一种基于周向电场管道表面斜裂纹测量装置及方法与流程

本发明涉及管道裂纹无损检测领域，特别涉及一种基于周向电场管道表面裂纹角度测量装置及方法。

背景技术：

管道在油气开发、能源输运、供暖、市政工程等领域有着广泛的应用。由于承受复杂应力、热胀冷缩和腐蚀作用，管道表面很容易产生不同角度的裂纹。传统漏磁检测方法需要磁力线与裂纹垂直，很难用于其他方向裂纹的检测。交流电磁场检测方法需要感应电场与裂纹垂直，对于平行于裂纹的电场信号较为微弱，难以有效识别非垂直裂纹。传统检测台架不能变管径测量，造成管道表面斜裂纹测量的不通用性。传统检测手段为检测裂纹角度，需要对管道一周进行检测，效率低且容易漏检。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术不足，提供了一种基于周向电场管道表面裂纹角度测量装置及方法，基于周向电场检测技术，利用环形的电场绕过裂纹引起空间磁场畸变的特点，采用阵列传感器和检测台架，一次扫查可实现管道表面斜裂纹角度和长度的定量测量。

一种基于周向电场管道表面裂纹角度测量装置，包括台架、管道、探头、驱动器、PLC、计算机、采集卡和信号发生器，所述探头包括激励线圈、柔性电路板和设置在柔性电路板上的径向磁场传感器和放大器，所述计算机通过采集卡与探头内的柔性电路板上的放大器连接，放大器与径向磁场传感器连接，所述计算机通过PLC与驱动器连接，驱动器与台架的电机连接，所述信号发生器与激励线圈连接。

所述台架包括底座、基准面、基准槽、电机、驱动轮、从动轮、支座、轴承座、探头、激励线圈、支架、调节装置、支撑板和压轮，所述支座沿着底座长度方向以基准面为一条线安装在底座的基准槽内，四个驱动轮和若干从动轮通过轴承座安装在支座上，其中探头两侧至少各设一个驱动轮，所述驱动轮和从动轮大小一致且周向设有倾角为r的斜面槽，所述电机通过联轴器与驱动轮连接，连接电机的驱动轮通过同步带与右侧三个驱动轮连接，支架安装在底座的基准槽两侧，底部安装悬架的调节装置安装在支架的横梁上，所述调节装置为丝杠螺母配合，探头通过吊装孔安装在悬架的安装孔上，两个压轮通过压轮轴安装在两个支撑板的直线轴承上，压轮与支撑板之间设有弹簧，压轮轴顶部依靠连接板安装在一起。

所述探头两端的凸台设有吊装孔，柔性电路板缠绕在探头的凹槽内，缠绕在探头凹槽内的激励线圈全部覆盖柔性电路板，柔性电路板内侧中心设有均匀排布的若干径向磁场传感器阵列，柔性电路板端部设有与径向磁场传感器对应连接的若干放大器。

一种基于周向电场管道表面斜裂纹测量方法，包含以下步骤：

(1)将直径为D的管道放置在台架的驱动轮和从动轮上，管道表面斜裂纹位于探头左侧，将PLC和采集卡的USB数据线连接至计算机，启动PLC和信号发生器，设置信号发生器产生一定频率和幅度的正弦交流信号加载至探头的激励线圈上；

(2)由驱动轮和从动轮的斜面槽倾角r和管道的直径D可以求得管道轴线与驱动轮的中心垂直距为H＝D/sin(r)-D sin(r)-P，驱动轮转动一周管道前进的距离为C＝2×Π×H；

(3)电机的最小转角为0.01°/脉冲，需要PLC发射36000个脉冲信号实现驱动轮转动360°，则PLC每个脉冲管道前进的距离为C/36000，根据PLC每秒钟发出的脉冲数N，可以求得管道运行的速度为v＝CN/36000每秒；

(4)加载正弦交流信号的激励线圈会在内部产生轴向交变磁场，轴向交变磁场可在管道表面产生周向均匀电场，当电场遇到管道表面的斜裂纹时，电场在斜裂纹的两个端点聚集并偏转且旋转方向相反，根据法拉第电磁感应定律，旋转方向相反的电流可产生两个方向相反的且与管道弧面垂直的径向磁场+Br和-Br；

(5)由于管道匀速缓慢穿过探头内部，缠绕在探头上柔性电路板上的某一径向磁场传感器首先测得与管道弧面垂直的径向磁场-Br，管道运动时间t后，探头上柔性电路板上间隔一定距离的第二个径向磁场传感器再次测得与管道弧面垂直的径向磁场+Br；

(6)两个径向磁场传感器测得磁场信号经过放大器放大后进入采集卡，在采集卡中经过A/D转换后进入计算机，计算机根据阵列径向磁场传感器中测得畸变磁场最大值的两个径向磁场传感器和的位置可以确定两者之间的直线距离为AC，计算机根据PLC发出的脉冲数确定管道运动速度v和两个峰值之间的时间间隔t，可求得两个径向磁场传感器的测得畸变磁场峰值在管道表面的相对位置vt；

(7)根据三角形的尺寸关系，可求得斜裂纹与管道轴线之间的夹角为a＝arctan(AC/vt)，斜裂纹的长度为

附图说明

附图1是本发明的检测台架结构图。

附图2是本发明的探头结构图。

附图3是本发明的柔性电路板结构图。

附图4是本发明的管道运行速度计算示意图。

附图5是本发明的管道斜裂纹测量示意图。

上图中：底座(1)、电机(2)、驱动轮(3)、从动轮(4)、支座(5)、轴承座(6)、探头(7)、吊装孔(7.1)、柔性电路板(7.2)、径向磁场传感器(7.2.1)、放大器(7.2.2)、凹槽(7.3)、激励线圈(8)、支架(9)、调节装置(10)、悬架(10.1)、支撑板(11)、压轮(12)、弹簧(12.1)、连接板(12.2)、直线轴承(12.3)、压轮轴(12.4)、管道(13)、驱动器(14)、PLC(15)、计算机(16)、采集卡(17)、信号发生器(18)。

具体实施方式

结合附图1-5，对本发明作进一步的描述：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例和实施例中的特征可以相互组合。

如图1-3所示，本发明包括台架、管道(13)、探头(7)、驱动器(14)、PLC(15)、计算机(16)、采集卡(17)和信号发生器(18)，所述探头(7)包括激励线圈(8)、柔性电路板(7.2)和设置在柔性电路板上的径向磁场传感器(7.2.1)和放大器(7.2.2)，所述计算机(16)通过采集卡(17)与探头(7)内的柔性电路板(7.2)上的放大器(7.2.2)连接，放大器(7.2.2)与径向磁场传感器(7.2.1)连接，所述计算机(16)通过PLC(15)与驱动器(14)连接，驱动器(14)与台架的电机(2)连接，所述信号发生器(18)与激励线圈(8)连接。

如图1所示，台架包括底座(1)、基准面(1.1)、基准槽(1.2)、电机(2)、驱动轮(3)、从动轮(4)、支座(5)、轴承座(6)、探头(7)、激励线圈(8)、支架(9)、调节装置(10)、支撑板(11)和压轮(12)，所述支座(5)沿着底座(1)长度方向以基准面(1.1)为一条线安装在底座(1)的基准槽(1.2)内，可保证驱动轮和从动轮在长度方向位于同一直线，在高度方向位于同一水平线，四个驱动轮(3)和若干从动轮(4)通过轴承座(6)安装在支座(5)上，便于调整从轮动和驱动轮的水平位置和直线度，其中探头(7)两侧至少各设一个驱动轮(4)，保证管道能够顺利从探头内部穿过，所述驱动轮(3)和从动轮(4)大小一致且周向设有倾角为r的斜面槽，保证能够拖动不同管径管道运动，所述电机(2)通过联轴器与驱动轮(3)连接，连接电机的驱动轮(3)通过同步带与右侧三个驱动轮连接，支架(9)安装在底座(1)的基准槽(1.2)两侧，底部安装悬架(10.1)的调节装置(10)安装在支架(9)的横梁上，所述调节装置(10)为丝杠螺母配合，通过转动丝杠端部的手轮可调整悬架的位置，保证探头与管道的同轴度，以适应不同管径斜裂纹的检测，探头(7)通过吊装孔(7.1)安装在悬架(10.1)的安装孔上，两个压轮(12)通过压轮轴(12.4)安装在两个支撑板(11)的直线轴承(12.3)上，压轮(12)与支撑板(11)之间设有弹簧，起到产生一定的压力作用，保证管道在驱动轮或从动轮上不打滑，压轮轴(12.4)顶部依靠连接板(12.2)安装在一起，保证两轮之间压力一定，可改善因轮子高度方向不平引起的管道振动，减轻振动信号的干扰。

如图2-3所示，探头(7)两端的凸台设有吊装孔(7.1)，柔性电路板(7.2)缠绕在探头(7)的凹槽(7.3)内，缠绕在探头(7)凹槽(7.3)内的激励线圈(8)全部覆盖柔性电路板(7.2)，柔性电路板(7.2)内侧中心设有均匀排布的若干径向磁场传感器(7.2.1)阵列，柔性电路板(7.2)端部设有与径向磁场传感器(7.2.1)对应连接的若干放大器(7.2.2)。

如图4所示，一种基于周向电场管道表面斜裂纹测量方法，包含以下步骤：

(1)将直径为D的管道(13)放置在台架的驱动轮(3)和从动轮(4)上，管道(13)表面斜裂纹位于探头(7)左侧，将PLC(15)和采集卡(17)的USB数据线连接至计算机(16)，启动PLC(15)和信号发生器(18)，设置信号发生器(18)产生一定频率和幅度的正弦交流信号加载至探头(7)的激励线圈(8)上；

(2)由驱动轮(3)和从动轮(4)的斜面槽倾角r和管道(13)的直径D可以求得管道轴线与驱动轮(3)的中心垂直距为H＝D/sin(r)-D sin(r)-P，驱动轮(3)转动一周管道前进的距离为C＝2×Π×H；

(3)电机(2)的最小转角为0.01°/脉冲，需要PLC(15)发射36000个脉冲信号实现驱动轮(3)转动360°，则PLC(15)每个脉冲管道前进的距离为C/36000，根据PLC(15)每秒钟发出的脉冲数N，可以求得管道运行的速度为v＝CN/36000/s，

(4)加载正弦交流信号的激励线圈(8)会在内部产生轴向交变磁场，轴向交变磁场可在管道(13)表面产生周向均匀电场，当电场遇到管道表面的斜裂纹时，电场在斜裂纹的两个端点A和B聚集并偏转且旋转方向相反，如图4所示，根据法拉第电磁感应定律，旋转方向相反的电流可产生两个方向相反的且与管道弧面垂直的径向磁场+Br和-Br；

(5)由于管道匀速缓慢穿过探头(7)内部，缠绕在探头(7)上柔性电路板(7.2)上的某一径向磁场传感器N首先测得与管道弧面垂直的径向磁场-Br，管道运动时间t后，探头(7)上柔性电路板(7.2)上间隔一定间距的第二个径向磁场传感器N再次测得与管道弧面垂直的径向磁场+Br；

(6)如图5所示，两个径向磁场传感器测得磁场信号经过放大器(7.2.2)放大后进入采集卡(17)，在采集卡(17)中经过A/D转换后进入计算机(16)，计算机(16)根据阵列径向磁场传感器中测得畸变磁场最大值的两个径向磁场传感器M和N的位置可以确定两者之间的直线距离为AC，计算机(16)根据PLC(15)发出的脉冲数确定管道(13)运动速度v和两个峰值之间的时间间隔t，可求得两个径向磁场传感器的测得畸变磁场峰值在管道表面的相对位置vt，也即距离BC；

(7)根据三角形的尺寸关系，可求得斜裂纹与管道轴线之间的夹角为a＝arctan(AC/BC)＝arctan(AC/vt)，斜裂纹的长度为

本发明的有益效果是：基于周向电场检测技术，利用环形的电场绕过裂纹引起空间磁场畸变的特点，采用阵列传感器和检测台架，一次扫查可实现管道表面斜裂纹角度和长度的定量测量。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均属于本发明的保护范围。