燃气管道内部缺陷智能检测器的设计

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1、哈尔滨工程大学本科生毕业论文摘要本课题来源于实际科研项目燃气管道内部缺陷智能检测器的设计，并为其子项目之一。管道内部缺陷检测机器人的设计涉及电子、计算机、信息处理、模式识别、探伤、管道等。目前，管道无损检测的方法很多，利用漏磁管道检测的方法通用性广，本课题因此应运而生。本课题利用实验室环境建立管道模型，进行运载体管道定位技术研究，完成运行体及检测电路设计。第一章绪论介绍课题的背景意义，国内外的发展现状。第二章说明管道检测的基本原理及对缺陷漏磁场分析出的三种理论模型，并列举漏磁场的三个影响因素。第三章说明了霍尔传感器功能及应用，并进行硬件电路的的设计。第四章简要说明了运载体管内定位方法，并进行运

2、载体的外形设计。通过本课题的研究，自己对管道漏磁检测有了更为深入的理解，对管道定位技术有了新的认识，自己解决问题的能力也得到了提高。关键词：管道机器人；漏磁检测；霍尔传感器；定位技术；运载体设计哈尔滨工程大学本科生毕业论文ABSTRACTThe paper stems from one of sub-projects of the actual scientific research project-gas pipeline of internal defects in the design of intelligent detector.The design of pipeline inte

3、rnal defect inspection robot is involved in electronics, computer, information processing, pattern recognition, flaw detection, pipe and other. At present, there are a lot of pipeline non-destructive testing methods. Magnetic flux leakage pipeline inspection is used widely, the subject thus comes in

4、to being.The pipe model was established based on laboratory environment,through the research of pipeline carrier positioning technology,the paper completed detection circuit operation and design of body. In this paper Chapter I introduces the background and signification of the inspection, and the d

5、evelopment of the project at home and abroad. Chapter II introduces to the basic principles of pipeline inspection and three theoretical models of detection analysis of leakage magnetic field , and lists the three magnetic field leakage factor. The third chapter describes the function and applicatio

6、n of Hall sensor and the design of hardware circuits. Chapter IV provides a brief description about the transporter tube positioning methods, and design method of the carrier is given.Through the study of the subject,basic understanding to pipeline magnetic flux leakage testing technique can be give

7、n to me, ,and ability to solve actual problem also has been improved.Key words:pipeline robot;magnetic flux leakage testing;hall sensor; positioning technology; carrier design 哈尔滨工程大学本科生毕业论文目录第 1 章绪论11.1课题的背景及意义11.2管道机器人的发展概况31.2.1国外发展现状41.2.2国内发展现状61.3课题的主要工作7第 2 章漏磁检测的理论分析82 .1管道漏磁检测原理82.1.1管道漏磁检测

8、基本原理82.1.2管道检测系统的结构92.2缺陷漏磁场分析122.2.1点偶极子模型132.2.2带偶极子模型142.2.3面偶极子模型162.3缺陷漏磁场的有限元分析162.4漏磁场的影响因素182.4.1磁化场对漏磁场的影响182.4.2缺陷方向、大小和位置对漏磁场的影响182.4.3工件材质及工况对漏磁场的影响192.5本章小结19第 3 章基于霍尔传感器的数据采集模块设计203.1霍尔传感器及其应用203.1.1霍尔效应和霍尔元件203.1.2霍尔传感器典型应用电路243.2基于霍尔传感器的漏磁检测电路设计283.2.1霍尔传感器的选择28哈尔滨工程大学本科生毕业论文3.2.2硬件电

9、路具体设计与调试303.3本章小结31第 4 章运载体定位方法研究及外形设计324.1 运载体定位方法研究324.1.1视觉传感器方法324.1.2低频电磁波方法及应用334.1.3计程轮方法344.2计程轮的应用设计344.2.1里程电路组成的部件霍尔开关354.2.2里程电路的计数器原理364.2.3位置误差校正方法364.3运载体外形设计374.3.1钢管选择374.3.2磁铁选择384.3.3导磁体选择394.3.4运载体结构整体计算404.4本章小结42结论43参考文献44致谢47哈尔滨工程大学本科生毕业论文1第 1 章绪论1.1课题的背景及意义机器人是一种自动化的机器，具备一些与人

10、或生物相似的能力，如感知、规划、运动及动作能力的协作等，机器人技术被视为 20 世纪人类最伟大的发明之一。自 20 世纪 60 年代工业机器人问世以来，随着社会的进步和科学技术的迅猛发展，特别是在信息技术、控制理论等学科迅速发展的支持下，机器人的种类日益繁多，性能不断地改进，工作领域也在不断地扩大。从深海到宇宙空间，在各种人类所不能承受的极限环境中都能找到机器人的应用。可以说，现代机器人技术已经突破了传统的工业机器人的范畴，逐步转向应用于各种特殊工况的特种机器人技术。特种机器人工作于非结构环境中，即工作无法在事先布置好的条件下进行，而且在工作进行过程中环境或工作的内容可能随时发生变化。开发非结

11、构环境下工作的特种机器人，使人脱离危险作业的生产第一线，减轻人的劳动强度，是机器人发展的一个必然方向。目前国际上特种机器人技术的研究和开发非常活跃。在研究和开发的过程中，人们逐步认识到特种机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互四大技术的结合。随着人们对特种机器人智能化本质认识的加深，特种机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。特种机器人的新机构、新结构、新传感器和新型伺服驱动系统的开发和先进的控制算法、控制策略的研究已经成为机器人研究的一个重要领域。管道运输乃当今五大运输手段之一，在石油化工城市输水与供热核工业等部门都用到了大量金属和非金属管道。由于许多管道的工作环境非常恶劣容易发

12、生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故等。为提高管道运输的可靠性和使用寿命，在重要的管道施工中都要求对管道进行管内防腐、喷漆、补口、检测、探伤、管内加工等作业。管道内部检测极其困难，用传统的开挖方法进行地下管道检测往往是一项巨大的工程。哈尔滨工程大学本科生毕业论文2而使用管道机器人检测管道可以消除由于管道泄漏而产生的不安全隐患，保障人民生活及财产安全并大量减少在役煤气管道的提前报废，延长在役管道的寿命，为国家节约了大量资金以及大幅度减少维护管道开挖面积及长度，大大降低了管道维护成本，减少城市污染保护城市环境卫生，减少了由于开挖而产生的城市道路交通的阻塞，为此世界各工业发达

13、国家都竞相开展了管道检测机器人的研究。我国油气管道大多是在 6070 年代建设的迄今仅在役的长输管线已逾 1.7 万公里正面临管道进入中老龄期处于事故多发阶段油气管道的检测和评价的需求已日趋迫切，我国的天然气储量主要分布于中西部地区和近海海域，因此管道输送仍将是我国燃气传送的主要手段。管道检测机器人是针对油、气等输送管道的检测、喷涂、接口焊接、异物清理等维护检修作业所研制的一种特种机器人，它综合了智能移动载体技术和管道缺陷无损检测技术。这类机器人能进入人所不及、复杂多变的非结构管道环境中，通过携带的无损检测装置和作业装置，对工作中的油气管道进行在役检测、清理、维护，以保障管道的安全和畅通无阻地

14、工作。由于管道检测机器人实施的是管道内检测技术，它还能够方便地获取、传输、存储管道内的视频影像数据，作为分析判断管道内壁腐蚀状况、几何形状异常、堵塞、断裂、泄漏的重要依据，并可利用机器人自身精确的定位系统对缺陷进行定位，通过携带的检测装置对关键部位实施进一步的定量检测。这一技术特点，使得在对穿越河流、铁路、道路的特殊管道或埋地管道的重要部位进行有选择的检测时，管道检测机器人具有独特的优势因此，与管外检测技术相比，管道检测机器人技术在管道安全管理工程中具有不可替代的作用，是管外检测技术的重要补充1。综上所述，管道检测机器人的研究为管道的检测、维护提供了新的技术手段，改变了传统管道开挖抽检的单一模

15、式。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管道缺陷产生的原因，开展对缺陷的评估，制订管道维护方案，消除管道安全隐患，在事故发生前就有计划地维修或更换管段，从而节约大量的维修费用，降低管道维护成本，保哈尔滨工程大学本科生毕业论文3障人民生活及财产安全，减少有毒气体或液体泄漏造成的环境污染。因此，开展管道检测机器人的研究具有重要的科学意义和明显的社会经济效益。目前，管道检测机器人的研究得到了世界各国的高度重视，也得到了我们国家部委和相关行业的重视。大量的管道检测维护需求为管道检测机器人的研究开发和应用提供了广阔的市场空间，将逐渐成为一项十分巨大的产业工程。因此，管道机

16、器人的研究具有现实意义。在我国国家高技术研究发展计划先进制造与自动化技术领域机器人技术主题中，就将管道作业机器人及应用作为发展重点。1.2管道机器人的发展概况20 世纪 70 年代以来，石油、化工、天然气及核工业等产业迅速发展，各种管道作为一种重要的物料输送设施，得到了广泛应用。由于腐蚀、重压等作用，管道不可避免地会出现裂纹、漏孔等现象。而管道所处的环境往往是人们不易或不能直接接触的，因此，对于管道的检测和维护，成了工业生产中的一道难题。传统的管道检测方法有全面挖掘法、随机抽样法等，这些方法均存在工程量大、准确率低等缺点。目前，管道的检测和维护多采用管道机器人来进行。管道机器人是一种可沿管道内

17、壁行走的机械，它可以携带一种或多种传感器及操作装置（如CCD 摄像机、位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道裂纹及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、简单的操作机械手等） ，在操作人员的控制下进行一系列的管道检测维修作业。一个完整的管道机器人系统，应由移动载体（行走机构） 、管道内部环境识别检测系统、信号传递和动力传输系统及控制系统组成，其中移动载体是管道检测移动机器人的核心部分。管道检测机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道，包括水平直管、各角度弯管、斜坡管、垂直管以及变径管接口等，它的运行距离一般也较长。哈尔滨工程大学本科生毕业论文41.2.1国外发展现状国外关于燃气管道

18、机器人的研究始于 20 世纪 40 年代，由于 70 年代的微电子技术、计算机技术、自动化技术的发展，管道检测机器人技术于 90年代初得到了迅猛发展并接近于应用水平。一般认为，法国的 JVERTUT较早从事管道机器人理论和样机的研究，1978 年他提出了轮腿式管内行走机构模型 IPPdV，该机构虽然简单，但起了抛砖引玉的作用。日本机器人的发展经过了 60 年代的摇篮期，70 年代的实用期，到 80年代进入普及提高期，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本管道机器人众多，东京工业大学航空机械系 Shigeo Hirose 和 Hidetaka Ohno 等于1993 年开始研究管道机器人，先后

19、研制成功适用于 50mm 管道的 Thes-I、Thes-II 型管道机器人和适用于 150mm 管道的 Thes-型管道机器人。Thes-I 型管道机器人的主要特点是轮子的倾斜角可以随着阻力大小的改变而改变，当机器人的负载较大时，轮子的倾斜角将产生变化，从而减小行走速度，增加推进力。Thes-I 型管道机器人的总长为 300m，质量只有310g。Thes-II 型管道机器人的每一节机器人单元的左右两侧分别布置着由弹簧板支撑的一对轮子，轮子由带减速齿轮箱的电动机驱动，从而实现机器人在管道中的前进和后退运动，Thes-型管道机器人可以很容易地在带有几个弯管接头的管道中运动。Thes-型管道机器人

20、采用“电机蜗轮蜗杆驱动轮”的驱动方案，同时每个驱动轮都有一个倾斜角度测量轮，通过测量轮探测机器人的倾斜角度，并反馈给电机从而保证管道机器人的驱动轮以垂直的姿态运动。该管道机器人系统通过 CCD 摄像头实现信息的采集，整个系统采用拖缆控制方式，检测距离超过 100m。美国是机器人的诞生地，早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人，是世界上的机器人强国之一，其基础雄厚，技术先进，并有很多管道机器人产品。美国 Inuktun 公司系列管道检测机器人 Versatrax 是国外现有的已哈尔滨工程大学本科生毕业论文5成型管道机器人。Versatrax150 检测管道最小直径为 150mm，防水深

21、度30m，电缆范围 160m，速度 0-l0m/min，有效载荷 92kg，CCD 彩色直视摄像头。Versatrax300VLR 检测管道最小直径为 300mm，防水深度 30m，电缆范围 l830m，速度 0-10m/min，有效载荷 184kg，CCD 彩色直视摄像头。美国纽约煤气集团公司（NYGAS）的 Daphne D Zurko 和卡内基梅隆大学机器人技术学院的 Hagen Schempf 博士在美国国家航空和宇宙航行局（NASA）的资助下于 2001 年开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统EXLORER，专门用于检测地下煤气管道的情况。该管道机器人系列EXPLORER 就有如下

22、特征：（1）一次作业检测距离长，采用无缆方式，自带电池并且电池可以多次反复充电，使管道机器人具有良好的自推进能力；（2）可以在铸铁和钢质煤气管道中，低压和高压条件下工作；（3）管道机器人的彩色摄像头采用嵌入式“鱼眼”镜头，结构非常紧凑；（4）可以顺利通过 90 度的弯管接头和垂直管道；（5）与外部操作人员采用无线通讯方式；（6）该管道机器人可以探测煤气管道内部是否水渗透、碎片堆积；可以确定管道内部缺陷的确切位置并且定位相应的作业装置；采用视频图像的形式准确地反映管道内部的状况条件。德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。德国多位学者Bernhard Klaassen、Hermann

23、 Streich和Frank Kirchner等人在德国教育部的资助下于2000年研制成功了多关节蠕虫式管道机器人系统MAKR0。该机器人由六节单元组成，其头部和尾部两个单元体完全相同，每个单元之间的节点由3个电动机驱动，使得MAKRO可以抬起或者弯曲机器人个体，从而可以轻松越过障碍物或实现拐弯运动，该管道机器人系统MAKRO具有21个自由度，长度为2m，质量为50kg，采用无缆控制方式，MAKRO系统使用于直径为300-600mm的管道。 哈尔滨工程大学本科生毕业论文6加拿大INUKTUN公司的双履带式管内机器人行走机构，履带采用刚性支承结构，两履带的夹角可以调节，以适应不同的作业管径。两履

24、带调节到平行位置时，可以在平地或矩形管道内行走。但这种刚性支承的双履带式管内机器人行走机构的两履带夹角在行走过程中是无法改变的，因此不适应管径变化的作业场合。Kawaguch等研制的管道检测机器人系统只适用于200mm的管道，而且一次作业的检测距离不大于500m；Kuntze等采用四轮独立伺服驱动方案研制成管道检测机器人系统KARO，该机器人系统只能实现对200mm管径的地下输水管道的检测，一次检测距离为400m，系统采用拖缆控制方式。1.2.2国内发展现状国内在管道机器人方面的研究起步较晚，而且多数停留在实验室阶段。哈尔滨工业大学邓宗全教授在国家“863”计划课题“X 射线检测实时成像管道机

25、器人的研制”的支持下，开展了轮式行走方式的管道机器人研制。该机器人具有 X 射线实时检测管道机器人以下特点：（1）适应大管径（大于或等于 6900ram）的管道焊缝 X 射线检测；（2）一次作业距离长，可达 2km；（3）焊缝寻址定位精度高为士 5mm；（4）检测工效高，每道焊缝（900mm 为例）检测时间不大于 3min。实现了管内外机构同步运动作业无缆操作技术，并研制了链式和钢带式两种新型管外旋转机构，课题研究成果主要用于大口径管道的自动化无损检测。上海大学研制了“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”。其主要包含 20mm 内径的垂直排列工业管道中的机器人机构和控制技术（包括螺旋轮移动机

26、构、行星轮移动机构和压电片驱动移动机构等）、机器人管内位置检测技术、涡流检测和视频检测应用技术，在此基础上构成管内自动探测机器人系统。该系统可实现 20mm 管道内裂纹和缺陷的移动探测。上海交通大学研制出一种呈正方形体，由12个蠕动元件组成的管内蠕动哈尔滨工程大学本科生毕业论文7机器人，外形尺寸为35mm35mm35mm，体重19.5g（包括控制电路），步行速度为15mm/min，共有12个自由度，由SMA（形状记忆合金）与偏置弹簧组成一个驱动源，共12个驱动源。能实现管内上、下、左、右、前、后的全方位运动，能通过直管、曲率半径较大的弯管，以及L型、T型管。纵观上述国内外管道机器人的研究状况可

27、见，要最终实现管道在线检测这一宗旨，首先在以下几个方面要有所突破。（1）移动机构：移动机构决定管道机器人的行走方式。从目前的行走方式来看，振动式和冲击式适合于刚性管壁环境下应用；具有柔弹性的蠕动机构适合于在柔性管壁环境下应用，而具有多足的管道机器人则有更好的管道适应能力。（2）高度自治的控制系统：管道机器人要完成检测、维修作业，其自身定位及环境的识别能力是关键，开发机器人视觉系统，提高图像处理速度，采用神经网络及人工智能等先进的理论来解决机器人控制系统的高度自治问题是极具吸引力的，也是机器人自主进行工作的关键2。1.3课题的主要工作本课题来源于实际科研项目燃气管道内部缺陷智能检测器的设计，并为

28、其子项目之一。本课题利用实验室环境建立管道模型，研究运载体管道内定位方法，设计检测模块，完成蛇形机械运行体设计。哈尔滨工程大学本科生毕业论文8哈尔滨工程大学本科生毕业论文9第章漏磁检测的理论分析2.1管道漏磁检测原理2.1.1管道漏磁检测基本原理 1：钢管 2：磁铁 3：磁芯 4：霍尔传感器 5：缺陷图 2.1管道检测示意图漏磁检测是针对管道（钢管）这类高磁导率的铁磁性材料被磁化后，在有缺陷处磁力线发生弯曲变形，并且有一部分磁力线泄露出缺陷表面，利用磁敏元件（传感器）检测该泄露磁场，从而可判断缺陷存在与否。在这里，铁磁性材料的磁化强度和泄漏的磁力线强弱直接相关，在外磁场作用下，铁磁性材料的磁感

29、应强度 B 与磁场（化）强度 H 关系为：，由于材料BH导磁率也是一个随磁场强度万变化的量，所以 B 随 H 变化不是一个线性关系，而呈现出一个非线性变化的磁化曲线。管道被永久磁铁或励磁线圈磁化符合该曲线的磁化规律，通常该曲线分成三个区域：第 1 区域内 B 随 H 的增加而急剧上升，曲线陡直；第 2 区域内 B 随 H 的增加而上升的速率变慢，曲线平缓；第 3 区域内 B 随 H 的增加趋于水平，磁感应强度较快地进入饱和状态。下面通过磁化曲线和材料磁导率曲线分析管道产生漏磁场的原因。假设钢坯和缺陷的横截面积分别用 A 和 a 来表示，则存在缺陷部位的钢坯截面积减小到 A-a。若将钢坯置于强度

30、为 H 的均匀磁场中，无缺陷处的磁感应强度为，此值相应于图中的磁化曲线 2 上 Q 点，而 Q 点对应于图 2.21B哈尔滨工程大学本科生毕业论文10中磁 图中纵轴交点由上自下为、2B1B图 2.2磁化工作点选择曲线导率曲线 1 上右边的 P 点。由此得知通过无缺陷截面的磁通量为max，因为通过钢坯的磁通量是相同的，如果在存在缺陷的截面相应的1 B A磁感应强度为，则，故，即在缺陷处磁感应强2B21BB A/ Aa21BB度由于存在缺陷而增加，从而使工作点从磁化曲线上的 Q 点移到 Q。与 Q相对应的磁导率却相应变小，从曲线的 P 点移到 P点。这就是说，由于缺陷存在，产生了反常的现象：在横截

31、面减小部位磁感应强度增大，而磁导率反而减小，造成钢坯存在缺陷的部位不容许通过原来数值的磁通量，使得一些磁感应曲线被散漏到周围的介质中，形成漏磁场。上述分析通过钢坯的总磁通量，通过缺陷处的磁通量1AB ，其中为缺陷处介质的磁感应强度。010ABBa +a0B则缺陷附近的漏磁通： （2.1）011010p0p0=BBBBBa AAaa=(HH)a()H a= 其中，是缺陷处介质的磁导率，由于，上式又可简化为：pp0 ，这说明缺陷处漏磁通与钢坯的磁感应强度和缺陷p1HaaB1B的截面积 a 成正比，这对分析缺陷漏磁通和管道缺陷面积的关系很有用。哈尔滨工程大学本科生毕业论文112.1.2管道检测系统的

32、结构管道上的缺陷存在管道的内壁或外壁上，管道的磁化方式和探头传感器图 2.3缺陷图 图 2.4钢坯图的放置也不一样，其检测设备常见有两种结构：一种是磁化和探头传感器都在管道的外表面，钢管中缺陷处磁导率远小于钢管的磁导率，当钢管这种铁磁性材料以流水线方式进入钢管探测线快速穿过检测区时，将受到直流线圈产生横向和纵向磁场的磁化，若钢管无缺陷，磁力线绝大部分通过钢管。此时磁力线均匀分布，若钢管有缺陷，磁力线发生弯曲，并且有一部分磁力线泄露出钢管表面。利用横向和纵向探头线圈（传感器）检测钢管表面逸出的漏磁场，然后依据法拉第电磁感应定律，漏磁场转化为缺陷信号（A 头内检测线圈产生的感应电压） ，经过对缺陷

33、信号进一步的处理和分析，从而可判断缺陷存在与否及缺陷有关的尺寸参数。依据漏磁场产生原理，该种方式检侧中，使用横向和纵向两套检测设备，横向探头传感器主要检测沿钢管圆周哈尔滨工程大学本科生毕业论文12方向分布的缺陷（缺陷的宽度方向） ，纵向探头传感器主要检测沿钢管轴向分布的缺陷（缺陷的长度方向） ，针对这种检测方式，采用天津钢管公司的钢管无损检测（NDT）检测设备。图 2.5钢管在线计算机检测示意该系统由钢管的夹紧、定位、驱动装置，横、纵向缺陷探测装置，分选传送线，缺陷前置处理电路，两台工业控制计算机，控制面板，外围电路板定位驱动夹紧装 置定位驱动夹紧装 置横向检测装 置纵向检测装 置滑环光电管等

34、 I/O 板、A/D 板、编码器计数板、外围接口板直流励磁 矩工业计算机 2前置放大器工业计算机 1定位驱动夹紧装 置定位驱动夹紧装 置仪表盘缺陷标记装 置控制面 板前置放大器打印机哈尔滨工程大学本科生毕业论文13柜，仪表盘和打印机等组成。钢管的输入、输出和分选传送线由可编程序控制器（PLC）控制，能保证钢管沿其轴线穿过检测设备，对有缺陷、有疑问和要剔除的钢管由计算机对采集信号分析、处理判别后发送指令给PLC，PLC 控制生产线上的执行机构产生相应动作。定位、驱动分别由 V型拖辊和与托辊相连的同步电机来保证。夹紧装置由计算机自动或控制面板手动输出开关量控制液压电磁阀动作，这样能保证钢管基本匀速

35、通过检测机构，克服接箍的颠动、钢管的跳动和旋转的径向磁化器对钢管的强烈吸引。探测线上设有缺陷标记装置，由计算机对大量采集数据跟踪和对缺陷信号进行分析和分类判别后输出指令给打标控制板，打标控制板控制喷标机构在钢管缺陷信号处喷打不同类别的标志。2.2缺陷漏磁场分析缺陷漏磁场与缺陷形状参数之间关系的研究是从理论分析计算和实验测量两各个方面进行的。在理论分析方面，国内外普遍采用的基本方法有两种：一是磁荷取代缺陷处的铁磁材料，设法求磁荷在铁磁材料表面空气中漏磁场分布的经典理论学派，即磁偶极子方法求解；二是麦克斯韦方程。借助计算机辅助计算来求解翻磁场分布的方程近似学派。缺陷漏磁场由于缺陷形状、大小和材质等

36、方面的差异，分布情况十分复杂。为了研究的方便，一般将复杂的漏磁场进行分类归纳，采用近似的模型进行分析、计算。通常对工件表面孔洞、凹坑、点状缺陷利用等效点偶极子模型来模拟，对材料表面的划道、刻痕等缺陷用等效线偶极子模刚来模拟，对裂纹类缺陷等效为无限长的矩形槽，利用等效面偶极子模型来模拟。磁偶极子方法是日前最流行、简单直观的漏磁场理论分析方法。本文士要以钢管的腐蚀缺陷研究为主，针对直径 219mm 钢管，壁厚为 6mm，内表面有凹坑缺陷，其深度为壁厚的 15%，用来代替腐蚀坑。采用磁偶极子模型，近似认为钢管各处钢质均匀，钢管各处相对磁导率近似相等。哈尔滨工程大学本科生毕业论文142.2.1点偶极子

37、模型如图所示，相距 2a 的两个极性相反的磁荷 q磁偶极子）在空间任一点 P 的磁场为： （2.2）m20qH=r4r 求得磁场的 x、y 两个方向的分量： （2.3）mx332222220qx+ax-aH =4(x+a)(x-a)yy （2.4）my332222220qyyH =4(x+a)(x-a)yy 图 2.6点偶极子模型哈尔滨工程大学本科生毕业论文15图 2.7带偶极子模型2.2.2带偶极子模型带偶极子模型如图 2.7 所示，将裂纹类型缺陷等效为无限比的矩形槽，槽宽 2b，深 h，设磁化使矩形槽两侧均匀分布着极性相反、面密度相等的两条磁荷带，并设在槽口和其它部位均无磁荷分布。根据模型

38、，槽壁上具有宽度为的面元上的磁荷在 P 点产生的磁场分d布为： （2.5）ms1120 1ddH2rr （2.6）ms2220 2ddH2rr它们的 x，y 分量为：哈尔滨工程大学本科生毕业论文16 （2.7）ms1x220b+x ddH2y+xb （2.8）ms2x220 x-b ddH2y+xb （2.9）ms1y220y+ddH2y+xb （2.10）ms2y220y+ddH2y+xb总的水平分量可通过对积分求得：xHxdH（2.11）hhx1x2x00ms220H = dH + dHh x+h x-arctanarctan2bbxby yhxby yh同理，垂直分量可得：Hy （2.1

39、1）hh1y2y002222ms22220H = dH + dHx+ln4 ybyhxbyxbyxbyh哈尔滨工程大学本科生毕业论文17（a）轴向 x 分量（b）径向 y 分量图 2.8 矩形表面缺陷的漏磁场当裂纹深度很深，即 h的时，上述两式可变为： （2.12）ms0Harctanarctan2xxbxbyy （2.13）22ms220Hln4yxbyxby哈尔滨工程大学本科生毕业论文18图 2.9面偶极子模型2.2.3面偶极子模型对于裂纹、折迭一类的缺陷可用面偶极子来模拟，它是具有符号相yH反、面磁荷密度 P，相等，相距为缺陷宽度 2b，深度为 h 的两个磁荷面空间任一点 P 磁场强度的

40、水平分量和法向分量，分别为：xHyH （2.14）222arctanarctanxsh xbh xbHxby yhxby yh （2.15）22222222lnlnysxbyhxbyhHxbyxby2.3缺陷漏磁场的有限元分析在科学技术领域内，许多力学问题和物理问题，人们已经得到了它们应遵循的基本方程（常微分方程和偏微分方程）和相应的定解条件，但能用解析方法求出精确解的只是少数方程性质比较简单，且几何形状相当规则的问题。对于大多数问题，由于方程某些特征的非线性性质，或由于求解区域的几何形状比较复杂，则不能得到解析的答案。这类问题的解决通常有两种途径，一是引入简化假设，将方程和几何边界简化为能够

41、处理的情况，从而得哈尔滨工程大学本科生毕业论文19到问题在简化状态下的解答；但是这种方法只是在有限的情况下是可行的，因为过去的简化可能导致误差很大甚至错误的解答。因此，人们多年来寻找和发展了另一种求解的途径和方法数值解法，特别是近 30 年来，随着电子计算机的飞速发展和广泛应用，数值分析方法已成为求解科学技术问题的主要工具。过去，在电机工程中曾用模拟法，图解法及亿万法求解电磁场问题，但这些方法仅能求解一些很简单的问题，其应用范围十分有限。随着电子计算机的发展和数值方法广泛的应用，截止到 1970 年，有限差分法在电磁场分析的数值方法这一领域中实际上占有垄断地位，后来逐渐被单元灵活、处理边界条件

42、容易，且具有正定对称系数矩阵的有限元法所代替。有限元法是电磁场问题分析的有力工具，虽然它采用了全离散的数学模型，未知量个数很多，计算工作量很大，输入数据较多，但计算机的发展解决和弥补了这些的不足。管道漏磁检测仪自带电源，由钕铁硼永久磁铁励磁，采用霍尔元件传感器实时检测管道内外缺陷的漏磁场，形成电信号，存储其测量结果，然后将存储的检测数据进行分析。由于传感器采集的漏磁信号中除缺陷参数信息外，还受到许多因素（速度、材料、磁场强度、压力等）和干扰的影响。为了对缺陷外形和尺寸进行准确评价，分析各种影响因素和干扰对漏磁场的变化影响，对缺陷产生的漏磁场空间分布要有清楚的认识。有限元方法作为一种数值分析方法

43、可以应用到上述问题中，它不仅适应复杂的几何形状和边界条件，而且能成功用于多种介质和非均匀介质的问题。它是求解电磁场偏微分方程近似解的一种数值分析方法，将求解域分割（或进行离散）为有限个单元，并在每个单元内采用假设的近似函数来表示未知场变量。这种有限单元的离散工作就把问题简化为有限个未知量的问题，假定的函数称为场变量模型或内插模型。场变量模型由结点（几个单元的汇交点）处的场变量值所确定，场变量的结点值和单元的场变量模型完全确定了在单元内场变量的性质。用有限单元描述一个问题，场变量的结点值就成为新的未知量，一且这些未知哈尔滨工程大学本科生毕业论文20量求出后，场变量模型就确定了整个单元集合体的场变

44、量。从数学上说，有限元法是从变分原理出发，首先把求解的微分方程问题转化为等价的变分问题，然后通过离散化处理构造一个分片解析的有限元子空间，把变分问题近似地转化为有限元子空间的多元函数极值问题，最后转化为一组多元线性代数方程组的求解。通过有限元可以描绘缺陷的漏磁场空间分布，但是单单从漏磁场的分布图形反演几何尺寸，反演运算存在不定和不唯一性。因此，对漏磁检测所研究的钢管和管道缺陷样本，采用有限元方法和实验相对比，研究漏磁场与缺陷几何尺寸参数之间的关系3。2.4漏磁场的影响因素真实的缺陷具有比模拟缺陷复杂得多的几何形状。况且它们千差万别地存在于不同的工件中，要计算其漏磁场是很难的。在检测中，要使它们

45、的漏磁场达到足以形成明确显示的程度是很有意义的。这里，必须考虑影响缺陷翻磁场强弱的各种因素。影响缺陷漏磁场的因素主要来自下列三个方面。2.4.1磁化场对漏磁场的影响（1）当磁化程度较低时，漏磁场偏小，且增加缓慢；（2）当磁感应强度达到饱和值的 80%左右时。漏磁场不仅幅值较大，而且随着磁化场的增加会迅速增大；（3）漏磁场及其分量与钢管表面的磁感应强度大小成正比；（4）漏磁场及其分量与磁化场方向和缺陷侧壁外法向矢量之间的夹角余弦成正比。2.4.2缺陷方向、大小和位置对漏磁场的影响（1）缺陷与磁化场方向垂直时，漏磁场最强；（2）缺陷与磁化场方向平行时，漏磁场几乎为零；（3）缺陷在工件表面的漏磁场最

46、大，随着离开表面中心水平距离的增加漏磁场迅速减小；哈尔滨工程大学本科生毕业论文21（4）缺陷深度较小时，随着深度的增加漏磁场增加较快，当深度增大到一定值后漏磁场增加缓慢；（5）缺陷信号的幅值与缺陷宽度对应，缺陷长度对漏磁信号几乎没有影响；（6）缺陷宽度相同时，随深度的增加，漏磁场随之增大。2.4.3工件材质及工况对漏磁场的影响钢材的磁特性是随其合金成分（尤其是含碳量）、热处理状态而变化的，相同的磁化强度、相同的缺陷对不同的磁性材料。缺陷漏磁场不一样，主要表现为以下三点：（1）对于几何形状不同的被测物体，如果表面的磁性场相同而被测物体磁性不同，则缺陷处的漏磁场不同，磁导率低的材料漏磁场小；（2）

47、被测材料相同，如果热处理状态不同，则磁导率不一样，缺陷处的漏磁场也不同；（3）当工件表面有覆盖层（涂层、镀层）时，随着覆盖层厚度的增加，漏磁场将减弱。2.5本章小结本章论述了缺陷漏磁检测原理和漏磁场产生的原因，详细地分析和设计了钢管漏磁检测系统和管道漏磁检测系统；结合课题研究方向，介绍了磁偶极子理论中的点偶极子模型、带偶极子模型、面偶极子模型，并简要地对有限元法进行了说明。为了考虑到实际中缺陷漏磁场的问题，也适当的的列举了影响缺陷漏磁场分布的几个因素。本章主要是为后面两章打好理论基础，便于以后的检测与设计。哈尔滨工程大学本科生毕业论文22第章基于霍尔传感器的数据采集模块设计霍尔器件是一种磁传感

48、器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达 1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达 m 级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达55150。按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件 。、者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者

49、是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性；后者是检测受检对象上人为设置的磁场。用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。3.1霍尔传感器及其应用3.1.1霍尔效应和霍尔元件1、霍尔效应如图所示，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图中的，这种现象就是霍尔效HV应，是由科学家爱德文霍尔在 1879 年发现的。称为霍尔电压。HV这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力

50、的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，哈尔滨工程大学本科生毕业论文23直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，图 3.1霍尔效应这就是霍尔电压。2、霍尔元件在片子上作四个电极，其中、间通以工作电流 I，、称为电1C2C1C2C流电极，、间取出霍尔电压，、称为敏感电极。将各个电极3C4CHV3C4C焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件（又称霍尔片）。为了精确地测量磁场，常用恒流源供电，令工作电流恒定，因而，被测磁场的磁感应强度 B 可用霍尔电压来量度。若使

51、用环境的温度变化，常RH采用恒压驱动，因和比较起来，随温度的变化比较平缓，因而受RHnHV温度变化的影响较小。为获得尽可能高的输出霍尔电压，可加大工作电opB流，同时元件的功耗也将增加。霍尔器件分为：线性霍尔元件和开关霍尔元件两大类，前者输出模拟量，后者输出开关量。（1）霍尔线性电路 它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度 B 成比例，它的功能框图和输出特性示于图。这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。（2）霍尔开关电路 霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯哈尔滨工程大学本科生毕业论文24密特触发器和输出级组

52、成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，B 再增加，仍保持导通opB态。若外加磁场的 B 值降低到时，输出管截止，输出高电平。我们称rpB为工作点，为释放点，=称为回差。回差的存在使开关opBrpBopBrpBHB电路的抗干扰能力增强。图 3.2线性霍尔电路功能框图 图 3.3线性电路 ugn3503 磁电特性转换图霍尔开关电路的功能框见图 3.4。图 3.4（a）表示集电极开路（OC）输出，（b）表示双输出。一般规定，当外加磁场的南极（S 极）接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志面时为负。锁定型霍尔开

53、关电路的特点是：当外加场 B 正向增加，达到时，电路导通，opB之后无论 B 增加或减小，甚至将 B 除去，电路都保持导通态，只有达到负哈尔滨工程大学本科生毕业论文25向的时，才改变为截止态，因而称为锁定型。rpB（a）单 OC 输出 （b）双 OC 输出图 3.4霍尔开关电路的功能框图霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。InSb 和 GaAs 霍尔元件输出特性如图所示。图 3.5InSb 霍尔元件输出特性图 3.6GaAs 霍尔元件输出特性哈尔滨工程大学本科生毕业论文263.1.2霍尔传感器典型应用电路

54、1、检测磁场用霍尔线性器件作探头，测量一些交变和恒定磁场，已有许多商品仪器。这里，仅介绍一种用经过校准的 UGN3503 或 A3515 型霍尔线性电路来检测磁场的磁感应强度的简便方法。电路出厂时，工厂可提供每块电路的校准曲线和灵敏度系数。测量时，将电路第一脚（面对标志面从左到右数）接电源，第二脚接地，第三脚接高输入阻抗（10k）电压表，通电后，将电路放入被测磁场中，让磁力线垂直于电路表面，读出电压表的数值，即可从校准曲线上查得相应的磁感应强度值。使用前，将器件通电一分钟，使之达到稳定。用灵敏度系数计算被测磁场的 B 值时，可用B=Vout（B）Vout（0）1000/S （3.1）式中，Vo

55、ut（B）=加上被测磁场时的电压读数，单位为 V，Vout（0）=未加被测磁场时的电压读数，单位为 V，S=灵敏度系数，单位为mV/G（高斯），B=被测磁场的磁感应强度，单位为 G。2、磁记录信息读出1：放音隙 2：放音头的铁氧体磁芯 3：霍尔元件 4：电极 5：录音隙 6：录音头的铁氧体磁芯 7：录音头的感应线圈图 3.7霍尔磁头用霍尔元件制成的磁读头，如图所示，将写头和读头装在同一外壳里，采用长 1mm，宽 0.2mm，厚 1.4m 的 InSb 霍尔元件，其信噪比比普通磁头哈尔滨工程大学本科生毕业论文27高 3db5db，由于写头和读头间的间距很小，仅 2.6mm，故可用一读头去监视几分

56、之一秒之前录头录下的信息。霍尔读头的输出仅由记录信息的磁感应强度来决定，即使频率到零，输出仍然恒定，且因读头无电感，故可获得优异的瞬态响应。它的灵敏度随温度的变化也很小，约为 0.01db/。采用适当的前置放大电路，可在050范围内保持0.5db。由于霍尔磁读头具备这些优点，因而在计算机中得到很重要的应用。特别在高密度垂直记录的磁盘的信息读出中，更能显示其优越性。专家预言，今后十年，霍尔读头很可能会占去磁阻头的部分市场。3、霍尔接近传感器和接近开关 图 3.8霍尔接近传感器的外形图敏感元件调理电路偏置电路后续放大前置放大（a）霍尔线性接近传感器（b）霍尔接近开关图 3.9霍尔接近传感器的功能框

57、图哈尔滨工程大学本科生毕业论文28在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如图所示的接近传感器。它们的功能框见图 3.9。分图（a）为霍尔线性接近传感器，分图（b）为霍尔接近开关。霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。4、霍尔翼片开

58、关霍尔翼片开关就是利用遮断工作方式的一种产品，它的外形如图 3.10所示，部结构及工作原理示于图 3.11。图 3.10霍尔翼片开关的外形图哈尔滨工程大学本科生毕业论文29翼片未进入工作气隙时，霍尔开关电路处于导通态。翼片进入后，遮断磁力线，使开关变成截止态，它的状态转变的位置非常精确，在 125的温度范围内位置重复精度可达 50nm。将齿轮形翼片和轴相连，用在汽车点火器中作为点火开关，可得到准确的点火时间，使汽缸中的汽油充分燃烧，既可节约燃料，又能降低车辆排放的尾气的污染，已在桑塔那，克莱斯勒等许多名车中使用。将它们用在工业自动控制系统中，可作为转速传感器、位置开关、限位开关、轴编码器、码盘

59、扫描器等。1：外壳 2：霍尔电路 3：导磁体 4 磁钢 5：铁磁翼片图 3.11霍尔翼片开关的内部结构和工作原理示意图 3.2基于霍尔传感器的漏磁检测电路设计3.2.1霍尔传感器的选择1、霍尔元件数量选择与排列霍尔元件片数则可由公式推出，由轴向长度推出理论上霍Cl =2 r NCl尔元件片数 N。实际测量中 为 10mm，可得实际需要霍尔元件个数应为 72Cl个，即在 8 对磁铁中各布置 9 块霍尔元件片。计算步骤：公式中为轴向长度，在测算时轴向长度最小为 10，取Cl =2 r NCl为 10mm，方便计算；Cl哈尔滨工程大学本科生毕业论文30r 为管道半径，由于选择的管道为2196mm，r

60、 应取 108.5mm；N 为霍尔元件片数，计算后 N 为 68.1。由于存在相同的 8 块，每块上的霍尔元件数量为 N/8=8.51，取整后得 9。1、线性霍尔元件 3503根据缺陷的最小轴向长度为 10mm，且选择 9 块，可选择线性霍尔元件UGN3503 满足要求。UGN3503 可提供线性单端输出，其输出电压正比于感应的磁场强度。磁敏元件与高增益放大器、电源稳压器集成于同一芯片，改良了传感器的输出噪声，把处理毫伏级模拟信号的问题大大简化，使得应用时十分简便，并允许较大范围的电源下工作。见其内部功能方框图（图 3.12）。这种传感器用兰脚塑科封装，管脚排列见图 3.13。图 3.14 是

61、其输出电压与磁场的关系。该器件的主要参数为：电源电压（Vcc）812V；电源电流1020mA； 静态输出电压（B=0）2.55V：输出阻抗100； 工作温度（TA）070其特性曲线如图3.23所示由特性曲线可见当磁感应强度的大小为0时，输出电压约3.6V。N极靠近UGN3503印字面时f磁力线从UGN3503印字面穿人） ，输出电压增加；当磁铁S极靠近UGN3503印字面时（磁力线从印字面穿出） ，输出电压减小，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。 图 3.123503 功能方框图哈尔滨工程大学本科生毕业论文31图 3.13ugn3503 管脚排列图 3.14ugn3

62、503 磁电特性UGN3503是十分适合准确度测量、微小磁场测量及控制位置、重量、厚度、速度及电流等。由于霍尔传感器有独特的抗拒环境污染的能力，在不清洁及完全黑暗的环境中，能充分发挥其高灵敏度 高可靠性及可重复性的在能，故在各行各业中得到了广泛的应用。由此可见选择ugn3503作为检测漏磁的霍尔元件片是很合适的，它不仅功能上能满足指标要求，而且在价格、供货量方面也很让人满意。哈尔滨工程大学本科生毕业论文323.2.2硬件电路具体设计与调试图 3.15霍尔检测电路图磁感应强度的测量电路如图 3.15 所示，uA741 为运算放大器，它与、3R，、组成差分放大电路（=20k，=100k），差4R5

63、R6R3R4R5R6R分放大电路的同相输人信号为 UGN3503 的输出，反相输人信号由，1R，组成分压电路产生使用时，先将 UGN3503 置于 B=0 处，调节1Rw2R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1Rw中， 当 UGN3503 印字面靠近磁铁 N 极（磁力线从 UGN3503 印字面穿入），UGN3503 输出电压增高，差分放大电路输出电压为正；反之，当 UGN3503印字面靠近磁铁 S 极（磁力线 UGN3503 印字面穿出）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

64、，2R测量分辨率可达T。 -40.5 10电路的电源可用两个 9V 层叠电池或其它812V 直流稳压电源供电。基本电路焊接完毕后，调试遇到的问题就是的调节，很容易跳过，1Rw所以事先选好合适的阻值能够很好的帮助调试。哈尔滨工程大学本科生毕业论文333.3本章小结本章主要就霍尔传感器进行了介绍，分类为线性霍尔元件和开关霍尔元件后简单说明了霍尔传感器的原理，并随之简要介绍了几种霍尔元件及芯片，其中就有后面要用到的 ugn35 系列。霍尔电路及一些应用也进行了必要的说明，霍尔元件的特性在其中表现得很充分。其后进行了霍尔检测电路的设计，再焊接完基本电路后，进行了调试。哈尔滨工程大学本科生毕业论文34第

65、章运载体定位方法研究及外形设计4.1定位方法研究管道机器人的定位方法众多，实际中的有线传输方式限制了机器人的工作范围，无法适应长距离工作需求。统的射线定位方式由于其采用一点的方式，导致焊缝漏检现象时有发生。觉技术广泛地应用于机器人领域，成为现代智能机器人的重要传感器之一。本文给出了3种管道机器人定位方法：基于图像处理和模式识别的视觉方法、低频电磁波方法和计程轮方法。分析了这3种传感器定位精度、作用范围、定位对象等问题，并应用数据融合的方法，选取定位传感器。通过该传感器提供的定位数据，实现管道机器人准确、快速地定位在需检测的焊缝处。4.1.1视觉传感器方法X 射线发射管、CCD 的相对位置一定，

66、CCD 传感器在空间坐标上与焊缝垂直。焊缝处于 CCD 图像中间位置时，X 射线能够很好地照射到被检测焊缝。CD 视觉定位对象为焊缝图像，是管道机器人定位在焊缝处最直接的方式。通过研究可给出了管道机器人焊缝图像视觉识别方法。采用简化的Prewitt 算子作为边缘提取算法，控制计算机能够快速地处理 CCD 采集的图像，并进行焊缝特征识别。一幅图片可代表的实际宽度为10cm，图像的宽度为640像素，所以可识别的精度可达士0.2mm。当焊缝不在图像中时，视觉方式无法识别出其准确位置，其只能识别出在其视野范围内的焊缝，因此，视觉定位方式的有效范围为-10cm，10cm。当管道机器人的速度比较高时，会导致焊缝的漏检测，此种方式下，要求机器人以较低速度运动。哈尔滨工程大学本科生毕业论文354.1.2低频电磁波方法及应用低频电磁波对金属管道、土层有很强的穿透能力，可应用于管道机器人的位置示踪。低频电磁波发射设备平行管道轴线方式放置在待检测焊缝处，接收天线垂直于管道轴线方向安装在管道机器人上，低频电磁波定位对象为发射天线位置。低频电磁波由于发射频率较低，其辐射通过发射线圈的磁场变化来传播。定位中，发射