管道缺陷超声内检测传感器阵列电路设计

摘要

油气管道在运行过程中不可避免的会产生各种缺陷，并且随着时间的推移，这些缺陷会进一步扩展，一旦发生事故，将会给国民经济和生态环境造成难以补救的损失。超声内检测技术是管道缺陷的主要检测方法之一,该方法利用置于管道内部的超声传感器阵列实现对管道的缺陷检测。
　　在利用该方法对管道进行缺陷检测时，考虑到超声波的传播特性和对缺陷的检出率要求，需要针对不同的管径设计不同的传感器阵列。传感器阵列结构确定后，设计专用的超声波阵列收发电路是管道缺陷内检测技术实施的前提和基础。目前管道用超声阵列收发电路存在激励电压低，易受噪声和管道表面工况干扰的不足，影响对缺陷检测。
　　论文以外径为219mm，壁厚为14mm的管道为检测对象，设计了64通道超声传感器阵列，并以8通道为单元，设计了超声收发电路，用于阵列传感器的超声信号发射、接收与前期预处理。电路采用单片机作为控制器，输出时序和频率可调的控制信号，控制发射电路产生高压尖脉冲，实现传感器阵列0~500V电压可调的脉冲激发。接收电路采用数字控制模拟多路复用器，实现8通道传感器共用1路接收和前期处理电路的功能。该电路系统已经完成组装与测试，实验结果表明，所设计的阵列电路发射能量高，对小缺陷能有效的检出，阵列的收发时序和频率均可通过软件编程调节，可满足不同的检测需求。只要将阵列单元电路组合，就可实现64通道传感器的激发和接收。
　　论文具体研究内容如下：
　　(1)分析了国内外管道缺陷超声检测技术和超声收发电路发展现状，阐述了超声缺陷内检测的原理和方法，根据检测要求和检测环境特点，确定了传感器阵列技术参数、布设方案和发射时序。
　　(2)确定了超声传感器阵列电路的总体方案，并设计了子模块电路，主要包括多通道驱动控制电路、传感器阵列激发电路、回波接收电路以及电源电路，并且在分析电路干扰源的基础上，采取了抗干扰措施，最后对单元电路进行了组合设计。
　　(3)完成了阵列电路的PCB板设计与制作，焊接了超声传感器阵列电路板，设计了单元电路和组合电路的超声波收发控制程序。
　　(4)对制作好的电路进行了模块化的测试与分析，并结合搭建的管道缺陷超声内检测实验平台，对管道缺陷进行了检测，测试了电路对缺陷的检出效果。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2管道缺陷超声检测技术发展现状

1.3超声传感器收发电路种类及现状

1.4论文的结构及安排

第二章 管道缺陷超声内检测原理

2.1超声检测物理基础

2.2管道缺陷超声内检测原理及方法

2.3管道缺陷超声内检测中传感器阵列结构

2.4小结

第三章 超声传感器阵列电路设计

3.1电路总体设计方案

3.2 8通道驱动控制电路设计

3.3传感器阵列激发脉冲电路设计

3.4 8通道回波接收电路设计

3.5电源电路设计

3.6电路的抗干扰措施

3.7 64通道传感器阵列电路的组合设计

3.8小结

第四章 电路制作及其控制程序设计

4.1电路的制作

4.2电路控制程序设计

4.3小结

第五章 电路调试实验及管道缺陷检测实验与分析

5.1电路的调试实验

5.2管道缺陷检测实验与分析

5.3小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果

附录A 64通道传感器阵列电路控制程序

附录B 64通道传感器阵列电路原理图