【《管道三维漏磁检测传感器系统设计分析案例》3300字】

管道三维漏磁检测传感器系统设计分析案例以漏磁检测技术为基础，管道缺陷漏磁场三维仿真分析结果为指导，在钢板上制作人工缺陷，以此作为实验载体，设计了三维漏磁检测传感器系统。1.1管道漏磁检测工作原理及系统结构管道漏磁检测技术主要目的为通过将铁磁性材料管道励磁，使得管道被饱和磁化，在管道缺陷处，由于横截面积变小，磁阻变大，磁力线会一部分通过管道，一部分产生扭曲，从而偏折出管道缺陷处，形成漏磁，最终形成缺陷漏磁场。利用霍尔传感器制作成的探头，在通过缺陷漏磁场时候，根据霍尔效应，会产生相应的感应电信号，并最终通过放大滤波和模数转换，将形成的数字信号存储。不同的缺陷漏磁场经过霍尔探头检测，会形成相应的不同的电信号。因此，通过对最终形成的信号分析处理，反推出缺陷漏磁场的具体情况，从而判定缺陷的类型和尺寸。传统管道漏磁检测技术是检测磁通密度三维分量中的一个或两个分量，本文提出的三维漏磁检测传感器，把对缺陷临近区域漏磁场的研究拓展成三维空间。若管道有缺陷，则在缺陷附近会有磁力线泄露到空气中，三维漏磁检测传感器在三个方向上分别放置相互垂直的霍尔元器件来检测漏磁信号，在每个方向上霍尔元器件测量的是与其垂直的漏磁场的磁通密度（轴向、径向和周向磁通密度），从而达到磁通密度的三维测量。管道漏磁检测通过管道内运送介质的前后压力差驱动检测装置前进，磁化结构对管道局部进行磁化，使管道达到磁饱和状态，三维漏磁检测传感器采集漏磁信号，采集单元把模数转换后的漏磁信号进行存储，传输给计算机系统，然后再对采集的漏磁信号进行识别和处理。图3-1为管道漏磁检测系统框图。计算机接收到数据后，对采集到的信号进行信号处理，对处理后的信号进行波形显现，得到缺陷漏磁场轴向分量、径向分量和周向分量的波形。最后根据得到的波形分析处理，判定缺陷的类型和尺寸，并且给出缺陷是内部缺陷还是外部缺陷。被磁化后的钢板被磁化后的钢板三维漏磁检测传感器三维漏磁检测传感器信号放大电路信号放大电路信号A/D转换信号A/D转换数据存储数据存储计算机分析处理计算机分析处理图3-1管道漏磁检测系统框图Fig3-1Blockdiagramofpipelinemagneticfluxleakagedetectionsystem1.2三维漏磁检测传感器系统硬件电路设计1.2.1霍尔传感器的选型及摆放管道漏磁内检测使用磁传感器采集管道缺陷附近的漏磁信号，并转换为电信号传输给上位机软件显示和处理。磁传感器种类繁多，使用环境和应用范围各不相同。如何正确选择适合的磁传感器，是确保漏磁信号准确采集的关键。针对几种常用磁传感器对比分析，选择出适合管道漏磁内检测的磁传感器。几种磁传感器优缺点的比较分析如表3-1所示。综合考虑磁传感器实用性、经济性和测量范围等因素，采用霍尔传感器作为管道缺陷漏磁检测的磁传感器。霍尔传感器工作原理如图3-2所示，霍尔半导体薄片两端通过电流I,磁场B垂直施加到薄片，则在同时垂直于磁场和电流方向的霍尔元件两侧产生霍尔电势，根据霍尔效应可得：（3-1）式（3-1）中，K为霍尔传感器的灵敏度系数，I为电流，B为磁感应强度，为磁感应强度和霍尔半导体薄片垂直方向的夹角。表3-1几种磁传感器优缺点分析Tab3-1Analysisofadvantagesanddisadvantagesofseveralmagneticsensors磁传感器优点缺点磁场强度测量范围/T感应线圈测量磁场相对变化量测量灵敏度受线圈匝数和高频磁信号敏感相对运动速度影响信号处理电路复杂磁通门检测灵敏度高分辨率随磁心和线圈尺寸变化仅适用于弱磁场霍尔传感器霍尔电动势直接反映需要供电磁感应强度的大小输出电动势与测量元件相对于磁场的运动速度无关磁敏二极管检测灵敏度高温度系数和输出呈非线性变化需要补偿磁敏电阻检测灵敏度高分辨率受元件感应面积影响仅适用于弱磁场由式（3-1）知，当霍尔传感器型号确定，传感器安装位置固定后，的夹角大小基本保持不变，对霍尔传感器提供固定的控制电流I时，霍尔电动势与磁感应强度B呈线性关系，能够通过测量输出电压直接反映缺陷漏磁场的大小。图3-2霍尔传感器工作原理图Fig3-2WorkingprinciplediagramofHallsensor为保证三维漏磁检测传感器系统功耗尽量低，选用ALLEGRO公司的A1393型线性霍尔效应传感器IC，带三态输出和用户可选休眠方式，典型工作电压3V。其电气特性具有线性好、频响快、测量精度高、体积小、寿命长等特点，工作可靠。工作温度：-40-85°C。正常工作时，功率消耗为10mW。休眠时功耗为0.075mW[60]。其具体特性参数如表3-2所示：表3-2A1393霍尔传感器特性参数表Tab3-2A1393Hallsensorcharacteristicparametertable参数符号测试条件最小典型最大单位电源电压2.51.01.5VSLEEP-0.1+0.5V输入电压SLEEP阈值休眠0.45*V唤醒0.2*V电源电流休眠0.025mA唤醒1.2mA休眠电流休眠1输出电压Vref-0.1V0.1V灵敏度S5mV/G三维漏磁检测是对三个维度信号进行了检测，最终获得的是轴向、径向和周向三个维度分量的信息，在一定程度上提高了分析精度，减小了误差。三维漏磁检测传感器系统由1个单片机和10个霍尔传感器组成，轴向和径向各自依次摆放四个霍尔传感器，周向放置两个霍尔传感器。霍尔传感器在三维漏磁检测传感器系统（探头）中的摆放方式如图3-3所示。一个三维漏磁检测探头由10个互相正交的霍尔传感器组成，根据霍尔效应原理，当磁场方向与电场方向垂直时，产生的感应电动势最大。因此这10个霍尔传感器分别与轴向、径向和周向互相垂直，最大限度的检测漏磁信号。霍尔传感器工作电路如图3-4所示。根据相关文献，检测速度为4m/s及提离值为2mm时有较好的检测精确度，选用的A1393霍尔传感器灵敏度为5mV/G，设计制作的探头空间分辨力约为4.5mm（传感器两两间隔）。图3-3探头内部结构示意图Fig3-3Diagramofinternalstructureofprobe图3-4霍尔传感器工作电路Fig3-4Hallsensorworkingcircuit1.2.2漏磁信号放大调理电路图3-5放大滤波电路Fig3-5Amplifyingandfilteringcircuit添加信号放大电路，以获得清晰的漏磁检测信号。放大电路中的放大倍数为20倍。1.2.3主控模块的选型设计MCU作为硬件系统的“大脑”，必须保证其可靠性，本系统在选取主控芯片时，应考虑以下因素：1）：为了使漏磁信号能够得到很好的复现，主控应可以进行高精度的模数转换；主控模块需要将漏磁信号数据通过串口传输到计算机。2）：结合漏磁检测应用背景，除了能够达到较低功耗的特点，还要能够满足所有需求的计算及数据处理速度，主控系统的主频率、功耗和外形都必须要进行充分的考虑。综合考虑本系统选取STM32系列的STM32F103RCT6作为该系统的主控芯片。该微控制器作为系统的控制核心，其负责完成信息采集、数据处理、数据存储等工作，最终实现整个系统的协调工作。主控芯片原理图如图3-6所示。图3-6STM32F103RCT6最小系统原理图Fig3-6STM32F103RCT6minimumsystemschematic1.2.4电源模块电路设计由于三维漏磁检测传感器系统主控芯片、放大调理电路、A1393霍尔传感器的工作电压都是1.3V，而整个三维漏磁检测传感器系统由5V的电源供电，因此这里需要一个LDO电路把5V电压转成1.3V电压，A1393霍尔传感器工作时的典型电流为1.2mA，这里选用稳压芯片AMS1117-1.3，保持电压稳定。原理图如图3-7所示。图3-7电源模块原理图Fig3-7Schematicdiagramofpowermodule1.2.5采集存储模块电路设计本系统使用主控芯片自带的ADC进行采集。缺陷漏磁信号主频在50HZ附近，采样频率设置为4000HZ，霍尔传感器输出电压范围为0.1V-1.2V，未超过主控芯片最大电压。通过单片机控制十路ADC同时采集，将各路数据加标记后输出。本系统将采集到的信号储存在TF（MicroSD）卡中，TF卡具有容量大、速度快和安全的优点。假定管道长度为100公里，当检测器的检测速度在4m/s时，既能保证检测效率，又能较好地探测到漏磁信号，经A/D采集转换后的数据为16位，采样频率为4000Hz，由此进行计算所需的存储容量约为200MB。在实际检测中，待检测的管道长度为上百公里甚至上千公里，可根据实际需求更换存储容量更大的TF卡来进行数据的存储。原理图如图3-8所示。图3-8存储模块原理图Fig3-8Schematicdiagramofstoragemodule1.2.6搭载霍尔传感器电路板设计本文设计的三维漏磁检测传感器系统实现对缺陷漏磁场的三维检测，因此考虑将系统设计成立体系统。2号电路板和3号电路板直插在1号电路板上，1号2号电路板上各有四个霍尔传感器，3号电路板上有两个霍尔传感器。2号电路板和3号电路板原理图如图3-9所示。a2号电路板b3号电路板图3-92号3号电路板原理图Fig3-9No.2andno.3circuitboardschematicdiagram1.3三维漏磁检测传感器系统PCB及实物根据系统整体硬件电路图得到PCB原理图，如图3-10和3-11所示。图3-10所示为1号电路板，包括系统主控芯片，AD采集，放大调理电路，电源模块等，另外还包括4个霍尔传感器。图3-11为2号、3号电路板，2号电路板和3号电路板相同，区别是2号电路板放置4个霍尔传感器，3号电路板放置2个霍尔传感器。由这3个电路板一起组成的三维漏磁检测传感器系统，其中包括10个霍尔传感器。图3-101号电路板PCB原理图Fig3-10PCBschematicdiagramofNo.1circuitboard图3-11