理论上是全部通过由 铁磁性材料构成的磁路。如果存在缺陷，经过 磁化后，材料表面或近表面存在的缺陷或组织 状变化会使磁导率发生变化，即磁阻增大，使 得磁路中的磁通相应发生畸变，如图2 1 所示。 畸变磁通分为三部分：一部分穿过缺陷；另外 一部分在材料内部经过裂纹周围的铁磁材料绕 过裂纹；还有一部分磁通会离开材料表面，通 过空气绕过缺陷再重新进入材料。其中溢出部分畸变磁通即所谓的漏磁通，是 探头能检测到的部分。这就是漏磁检测的基本原理。漏磁检测法只适合于检测 铁磁性材料及其合金。 2 3 缺陷参数与漏磁信号的相互关系 缺陷产生的漏磁通可以分解为法向分量缈和切向分量风，缈实际上反 映了漏磁通的变化率4j 【”j 。当探头沿工件表面做平移运动时，探头内的电磁感 应线圈将切割漏磁通，线圈中产生感应电压。实验和研究表明，在一定的切割 速度和切割角度条件下，缺陷的深度、宽度、倾角等都与漏磁通的法向分量b y 有密切关系。 人工缺陷深度h 对漏磁通法向分量 的其它参量不变。图示表明在缺陷宽度 w 相同的情况下，漏磁通法向分量肌 与缺陷深度h 基本上成线性比例关系， 即缺陷深度越大，漏磁通的幅度越大。 利用h 和b v 之间的这种对应关系，可 判断缺陷的等效深度。这一特点，是漏 磁探伤最重要的实验依据。采用不同厚 度的锯片切制相同深度的人工缺陷，其 厚度即缺陷的宽度w 对漏磁通法向分 量肌的影响如图2 - 3 所示。 毋的影响如图2 - 2 所示，此时，缺陷 ， 星 心 0 24 8 ， 图2 _ 2 人工缺陷深度h 对漏磁通法向 分量j 步的影响 图示表明，在w 较小时，缈随w 增大而增大；当w 较大时，缈受w 影响很小；而1 4 很大，如几个毫米以上 时，b y 则随w 增大而减小。可见，缺陷的深度h 与宽度w 对缺陷产生的漏磁 场有不同的影响。所以，考虑缺陷的深宽比( h w ) 对漏磁场的影响更合理，这。 比单独考虑缺陷的深宽h 或宽度w 更有意义。图2 - 4 为h w 与毋之闻的关 系曲线。缺陷的深度比h w 愈大，漏磁场愈大，缺陷愈容易检出。 p i 2 莳 0 0 2 仉4246 口，姗 图2 - 3 人 = 缺陷宽度w 对漏磁通法向分 量毋的影响 图2 4 缺陷深宽比与漏磁通法分量置p 之间的关系曲线 6 2 4 端头漏磁检测存在的问题及解决方法 钢管的质量关系到油气采集和输送管道的安全，所以对钢管的检测是有必 要的。然而，现有的检测设备对钢管进行检测时，在钢管端头存在较长检测盲 区。同时，端头是加工区和作业安装损伤最多的部位，许多重大事故多出现在 钢管端头盲区部位。因此，对钢管端头检测系统和方法的研究具有重要意义。 2 4 1 钢管端头存在盲区的原因 在对钢管外壁进行检测的过程中，当钢管通过磁化场时，通电空心线圈逐 步变为有铁心线圈，线圈的电感量增大，磁化电流减小，其磁化场减弱。由于 通过的钢管端头部分缺陷不能形成漏磁场，所以会产生较长的检测盲区。 另外，无论在钢管的自动化生产线或以钢管为原料加工各种管件部件的场 合中，各种自动化检测、探伤系统的探头在对高速穿过检测区间的钢管端头部 分都必须避让，以免被其撞坏；同时检测系统的探头与被检测的钢管都存在贴 合过程，当它们贴合过程时，运动中的钢管已经通过一段距离；钢管的另一端 也必须避让，以免被撞坏。这样，钢管的两断都存在一段没有被检测到的距离， 这段距离就是所谓的钢管端头检测盲区。另外，尽管油气输送管道漏磁高速检 测技术采用双密绕螺线管构成的h e m h e z 磁化器、磁聚焦装置等，使磁化器局 部铁芯磁化器，并保持钢管端头进入磁化器时，即受到稳定的磁化作用，但其 仍然存在约2 0 0 m m 的检测盲区。图2 - 5 所示，钢管前头端口到达a 点时，磁 图2 - 5 轴向磁化装置检测钢管端头原理图 化器产生的磁力线还没有穿过钢管，同时传感器不能与管体吻合；到达b 点 时，只有部分磁力线穿过钢管，钢管前头端口开始撞击传感器。形成强烈的所 谓端头干扰；到达c 点时，有大部分磁力线穿过钢管，但磁力线呈发散形状， 造成钢管端头的不充分磁化，缺陷不会形成漏磁场；只有钢管前头端口越过d 点后，磁化器产生的磁力线全部穿过钢管，传感器开始正常拾取缺陷漏磁场。 根据上述分析，尽管钢管是慢速穿过检测系统，仍然在端头上形成大于b d 之 7 间距离的检测盲区。对于钢管以6 0 m m i n 左右的速度穿过检测系统时，系统的 探头在对高速穿过检测区间的钢管端头部分都必须避让，以免被其撞坏；同时 检测系统的探头与被检测的钢管还存在贴合过程，当它们贴合稳定时，运动中 的钢管已经通过一段距离。所以实际端头检测盲区总是远大于b d 之间距离的。 钢管端头检测方法要解决的就是检测盲区问题。 2 4 2 缩短钢管端头检测盲区的方法 缩短钢管端头检测盲区可以采用以下两种方法： ( 1 ) 为了操作方便，减小检测装置的体积，所以把磁化装置和检测装置分 离，即采用外壁磁化、内壁检测的方式。此方式能实现无盲区检测：当传感器 对钢管端头扫查时，因它与钢管接触良好，可检测到任意缺陷。外壁采用h e m h e z 磁化器。由于h e m h e z 磁化器是空心线圈，当钢管端头进入磁化装置时，磁化 线圈由空心线圈逐步变成铁心线圈，其电感量逐步变大，使磁化电流先摆动变 小，后恢复到正常值。这样，便造成钢管端头的磁化强度减弱，端头的检测盲 区加长。在h e m h e z 磁化装置增设磁聚焦装置，使h e m h e z 磁化器首先变成铁芯 磁化器，并保持钢管端头进入磁化器时，即受到稳定的磁化作用。克服上述变 化影响，使检测盲区减少到15 0 r a m 以内；同时。磁力线直接通过磁聚焦装置耦 合到钢管上，减少磁路的磁阻，增大磁化力，检测盲区进一步缩小。 f 2 ) 采用外壁磁化，外壁检测的方法。但是钢管端头的磁力线呈发散状， 造成钢管端头不充分磁化，缺陷不能形成漏磁场。为此，在钢管的端头处增设 一和钢管直径相同的引管( 此引 管的磁导率要大于钢管的磁导 率) ，作为磁路延长器，如图2 - 6 所示。这样，可将磁力线发散点 从管端引导到磁路延长器另一 端；端头与磁路延长器结合处必 然形成强烈的接缝漏磁场，这些 漏磁场是尖锐的，能形成有用的 图2 - 6 缩短钢管端头盲区原理图 识别信号；这样就可以使用传感 器拾取缺陷漏磁场，达到检测的 目的。 小结：作为整个检测系统设计最根本的理论基础，本章首先介绍了物质的磁性， 重点介绍了漏磁检测原理。然后介绍了端头检测中存在盲区的原因以及如何缩 短钢管的检测盲区。最后简单讨论了几个缺陷参数对漏磁信号的影响。 8 第三章钢管端头漏磁检测系统的结构 钢管端头漏磁检测系统的简单硬件结构如图3 1 所示 端 硬 z 头 横纵向缺陷检测信号 件 摹 控 8 外制 若 卅卜 罱 围 检测控制信号 7 处 数 检 横，纵向喷标信号 7 理 卜叫 据h 机 测电 采 系 红外信号 。 路 集 统 板 卡 图3 - i 钢管端头漏磁检测系统硬件结构 下文将对系统中各个部分及整个系统的性能指标做较为详细的介绍。 3 1 外围检测系统 3 1 1 外围系统检测方法 ( 1 ) 非轴向缺陷检测方法 钢管端头的非轴向缺陷检测方法如图3 2 所示： 图3 - 2 钢管端头非轴向缺陷的检测方法 为削弱端头磁力线发散形状，避免造成钢管端头的不充分磁化，缺陷不会形成 漏磁场问题，端头设有与端头吻合的磁路延长器，将磁力线发散点从管端引导 9 到磁路延长器另一端：端头与磁路延长器结合处必然形成强烈的接缝漏磁场， 这些漏磁场是尖锐的，能形成有用的识别信号。 外磁化由螺线管磁化线圈提供，对钢管端头待检测区提供可以调整的初始 磁化，避免内磁化器的磁化强度不足：内磁化器由恒磁源和纯铁磁耦合器组成， 它使钢管缺陷产生向内壁泄露的缺陷漏磁场，便于被与内磁化器同时轴向运动 的传感器拾取。 其检测过程是：当钢管端头到来时，驱动装置使螺线管磁化线圈、端头磁 路延长器、内磁化器和传感器阵列构成的检测装置自动与钢管端头靠拢、吻合 可靠后，内磁化器和传感器阵列沿钢管端头内腔来回运行一次后，在计算机显 示器上显示端头检测图形。其后，检测装置迅速离开，钢管继续流动运行。 ( 2 1 轴向缺陷检测方法 钢管端头的轴向缺陷检测方法如图3 - 3 所示： 图3 - 3 钢管端头轴向缺陷的检测方法 内磁化由磁化线圈提供，对钢管端头待检测区提供可以调整的初始磁化， 内磁化器产生的磁场由纯铁磁耦合器和极靴耦合到钢管壁上，它使钢管轴向缺 陷产生向内壁泄露的缺陷漏磁场，便于被与内磁化器同轴旋转的传感器拾取。 其检测过程是：当钢管端头到来时，驱动装置使磁化线圈、传感器阵列构 成的检测装置自动与钢管端头靠拢、内磁化器和传感器阵伸入钢管端头内腔旋 转后，在计算机显示器上显示端头检测图形。其后，检测装置迅速撤离，钢管 继续流动运行。 3 1 2 外围系统装置 钢管端头外围检测装置结构如图3 4 所示： 图3 - 4 所示钢管端头检测机构由2 组h e m h e z 磁化器、推动汽缸、探头掩 体、探头阵列、探头推动汽缸、移动平台等装置组成。2 组h e m h e z 磁化器通过 1 0 电流时，在钢管端头形成均匀的磁化场激励缺陷形成漏磁场；探头掩体内的探 头的电磁激发装置由一套稳恒磁化装置和2 套轮形引导磁极构成对钢管内壁的 充分磁化。 图3 - 4 钢管端头外围检测装置结构图 传感器是探头中的核心元件，它可以拾取缺陷漏磁场，产生电信号。因此 它的选择直接关系到检测装置的性能。选择传感器时可以从以下两方面来考虑 1 6 1 ：线性度和灵敏度。传感器的线性度是指输入与输出之间数量关系的线性程 度；灵敏度是指传感器的输出量增量与输出量增量的比值。可采用两种传感器： 电感式传感器和霍尔传感器。 f 1 ) 电感式传感器 电感传感器由线圈构成。其工作原理是当它贴着钢管表面扫查时，缺陷产 生的漏磁场会引起穿过线圈磁通量的变化，从而电磁线圈中会产生感应电动势， 形成缺陷信号。其表达式i l7 j ： u ，= ”等= 珂掣 3 1 其中，z 为线圈匝数，矽为线圈中通过的漏磁场磁通量，b 为漏磁场的磁通量 密度，s 为线圈的横截面积。 一般来说，漏磁场越强，线圈与钢管的相对速度越快，感应信号越强。由 于机械传动装置的速度有变化，所以这类传感器不适合缺陷信号的定量判定。 ( 2 ) 霍尔传感器 霍尔传感器的工作原理如图3 5 所示， 当控制电流尼流过霍尔敏感元件时，若在垂 直于电流的方向上作用磁场b ，在垂直于电 流和磁场的方向上会产生感应霍尔电压u ： u ：粤枷c 唧 3 2 由公式3 - 2 可知，保持控制电流力不变，感 图3 - 5 霍尔传感器的工作原理图 应信号只受磁感应强度b 的影响。 ( 3 ) 两种传感器的比较 线圈传感器的感应电动势u = h 鲁= 玎警，其中学受钢管与传感器相对速 度的影响，所产生的感应信号强度不相同，所以不适用于信号的定量判定。从 霍尔传感器的感应电动势可以看出，信号的强度不受钢管与传感器相对速度的 影响。但是，霍尔传感器需要稳定的直流输入控制电流。然而在本课题中，由 于轴向缺陷检测传感器组绕检测钢管时高速旋转，检测信号靠滑环耦合传输， 给传感器组馈送稳定的直流电流不容易实现，所以在本课题中采用了线圈传感 器。 0 0 - - 5 3 0 区间 检测信号a ， 4 5 0 一1 0 6 0 区间 检测信号a 2 2 7 0 0 - - 3 2 3 0 区间 检测信号a ， 3 1 5 0 - - 3 6 0 0 区间 检测信号a 8 轴向长度。 轴向长度x 舶向长度。 卜叫黼瞬叫轴愀x 图3 - 6 钢管端头检测所获得的检测信号 当钢管运行到检测区间时，2 组h e m h e z 磁化器连同探头掩体和其内的探头 在驱动电机作用下随移动平台迅速靠合钢管端头；钢管端头在稳恒磁化装置和 2 组h e m h e z 磁化器共同作用下，缺陷受到磁场激励，在其内壁形成强烈的漏磁 信号；在探头阵列内设8 - 1 6 通道弹性扫查探头，它们向外包绕角为3 6 0 0 。探头 阵列在钢管内来回扫查一次，传感器拾取钢管端头内缺陷漏磁场，转换成缺陷 电信号。这些信号经过设在探头内的低噪声、高增益放大器提供6 0 d b 的增益， 其幅度达到1 2 v p p ，波形如图3 。6 所示：图中“接头信号”是指探头掩体与钢 管端头连接处探头检测获得的饱和脉冲，它正是有用的识别信号：缺陷信号是 钢管端头存在的缺陷被检测所获得信号；对无损伤钢管检测获得的信号是只含 “接头信号”的图形曲线；根据图3 - 6 信号图形曲线可以判断：钢管端头的 3 l5 0 3 6 0 0 区间存在密集性损伤缺陷；其中部点0 m 4 5 0 处有1 个突出缺陷存在； 其它部位完好无损。 3 1 3 外围检测系统要解决的问题 f 1 ) 对钢管端头缺陷信号的可靠激励方式 对钢管端头缺陷信号的激励方式要解决的主要问题之一。以适当的磁场作 用到端头被检测区，使该区间缺陷形成漏磁场，并转化成可以识别的电信号或 图形。在钢管外表面以多组通电线圈形成强度可以调整的、分布均匀的直流磁 场磁化和在钢管端头内表面采用前、后放置2 组互相正交的稳恒磁场磁化法。 钢管端头内表面互相正交的稳恒磁场中有一种磁化场是与钢管的轴线平行的， 它与钢管外表面以多组通电线圈形成均匀的直流磁场方向相同( 或相反) ，它们 的合成磁场强度可以依靠通电线圈进行调整；互相正交的稳恒磁场中另一种磁 化场是与钢管的轴线垂直的、能够沿钢管轴线旋转的。前者可以激励钢管端头 的非轴向的各种缺陷信号；后者可以激励钢管端头的轴向裂纹的各种缺陷信号。 ( 2 ) 对钢管端头缺陷信号的采集方式 对钢管端头缺陷信号的可靠采集方式是要解决的第二个主要问题。根据( 1 ) 对钢管端头缺陷信号的激励方式，与钢管的轴线平行的磁化场使缺陷在磁化场 的作用下在钢管内表面空间形成轴向分布的缺陷漏磁场，以在薄膜微带上制成 的线圈为传感器沿钢管端头的内表面轴向扫查，以获得钢管端头的非轴向的各 科缺陷信号；线圈传感器沿钢管端头的内表面周向扫查，以获得钢管端头的轴 向分布的各种缺陷信号。 3 2 硬件控制处理电路板 硬件控制处理电路板的主要功能是：对横向和纵向缺陷信号进行放大和预 处理，然后通过h y - 6 0 7 0 c 数据采集卡进行a d 转换后送入到计算机中；把红 外a e 信号处理后送入计算机；产生一个l o k 的时钟信号和一个1 m 的时钟信 号送入计算机中用于计算检测速度和缺陷信号的脉冲宽度。如图3 7 所示，在 硬件控制处理电路板中，多路纵向信号送入放大器中进行放大和滤波处理，然 后通过一个或门后并成一路纵向检测信号。同理，多路横向信号也是送入放大 器进行放大及滤波处理，通过一个或门后得到一路横向检测信号。 图3 7 硬件处理电路板原理图 3 3 数据采集卡 3 3 1 数据采集卡功能简介 本系统采用的是h y - 6 0 7 0 c 数据采集卡。h y - 6 0 7 0 c 卡是i b m p c x t a t 总线兼容通用型a d 、d a 卡，可以直接插入i b m p c ，x t a t 总线兼容计算机 内的任意总线扩展槽中，构成模拟量电压信号、数字量电压信号采集、监视输 入系统及模拟量电压信号、数字电压信号输出系统。h y - 6 0 7 0 c 卡为用户提供 了两种模拟信号输入方式：1 6 路单端输入和8 路双端输入。本系统采用1 6 路 单端输入的方式。通过硬件设置，模拟电压信号输入范围可以是1 0 v 、5 v 、 2 5 v 、o 5 v 和o 1 0 v 。a d 分辨率1 2 b i t ，a d 转换时间为2 5 “s 。此卡还提供 了1 路1 2 b i t d a 转换模拟电压输出通道。模拟电压输入，输出信号通过4 0 线扁 平电缆插座j 2 与a d 、d a 电路相连。 在h y - 6 0 7 0 c 卡上还装有可编程计数定时器8 2 c 5 4 。其中8 2 c 5 4 的定时 计数器1 和定时计数器2 级联，用来产生定时触发a d 转换的时钟信号。定时 计数器0 单独保留出来给用户使用，可以构成脉冲计数、频率测量、脉冲信号 发生器等电路。 h y - 6 0 7 0 c 卡提供了1 6 路数字输入输出通道信号，与外界联系通过j 1 ( 4 0 线扁平电缆插座) 完成。信号接口电平符合t t l 电平标准。 3 3 2t t y 一6 0 7 0 c 卡的工作原理 1 4 h y - 6 0 7 0 c 卡的结构图如图3 - 8 示 h y - 6 0 7 0 ci b m p c xl y a l lb u s 图3 - 8h y - 6 0 7 0 c 卡结构图 在h y - 6 0 7 0 c 卡上用户通过软件编程或硬件控制来启动a d 转换，当a d 转换完成后，可通过软件查询a d 完成位，然后读取数据；或者通过a d 完成 后发出中断申请，由中断服务程序读取数据。h y - 6 0 7 0 c 卡上的a d 转换电路 有三种触发方式：软件触发，定时触发和外触发。 a d 转换结果可由以下两种方式传送给主机： ( 1 ) 软件查询a d 转换完成位，然后由主机读入结果数据； ( 2 ) a d 转换完成后，发中断申请信号，然后由主机读入结果数据。在软件 触发过程中，先选通模拟输入通道，然后发送a d 转换启动命令，即可触发 a d 转换，当检测到a d 完成位为“1 ”时，即可读取a d 转换的1 2 b i t 数据 并进行计算。 d a 转换电路采用双寄存电路，保证1 2 b i t 转换同时完成和上电输出清零。 数字量输入输出信号通过h y 系列端子板控制s s r 电磁继电器，实现电器 系统的o n 0 f f 操作。 保留给用户使用的0 通道计数定时通道的时钟输入信号，可以提取板内时 钟信号源或外部信号源。 3 3 钢管端头检测系统的技术指标 被检钢管直径范围：m 5 0 5 0 0 m m ； 钢管端头曲度：小于1 ： 检测速度：每根小于2 0 秒 检测钢管端头长度：2 0 8 0 0 m m ； 检测缺陷类型：内、外壁及内部各种缺陷； 显示方式：图形方式； 检测灵敏度：n 8 人工刻槽，d 1 5 通孔准确检测，内壁灵敏度更高 小结：本章主要介绍了整个系统的结构， 其中包括钢管端头检测系统的外围设备、 介绍了本系统的性能指标。 1 6 并对各部分进行了较为详细的说明， 硬件控制电路板和数据采集卡。最后 第四章系统中的接口及缺陷判别技术 4 1 计算机接口技术 随着计算机技术的发展，检测系统在性能上得到很大程度的提高，并不断 向计算机化，定量化和智能化方向发展1 1 8 】。计算机在自动检测中起着举足轻重 的作用。计算机自动检测系统的典型结构如图4 - 1 所示： 传感器】 传感器2 传感器n 其它仪器 或系统 数数子 据子微据系 采系采统 集统 机 集 基 接口接口 本 通子 子 基子 信委 系 本系 = 统 统 。 接口接口 被测控对象 l被测试组件 制i 测试信号发生器 i； l l 其它控伟i 对象 显示 记录 打印 键盘输入 其它i f o 系统 图4 - 1 计算机自动检测系统典型结构 计算机的c p u 通过总线与接口电路相连，接口电路再与外部系统相连，因 此c p u 总是通过接口与外部系统发生联系。接口技术是组成任何实用计算机系 统的关键技术。可以这么说，任何一个计算机系统的研制和设计，实际上主要 就是计算机接口的研制和设计，需要设计的硬件是一些接口电路，所要编写的 软件是控制电路按要求工作的驱动程序。 c p u 与外部系统之间进行数据交换的过程和计算机与存储器交换数据的 过程是一样的，都是在控制信号的作用下通过数据总线来完成的【