基于主动式全景视觉传感器的管道内部缺陷检测方法

针对管道内表面检测空间受限的约束以及同时需要检测管道内壁功能性缺陷和结构性缺陷等需求,基于主动式全景视觉检测原理提出了一种既能视觉检测管道横截面几何尺寸又能获取和分析管道内壁表面缺陷的管道内部全方位视觉检测方法。利用携带有主动式全景视觉传感器的爬行机器人进入管道内部,分别实时获取内壁全景图像及激光横断面扫描全景图像。本文重点介绍基于管道内壁全景图像的缺陷检测方法,对管道内壁全景图像进行展开、预处理并提取管道病害区域的几何特征,最后判定缺陷类别及危害程度。经本文方法获取的缺陷几何特征实验数据验证,管道内表面存在的较为普遍的裂缝、腐蚀缺陷几何特征差异明显:腐蚀缺陷的圆形度较大,而裂缝缺陷的圆形度趋于0;腐蚀缺陷的凸度普遍大于裂缝缺陷;裂缝缺陷由于弯曲程度不同其边界离心率变化率大,而腐蚀缺陷的边界离心率趋于1。实验结果表明:该系统能够有效提取疑似缺陷区域并计算各几何特征,可通过合适的阈值判定其所属类别,为管道内表面缺陷检测提供了一种新的手段。     

基于主动式全景视觉的管道内部缺陷检测方法

针对管道内表面检测空间受限的约束以及同时需要检测管道内壁功能性缺陷和结构性缺陷等需求,基于主动式全景视觉检测原理提出了一种既能视觉检测管道横截面几何尺寸又能获取和分析管道内壁表面缺陷的管道内部全方位视觉检测方法。利用携带有主动式全景视觉传感器的爬行机器人进入管道内部,分别实时获取内壁全景图像及激光横断面扫描全景图像。本文重点介绍基于管道内壁全景图像的缺陷检测方法,对管道内壁全景图像进行展开、预处理并提取管道病害区域的几何特征,最后判定缺陷类别及危害程度。经本文方法获取的缺陷几何特征实验数据验证,管道内表面存在的较为普遍的裂缝、腐蚀缺陷几何特征差异明显：腐蚀缺陷的圆形度较大,而裂缝缺陷的圆形度趋于0;腐蚀缺陷的凸度普遍大于裂缝缺陷;裂缝缺陷由于弯曲程度不同其边界离心率变化率大,而腐蚀缺陷的边界离心率趋于1。实验结果表明：该系统能够有效提取疑似缺陷区域并计算各几何特征,可通过合适的阈值判定其所属类别,为管道内表面缺陷检测提供了一种新的手段。     

一种分度式主动螺旋管道测量装置设计

ILI(in-line inspection)管道在线检测对油气输送管道安全可靠运行至关重要。设计开发了一种全新的基于螺旋测量原理的主动螺旋管道测量装置,该装置能够自主生成管道测量螺旋线,整合了位移传感器和角度传感器,进行了管道测量对比实验以及管道缺陷检测实验;实验数据采用MATLAB处理,反演出管道内壁模型,通过对管道内壁模型的分析来判断管道内部的情况。实验证明了分度式主动螺旋测量方法的可行性,通过对比实验分析了分度式螺旋测量与普通螺旋测量的区别,实验结果表明:该方法描述管道内壁的三维模型更精确,能被管道机器人或管道猪牵引进行测量作业。特别对于微小管径管道、非管道猪管道有一定的应用前景。     

磁电复合多功能传感器的设计

传感器是管道内检测器的重要组成部分,文中设计一种新型适用于油气管道无损检测的磁电复合多功能传感器。介绍了该复合传感器的工作原理、结构及特点,结合漏磁传感器对管壁体积型缺陷敏感和高频涡流传感器对管壁近表面缺陷敏感的优势,可以实现对管道的内外壁缺陷进行辨别和评估。实验结果表明该新型复合传感器在管道缺陷检测过程中既能检测缺陷又能辨别内外壁缺陷,特别是对近表面裂纹缺陷有潜在检出可能。     

旋转磁场阵列式传感器设计及管道缺陷的仿真研究

管道内壁腐蚀具有不同的形状和取向,需要对不同的缺陷产生相对的横向的涡流场,方能有效地检测到相应的涡流产生的二次磁场的扰动信号。基于涡流检测技术,提出了一种用于在役检测管道内壁腐蚀状况的新型阵列式传感器探头设计方法,该探头使用相隔60°的3组绕组并通以三相电流来产生旋转磁场,对管道进行励磁;使用新型的高灵敏度巨磁阻(GMR)传感器芯片代替传统的线圈检测器来提取管道缺陷信号。通过有限元分析研究了三相电流激励频率、传感器提离以及激励电流对检测效果的影响,结果表明所设计的探头能够准确地识别并定位不同取向的管道缺陷,设计方法具有一定的可靠性。     

磁致伸缩位移传感器检测信号分析

实验研究了磁致伸缩位移传感器的探测电压信号,以便提高磁致伸缩位移传感器的检测精度。分析和验证了波导丝材料、驱动脉冲电流、检测线圈等参数对磁致伸缩位移传感器输出电压的影响规律。对检测线圈进行了优化设计,基于实验数据确定了传感器的各项参数值。实验发现磁致伸缩系数大、魏德曼效应显著的Fe-Ga材料作为波导丝,可明显提高电-磁-机械能的转换效率,获得较大的检测电压信号。研制了新型Fe-Ga波导丝磁致伸缩位移传感器样机,并与Fe-Ni波导丝传感器进行了性能对比。结果表明,与Fe-Ni波导丝相比,Fe-Ga波导丝磁致伸缩位移传感器的检测信号明显增强,信噪比显著提高,其检测电压信号幅值比Fe-Ni波导丝检测电压信号幅值提高了40mV,相应的传感器精度提高了2倍。     

脉冲涡流信号检测与分析

为了对较厚钢板进行缺陷检测,采用对低压大功率的电源进行斩波的方式产生大电流脉冲,设计圆柱形探头,采用激励线圈缓慢放电的方式检测钢板表面缺陷;设计矩形探头,采用激励线圈瞬间放电的方式检测钢板亚表面;对脉冲涡流瞬态感应电压信号进行小波滤噪和幅值归一化处理。实验结果表明,小波滤噪可以提高检测精度,对信号幅值进行归一化处理可以更直接地反映不同深度缺陷产生的曲线间的相互关系,大电流激励的脉冲涡流信号幅值能反映较厚钢板表面和亚表面缺陷深度。     

脉冲涡流信号检测与分析

为了对较厚钢板进行缺陷检测,采用对低压大功率的电源进行斩波的方式产生大电流脉冲,设计圆柱形探头,采用激励线圈缓慢放电的方式检测钢板表面缺陷;设计矩形探头,采用激励线圈瞬间放电的方式检测钢板亚表面;对脉冲涡流瞬态感应电压信号进行小波滤噪和幅值归一化处理。实验结果表明,小波滤噪可以提高检测精度,对信号幅值进行归一化处理可以更直接地反映不同深度缺陷产生的曲线间的相互关系,大电流激励的脉冲涡流信号幅值能反映较厚钢板表面和亚表面缺陷深度。     

管道弯头缺陷检测外置式远场涡流探头设计

远场涡流技术在金属管道的无损检测中应用广泛,但通常需要设备停机以便将探头放入管内。为满足压力管道在役检测的需求,针对其易腐蚀的弯头部位,设计了一种在管外放置的远场涡流探头。首先,应用有限元软件对探头的结构及其激发磁场的效果进行了仿真设计;而后建立了弯头缺陷远场涡流检测仿真模型,分析了内、外壁缺陷深度与检测信号特征量的定量关系;最后搭建试验平台进行了预制缺陷检测试验。结果表明:探头电压信号的相位随缺陷深度的增加而近似线性减小,可用于缺陷深度的定量;内壁缺陷信号的相位减小得更快,利用相位特征量可对仅有外壁或内壁缺陷时的缺陷深度进行定量,而不能对两种缺陷都存在的情况进行定量。     

基于超声波测距的管道螺旋测量系统

油气管道内检测(NDE)对管道安全可靠运行意义重大。提出了一种基于超声波的全新螺旋测量方法,设计制作了基于单片机的螺旋测量系统,整合超声波距离传感器和数字电位式角度传感器,连接螺旋管道机器人进行实测实验研究;管道内壁模型采用MATLAB编程进行实验数据反演,并与数学模型对比分析。结果表明:实验结果模型与数学模型结果吻合,同时该方法使用传感器少,测量覆盖面大,可无接触对管道内壁进行测量,精确描述管道内壁的三维模型,为管道的维护与保养提供可靠数据。特别对于微小管径管道、无压油气输送管道以及油气钻井中的随钻测量领域有一定的应用前景。     

适用于管道内形貌检测的3D全景视觉传感器

管道内部缺陷种类繁多、检测困难且自动化程度低,针对这些问题,提出了一种适用于管道形貌检测的3D全景视觉检测方法。首先设计了一种获取管道内部全景颜色纹理信息的全景视觉传感器(ODVS),然后设计了一种能快速并高精度获得管道内壁深度信息的主动式全景视觉传感器(ASODVS),接着将这两种ODVS进行紧凑小型化设计,通过软件将全景3D测量数据与全景颜色纹理数据的快速融合,在对管道内功能性缺陷和结构性缺陷进行全方位自动分析和评估的同时实现管道内部三维建模。实验结果表明,所设计的ASODVS+ODVS能实时获取地下管道内部颜色纹理和几何信息的全景图像,配置在管道机器人上能在狭长管道内边行走、边检测、边识别和边重构。     

基于远场涡流的管道局部缺陷定量评估方法

在基于远场涡流的管道缺陷定量检测中,设置12个紧贴内管壁、周向均匀分布的传感器作为接收线圈来实现管道局部缺陷的检测。当发射线圈处于管道缺陷位置时,传感器检测的远场涡流相位信号中叠加了发射线圈处缺陷所造成的伪峰信号,影响了传感器处管道缺陷定量分析的正确性;为了去除伪峰信号,在远场区域,设置了与发射线圈同轴的双接收线圈。去除伪峰后的传感器检测信号再进行强局部线性回归和小波阀值去噪处理,得到能真实反映管道局部缺陷的特征信号;最后,基于特征信号,提出了分别适用于单支管道和拼接管道的缺陷定量评估方法。通过实验验证,该评估方法在管道缺陷的定量检测中具有很好的实用性。     

基于隧道磁阻阵列的钢索断丝检测传感器研制

为将新型高灵敏度磁敏元件——隧道磁阻(TMR)器件应用于钢索断丝漏磁检测,采用带磁屏蔽层的类赫姆霍兹线圈作为励磁结构,设计了基于柔性印刷电路的隧道磁阻圆环阵列,可实现对直径为14 mm钢索表面断丝处漏磁场的检测。利用加工有全环向沉槽的钢杆试件,测试7个TMR阵元的一致性,结果表明,宽、深均为0.5 mm的沉槽缺陷检测信号幅值均值约33 mV,信噪比可达14.5 d B,而7个阵元输出电压的极限误差为±1.85 mV。将研制的隧道磁阻阵列传感器应用于钢索表面6处位置不同的断丝缺陷检测,依据检测信号或扫查成像结果,可以清晰分辨出单根0.5 mm断丝缺陷,并确定各断丝在轴向和周向的位置。     

基于PZT的新型柔性梳状表面波传感器研究

针对厚壁管道表面缺陷检测,研究了一种基于PZT的柔性梳状表面波传感器。首先,采用有限元仿真的方法对钢板和厚壁管道上等间距梳状表面波传感器的阵元间距、阵元宽度、阵元个数、阵元长度进行了优化,以及阵元个数和阵元长度对传感器指向性的影响进行了研究,并通过优化选取背衬材料、设计背衬厚度,改善了表面波信号的拖尾现象;其次,根据仿真结果研制了新型柔性梳状表面波传感器,并进行了性能测试实验,实验结果与仿真结果吻合较好。通过仿真优化,得到当传感器阵元间距为λ_R(λ_R为相应表面波波长),阵元宽度为λ_R/2,阵元个数为5时,传感器表面波信号拖尾较小,能量较为集中。实验表明,根据仿真参数研制的梳状表面波传感器具有良好的指向性,并且能够实现厚壁管道表面缺陷的检测。     

基于脉冲远场涡流的管道内检测技术

针对传统远场涡流检测方法对铁磁性管道内外壁缺陷灵敏度相同,无法有效区分缺陷在管道内壁还是管道外表面的问题,提出了采用具有丰富频率成分的脉冲激励信号取代传统的远场涡流中正弦信号激励的方法.采用小波去噪方法滤除检测数据中的信号噪声;研究了将检测线圈分别置于近场区、过渡区和远场区时的信号时域特性与管壁伤的关系;进行了针对管道管壁内外相同宽度不同深度缺陷的检测试验,结果表明采用脉冲激励作为激励源并综合运用过渡区的检测信号的幅值和过零时间特征能够有效地区分管壁内外全周向的缺陷.     

采用柱形极板的电容式油液检测传感器

液压油中混有的水滴和气泡会加速油液的氧化变质,导致液压系统出现故障。为此设计了一种基于柱形极板电容器的电容式微流控油液检测传感器,并在所搭建的检测系统上进行了相关实验。实验结果表明,随着激励电压幅值在0.5～2 V区间递增,所测得的信号幅值以及信号本底噪声都逐渐降低,经计算发现激励电压幅值为2 V时的检测信号具有更高的信噪比,因此选用2 V的激励电压幅值可以提高传感器检测精度。该传感器在实验室中有效实现了液压油中50μm水滴和110μm气泡的区分检测。该研究对液压油中的水和气泡的快速检测提供了技术支持。     

脉冲涡流传感器在刹车盘表面缺陷检测中的应用

采用控制变量法从激励信号的占空比、电压幅值和激励线圈提离高度3个方面研究不同影响因素对脉冲涡流传感器检测刹车盘表面缺陷的影响规律。用DG1022U函数发生器产生脉冲激励信号;设计了由圆柱形激励线圈和霍尔传感器构成的脉冲涡流检测探头并制作放大滤波电路;用USB4711A数据采集卡采集信号,经MATLAB小波去噪后提取信号的峰峰值和信噪比。     

基于脉冲涡流技术的柔性平面差分探头设计北大核心CSCD

针对涡流探头对导电材料的表面和内部裂纹检测能力的不足,基于脉冲涡流检测技术设计了柔性平面差分探头,结合脉冲涡流检测的宽频谱和柔性平面差分线圈高信噪比的特点,可以在较大提离下检测表面缺陷以及检测更大埋深的内部缺陷。对铝试件表面及内部缺陷检测进行了仿真与试验研究。仿真结果表明柔性平面探头产生的涡流能够有效渗透至试件底部,缺陷造成的涡流扰动产生时间随缺陷深度增加而增大。检测信号的电压峰值大小与峰值时间仍可用于识别缺陷深度,时间剖面曲线的正负相反峰波形信号特征可用于识别裂纹。实验结果表明柔性平面探头能够检测8.55 mm提离下的表面裂纹以及无提离下埋深4.8 mm的内部裂纹。同时,检测电压信号峰值对不同试件的裂纹深度进行定量,仿真与试验结果一致。     

螺旋管换热器无缆内检测系统研究

针对带缆涡流检测方法在螺旋管换热器检测中易自锁而无法穿过管道的问题,设计了螺旋管换热器无缆内检测系统。可使用液体或气体驱动检测系统穿过螺旋管,检测系统穿过管道后,通过上位机读取检测系统中存储的数据。通过有限元仿真的方法,选择合适的激励频率和检测线圈参数,检测信号激励频率为100 kHz,检测线圈尺寸为宽3 mm、外径12 mm、内径8 mm。在外径19 mm、壁厚3 mm的不锈钢管道上进行了实验,实验结果表明检测系统可以检测直径为1 mm通孔缺陷和深度为2 mm外壁缺陷,通过气体驱动检测系统实现了螺旋管的检测。     

基于脉冲涡流技术的连铸坯表面缺陷检测

为了实现高温连铸坯表面及近表面缺陷在线检测和缺陷坯及时分拣,提出了连铸坯表面缺陷脉冲涡流检测方法并进行了实验研究。对连铸坯表面缺陷的脉冲涡流检测信号进行差分分析和时域分析,提取了连铸坯表面缺陷信号的电压峰值、峰值时间及过零时间等特征量,并分析得到点缺陷、线缺陷、星状裂纹等缺陷对脉冲涡流检测信号特征值的影响规律。研究表明,采用脉冲涡流技术实现高温连铸坯表面及近表面缺陷的无损在线检测技术是可行的,电压峰值、过零时间和峰值时间与缺陷种类及缺陷的形态密切相关,为进一步研究高温铸坯表面缺陷检测和重构奠定了基础。