一种用于管道内检测的探头及其系统的制作方法

本发明公开涉及管道检测的技术领域，尤其涉及一种用于管道内检测的探头及其系统。

背景技术

管道被称为国家能源大动脉，对于保障国家能源供应具有重要意义。随着管道服役进入老龄化，由于腐蚀和应力作用，管道内部会出现各种类型的缺陷。因此，需要对管道进行定期的有效检测，及时排除缺陷，以减少管道破裂事故的发生。

目前，国内外已提出多种关于管道内壁的无损检测系统，例如：漏磁检测系统、电磁超声检测系统以及涡流检测系统等。其中，漏磁检测系统中采用的漏磁检测探头，具有腐蚀敏感性高，适应于高温、寒冷以及水下等恶劣环境的优点，但是采用漏磁检测探头只能检测出管道内壁具有轴向长度、周向宽度以及径向深度三个方向尺寸的体积型缺陷，而对于管道内壁上只在两个方向上延伸，在第三个方向尺度很小的裂纹，很难激发出足够漏磁检测探头检测的漏磁通，导致检测结果不准确。此外，即使漏磁检测探头可以检测到管道存在缺陷，但无法辨别是内壁缺陷还是外壁缺陷，存在检测结果不精准等问题。涡流检测系统是建立在电磁感应原理基础上的一种无损检测方法，具有传感响应速度快、灵敏度高、非接触和无需耦合介质等优点，因而特别适用于对金属管道内壁缺陷的检测。但传统涡流检测系统中的传感器普遍存在一致性差、检测信号易受提离等因素的影响、检测效率与分辨率存在矛盾以及对检测对象的适应性差等问题。

由于管道内壁的结构特点比较复杂，缺陷形式多样，现有的检测系统以及检测探头已无法满足现有的检测需要，因此，如何研发一种新型的检测系统，以解决上述问题，成为人们亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于此，本发明公开提供了一种用于管道内检测的探头及其系统，以至少解决以往的检测系统以及检测探头，无法满足现有的检测需求，不仅无法辨别内、外壁缺陷，而且还存在检测结果不准确、不精确等问题。

本发明一方面提供了一种用于管道内检测的探头，包括：漏磁传感器11、涡流传感器12、第一通信单元13、第二通信单元14、探头控制单元15以及数据输出单元16；

所述探头控制单元15的第一输出端、第二输出端分别与所述漏磁传感器11的控制端以及所述涡流传感器12的控制端连接；

所述漏磁传感器11的输出端与所述第一通信单元13的输入端连接；

所述第一通信单元13的输出端与所述探头控制单元15的第一输入端连接；

所述涡流传感器12的输出端与所述第二通信单元14的输入端连接；

所述第二通信单元14的输出端与所述探头控制单元15的第二输入端连接；

所述探头控制单元15的第三输出端与所述数据输出单元16的输入端连接。

优选，所述涡流传感器12包括：驱动单元121、lc震荡激励电路单元122、电感值测量单元123、寄存器逻辑处理单元124、阈值比较单元125以及线圈；

所述lc震荡激励电路单元122的控制端与所述探头控制单元15的第一输出端连接；

所述lc震荡激励电路单元122的输出端与所述驱动单元121的输入端连接；

所述驱动单元121的输出端与所述线圈连接；

所述电感值测量单元123的输出端与所述寄存器逻辑处理单元124的输入端连接；

所述寄存器逻辑处理单元124的输出端与所述阈值比较单元125的输入端连接；

所述阈值比较单元125的输出端与所述第二通信单元14的输入端连接。

进一步优选，所述涡流传感器12中的线圈为pcb打印线圈。

进一步优选，所述涡流传感器12的个数为两个，且呈直线分布。

进一步优选，两个所述涡流传感器12之间的距离为25mm。

进一步优选，所述第一通信单元13采用iic通讯协议。

进一步优选，所述第二通信单元14采用spi通讯协议。

本发明另一方面还提供了一种用于管道内检测的系统，包括：检测探头1以及数据采集器2；

所述检测探头1为上述探头中的任意一种；

所述数据采集器2包括：采集控制单元21、时钟计时单元22、闪存存储单元23、波形显示单元24以及数据输入单元25；

所述采集控制单元21的第一输出端、第二输出端分别与所述时钟计时单元22的控制端以及所述数据输入单元25的控制端连接；

所述时钟计时单元22的输出端与所述采集控制单元21的第一输入端连接；

所述数据输入单元25的输入端与所述检测探头1中数据输出单元16的输出端连接；

所述数据输入单元25的输出端与所述闪存存储单元23的输入端连接；

所述闪存存储单元23的输出端与所述采集控制单元21的第二输入端连接；

所述采集控制单元21的第三输出端与所述波形显示单元24的输入端连接。

优选，所述数据输入单元25的输入端与所述探头的数据输出单元16的输出端采用spi总线协议连接。

进一步优选，所述闪存存储单元23中的数据采用fatfs文件系统进行管理存储。

本发明提供的用于管道内检测的探头，首次尝试将漏磁传感器和涡流传感器同时复合到一个检测探头中，进而将漏磁传感器对管壁体积型缺陷敏感优势以及涡流传感器对管壁近表面缺陷敏感的优势有机结合，实现对管壁的内、外壁缺陷进行辨别和评估，具有检测准确，精度高等优点。

本发明提供的用于管道内检测的系统，使用了上述的新型探头，不仅可以实现对管壁的内、外壁缺陷进行辨别和评估，而且对近表面裂纹缺陷有潜在检出可能。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开实施例提供的一种用于管道内检测的探头的模块图；

图2为本发明公开实施例提供的一种用于管道内检测的探头中涡流传感器的模块图；

图3为本发明公开实施例提供的一种用于管道内检测的系统中数据采集器的模块图；

图4为本发明公开实施例提供的一种用于管道内检测的探头的软件控制流程；

图5为本发明公开实施例提供的一种用于管道内检测的系统中数据采集器的具体数据采集存储的示意图；

图6为本发明公开实施例提供的一种用于管道内检测的系统中数据采集器的软件控制流程图；

图7为stm32的主控原理图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

参见图1为一种用于管道内检测探头的模块图，其中，该探头主要由漏磁传感器11、涡流传感器12、第一通信单元13、第二通信单元14、探头控制单元15以及数据输出单元16构成，其中，探头控制单元15的第一输出端、第二输出端分别与漏磁传感器11的控制端以及涡流传感器12的控制端连接，其中，探头控制单元15由ldo线性稳压电源进行供电，漏磁传感器11的输出端与第一通信单元13的输入端连接，第一通信单元13的输出端与所述头控制单元15的第一输入端连接，涡流传感器12的输出端与第二通信单元14的输入端连接，第二通信单元14的输出端与探头控制单元15的第二输入端连接，探头控制单元15的第三输出端与数据输出单元16的输入端连接，其中，第一通信单元13优选采用iic通讯协议，第二通信单元14优选采用spi通讯协议。

上述探头中可以同时布置有多个漏磁传感器，具体实施方案中漏磁传感器的个数为4个，而涡流传感器的个数为2个，且呈直线分布，两个涡流传感器之间的距离为25mm。

该探头的具体工作过程为：通过控制单元15分别控制漏磁传感器11和涡流传感器12的工作，漏磁传感器11检测到的管道数据信息会实时发送到第一通信单元13中，第一通信单元13将接收到的管道数据信息转成iic通讯协议信号后发送到探头控制单元15中，而涡流传感器12检测到的管道数据信息会实时发送到第二通信单元14中，第二通信单元14将接收到的管道数据信息转成spi通讯协议信号后发送到探头控制单元15中，由探头控制系统15进行管道数据信息的采集和存储，同时探头控制单元15将从第一通信单元13和第二通信单元14接收到的管道数据信息均发送到数据输出单元中进行信息的输出。

具体的软件控制流程可参见图4，程序开始后，经过时钟初始化，初始化进行中断优先级完成后开始对输入输出进行工作模式，开启定时器，每0.4ms中断一次，保证2.5khz固定采样频率进行采样，通过辨别中断标志位是否置位对4路漏磁传感器和2路涡流传感器数据进行采集和存储，并通过spi协议将原始数据输出至驱动端口。

具体实施方案中，探头控制单元15选用stm32f103t8u6主控芯片，其中，stm32的主控原理图参见图7，对2路涡流信号ldcmiso1和ldcmiso2进行采集和存储，对4路漏磁信号tlvsda1、tlvsda2、tlvsda3、tlvsda4进行采集和存储。

参见图2为涡流传感器12的模块图，该涡流传感器2主要由驱动单元121、lc震荡激励电路单元122、电感值测量单元123、寄存器逻辑处理单元124、阈值比较单元125以及线圈构成，其中，lc震荡激励电路单元122的控制端与探头控制单元15的第一输出端连接，lc震荡激励电路单元122的输出端与驱动单元121的输入端连接，驱动单元121的输出端与线圈连接，电感值测量单元123的输出端与寄存器逻辑处理单元124的输入端连接，寄存器逻辑处理单元124的输出端与阈值比较单元125的输入端连接，阈值比较单元125的输出端与第二通信单元14的输入端连接。

上述涡流传感器12的工作过程为：由探头控制单元15控制lc震荡激励电路单元122的工作，当lc震荡激励电路单元122的电路连通提供激励电压给驱动单元121，驱动单元121驱动线圈，当线圈检测到管壁内壁或外壁缺陷时，发生阻抗变化，由电感值检测单元123进行电感值的检测，并将检测到的电感值发送到寄存器逻辑处理单元124，由寄存器逻辑处理单元124进行处理后发送到阈值比较单元125，由阈值比较单元125进行比较后发送到第二通信单元14中，通过第二通信单元14转成spi通讯协议输出信号，从而判断管壁的缺陷情况。

上述涡流传感器12中的线圈优选采用pcb打印线圈，代替传统的手工缠绕线圈，减少了线圈体积空间，增加了线圈的稳定性，而且不易损坏。

本实施方案提供的为一种用于管道内检测的系统，包括：检测探头1以及数据采集器2，其中，检测探头1为上述探头中的任意一种，参见图3，数据采集器2主要由采集控制单元21、时钟计时单元22、闪存存储单元23、波形显示单元24以及数据输入单元25构成，采集控制单元21的第一输出端、第二输出端分别与时钟计时单元22的控制端以及数据输入单元25的控制端连接，其中，采集控制单元21有ldo线性稳压电源进行供电，时钟计时单元22的输出端与采集控制单元21的第一输入端连接，数据输入单元25的输入端与检测探头1中数据输出单元16的输出端连接，数据输入单元25的输出端与闪存存储单元23的输入端连接，闪存存储单元23的输出端与采集控制单元21的第二输入端连接，采集控制单元21的第三输出端与波形显示单元24的输入端连接。

该用于管道内检测的系统中数据采集器的具体工作过程为：由采集控制单元21控制时钟计时单元22的清零与计时，同时时钟计时单元22会将计时结果反馈到采集控制单元21中，采集控制单元21根据反馈的计时结果控制数据输入单元25从探头的数据输出单元16中间隔进行数据的采集，数据输入单元25将采集的数据信息发送到闪存存储单元23中进行存储，同时闪存存储单元23将存储的数据信息发送到采集控制单元21中，采集控制单元21将接收到的数据信息发送到波形显示单元24中进行波形显示，使用者通过波形显示单元24的波形显示就可以直观判断管道的实际检测情况。

其中，数据输入单元25的输入端与探头的数据输出单元16的输出端采用spi总线协议连接，闪存存储单元23中的数据采用fatfs文件系统进行管理存储。

参见图5为一个具体数据采集存储的示意图，其中，探头中的检测数据由spi通讯协议输出的csb、sclk、sdi、sdo信号经过传输线传输到单片机采集系统，单片机主控选择arm-stm32系列芯片。其中，clkin表示外部时基时钟输入，cldo外接一个15nf电容从引脚连接到gnd，csb表示可以将多个通道连接在相同的spi总线上，sclk表示spi通讯协议时钟输入，sdi表示spi数据输入连接到spi主机的mosi，sdo表示spi数据输出连接到spi主机的miso，具体的软件控制流程可参见图6。

将上述的检测系统在有缺陷的管壁上进行了实验，验证了该检测系统能够实现以下功能：

1、辨别内外壁缺陷：

1)当漏磁传感器和涡流传感器同时测量到管壁缺陷时，辨别此缺陷为管壁内表面缺陷。

2)当漏磁传感器检测到管壁缺陷，涡流传感器没有检测到此缺陷时，辨别此缺陷为管壁外表面缺陷。

2、涡流数据修正补偿漏磁数据

两个涡流传感器的设计可有效判断当前的信号是由于检测器抖动引起还是内壁缺陷引起的。

漏磁传感器在检测管壁缺陷时，对体积型缺陷的边缘轮廓量化精度高，但对深度量化精度最高在78％，不能完整的体现缺陷的深度。而涡流传感器对提离值影响非常敏感，从而可利用涡流数据解析的提离值逆向对漏磁数据进行修正，提高对缺陷深度量化精度。

3、测裂纹

传统的漏磁传感器对管壁裂纹不明显，而涡流传感器对管壁内近表面裂纹有明显变化，给融合漏磁数据后挖掘裂纹信息提供可能。

4、测热影响区域

在环焊缝两端20mm的距离内，由于两段管道在焊接过程中造成的热影响所形成的热影响区域导致的磁导率变化对漏磁场造成了畸变，漏磁方法很难测到该区域缺陷信息。本方案中利用了涡流传感器，增加在热影响区域涡流对缺陷的拾取能力。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。