一种利用稀土永磁材料检测钢管的检测装置的制作方法

本发明及钢管管壁厚度测量及管壁质量缺陷检测的领域，特别是一种利用稀土永磁材料检测钢管的管道检测装置。

背景技术：

目前在城市建设中存在着各种各样不同功能、不同尺寸的管道，如中央空调管道、自来水管道、煤气管道、输油(气)管道、热力管道等等。这些管道在投入使用前以及使用中需要进行检测、维护，然而空间狭窄或环境恶劣等因素的限制使这些工作既繁重又危险，传统管道检测都是由相关人员实施，工作量大，效率低下，而对于一些有毒或者有害介质或者内部结构复杂狭小的管道位置，人员无法到达实施监测。这些场合必须利用管道检测装置如管道检测机器人进行管道内部作业。

管道机器人属于特种机器人的研究范畴，它是一种可沿管道内部自动行走、具有一种或多种传感器及检测装置、在操作人员的遥控操作或计算机自动控制下、能够进行一系列管道作业的机-电一体化系统。管道机器人研制的根本意义在于改善工人作业环境、提高管内作业效率。我国管道机器人技术的研究已有20余年的历史，一些管道机器人已经投入应用，但是现有管道机器人的移动机构，不能在管径一定范围内连续变化的管道内实施作业、机器人对于管道内环境变化不能兼容、防水防热性能有限等是普遍存在的不足之处。管道内介质发生变化了，就必须重新设计制造，从而增加了成本，因此对多功能、高性能、灵活适应各种介质的管道机器人的研究与需求日益增加。

针对金属表面及内部质量缺陷检测的方法，目前主要包括有超声波探伤，基于表层探伤的交直流磁化探伤和涡流探伤等。但是其检测技术在有介质管道内实现都有很大难度。超声波探伤对被控对象的形状有限制，形状较复杂抑或表面清洁度不高的情况下，超声波探伤很为困难。另外定量、定位精度差，对移动探伤很难实现，同时受被控对象材料晶粒结构和组织均匀性限制。而交直流磁化探伤和涡流探伤，对被控对象要求更为苛刻，而且主要针对浅表层有检测，而实际应用并不成熟。由于需要交直流进行被控对象磁化，特别是对于移动探伤，操作起来非常困难。

技术实现要素：

本公开实施例公开了一种利用稀土永磁材料检测钢管的管道检测装置，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

为了达到上述目的，本公开实施例公开了一种利用稀土永磁材料检测钢管的管道检测装置；该管道检测装置利用永磁体与被测物之间的磁场变化和压力变化来检测出被测物的厚度和管壁情况。在恶劣的管道环境中实现精度较高的检测，对管道管壁变薄、管壁裂纹和管壁漏点进行预报警，同时设计移动装置载体密封性较强，行动控制较为方便，结构简单实用，有非常好的现实性和经济性，并且能够应用于生产实践。

根据本公开实施例，所述检测装置包括：

一移动装置载体，用于实现检测装置在被测管体内移动；

—移动控制单元，用于控制检测装置移动方向和启/停；

一作业机构，用于通过磁场对被测管体实现检测；

—数据采集发送单元，用于将收到所述作业机构的检测数据发送给上位机；

—供电单元，用于为检测装置整体提供电力；

—上位机，用于接收采集的检测数据，并向移动控制单元发送控制指令。

其中，所述移动控制单元、数据采集发送单元和供电单元分别设置在所述移动装置载体内部，所述作业机构设置在所述移动装置载体上的连接轴上；所述上位机与数据采集发送单元、移动控制单元和供电单元控制连接。

根据本公开实施例，所述移动载体包括左移动载体、右移动载体、左滚动轮、右滚动轮和连接轴；

其中，所述左移动载体和右移动载体对称设置，且所述左移动载体和右移动载体之间通过所述连接轴连接；

所述左滚动轮设置在所述左移动载体的外侧壁上，所述右滚动轮设置在所述右移动载体的外侧壁上，所述左驱动电机设置在所述左移动载体的内部，所述右驱动电机设置在所述右移动载体的内部，所述左滚动轮和右滚动轮的驱动轮分别与所述左驱动电机和右驱动电机传动连接；

所述左驱动电机和右驱动电机的输出轴的转子分别镶嵌在所述连接轴的两端，所述移动控制单元设置在所述左移动载体和右移动载体中的一个载体内，且分别与所述左驱动电机和右驱动电机控制连接。

根据本公开实施例，所述作业机构包括连接杆、永磁检测单元和数据采集单元；

其中，所述永磁体连接杆一端的设有连接套，所述连接套套结在所述连接轴上，所述永磁体检测单元设置在所述永磁体连接杆的另一端，所述数据采集单元设置在所述永磁体检测单元上，所述数据采集单元与设置在所述移动控制单元上的所述数据发送单元连接。

根据本公开实施例，所述永磁体检测单元包括永磁体和无磁包覆层，所述永磁体的其中一个端面为检测面，所述无磁包覆层设置在所述永磁体的除检测面的其它端面上。

根据本公开实施例，所述永磁体由若干永磁体单元组成；磁体为稀土永磁材料制成，所述永磁体的磁场强度为300mh-610mh之间；所述无磁包覆层为隔磁材料；厚度在2-5mm。

根据本公开实施例，所述数据采集单元包括用于采集永磁检测单元对管壁的吸力变化的压力传感器，测量磁感线的变化的磁传感器。

根据本公开实施例，所述永磁检测装置的永磁体连接杆包括上连接杆和下连接杆，所述下连接杆接在所述上连接杆的内部。

根据本公开实施例，所述移动控制单元包括cpu，存储器，红外传感器和信号发送和接收模块；

其中，所述cpu分别与所述存储器，红外传感器和信号发送和接收模块控制连接，所述信号发送和接收模块分别与数据采集单元和上位机连接。

根据本公开实施例，所述供电单元包括可充电型锂电池和当电量过低时及时报警，防止检测装置在管道内因没电停止工作而无法回收电量预警单元，所述电量预警单元与所述可充电型锂电池控制连接，所述电量预警单元与所述cpu控制连接。

(1)设计双移动载体，可根据特定管道的大小设计相应尺寸的双移动载体，且并不仅限于半球体或者球体，即其保护外壳体也可为椭圆体等其他根据需求设计的移动载体形状，使载体的大小可适应一定范围内的管道检测。

(2)设计电机定子和转子之间扭矩转换的机械结构，电机的转子在可固定连接轴上，定子可固定在滚动轮壁上，连接轴上连接着永磁检测单元，利用永磁体的重量和永磁吸引力作为固定电机转子的力。电机定转子固定方式可根据实际运行环境和装置形状而变化，并不仅限于上述固定方式。

(3)设计的移动控制单元为可智能控制单元，其功能不仅只限于控制电机和半球的运动位置，同时也包括对各种测量数据的存储和发送给上位机，同时也有低电量报警功能，且不限如此。

(4)设计的移动载体单元包括：两个独立滚轮，两个半球保护壳体，电机驱动滚轮移动，半球保护壳体保护内部装置不被外界因素干扰。

(5)设计的移动载体单元的两个滚轮为对称且可独立操作互不影响，每个滚轮都是由一个独立电机进行驱动，其整体呈对称结构，工作原理相同。

(6)半球体与半球体之间通过固定的横轴进行连接，横轴上有连接永磁检测单元的轴，且为活动轴，其长度可根据不同管道进行上下调节。横轴与永磁检测单元的活动轴垂直连接，且横轴的长度也可根据管道大小进行人更换，横轴与滚轮在连接处实行密封，检测装置整体为密封状态。

(7)设计上位机单元，对数据进行后处理和对电机参数进行实时监控，根据控制单元传输出的数据进行计算进而得出管道变化，同时有低电量报警功能。

(8)载体位置移动控制单元和永磁检测单元的供电均采用可充电型锂电池，平均放置于两个半球体内，给移动单元和永磁检测单元提供电能，用于检测装置的自适应行走和永磁检测。

本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明具有以下特点：

1.能够实现在复杂的管道内的行走和检测，且对管道表面要求较低，能够实现自适应运动模式。

2.所能够适应一定尺寸范围内的管道测量，同时可以在恶劣的管道情况下进行绕管道一圈稳定行走。

3.一定情况下可以完成水下的检测作业。

4.使用的检测装置能够实现在线准确测量管壁厚度、裂缝深度及范围及其他管壁质量缺陷，可以实现离线保存功能但不限如此。

5.使用的检测装置能够解决目前管道等特殊环境下普通测厚方法无法进行厚度测量及管壁质量预测的问题；

6.所使用的检测装置采用永磁技术，能够实现无源测量，可避免因为电源失电而导致测量失误的问题。

附图说明

图1为本发明一种利用稀土永磁材料检测钢管的检测装置的剖面示意图。

图2为本发明一种利用稀土永磁材料检测钢管的检测装置的运动示意图。

图3为本发明一种利用稀土永磁材料检测钢管的检测装置的管道行走示意图。

图4为本发明一种利用稀土永磁材料检测钢管的检测装置的电气部分逻辑框图。

图5为本发明一种利用稀土永磁材料检测钢管的检测装置的作业机构结构示意图。

图中：

1.左移动载体、2.左驱动电机、3.右驱动电机、4.移动控制单元、5.驱动轮、6.左滚动轮7.右滚动轮、8.连接杆、9.压力传感器、10.永磁体、10-1.永磁体单元、10-2.永磁检测单元、11.右移动载体、12.连接轴、16.管道外壁、17.管道内壁、18.检测装置、19.磁传感器，20.气隙、21.钢板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1-5所示，本公开实施例公开了一种利用稀土永磁材料检测钢管的管道检测装置；该管道检测装置利用永磁体与被测物之间的磁场变化和压力变化来检测出被测物的厚度和管壁情况。在恶劣的管道环境中实现精度较高的检测，对管道管壁变薄、管壁裂纹和管壁漏点进行预报警，同时设计移动装置载体密封性较强，行动控制较为方便，结构简单实用，有非常好的现实性和经济性，并且能够应用于生产实践。

根据本公开实施例，所述检测装置包括：

一移动装置载体，用于实现检测装置在被测管体内移动；

—移动控制单元，用于控制检测装置移动方向和启/停；

一作业机构，用于通过磁场对被测管体实现检测；

—数据采集发送单元，用于将收到所述作业机构的检测数据发送给上位机；

—供电单元，用于为检测装置整体提供电力；

—上位机，用于接收采集的检测数据，并向移动控制单元发送控制指令。

其中，所述移动控制单元、数据采集发送单元和供电单元分别设置在所述移动装置载体内部，所述作业机构设置在所述移动装置载体上的连接轴上；所述上位机与数据采集发送单元、移动控制单元和供电单元控制连接。

根据本公开实施例，所述移动载体包括左移动载体、右移动载体、左滚动轮、右滚动轮和连接轴；

其中，所述左移动载体和右移动载体对称设置，且所述左移动载体和右移动载体之间通过所述连接轴连接；

所述左滚动轮设置在所述左移动载体的外侧壁上，所述右滚动轮设置在所述右移动载体的外侧壁上，所述左驱动电机设置在所述左移动载体的内部，所述右驱动电机设置在所述右移动载体的内部，所述左滚动轮和右滚动轮的驱动轮分别与所述左驱动电机和右驱动电机传动连接；

所述左驱动电机和右驱动电机的输出轴的转子分别镶嵌在所述连接轴的两端，所述移动控制单元设置在所述左移动载体和右移动载体中的一个载体内，且分别与所述左驱动电机和右驱动电机控制连接。

根据本公开实施例，所述作业机构包括连接杆、永磁检测单元和数据采集单元；

其中，所述永磁体连接杆一端的设有连接套，所述连接套套结在所述连接轴上，所述永磁体检测单元设置在所述永磁体连接杆的另一端，所述数据采集单元设置在所述永磁体检测单元上，所述数据采集单元与设置在所述移动控制单元上的所述数据发送单元连接。

根据本公开实施例，所述永磁体检测单元包括永磁体和无磁包覆层，所述永磁体的其中一个端面为检测面，所述无磁包覆层设置在所述永磁体的除检测面的其它端面上。

根据本公开实施例，所述永磁体由若干永磁体单元组成；磁体为稀土永磁材料制成，所述永磁体的磁场强度为300mh-610mh之间；所述无磁包覆层为隔磁材料；厚度在2-5mm。

根据本公开实施例，所述数据采集单元包括用于采集永磁检测单元对管壁的吸力变化的压力传感器，测量磁感线的变化的磁传感器。

根据本公开实施例，所述永磁检测装置的永磁体连接杆包括上连接杆和下连接杆，所述下连接杆接在所述上连接杆的内部。

根据本公开实施例，所述移动控制单元包括cpu，存储器，红外传感器和信号发送和接收模块；

其中，所述cpu分别与所述存储器，红外传感器和信号发送和接收模块控制连接，所述信号发送和接收模块分别与数据采集单元和上位机连接。

根据本公开实施例，所述供电单元包括可充电型锂电池和当电量过低时及时报警，防止检测装置在管道内因没电停止工作而无法回收电量预警单元，所述电量预警单元与所述可充电型锂电池控制连接，所述电量预警单元与所述cpu控制连接。所述可充电型锂电池设置在另一个移动载体内。

实施例：

稀土永磁材料检测钢管的检测装置是由左移动载体和右移动载体连接而成，中间由横轴连接，左移动载体和右移动载体的壳体为半球体壳，左滚动轮和右滚动轮分别设置在为半球体壳的外侧壁上，其运动是由两个电机驱动左右滚轮进行驱动，壳体的端面均采用密封结构，使其能在复杂的管壁上移动，甚至在水中都能够进行工作。另一方面，这样设计相对于完全的球式检测装置行走起来更加稳定，不易侧翻。两个半球体是分别有两部电机进行控制，当电机的转速不同时，检测装置即可实现差动效果，使机器能够转弯。

(2)检测装置的行走原理

如图2为检测装置运动示意图，检测装置内部驱动电机在滚轮的质心位置，左滚动轮和右滚动轮呈完全对称的结构。左右驱动电机与左滚动轮和右滚动轮截面垂直放置，驱动电机的转子固定在连接轴上，连接轴设有作业机构，作业机构为永磁检测装置，由于永磁检测装置的吸力和重力，连接轴不会随着转子的转动而转动。驱动电机整体固定在滚轮上，所以当电机运行时，根据力的相互作用，转子不动，电机整体转动，进而达到驱动滚轮的运动。两个滚轮之间用横轴进行连接。当电机的转速相同时，检测装置为向前或向后运动，当两个驱动电机的转速不同时，检测装置为自旋或转弯运动。

如图3所示为检测装置管道内行走示意图，16为管道外壁，17为管道内壁18为检测装置，其受力分析和永磁体行走时的位置变化如图所示。电机带动半球体的移动，永磁体10始终与行走平面垂直，达到固定检测装置的效果。这样使装置能够在不同角度的斜面和曲面上进行行走。

此外，在检测相对管壁较薄的管道时，如果永磁体10的磁力不够使载体行走稳定，即可在两个半球体的滚动处，规则放置一定数量的永磁体单元，小型永磁体外再由橡胶包裹，这样可实现检测装置在管道内稳定行走，同时对有一定倾斜角度的管道的行走也更加稳定。

(3)永磁材料的选取

考虑所设计装置应用的环境温度等情况，同时考虑永磁材料磁能积、稳定性、韧性和工作温度等因素，本项目选择高性能的稀土永磁材料如ndfeb等。表1为稀土永磁材料ndfeb的性能指标参数。本发明采用以下或满足性能要求的稀土永磁材料，但不限如此，仅以一种实施方案进行说明。

表1发明所设计的一种稀土永磁材料性能指标表

(4)稀土永磁材料检测基本原理

将永磁体固定在隔磁材料中，由于隔磁材料不具有导磁性，相对磁导率近似为1，故可以近似为空气。永磁体将钢板磁化后产生力的作用，在一定的气隙下，力会根据钢板的薄厚发生改变，利用压力传感器实时得到压力值，从而得出钢板厚度的变化。

同时也可以通过磁传感器检测磁场线的变化得到钢板表面是否弯曲或者是否存在裂缝，但不限如此，钢板表面发生变化都可以根据磁场线的改变而体现出各种差异。

(5)检测装置的控制

稀土永磁材料检测钢管的检测装置的控制是通过利用单片机(或其他控制芯片)对两个电机进行控制，实现检测装置的行走的稳定性。同时传感器将数据传输到控制电路中，控制电路将数据发送给上位机，上位机对数据进行处理，这样上位机即可实时读取电机的数据和钢板的变化的数据。本发明仅以这一种控制方法给予说明，其他控制方法在此不予详细说明。

最后所应说明的是，以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并非用于限制本发明，凡在本发明技术方案的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。