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。
3.1 设备发射部分硬件设计
钢管产生的弹性波是通过设备发射的激励脉冲而产生的。对于不同材料不同尺寸的钢管所需的脉冲频率是不同的，所以设备要满足发射各种不同频率脉冲的要求。
根据实验，所需脉冲频率范围为:5K-250KHz。单片机发射出来的脉冲通过推挽式电路驱动耐高压场效应管，从而放大成大功率脉冲信号。脉冲峰值电压有(200V,400V,600V,800V)档可供选择,通过激励衰减开关控制。对这种高功率脉冲,对我们的元件有非常大的冲击,因此在这里对电路的保护是至关重要的。通过多次试验我们设计了以下的保护电路，其电路如图2所示:
我们选用型号为TL714 高速比较器，当脉冲电路超过40A时比较器通过反馈立即关闭场效应管停止发送脉冲。由于激励线圈是电感器件，即使停止发送脉冲也会返回极高的电压。所以在脉冲输出端接了两个耐高压二极管，起到放电的作用。AIN0和AIN1 分别采样激励电压和激励电流信号，送给A/D 转换。AIN0采集的是激励脉冲电压的百分之一;SW1为1的时候继电器JCI/SIAI2000断开，电容C28 充电，AIN0采集激励电流信号，采样结束时，SW1 给0，电容放电。由于版面限制，这里就只画出保护电路，其他的电路就没有附图。
3.2 设备接受部分硬件设计
我们接受到的信号是一个干扰很大的信号，干扰信号比我们需要的弹性波返回信号还要强。所以接受部分最重要的是滤波。要得到一个良好的弹性波信号，要求带通滤波器的带宽比较窄;而且由于弹性波的频率变化范围在5K-250KHz，所以要求滤波器的中心频率也要跟着弹性波的频率一起变化。我选用美信公司生产的MAX275四阶中心频率可变带通滤波器。这个滤波器的的中心频率范围为：100Hz-300KHz。其中心频率通过外接8个电阻来控制。这8个电阻我选用的是型号为X9C104的100抽头的可编程电位器，其最大阻值为100K欧姆。通过单片机改变电位器阻值来改变滤波器的中心频率。在信号通过滤波器的前后还有两级放大，其放大倍数都是1-100倍。放大器的放大倍数也是通过改变可编程电位器X9C104的阻值来实现的。
激励脉冲发射后，经过一定的延时，单片机给高速数据采集器一个触发信号，打开数据采集器。经过滤波之后弹性波返回信号通过高速数据采集器送给上位机进行处理。这里的数据采集器我们采用的是北京迪阳公司生产的型号为DSO-220 USB 的数据采集器。这种数据采集器的速度为20MSPS，而且是USB 接口，使用方便。我们利用DSO-220 采集弹性波返回来的信号，然后通过 USB 总线把数据传送给计算机进行处理。
4 系统软件设计
本系统软件包括提下位机软件和上位机软件。下位机单片机程序采用C语言编写。其编程思想采用模块化设计方案，包括6个模块:初始化模块、看门狗模块、定时器0中断模块、串口中断模块、脉冲发送模块、滤波器中心频率选择模块和主程序模块。其程序流程图如图3所示。
上位机软件采用VB编写[5]。通过上位机软件设定发送脉冲的频率、脉冲个数、重复周期以及重复个数等参数。下位机接受到发送脉冲的频率同时也确定了相应的滤波器中心频率。同时还可以通过上位机的界面显示和处理采集的弹性波的波形，从而判断钢管的缺陷。
5 实验
为了验证设备的实用性做了下面实验:
在实验中检测的是一根有缺陷的样本钢管，其长度大约为6.712m,外径为 38mm,壁厚为2.5mm。这根钢管有三个缺陷，其形状如4图所示。
给钢管加了频率为20KHz峰值为200V的6个方波信号作为
通过两个端头反射信号的时间长度和钢管的长度可以算出弹性波在该钢管的传播速度。再通过缺陷返回信号的位置，进而确定缺陷在钢管上的具体位置。通过计算我们得到的结果和样本钢管的具体情况一致。
6 结论
该设备已通过了理论论证和实践检验。并且在某军校进行军用管道检测收到了良好的效果，使用者的反映是：操作方便、使用简单、测量精度高，其结果完全符合设计要求。预计该设备在管道检测领域将有广阔的应用前景。
参考文献:
[1] 王悦民, 康宜华, 武新军. 磁致伸缩效应及其在无损检测中的应用研究[J].华中科技大学学报,2004,24(3):33-36.
[2] LAGUERRE L,AIME J C,BRISSAUD M.Magnetostrictive pulse2echo device for non2dest ructive evaluation ofcylindricalsteel materials using longitudinal guided waves [J].UltrasoNIcs,2002,39:503-514.
[3] 陈刚,朱石坚.管壁不连续对管路结构振动传递的影响[J].海军工程大学学报,2004,16(2):40-43.
[4] 陈光东,赵性初.单片微型计算机原理与接口技术[M].(第一版)[M].武汉:华中科技大学出版社,1995.106-114.
[5] 李罡,丁莉.Visual Basic 6.0编程实例详解[M].(第一版).北京:电子工业出版社,2000.315-347.
作者简介:彭道坚(1980-),男,研究生,研究方向：检测与控制。
