一种基于压磁效应的损伤检测仪

摘要

本发明涉及一种基于压磁效应的损伤检测仪，其由信号采集系统、光电测距系统、信号处理系统和底盘系统组成，信号采集系统为一扫描探头，扫描探头具有一横杆，磁感应传感器阵列、温度传感器集成在横杆上；信号处理系统包括放大滤波电路、信号放大电路、多路开关、A/D转换电路、计算机系统，信号处理系统的计算机系统内安装有信号处理软件，并且计算机系统与人际交互设备和报警装置相连，该损伤检测仪还具有活动连接的横杆、减振并能适应管道变径的底盘，是一种多用途、可靠性强的基于压磁效应的损伤检测仪，对提高国内油气管道的安全检测技术水平，及时有效防止因管道损伤破坏引发的安全事故具有十分重要的意义。

说明书

技术领域

本申请涉及一种损伤检测仪，特别是一种金属记忆多通道损伤检测仪 ，能够对管道和平板类部件进行高效检测。

背景技术

管道运输是石油、天然气运输采用的主要方式。目前，在我国近70%的 原油、100%的天然气是通过管道来进行运输的。据不完全统计，我国 已建成的石油、天然气管道总里程已超过了8万公里，正在兴建和拟建 的管道也有近万公里、油田集输管网、炼厂、城市管网累计达数十万 公里。由于输送管线穿越地域广阔，服役环境复杂，位置隐蔽，一旦 发生失效破坏，往往造成巨大的经济损失，导致人身伤亡等灾难性事 故，对环境也会造成很大的破坏。据统计，我国现有的长距离油气输 送管线中已有70%进入了事故多发期，每年因为管线腐蚀、老化造成的 管道事故十分频繁，存在着极大的潜在危险，因此在事故发生前对管 道进行检测具有非常重要的意义。

压磁效应是指铁磁性材料受到机械力的作用时，它的内部产生应变， 导致导磁率发生变化，从而使磁场发生变化。铁磁性金属部件表面上 的磁场分布与部件应力载荷有一定的关系，因此可通过检测部件表面 的磁场分布情况间接地对部件进行诊断。钢材油气管道在管道输送压 力作用下，其应力集中以及腐蚀等伤损处的磁场强度存在明显的特征 ：切向磁场分量Hp(x)具有最大值，法向磁场分量Hp(y)改变符号且具 有零值。基于压磁效应的管道检测技术通过记录管道周围的压磁信号 ，提取压磁磁场特征值，建立管道应力集中以及腐蚀等伤损位置判断 准则，并分析伤损处管道的受力情况。压磁效应理论可以为铁磁金属 构件失效分析及寿命评估提供有力的技术支持，在无损检测领域有其 独特的优势。

常见的管道检测方法有超声波检测和漏磁式管道检测等，它们都存在 一定的缺陷。超声波的传播必须依靠液体介质，且容易被蜡吸收，所 以超声波检测仪器不适合在气管线和含蜡很高的油管线进行检测。漏 磁式管道检测需要专门的磁化设备，检测结束后需要退磁处理，检测 费用高，存在着磁污染等问题。压磁效应可以利用管道在运行过程中 形成的天然磁化现象，检测的信息更为全面，不需要专门的磁化装置 ，操作简单方便，检测的成本较低，在无损检测领域中具有很好的应 用前景。本文研发了一种基于压磁效应的损伤检测仪，用于在线检测 管道中存在的应力集中、腐蚀、材料缺陷等金属损伤，现有的压磁效 应的损伤检测仪一般仅限于实验室内使用，而在户外的环境复杂，一 般的实验室内仪器无法适应管道的变径结 构、检测中的振动及恶劣的室外现场环境，导致检测结果不准确或根 本无法进行测量，为此本申请设计了一种多用途、可靠性强的基于压 磁效应的损伤检测仪，对提高国内油气管道的安全检测技术水平，及 时有效防止因管道损伤破坏引发的安全事故具有十分重要的意义。

发明内容

本发明提供一种基于压磁效应的损伤检测仪，其由信号采集系统、光 电测距系统、信号处理系统和底盘系统组成，信号采集系统为一扫描 探头，扫描探头具有一横杆，磁感应传感器阵列、温度传感器集成在 横杆上；信号处理系统包括放大滤波电路、信号放大电路、多路开关 、A/D转换电路、计算机系统，信号处理系统的计算机系统内安装有信 号处理软件，并且计算机系统与人际交互设备和报警装置相连，信号 采集系统的磁感应传感器阵列所采集的信号经信号放大滤波电路、多 路开关、A/D转换电路进入计算机系统；光电测距系统直接与计算机系 统连接；温度传感器采集的信号经信号放大电路、多路开关、A/D转换 电路进入计算机系统，其特征在于：损伤检测仪顶部装有无线发射接 收装置，通过所述无线发射接收装置能够遥控损伤检测仪的前进和后 退，并将数据发送到计算机系统上；所述的磁感应传感器阵列固定在 扫描探头的横杆上，磁感应传感器的位置能够自由调节，所述横杆是 由多段铝合金通过活动关节连接起来，可以根据被检测构件的形状自 由弯曲。

更优选为，所述磁感应传感器通过螺丝固定在横杆上，磁感应传感器 的数量可以根据需要进行选择，当需要更多的磁感应传感器时，直接 用螺丝将磁感应传感器固定于横杆的预留通道上，损伤检测仪能够自 动识别；当某个磁感应传感器损坏时，可直接进行更换。

更优选为，在所述横杆的上方，有一把刻度尺，用于多个磁感应传感 器的等间距排列。

更优选为，光电测距系统包括发光二极管、透镜组件、成像传感器以 及控制芯片，并且光电测距系统无需校准。

更优选为，所述底盘系统包括底盘框架、变速驱动系统、锥齿轮传动 组件、前轴、后轴、外轮系和内轮系，底盘系统用来承载前述的信号 采集系统、光电测距系统的功能模块元件，并能够依据操作员的指令 进行前进或后退，其中,变速驱动系统、锥齿轮传动组件、外轮系、内 轮系均固定在底盘框架上，变速驱动系统根据指令输出动力，经锥齿 轮传动组件传递给前轴和后轴，前轴和后轴上装有外轮系和内轮系， 外轮系有4个轮位于前、后轴的端部，内轮系也有4个轮，与外轮系同 轴并位于外轮系的内侧，内轮直径小于外轮。

更优选为，所述内轮系同轴轮距可调。

更优选为，所述的底盘框架为矩形，其直角处设有垂直贯通的孔，缓 冲装置安装于孔内， 孔中设有内环台，缓冲装置包括缓冲长螺钉、垫片、缓冲座、第一弹 簧、第二弹簧，在安装时，缓冲长螺钉套设垫片、第一弹簧后由下向 上穿过孔的内环台，第一弹簧的上端顶设在内环台的下面，第一弹簧 的下端顶设在垫片上，缓冲座内设有与缓冲长螺钉相配合的内螺纹盲 孔，缓冲座套设第二弹簧后与缓冲长螺钉螺纹固定，第二弹簧的上端 抵顶缓冲座，其下端抵顶内环台的上表面，至此形成了由下至上依次 为缓冲长螺钉、垫片、第一弹簧、内环台、第二弹簧、缓冲座的排布 ，损伤检测仪的各功能模块组装成整体后安装于四个缓冲座上。

更优选为，还包括电控支架辅助扫描，损伤检测仪放在电控支架的轨 道的滑片上，将试件放在电控支架的下部的面板上，其中面板可以上 下移动，而轨道是固定的，通过对滑片进行遥控，人为地匀速控制损 伤检测仪扫描速度。

更优选为，在损伤检测仪的顶部和后侧壁各有5个小气泡，当顶部的五 个小气泡都居中时表明损伤检测仪处于水平状态；当后侧壁的5个小气 泡都居中时表明损伤检测仪处于垂直状态，从而辅助损伤检测仪磁感 应传感器的水平、竖向的校准。

更优选为，还包括水平支架辅助校正磁感应传感器，水平支架包括一 个平板和4个支撑平板的小腿，每个小腿都有螺丝用于调节平板的高度 ， 平板上有4个气泡，当损伤检测仪放置在水平支架时，可以通过扭 转小腿的螺丝使平板中的气泡居中从而使水平支架达到水平状态。

本发明有益效果：

1、损伤检测仪的扫描探头采用了柔性的横杆，更好的适应各种形状的 被检测件。

2、损伤检测仪采用了无线传输设备，既可遥控损伤检测仪，减少人工 扫描的误差，又可以将信号采集系统与光电测距系统得到的数据通过 无线传输到信号处理系统上，减少有线传输的麻烦，大大提高了损伤 检测仪的灵活性；而且损伤检测仪底盘系统包括外内两轮系、缓冲装 置，使损伤检测仪行驶至管道变径区可以平稳过渡，确保操作安全， 并且底盘系统传动部分采用了一级锥齿轮传动组件，传动方式极为简 洁、可靠，使损伤检测仪能够在被检测构件较大或户外检测时更好地 应对各种恶劣、复杂检测环境。

附图说明：

图1、 本发明损伤检测仪结构示意图

图2、 为本发明扫描探头结构示意图

图3、 为本发明底盘系统结构示意图

图4、 为本发明缓冲装置结构示意图

图5、 为本发明电控支架示意图

图6、 为本发明水平架的示意图

附图标记：

1、损伤检测仪，2－1、信号放大电路，2－2、信号放大滤波电路，3 、多路开关，4、A/D转化电路，5、计算机系统，6、信号处理软件， 7、人际交互设备，8、报警装置，9、控制芯片，10、成像传感器，1 1、棱镜，12、透镜组件，13、发光二极管，14、有线数据传输接口， 15、无线发射接收装置，16、锥齿轮传动组件，17、内轮系，18、前 轴，19、外轮系，20、缓冲装置，21、底盘框架，22、后轴，23、变 速驱动系统，24、缓冲座，25、第二弹簧，26，第一弹簧，27、垫片 ，28、缓冲长螺钉，29、内环台，30、刻度尺，31、探头，32、轨道 ，33、待测试样，34、滑片，35、小气泡，36、小腿，A、信号采集系 统，B、光电测距系统，C、信号处理系统

具体实施方式：

参见附图1，该基于压磁效应的损伤检测仪由信号采集系统A、光电测 距系统B、信号处理系统C和底盘系统组成。

信号采集系统为一扫描探头，扫描探头包括磁感应传感器阵列、温度 传感器和横杆，为了提高检测效率，本磁感应传感器阵列是采用多个 传感器组成的多通道形式，磁感应传感器采用Honeywell公司最新生产 的AMR HMC1021系列4端桥式各向异性磁阻传感器，与传统的3端通用 型磁感应传感器相比，具有灵敏度高（可达10-9T的量级）、体积小、 价格低、温度特性好、工作频率高等优点。特别是芯片自带有offset 与set/reset功能管脚，可以排除静场干扰和抵御强磁破坏。将HMC10 21型磁阻与复位电路、运算电路相结合，用于测量微弱磁场，比霍尔 芯片传感器的精度要高出三个量级。该扫描探头还可配置脉冲消磁电 路和磁屏蔽电路，以消除外界磁场干扰和自身残磁影响，保证在弱磁 测量中具有较高的精度。

图2 为本发明扫描探头结构示意图，磁感应传感器阵列是通过螺丝来 固定在扫描探头的横杆上，磁感应传感器的位置可以手动自由调节。 横杆采用的是铝合金材料，避免对检测结果形成干扰。磁感应传感器 的数量可以根据需要自由更换，当需要更多的磁感应传感器时，直接 将磁感应传感器用螺丝固定于预留的孔道，机器可自动识别；当某个 磁感应传感器损坏时，可直接进行更换，方便日后的维修。横杆类型 可分为4个孔道、8个孔道、16个孔道等类型，也可以根据需要选用其 他数目的孔道。在现有技术中，横杆为不可调整的刚性构件，适应性 差，因此本申请中横杆被设计为是由多段铝合金通过活动的关节连接 起来，可以根据需要自由弯曲。例如仪器用于检测圆形的管道时，可 以将横杆弯曲成圆形；用于检测钢板时， 可以将横杆拉直；当用于检测方形构件时，可将横杆弯曲形成90度角 。

为了更加准确地调整磁感应传感器的位置，在横杆的上方增加了一把 刻度尺。其中0点在最中间，数值向两边分别递增，单位是mm，最小刻 度是1mm。刻度尺的材料是铝合金，以避免磁场对测量结果的干扰。

从图1可知，光电测距系统主要由发光二极管13、透镜组件12、棱镜1 1、成像传感器10以及控制芯片9组成。该系统通过发光二极管13发出 光，经过棱镜11的反射后，灯光以30度角射向被检测件表面，然后再 通过平面的反射透过一块透镜反馈到成像传感器10上。

当损伤检测仪移动的时候，成像传感器10记录得到连续的图案，然后 通过控制芯片9对前后每张图片对比分析处理，以判断装置移动的方向 以及位移，从而得到装置X,Y方向的移动数值。控制芯片9对这些数值 处理之后，传给信号处理系统C的计算机系统5。光电测距系统B的采样 频率最高可以达到3000Frames/sec（帧/秒），也就是说它在1秒内能 采集和处理3000张图像，而传统机械导轮测量距离装置，其最大扫描 速度（步长为1mm时）只能达到0.2-0.3米/秒，最小测量步长仅为1mm ，而采用本光电测距系统B达到的精度远远要高于前者，扫描速度最快 能达到5米/秒，最小测量步长可以达到0.01mm。而且使用者可以在计 算机系统5上设定自己所需要的精度。更重要的是本系统测距时无需校 正，由光电测距系统系统自动进行计算距离，避免了繁琐的校正过程 以及校正带来的误差。

信号处理系统C用于处理和分析信号采集系统A与光电测距系统B传输来 过的信号，这些信号通过无线发射接收装置15或有线数据传输接口14 传送给信号处理系统C。信号采集系统A的磁感应传感器阵列所采集的 信号经信号放大滤波电路2－2、多路开关3、A/D转换电路4进入计算机 系统5，其中信号放大滤波电路2－2的输出端接A/D转换电路4的输入端 ，A/D转换电路4的输出端接计算机系统5的输入端；光电测距系统B直 接与计算机系统5连接；温度传感器采集的信号经信号放大电路2－1、 多路开关3、A/D转换电路4进入计算机系统，信号处理系统C的计算机 系统5内安装有信号处理软件6，并且计算机系统5与人际交互设备7和 报警装置8相连。

损伤检测仪的顶部有一个无线发射接收装置15，当使用无线传输数据 时，损伤检测仪的供电通过电池来提供，使用无线传输模式时既可遥 控损伤检测仪，减少人工扫描的误差，又可以将信号采集系统与光电 测距系统得到的数据通过无线传输到信号处理系统上，大大提高了损 伤检测仪的灵活性，使损伤检测仪能够在被检测构件较大或户外检测 时更好地应对各种恶劣、复杂检测环境。损伤检测仪的后侧有一个有 线数据传输接口14，可通过电缆数据线将数据传送到信号处理系统C上 ，损伤检测仪此时的供电也是通过电缆数据线来提供的。当在 室内测量或者是检测构件较小时，用电缆数据线进行传送数据更为方 便。

图3为本发明底盘系统结构示意图，底盘系统由底盘框架21、变速驱动 系统23、锥齿轮传动组件16、前轴18、后轴22、外轮系19、内轮系17 和缓冲装置20组成，底盘系统用来承载前述的信号采集系统、光电测 距系统的功能模块元件，并能够依据操作员的指令进行前进或后退。 底盘框架21可以根据实际需要进行设计，优选为矩形，变速驱动系统 23、锥齿轮传动组件16、外轮系19、内轮系17和缓冲装置20固定在底 盘框架21上。变速驱动系统根据指令输出动力，经锥齿轮传动组件16 传递给前轴18和后轴22，前轴18和后轴22上装有外轮系19和内轮系17 ，外轮系19有四个轮位于前、后轴的端部，内轮系也有四个轮，与外 轮系19同轴并位于外轮系的内侧，当损伤检测仪在户外检测时，经常 会遇到管道变径的情况，而且有些管道会在很短的距离内多次变径， 现有的检测仪只具有外轮系，同轴的两个轮之间的轮距固定，当被检 测的管径小于轮距时，检测仪无法有效地被管道导向，甚至会有从管 道上跌落的可能，这在检测高空架设的管道时更为危险。在本申请中 ，为了克服现有技术的缺点，引入了内轮系的概念，内轮系位于外轮 系的内侧，内轮的直径小于外轮，当损伤检测仪在大直径管道或平面 件上行走时，内轮系空转，当损伤检测仪在管道上驶入变径区域并且 从大管径段驶向小管径段时，前轴上的内轮逐渐结合小管径管外壁， 而前轴上的外轮逐渐脱离大管径管的外壁并进入空转状态；而当从小 管径变径到大管径时，前轴的外轮逐渐结合大管径管的外壁，内轮逐 渐从小管径管的外壁脱离进入空转状态，这样就使得损伤检测仪在变 径处平稳过渡，即保证了设备运行的可靠性和安全性，又保证了检测 数据的平稳性。作为优选方案，内轮系的同轴轮距是可调的。

图4为本发明缓冲装置结构示意图，损伤检测仪在管道变径处行驶时， 有时会出现重心抬高或降低的情况，这会引起损伤检测仪的整体振动 ，而此级别的振动对损伤检测仪这种高精密仪器的影响是巨大的，这 也是为什么现有的检测仪不能很好适应恶劣的检测环境的原因，为了 消除振动对损伤检测仪的影响，底盘框架21上安装了缓冲装置20，缓 冲装置20优选安装在矩形底盘框架21的四个直角处。本申请的缓冲装 置20根据损伤检测仪的底盘系统的防振专门设计，具体为矩形底盘框 架21的直角处设有垂直贯通的孔，孔中设有内环台29，缓冲装置20包 括缓冲长螺钉28、垫片27、缓冲座24、第一弹簧26、第二弹簧25，在 安装时，缓冲长螺钉28套设垫片27、第一弹簧26后由下向上穿过孔的 内环台29，第一弹簧26的上端顶设在内环台29的下面，第一弹簧26的 下端顶设在垫片27上，缓冲座24内设有与缓冲长螺钉28相配合的内螺 纹盲孔，缓冲座24套设第二弹簧25后与缓冲长螺钉28螺纹固定，第二 弹簧25的上端抵顶缓冲座24，其下端抵顶内环台29的上表面，至此形 成了由下至上依 次为缓冲长螺钉28、垫片27、第一弹簧26、内环台29、第二弹簧25、 缓冲座24的排布，损伤检测仪的各功能模块组装成整体后安装于四个 缓冲座20上。由于缓冲装置20采用了两个弹簧，因此可以很好的应对 损伤检测仪在行驶时上下不同方向传来的振动。

图5是本发明电控支架示意图，当检测试件较小时，可能会采用手动操 作方式直接在试件上推损伤检测仪，但这会带来一些问题。首先，当 试件表面有凹凸的时候，如果采用传统机械齿轮测距，会导致测得的 距离与实际不符合，或者不能测量距离。为了克服手动直接推损伤检 测仪时带来的误差，需设计一个电控支架，用于损伤检测仪的前进。

电控支架的所有材料均用铝合金或其他非铁磁材料制作而成，能有效 避免对检测结果的干扰。被检构件放置在电控支架的轨道下的面板上 ，面板可以上下移动，而轨道是固定的，从而通过上下移动面板来调 整轨道与检测构件的距离。轨道上有四块滑片，上面放损伤检测仪。 滑片上有芯片，并与计算机系统5相连，通过计算机系统5控制滑片在 轨道上的移动从而控制损伤检测仪的前进。被检构件的磁场信号由损 伤检测仪得到的，扫描的距离则由计算机系统5控制而得到，从而得到 磁场在整个试件上的分布。扫描距离既可以由损伤检测仪的光电测距 系统B得到，也可以由计算机系统5控制得到。

关于扫描探头的定位问题，面板的零刻度点和轨道上的零刻度点上下 对齐。首先将滑片在轨道上的位置归零，然后将损伤检测仪放置在滑 片上，扫描探头的中心与滑片对齐，就能确保扫描的距离与实际的距 离相对应。

图6是本发明水平支架示意图，损伤检测仪在使用前要对测量水平向和 竖直向磁场的磁感应传感器进行校正。在校正的时候要求损伤检测仪 分别水平放置和竖直放置，若直接手动进行校正，水平放置和竖直放 置的时候容易出现偏差，难以准确地进行校正。因此采用一个水平架 ，用以方便传感器的校准。如图6所示水平架的顶部，有4个小气泡， 用来显示支架平板是否水平。当4个小气泡都居于中间的时候，表明水 平支架已经水平了。支撑水平支架平板的是4个小腿，每个小腿的上部 有一个螺丝，旋转的时候可以在小范围内调整腿的高度，从而来调整 平板的距离。

在损伤检测仪的顶部和后侧壁，分别加五个小气泡，用于显示仪器是 否放置水平和竖直。将损伤检测仪水平放置在水平架上，调节螺丝， 直到顶部的五个小气泡都居中，表明损伤检测仪已经放置水平，可以 开始校准。再将损伤检测仪竖直放置，调节螺丝，直到后侧壁的五个 小气泡都居中，表明损伤检测仪已经放置竖直，可以开始校准。

显然，本领域技术人员根据所掌握的技术知识和惯用技术手段，根据 以上所述的内容，还可以做出不脱离本发明基本技术思想的多种检测 形式，这些均在本发明的保护范围之内。