基于51单片机的管道漏磁检测系统设计

1、基于51单片机的管道漏磁检测系统的设计马忠丽，梁天添 （哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001）摘 要：研究了一种基于89c51单片机的管道漏磁检测系统的设计。以管道内部缺陷为研究对象，对管道漏磁检测系统结构和信号检测与处理电路作了系统地分析与研究。阐述了漏磁检测的基本原理，介绍了漏磁检测的电磁场理论。基于这些理论基础，设计实际的漏磁检测装置，从磁化方式、磁化方法角度详细叙述了管道漏磁检测的磁化装置结构及其原理。基于89c51单片机，研究设计了漏磁检测系统的硬件电路及软件流程部分。选择霍尔传感器来采集微小弱信号，将信号经过滤波、放大，转换成有用信号，并以51单片机为核心部件，

2、设计系统硬件电路进行采集。硬件电路具有转换、处理和存储功能。最后，在上位机上实现对试验结果的分析，总结试验结论。关键词： 漏磁检测；电磁场理论；霍尔传感器；信号处理；89c51单片机the design of oil-gas papline magnetic flux leakage based on 89c51 mcuma zhong-li,liang tian-tian(college of automation, harbin engineering university, harbin 150001, china)abstract： the design conception of a

3、 oil-gas papline magnetic flux leakage based on 89c51 mcu is presented. took the pipeline inherent drawback as the object of study,has made systematieally analysis and research to the structure of magnetic flux leakage examination.the foundational principle of magnetic flux leakage is elaborated, in

4、troduce delectromagnetism field theory about the magnetic flux leakage examination.based on these rationales,the designation of actual leakage detector is made, from the angle of the magnetization way and method, it narrated the structure and the principle of magnetization installlment for the exami

5、nation of magnetic flux leakage indetail. based on 89c51 mcu,the the research has designed the hardware circuit and the flow part of sofrware about the examination system of magnetic flux leakage. it choosed the hall sensor to gather the weak signal,ithe signal is being transformed to be the wanted

6、signal after filter,the enlargement,and gathered it through the hardware curcuit based on the central equipment of 89c51.the hardware curcuit has the ability of transformer,handing and memory.finally,the analysis of the experimenal result is realised on the upper computer,then show the conclusion of

7、 it.key words：magnetic flux leakage; delectromagnetism field theory; hall sensor;signal proessing;89c51 mcu管道漏磁检测是基于漏磁原理，对油气管道实施的智能检测。管道漏磁检测系统的研究为管道的检测、维护提供了新的技术手段，这种检测技术提高了管道检侧的准确性，便于管道工程管理维护人员分析了解，使用管道漏磁检测系统检测管道可以消除由于管道泄漏而产生的不安全隐患，大量减少在役煤气管道的提前报废，延长管道的寿命，降低管道维护成本。本文提出基于89c51单片机的管道漏磁检测系统的设计。漏磁检测系统分

8、为主体测量节和数据采集系统两部分。通过对主体测量节和数据采集系统分别进行分析，并对采集系统软件进行设计，初步实现了对漏磁检测系统的有效设计。1 漏磁检测的基本原理1.1 电磁场理论漏磁检测是通过检测被磁化的金属表面溢出的漏磁通，来判断缺陷是否存在的一种检测方法。漏磁法检测原理示意图如图1所示。一块表面光滑无裂纹，内部无缺陷或夹杂物的铁磁性材料磁化后，其磁力线在理论上全部通过由铁磁材料构成的磁路。若存在缺陷，由于铁磁材料与缺陷处介质的导磁率不同，缺陷处的磁阻大，在磁路中可以视为障碍物，则磁通会在缺陷处发生畸变。畸变磁通分为三部分：一部分穿过缺陷；第2部分经过裂纹周围的铁磁材料绕过裂纹；第三部分则

9、离开铁磁材料表面，经过空气或其它介质绕过裂纹，形成畸变磁通（漏磁通），即传感器能检测到的部分。漏磁通信号与裂纹尺寸对应，现在比较公认的为漏磁通的磁场强度与裂纹深度保持近似的线性关系，如下式（）其中：漏磁通的磁场强度；裂纹深度；测材料的磁化率；空磁导率；加磁场强度；坐标选择有关的几何参数。 1.2 铁磁材料的磁化特性漏磁检测法建立在铁磁材料的高磁导率特性之上，可对裂纹、腐蚀等缺陷进行检验，并判别缺陷的位置，不容易漏检。铁磁材料具有很大的磁导率，在外磁场作用下，铁磁性物质中将产生与外磁场同向的、量值很大的磁感应强度。同时，铁磁性物质还具有以下两个特性：(1)磁导率(以及磁化率)不是恒量，而是随所在

10、处的磁场强度而变化。(2)在外磁场撤出以后，仍能保留部分磁性。本文选用材质为20号钢的无缝钢管。 2 检测系统主体测量节设计对钢管的必要部分如缺陷孔径，管径，壁厚进行测量，得出基本数据。管道外径为219mm，壁厚为6mm，内径为219-62=207mm。同时为了保证载体能顺畅进出管道，特地预留102=20mm的空间，经过简单计算得到可供计算空间为187mm。2.1 运载体的设计载体的主体部分为一圆柱类似物。在截面上表现为16个突出部，16个槽，槽内用来放置导线。突出部弧长为22.55mm，槽的弧长为8.14mm。载体整个直径为156.4mm，运载体两个突出部分间距为2.55mm2+8.14mm

11、=53.24mm，而除去突出部分，整个直径为150mm。载体前后长度为90mm。2.2 导磁体的设计选定导磁体材料为工业纯铁。工业纯铁指含碳量不超过0.04的纯铁，纯度可达99.899.9。根据已有数据可设计出磁体，导磁体的具体尺寸。由于运载体的体型限制，磁体、导磁体为瓦形。计算得出导磁体长为90mm，宽50mm，厚度5mm。对应弧度为34.5度，计算步骤如下：载体前后宽度为90mm，可选择导磁体长度为90mm；运载体两个突出部分间距为53.24mm，选择导磁体宽度为50mm；由公式 （2）可知l为弧长90mm，c为运载体周长c=491mm；则计算出 导磁体对应弧度为34.5度2.3 磁体的设

12、计永磁铁是一种具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性的材科。永磁体应具有尽可能高的矫顽力hc、剩磁br与最大磁能积，以保证储存最大的磁能及稳定的磁性。钕铁硼材料是性能较好的一种，选择磁铁材料时优先选的是高性能钕铁硼材料。表1是钕铁硼材料主要性能参数。 表1 钕铁硼的材料特性 剩磁 矫顽力内禀矫顽力 最大磁能积minmaxin inmax1.161.22756836836263310磁体尺寸为40mm，宽50mm，厚5mm，对应弧度24.7度，计算步骤：有载体前后宽度为90mm一块导磁铁上放置两块磁体且它们之间保持一定空间，选择磁体长为40mm，y运载体两个突出部分间距为53

13、.24mm，选择磁体宽度为50mm，由公式（2）可知l为弧长40mm，c为运载体周长。c=491mm；则计算出磁体对应弧度为24.7度。2.4 传感器的排列与选择所需霍尔元件片数由下列计算步骤得出：由公式 （3）为轴向长度，轴向长最小值取10mm。；r为管道半径，取109.5mm；n为霍尔元件片数，计算后n为68.1。由于存在相同的8个检测块，每块上所需的霍尔元件数量n/8=8.51，取整后得9。传感器沿管道轴向呈圆形排列。根据缺陷的最小轴向长度为10mm，且每个测量单元上选择9片传感器，选择线性霍尔元件ugn3503可满足要求。该器件的主要参数为：电源电压（vcc）812v；电源电流1020

14、ma； 静态输出电压（b=0）2.55v：输出阻抗100； 工作温度（ta）070。输出电压的变化与磁感应强度大小的变化在一定范围内保持线性关系。基于ugn3503磁感应强度的测量电路如图1所示： 图1霍尔检测电路图运算放大器ua741与、，、组成差分放大电路（=20k，=100k），差分放大电路的同相输人信号为ugn3503的输出，反相输人信号由，组成分压电路产生使用时，先将ugn3503置于b=0处，调节使其输出电压与ugn3503的输出相等，放大电路输出电压为0，测量中， 当ugn3503印字面靠近磁铁n极，ugn3503输出电压增高，差分放大电路输出电压为正；反之，当ugn3503印字

15、面靠近磁铁s极时，ugn3503输出电压降低，差分放大电路输出电压为负。图中当磁感应强度较强时，可将阻值调大，反之调小，调到最小时，测量分辨率可达t。 3 采集系统的硬件设计基于89s52单片机的管道漏磁检测数据采集模块将实时在线监测的各项参数值传送至单片机，通过串行通讯模块将各参数值定时发送给上位机监控系统。通过对数据采集的参数进行分析，实现对管道缺陷的轴向长度、径向长度及宽度等参数的有效分析。单片机管道漏磁检测数据采集主要是由多路传感器、89s52单片机、键盘、串口通信、数据存储模块组成，如图2所示。 图2 硬件框图3.1 滤波电路的选择令采集系统在管道内的前进速度为50cm/s，设计一个

16、带通滤波电路，对于宽度为5mm和10mm的漏磁场可以计算出其对应的频率为50100hz，由此可以确定带通滤波的通频范围，从而通过滤除杂散信号，得到有用的漏磁检测信号。3.2 模拟开关的选择由于系统对72路传感器电压信号进行采集，故采用5组16选1模拟开关与传感器连接，其中一组作为总开关，将模拟信号输出到a/d芯片输入端。cd4067b是一款数字控制模拟开关，具有低导通阻抗，低截止漏电流和内部地址译码的特征。另外，在整个输入信号范围内，导通电阻保持相对稳定。cd4067b是16通道开关，有四个二进制输入端a、b、c、d 和控制端inh，输入的任意一个组合可选择一路开关。inh1 时，关闭所有的通

17、道。同时cd4067导通时旁路电阻可达到3.5m，泄漏电流为1na，能够满足对小信号的选择要求，此芯片的开关速度也能满足要求。3.3 a/d转换集成a/d转换器品种众多，一般逐次比较型a/d转换器用得比较多，adc0804就是这类单片集成a/d转换器。它采用cmos工艺20引脚集成芯片，分辨率为8位，转换时间为100，输入电压范围是0-5v，芯片内具有三态输出数据锁存器，可直接连接到数据总线上，转换后的数据经p1口送至单片机。3.4 数据存储器的选择采集到的大量试验数据要送到数据存储器中进行存储，采用的存储器应同时具有容量大、功耗低、价格便宜、集成度高、速度快、设计和使用方便等诸多特点。hm6

18、28128存储芯片能够满足以上要求，hm628128系列静态随机存储器全部是32脚结构。存储器容量为128kx8bit，而mcs-51 系列单片机共有16条地址线 ，即外ram空间为64kb ， 要使hm628128成为 at89s52单片机的外部数据ram， 就必须增加地址线，本系统采取物理空间上增加地址线的方案，hm628128与单片机接口电路如图3所示。 图3 hm628128与单片机接口电路如图所示，是片选线1，低电平有效，是片选线2，高电平有效，a0-a16为地址输入线。其中，a0-a7与p0口连接，a8-a15与p2口连接，a16与p3.4连接。u1锁存器锁存低8位地址信号。由于p

19、2.0还要对模拟开关进行控制，故用锁存器u2锁存高8位的地址信息。由p3.5控制。芯片工作原理：为低电平为高电平时，芯片被选中，可进行各种读写操作，与 其他组合，芯片未被选中，处于空闲状态。另外，为保证系统掉电或上电瞬间，存储器仍能正常工作，同时设计了数据保持电路，使立即变为低电平，或使立即变为高电平，存储数据不会丢失。 3.5 串行通信模块为了将采集到的数据传送给下一级处理器，可以利用串口进行rs232异步串行通讯，因此选用maxim公司的max232芯片实现ttl电平与rs-232232 电平的转换，用于完成标准rs一232串行通讯接口。4 软件设计针对89c51单片机的软件开发，用c语言

20、开发系统来实现。编译工具选择keil c编译器。4.1 主程序的设计程序共分4大模块：初始化模块、键盘扫描模块、数据采集处理模块和发送数据模块.，主程序流程如4所示。 图4 主程序流程图4.2 数据采集处理程序的设计采集系统的主要功能是对传感器模拟信号进行采集和处理，这一环节是系统功能实现的关键。采集处理系统的子程序如图5所示。 图5 数据采集处理程序流程图5 实验结果分析实验表明，径向缺陷长度对测量结果影响不大，故而着重研究缺陷轴向长度、深度及传感器提离值对漏磁检测的影响情况。采用单一变量法在其他条件固定情况下，分别改变个变量中一的一个，观察采集到的电压信号变化情况，进而确定漏磁信号变化情况

21、。得到实验结果如下：5.1 信号幅值与缺陷深度关系对检测结果能影响最大的形状参数是缺陷的深度，几乎所有的理论和实验结果都支持这样的观点：对于其他条件不变的缺陷，检测到的漏磁信号和缺陷的深度接近成线性关系，这也成为量化漏磁检测的重要理论依据。图信号幅值和缺陷深度关系图参照管道壁，以壁厚的5%（0.3mm）作为采样单位，测量10组数据，依次从5%-50%（0.3-3mm）递增，采集到的电压信号幅值与缺陷深度关系如图所示。5.2 信号幅值与缺陷轴向长度关系缺陷的轴向长度的改变对检测效果的影响十分显著。信号幅值和缺陷的轴向长度关系如图所示： 图信号幅值和缺陷的轴向长度关系图5.3 信号幅值与探头提离值

22、关系探头提离值（传感器与缺陷顶部垂直高度差）对信号幅值的影响如图所示。图8 探头提离值和信号幅值关系图6 结论 实验结果进一步验证了缺陷轴向分量、缺陷深度及探头提离值三个变量对漏磁检测的结果具有重要影响。由图6，图7和图8的结果，可分析得到如下结论：1）随着缺陷轴向长度的增加，电压信号幅值增大，即漏磁感应强度增大，但增加的幅度降低。继续增加轴向长度（大于3.4mm）时，对信号幅值影响几乎可以忽略。2）缺陷深度与信号幅值成近似线性关系，深度越大，越容易进行测量。3）随着霍尔传感器提离值的增大，信号强度变弱，但大量实验表明，提离值过小会使缺陷尺寸的测量值小于真实值，一定影响，故选择适当的提离值是检测过程中重要的环节，在本方案中，选择5mm作为霍尔传感器的提离值较为合适。参考文献:1 张云伟.煤气管道检测机器人系统及其运动控制技术研究d.上海交通大学,2007.2 王殿君,李润平,黄光明.管道机器人的研究进展j.机床与液压,2008：186-187.3 蒋奇.管道缺陷漏磁检测量化技术及应用研究d.天津大学,2002.4 王亚东.钢管漏磁检测技术研