大功率磁致伸缩检测仪的研制

　　1 引言

　　管道运输是当今五大运输方式之一，已成为油气能源运输工具。目前，世界上石油天然气管道的总长约200万km，我国长距离输送管道的总长度约为2万km。管道检测成为管道运输业的一项重要课题。目前,国内外用于管道检测的主要方法有漏磁通方法和超声导波方法。漏磁通方法可细分为感应线圈法和霍尔效应法;超声导波方法可细分为接触式检测方法(如压电式)、非接触式检测方法(如静电传感器技术空气耦合超声传感器方法、电磁超声传感器方法、激光超声方法、光全息摄影或干涉技术等)。本文利用材料的磁致伸缩效应研制出一种新型管道检测仪器。磁致伸缩是铁磁性材料的固有特性,其效应在工程实践中有重要的应用价值.利用铁磁性材料在交变磁场作用下长度伸长或缩短,可以制作超声波发生器和接收器,制成位移、速度、加速度等传感器,还可以制成延迟线、滤波器等,另外,巨磁致伸缩材料的应用更为广泛.利用磁致伸缩效应可以对构件的寿命进行预测,也可利用其逆效应对构件残余应力进行检测等[1]。目前,关于磁致伸缩方面,国内外主要对巨磁致伸缩功能性材料进行了大量研究,而对磁致伸缩效应和其逆效应在工程领域中的应用开发相对较少,本文利用磁致伸缩效应研制的管道检测仪,取得了令人满意的效果。

　　2 设备工作原理与关键技术

　　铁磁性钢管在变化的外磁场中被激励时, 其外型尺寸会发生变化, 即产生磁致伸缩应变, 从而在铁磁性钢管内激发弹性波。反过来, 因为逆磁致伸缩效应, 当弹性波沿着铁磁性钢管传播时,其磁性将发生变化, 导致了介质中磁感应的变化, 而变化的磁感应强度必定引起接收线圈中的电压变化(根据法拉第电磁感应律), 通过测量电压信号——弹性波的反射情况, 即可检测出铁磁性钢管中是否存在腐蚀、裂纹和破损等缺陷[2]。

　　该设备的工作原理图如1图所示:

　　该设备主要由两个部分组成, 一部分用于发射弹性波, 另一部分用于检测弹性波。在该设备中, 发射部分的功能包括: 从脉冲信号发生器(由计算机直接控制) 出来的短时电压脉冲, 经过功率放大器放大, 作用于发射线圈, 由于磁致伸缩效应,即可在钢管材料中产生弹性波。接收部分的功能包括: 当弹性波通过缠绕着接收线圈的区域时, 由逆磁致伸缩效应, 钢管中磁感应发生变化, 由法拉第效应, 用接收线圈即可检测电压信号, 对信号进行预处理, 经过A/D 转换器转换, 数字化的信号通过个人计算机进一步的分析处理。

　　3 设备硬件设计

　　设备的下位机的中央处理器为单片机。由于程序量比较大，我们选用华邦的W78E58B 单片机，它有32K 的程序存储器，其指令集与标准8052单片机指令完全兼容[4]。我们利用单片机发送多种频率的脉冲，以及确定与发送脉冲频率对应的带宽滤波器的中心频率。设备的上位机为我们普通的个人电脑。我们通过上位机对单片机通讯以及处理采集上来的数据。