地下管道超声检测系统硬件设计
地下管道超声检测系统硬件设计摘 要无损检测是指在不损害或不影响被检测对象使用性能,不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态及缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法。超声检测就是无损检测技术其中的一种应用。以往的管道检测和探伤技术在测量精确性方面有着很大的缺陷，现在随着科学技术和经济的发展，对石油、化工行业存在的大量地下管道必须要有更加精确的检测技术，在这样一种环境和背景下，超声检测就慢慢出现在人们的视野中。本设计采用STM32单片机对超声波探头传回的数据进行处理分析再通过蓝牙传输给单片机，实现在线采集数据的功能。本设计经过机械结构的构想，原理图的设计和对上位机程序的设计，基本能达到很好的控制效果。在地下管道中行驶的检测系统通过前端的减速电机旋转使三个超声探头都能很好的检测信号，转动一周是为了确保检测的信号完整性，不遗漏每一处管道的信息。关键词：无损检测；超声；单片机The hardware design of underground pipeline ultrasonic testing system AbstractNondestructive testing is a method of testing and checking. It can not damage or affect the function of the testing object and it can not ruins the internals of object. Use the unusual or bug of internal structure, caused by heat, sound, light, electric and magnetic, with physical or chemical methods or with using advancing technology and equipment, it tests something we need. Also it check and test obejects strcture, properties, status, type, quality, quantity, shape, location, size, distribution, change and so on. Ultrasonic testing is one of the methods of nondestructive testing. Long ago, the pipeline testing and detection of defects have a lot of bugs. But now with the development of the technology and economy, it must be more accurately in testing. So ultrasonic testing is coming.This design use STM32 microcontroller to deal with the data and transmit the data to computer by the Bluetooth. This is the function of online data collecting. The design of mechanical structure, schematic diagram and upper monitor, they all achieve better control effect. Driving in the underground pipeline detection system in front of the gear motor rotate through three ultrasonic probe can detect signal well, rotation a week is to ensure signal integrity detection, it can detect every pipeline information.Key Words: Nondestructive testing; ultrasonic; microcontroller目 录引 言8第1章 绪论91.1国内外研究背景介绍91.2 整体设计思路9第2章 理论基础及设计原理102.1 设计需要的理论基础102.2 超声检测系统基本原理102.2.1超声波介绍102.2.2超声检测102.3 单片机原理11第3章 硬件电路整体设计133.1系统硬件电路整体设计133.2重要元器件选用133.2.1单片机选型133.2.2供电电源选型153.2.3蓝牙模块选型15第4章 硬件电路模块设计174.1绘图软件的介绍174.2单片机最小系统174.3单片机电源电路184.4电机电源电路194.5信号采集电路194.6减速电机驱动电路19第5章 软件系统设计215.1系统控制总体流程图215.2编程软件介绍225.2.1 Keil介绍225.2.2 VS2010介绍225.3在线采集子系统程序设计225.3.1 AD采集程序225.3.2 数据处理程序255.3.3 PWM控制程序设计265.3.4 上位机设计26结论与展望28致谢29参考文献30附录31引 言随着石油和天然气成为现在的主要能源之一，它的输送方式是通过管道传输的。目前为止，这是最为安全和经济的方式。然而，管道的输送也会发生故障。最近几年，国内外出现的大大小小的管道事故都很严重，造成了很多无法挽回的损失，给人民的生命财产安全带来隐患。国内外专家通过研究发现，管道发生事故和管道使用的时间长短及对它的检测有着很大的关联。研究表明，在管道使用的早期和晚期是事故发生的高危时间段，特别是晚期，管道发生事故的可能性随着使用时间长短的增加而增加，这就需要我们对管道进行周期性检测，以延长其使用年限并且节省大量的人力物力。根据对管道的维护策略，分为被动维护和主动维护。被动维护是等待管道发生事故之后才进行维护，这样的话很多事故依然难免发生，造成难以想象的后果。主动维护是在掌握管道状况的基本情况下，对其进行定期的检测，虽然这样也要消耗很多人力物力，但是总体来说比被动检测要好很多，很大程度上的避免了事故的发生。为了防止这类管道事故的继续发生，在主动检测的基础上，出现了很多新兴的检测技术和方法，使检测管道的水平不断提高，其中超声波检测就是很好的一种方法，通过超声波对管道内厚度和损伤进行探查，同时不对管道造成任何损伤，是今后管道检测技术的发展方向。第1章 绪论1.1国内外研究背景介绍随着世界管道检测技术的迅速发展，人们对超声波检测的市场需求也进入了日益成熟的阶段。目前的管道运输形式主要有两种：地下管道运输和地上管道运输。地下管道运输又分为埋地管道运输和海底管道运输。不论是埋地管道运输还是海底管道运输，他们都会受到环境的影响，而且在管道外检测的施工难度巨大，只能依靠先进的技术在管道内进行检测。地上管道运输检测相对简单，可以手动在管道外进行检测，施工难度较小。1965年国际著名的管道检测公司TUBOSCOPE史无前例的采用了漏磁检测器对管道的内部进行检测。在1973年英国天然气公司British Gas使用了漏磁检测器对一条直径60cm的管道内部进行检测后，新型的检测技术如雨后春笋般产生出来。同样的在国内也有很多高等院校和研究所在管道超声波检测系统上进行了深入的研究，可是在应用上目前还是达不到国外的先进水平。南京理工大学机器人研究所研制了一种用于检测小口径石油管道的智能管道检测机器人，它使用超声波原理对石油管道的残余壁厚进行检测，整个智能检测系统也分为管内和管外两大部分。该机器体积小，动作灵活，基本达到了在管道内的长距离检测的要求。国内外的研究都对将来的管道检测技术的发展起到了推动作用，具有长久的前瞻意义，产生现实的经济和社会效益1.2 整体设计思路本设计采用三个超声波探头对管道进行检测，这三个超声波探头都垂直于管道内壁，连接的都是弹性可伸缩连杆，每个连杆之间的角度为120度，确保能最大范围的检测，防止遗漏，它可以根据管道直径的不同而改变长度从而方便检测。在三个可伸缩连杆前端加上一个减速电机，控制三个连杆的旋转速度，通过旋转，充分检测到圆周的每一个角度。单片机采用ST公司的STM32F103C8T6，这款32位单片机是Cortex M3内核，拥有72MHz最大处理频率、512Kb Flash、64Kb SRAM，丰富的外设功能，基本能满足本设计需求。它在现在的各种电子技术研究方面都有应用，有很多的实用例程可以参考，使用非常方便。采集到的数据通过单片机处理滤波后通过蓝牙模块发送到上位机进行显示。本设计的机械机构图如图1-1所示。图1-1机械结构图第2章 理论基础及设计原理2.1 设计需要的理论基础本设计属于综合性设计，为了实现本次论文的撰写，需要在很多方面有着非常丰富的知识。首先设计系统的机械机构要对机械设计原理有着基本的理解，这样才能很好的设计出合理的机构。在电子方面，要对电路知识有着很深刻的理解，尤其是模电数电知识，同时还需要对单片机掌握的很透彻，不能只限于课本中学过的简单的51单片机，学习单片机最好的方法就是看英文原版手册，这一点也很重要。2.2 超声检测系统基本原理2.2.1超声波介绍能够发出声音的物体产生的振动在空气或者其他介质中传播叫做声波。超声波是一种频率高于20KHZ的声波，它的频率下限大于人耳的听觉上限，是人耳所听不见的一种声波。它有很好的穿透能力，并且有很好的方向性，在水中的传播距离更远，可以用来测量距离，检测损伤部位等。在医学、军事、工业、农业等方面都具有非常广泛的运用。理论研究证明了在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量和振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点的振动频率很高，所以能量也很大。2.2.2超声检测超声检测的原理是因为它能够检测超声波反射回来的回波，每次当超声波从探头发射出来的时候，经过测量的物体，最后接触到管道的分界面时，超声脉冲就会反射回来，形成超声回波，为了确定管道的厚度，就必须要测量出从发出到接收到的时间。如图2-1和图2-2所示。超声波检测探伤技术可以直接测量并且精确计算出损坏具体位置，更好的减小了系统误差并且增强了系统的抗干扰性能，超声波检测探伤技术的出现推动了地下管道检测技术的进一步发展。模拟式超声管道内检测系统的测厚原理之所以能够测量管道的厚度，是因为它能够检测超声波反射回来的回波，每次当超声波从探头发射出来的时候，经过测量的物体，最后接触到管道的分界面时，超声脉冲就会反射回来，形成超声回波，为了确定管道的厚度，就必须要测量出从发出到接收到的时间。超声波能在物体能以一个稳定的速度传播的物质和材料都可以用此原理测量出来，可广泛运用于石油、化工、冶金、造船、航空航天等各个领域，故各种地下管道满足此要求，可以很好的用超声检测测量其管道厚度。模拟式超声管道内检测系统的探伤原理是利
