一種實時高精度acfm裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，包括旋轉(zhuǎn)磁場信號激勵源、ACFM監(jiān)測移動平臺、平臺驅(qū)動電源模塊、位移傳感器、監(jiān)測探頭、信號調(diào)理模塊、鎖相放大模塊、PLC下位機、系統(tǒng)控制子系統(tǒng)和缺陷智能識別子系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)磁場信號激勵源在待測工件表面感應(yīng)出電磁場，監(jiān)測探頭獲取畸變信號，信號調(diào)理模塊對畸變信號進行預(yù)處理，鎖相放大模塊對畸變信號進行矢量檢測，PLC下位機控制自動監(jiān)測平臺，系統(tǒng)控制子系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交流，缺陷智能識別子系統(tǒng)裂紋缺陷進行智能分析及識別。本發(fā)明能實時監(jiān)測鋼結(jié)狀態(tài)，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)缺陷的探測、智能識別、監(jiān)督及預(yù)警，有效地提高了監(jiān)測的可靠性和工程實用性，具有較強的推廣與應(yīng)用價值。
【專利說明】—種實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于交流電磁場監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在生產(chǎn)和使用鋼鐵材料時常會產(chǎn)生腐蝕、裂紋等內(nèi)外表面缺陷，多次發(fā)生因機械裂紋等缺陷導(dǎo)致飛機墜毀、管道破裂和鍋爐爆炸等重大事故。在海洋石油工程領(lǐng)域，海洋平臺和海底管道等設(shè)備長期在惡劣的海洋環(huán)境中服役，較易出現(xiàn)腐蝕、疲勞、斷裂等結(jié)構(gòu)失效。目前電磁無損檢測技術(shù)在這類鋼鐵基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用解決了相當一大部分因缺陷而結(jié)構(gòu)失效的問題，譬如:交流電磁場檢測(ACFM)技術(shù)。然而，單靠人工周期性檢測結(jié)構(gòu)，不但受結(jié)構(gòu)工作環(huán)境的限制，而且并不能充分使用結(jié)構(gòu)的工作壽命，甚至可能出現(xiàn)檢測不完全，從而人為判斷失誤的問題，使得檢測效率及其可靠性偏低，不能滿足現(xiàn)代大型工業(yè)時代的要求。
[0003]ACFM結(jié)構(gòu)裂紋的狀態(tài)監(jiān)測及診斷技術(shù)，綜合計算機技術(shù)，通過安裝在移動設(shè)備上或直接安裝在被檢結(jié)構(gòu)上的傳感器，即時獲取各類傳感器采集的信號，例如位移、磁場信號等，可對結(jié)構(gòu)進行連續(xù)的監(jiān)測，其特點是能監(jiān)測并反演裂紋的成形，并實時監(jiān)視其擴展狀況，提前評估結(jié)構(gòu)安全，實現(xiàn)自動診斷并實時預(yù)警，可靠高效地檢修或替換受損結(jié)構(gòu)，避免因腐蝕、疲勞、斷裂等結(jié)構(gòu)失效造成的重大災(zāi)難，保障鋼材基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全，構(gòu)建結(jié)構(gòu)安全在線監(jiān)測系統(tǒng)。
[0004]ACFM結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測分析技術(shù)包含異常檢測信號的發(fā)現(xiàn)和檢查、裂紋類型和部位的診斷、裂紋形態(tài)的分析與發(fā)展趨勢；并同時包含檢測技術(shù)、信號處理與識別技術(shù)、以太網(wǎng)或串口通訊技術(shù)、預(yù)測技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，旨在解決目前單靠人工周期性交流電磁場檢測鋼材結(jié)構(gòu)，不但受結(jié)構(gòu)工作環(huán)境的限制，而且不能充分使用結(jié)構(gòu)的工作壽命，甚至可能出現(xiàn)檢測不完全，從而人為判斷失誤的問題，使得檢測效率及其可靠性偏低，不能滿足現(xiàn)代大型工業(yè)時代的要求。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容為:一種實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括:
[0007]用于在待監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)表面感應(yīng)出勻速旋轉(zhuǎn)、均強電磁場的旋轉(zhuǎn)磁場信號激勵源；
[0008]用于控制監(jiān)測探頭運動及其監(jiān)測方式，實現(xiàn)自動化監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)表面的ACFM監(jiān)測移動平臺；
[0009]用于驅(qū)動ACFM監(jiān)測移動平臺的平臺驅(qū)動電源模塊；
[0010]用于獲取監(jiān)測探頭的實時位移信號，并對所獲取的位移信號進行輸出的位移傳感器；[0011]用于在待監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)表面進行掃描和固定監(jiān)測，獲取待監(jiān)測結(jié)構(gòu)的表面缺陷引起的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號，并對所獲取的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號進行輸出的監(jiān)測探頭；
[0012]與所述監(jiān)測探頭相連接，用于接收所述監(jiān)測探頭輸出的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號，對旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號進行放大及濾波預(yù)處理，并對預(yù)處理后的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號進行輸出的信號調(diào)理模塊；
[0013]與所述信號調(diào)理模塊相連接，用于接收所述信號調(diào)理模塊預(yù)處理后的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號，對處理后的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號進行互相關(guān)矢量運算，并對操作后所得的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號幅度與對應(yīng)的相位模擬量進行輸出的鎖相放大模塊；
[0014]與所述位移傳感器、鎖相放大模塊相連接，用于接收所述位移傳感器輸出的位移信號、所述鎖相放大模塊輸出的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號，對這些信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換、采集、存儲，用于接收監(jiān)測機構(gòu)控制模塊輸出信號，并將該信號傳遞給電機驅(qū)動裝置的PLC下位機；
[0015]與所述PLC下位機相連接，用于接收所述PLC下位機輸出的旋轉(zhuǎn)磁場畸變及位移信號，對旋轉(zhuǎn)磁場畸變及位移數(shù)字信號進行采集，并根據(jù)監(jiān)測機構(gòu)控制模塊給PLC下位機指令的系統(tǒng)控制子系統(tǒng)；
[0016]與所述系統(tǒng)控制子系統(tǒng)相連接，用于接收所述系統(tǒng)控制子系統(tǒng)采集的旋轉(zhuǎn)磁場畸變及位移數(shù)字信號，對旋轉(zhuǎn)磁場畸變及位移數(shù)字信號進行處理，并對待監(jiān)測結(jié)構(gòu)表面的裂紋狀態(tài)進行實時監(jiān)督、智能分析、識別及缺陷預(yù)警的缺陷智能識別子系統(tǒng)。
[0017]所述旋轉(zhuǎn)磁場信號激勵源采用兩組相互垂直的第一激勵線圈及第二激勵線圈繞制在正交的雙U型磁芯上方，通過信號發(fā)生器、功率放大電路、移相電路分別給第一激勵線圈及第二激勵線圈通入幅值、頻率相同，相位相差90度的正弦交流信號；所述平臺驅(qū)動電源模塊包括，S-250-24開關(guān)電源、用于接收PLC下位機傳遞的監(jiān)測機構(gòu)控制模塊輸出信號的電機驅(qū)動裝置、經(jīng)過電機啟動裝置、電流短路熔斷保護裝置和將電流、轉(zhuǎn)速信號輸出給監(jiān)測移動平臺的第一驅(qū)動電機和第二驅(qū)動電機。
[0018]所述雙U型磁芯采用雙U型錳鋅鐵氧體磁芯；所述信號發(fā)生器的正弦交流信號采用精密函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生；所述移相電路采用RC移相電路，通過改變電阻值，得到與輸入信號大小、頻率相同，但相位相差90度的正弦交流信號。
[0019]所述電機驅(qū)動裝置采用DCM8055/8028，接收PLC下位機輸出的電動機驅(qū)動參數(shù)信號；所述電機啟動裝置采用LclD09...C單個接觸器、電流短路熔斷保護裝置采用RT28N-32X低壓熔斷器，接收所述電機驅(qū)動裝置輸出的電流，啟動電機、對電路短路進行保護。
[0020]所述位移傳感器采用NS-WY06，其結(jié)構(gòu)為兩個拉線式位移傳感器分別固定在兩個步進電機的正下方；所述第一驅(qū)動電機和第二驅(qū)動電機分別布置在相互垂直且在平行水平面上的螺桿上，隨螺桿的旋轉(zhuǎn)在平面內(nèi)各自運動，實時獲取監(jiān)測探頭的位置信息；所述監(jiān)測探頭包括掃描監(jiān)測探頭和固定監(jiān)測探頭，均采用2維陣列結(jié)構(gòu)，其中掃描監(jiān)測探頭采用nxl維模式，固定監(jiān)測探頭采用nxm維模式，n、m是每一個單獨的檢測探頭，為大于等于I的整數(shù)，每一個檢測探頭包含一對正交的磁場水平和垂直分量的檢測線圈。
[0021]所述信號調(diào)理模塊采用前置放大器AD620對旋轉(zhuǎn)磁場畸變模擬信號進行信號放大，采用2階巴特沃斯濾波器進行低通濾波。
[0022]所述PLC下位機采用XCM-32T4-E和XC-E8AD，該獨立的PLC下位機可以方便地實現(xiàn)I/o擴展和同上位機PC連接，有獨立的CPU及控制電路、程序存儲器、I/O接口、通信接口、電源等設(shè)備；該PLC下位機支持Modbus通訊，根據(jù)上位機PC參數(shù)的設(shè)置，讀取旋轉(zhuǎn)磁場畸變模擬信號最低有效位數(shù)據(jù)LSB，并轉(zhuǎn)換為電壓值，將位移、旋轉(zhuǎn)磁場畸變幅度及相位模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，完成一次數(shù)據(jù)采集、存儲；根據(jù)上位機PC的指令，控制ACFM監(jiān)測移動平臺運動路徑。
[0023]所述系統(tǒng)控制子系統(tǒng)進一步包括:數(shù)字信號通訊模塊、監(jiān)測機構(gòu)控制模塊、系統(tǒng)保存模塊、歷史數(shù)據(jù)回放模塊、閾值更新模塊；
[0024]其中數(shù)字信號通訊模塊利用RS232型電纜將PLC下位機連接到裝有LabVIEW的PC上位機的串口上，基于LabVIEW的ModbusASCII通訊方式，利用VISA技術(shù)，設(shè)置串口參數(shù)，按PLC命令幀的格式打包把待發(fā)送的數(shù)據(jù)和指令，發(fā)送命令幀至寫串口，延時等待PLC的應(yīng)答幀到達讀串口，讀取并解包PLC的應(yīng)答幀，得到位移、旋轉(zhuǎn)磁場畸變幅度及相位數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)交換。
[0025]所述缺陷智能識別子系統(tǒng)進一步包括:
[0026]與所述數(shù)字信號通訊模塊相連接，用于接收所述數(shù)字信號通訊模塊輸出的旋轉(zhuǎn)磁場畸變、位移數(shù)字信號，對旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號進行數(shù)字IIR濾波的數(shù)字信號處理模塊；
[0027]與所述數(shù)字信號處理模塊相連接，為下述自動診斷模塊智能設(shè)置監(jiān)測閾值的閾值設(shè)定模塊；
[0028]與所述閾值設(shè)定模塊相連接，用于接收所述數(shù)字信號處理模塊輸出的旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號，基于閾值設(shè)定模塊的監(jiān)測閾值對旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號進行連續(xù)N次判別并輸出保存符合要求的旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號的自動診斷模塊；
[0029]與所述自動診斷模塊相連接，用于接收所述自動診斷模塊輸出的符合要求的旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號對待監(jiān)測結(jié)構(gòu)的表面缺陷的進行識別的缺陷智能識別模塊；
[0030]與所述缺陷智能識別模塊相連接，用于接受缺陷智能識別模塊的信息并保存的缺陷保存模塊；
[0031]與所述缺陷保存模塊相連接，根據(jù)損傷容限設(shè)計思想，用于接受缺陷保存模塊輸出的裂紋長度，根據(jù)裂紋長度計算結(jié)構(gòu)的剩余強度，確定待監(jiān)測結(jié)構(gòu)的檢查周期，設(shè)置裂紋預(yù)警參數(shù):高高報、高報、低報、低低報、波動上限，實時分級預(yù)警的缺陷預(yù)警模塊。
[0032]所述數(shù)字信號處理模塊選用8階巴特沃斯濾波器對旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號進行濾波處理；所述閾值設(shè)定模塊采用虛警概率確定監(jiān)測閾值，采用LabVIEW設(shè)計用戶圖形界面和接口，MATLAB在后臺提供閾值設(shè)定算法程序供LabVIEW調(diào)用，調(diào)用方式選用MATLABScript節(jié)點方式；所述自動診斷模塊根據(jù)連續(xù)N次判據(jù):N個數(shù)據(jù)與監(jiān)測閾值比較，連續(xù)N次在監(jiān)測閾值范圍內(nèi)；自動探測缺陷始末位置，同步保存閾值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，實時二維彩色圖實時圖形顯示缺陷信息及采集的數(shù)據(jù)信號波形圖顯示；所述缺陷智能識別模塊中ACFM監(jiān)測的缺陷智能可視化反演采用LabVIEW和MATLAB混合編程的方法實現(xiàn)，分析提取所述自動診斷模塊同步保存數(shù)據(jù)里的極值特征點，采用LabVIEW設(shè)計用戶圖形界面和接口，MATLAB在后臺提供缺陷智能量化和可視化算法程序供LabVIEW調(diào)用，調(diào)用方式選用MATLABScript 節(jié)點方式。
[0033]本發(fā)明的有益效果為:提供的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)θ我怃撹F結(jié)構(gòu)表面裂紋進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)了脫離人工、連續(xù)或周期性地對裂紋成形及擴展過程的監(jiān)控，有效地提高了監(jiān)測效率和可靠性，具有較強的推廣與應(yīng)用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明實施例提供的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0035]圖2是本發(fā)明實施例提供的旋轉(zhuǎn)磁場信號激勵源某時刻在待測工件中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場分布圖。
[0036]圖3是本發(fā)明實施例提供的移相電路的原理接線圖。
[0037]圖4是本發(fā)明實施例提供的測試裂紋曲線結(jié)果以及報警示例圖。
[0038]圖5是本發(fā)明實施例提供的軟件設(shè)計框圖。
[0039]圖6是本發(fā)明實施例提供的自動診斷模塊流程圖。
[0040]圖7是本發(fā)明實施例提供的監(jiān)測移動平臺結(jié)構(gòu)圖。
[0041]圖8是本發(fā)明實施例提供的監(jiān)測移動平臺移動結(jié)構(gòu)圖。
[0042]其中:11、旋轉(zhuǎn)磁場信號激勵源；111、信號發(fā)生器；112、功率放大電路；113、移相電路；114、第一激勵線圈；115、第二激勵線圈；116、雙U型磁芯；12、監(jiān)測探頭；13、位移傳感器；14、信號調(diào)理模塊；15、鎖相放大模塊；16、PLC下位機；161、PLC與采集卡通訊模塊；162、PLC移動平臺控制模塊；17、系統(tǒng)控制子系統(tǒng)；171、數(shù)字信號通訊模塊；172、系統(tǒng)保存模塊；173、歷史數(shù)據(jù)回放模塊；174閾值更新模塊；175監(jiān)測機構(gòu)控制模塊；18缺陷智能識別子系統(tǒng)；181、數(shù)字信號處理模塊；182、閾值設(shè)定模塊；183、自動診斷模塊；184、缺陷智能識別模塊；185、缺陷保存模塊；186缺陷預(yù)警模塊；19、監(jiān)測移動平臺；20、平臺驅(qū)動電源模塊；201、開關(guān)電源；202、電機驅(qū)動裝置；203、電機啟動裝置；204、電流短路熔斷保護裝置；
1、第一驅(qū)動電機；2、第一位移傳感器；3、螺桿；4、移動導(dǎo)軌；5、第一下導(dǎo)軌支撐結(jié)構(gòu)；6、第二下導(dǎo)軌支撐結(jié)構(gòu)；7、第二驅(qū)動電機；8、第二位移傳感器；9、第一連接塊10、第二連接塊；22、監(jiān)測裝置支架。
【具體實施方式】
[0043]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。
[0044]圖1示出了本發(fā)明實施例提供的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分。
[0045]下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進一步描述。
[0046]本發(fā)明的目的是提供一種實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)表面的裂紋進行實時監(jiān)測并預(yù)警，并給出用于系統(tǒng)控制、缺陷智能判別的軟件模塊設(shè)計，正交的在雙U型磁芯116頂部繞制兩組垂直的第一激勵線圈114及第二激勵線圈115，分別通入幅值、頻率相同、相位相差90度的正弦交流信號，在待測鋼結(jié)構(gòu)表面感應(yīng)出勻速旋轉(zhuǎn)的均強電磁場，當鋼結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)缺陷時，監(jiān)測探頭12都能夠有效拾取畸變磁場信號，經(jīng)過信號調(diào)理和采集，并通過鎖相放大模塊15提取相位信息，由PLC下位機16將監(jiān)測探頭12及位移傳感器13采集的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入系統(tǒng)控制子系統(tǒng)17，進入缺陷智能識別子系統(tǒng)18，并通過缺陷智能識別模塊184對缺陷進行實時判別，從而實時監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)表面裂紋的成形與擴展并進行智能預(yù)警，達到鋼材大型結(jié)構(gòu)的無人自動化監(jiān)測，提高鋼結(jié)構(gòu)缺陷監(jiān)測效率、可靠性和工程實用性。
[0047]本發(fā)明基于實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括旋轉(zhuǎn)磁場激勵源11、監(jiān)測探頭12、位移傳感器13、信號調(diào)理模塊14、鎖相放大模塊15、PLC下位機16 ;旋轉(zhuǎn)磁場激勵源中的信號發(fā)生器111采用精密函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生一定幅值頻率的正弦交流信號，經(jīng)功率放大電路112和移相電路113形成兩路幅值、頻率相同，相位相差90的正弦交流信號，分別通入繞制在正交的雙U型磁芯116上方的兩組相互垂直的第一激勵線圈114及第二激勵線圈115，從而產(chǎn)生方向勻速旋轉(zhuǎn)的均勻感應(yīng)磁場，克服了感應(yīng)電流方向?qū)α鸭y角度的限制，某時刻旋轉(zhuǎn)磁場分布如圖2所示。移相電路113的設(shè)計是基于RC移相電路113在一定頻率下，電阻值的改變直接影響輸入和輸出信號的相位差的特點，具體的電路圖如圖3所示，監(jiān)測探頭12采用二維陣列排列，提取工件表面裂紋附件的磁場信號，并以電壓的形式輸出，經(jīng)信號調(diào)理模塊14進行放大和濾波等前期預(yù)處理，通過鎖相放大模塊15提取出完整的磁場信號，由PLC與采集卡通訊模塊161將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入系統(tǒng)控制子系統(tǒng)17、缺陷智能識別子系統(tǒng)18進行處理分析，根據(jù)監(jiān)測到的鋼結(jié)構(gòu)狀態(tài)將系統(tǒng)控制信息給平臺驅(qū)動電源模塊20，從而控制監(jiān)測移動平臺19。
[0048]系統(tǒng)控制子系統(tǒng)17是建立在LabVIEW環(huán)境下，實現(xiàn)信號采集，系統(tǒng)缺陷庫存儲，歷史數(shù)據(jù)回調(diào)，監(jiān)測閾值更新以及ACFM監(jiān)測移動平臺控制等功能，主要包括以下幾個部分:
[0049]a、數(shù)字信號通訊模塊171:利用RS232型電纜將PLC下位機連接到裝有LabVIEW的PC上位機的串口上，基于LabVIEW的ModbusASCII通訊方式，利用VISA技術(shù)，設(shè)置串口參數(shù)，按PLC命令幀的格式打包把待發(fā)送的數(shù)據(jù)和指令，發(fā)送命令幀至寫串口，延時等待PLC的應(yīng)答幀到達讀串口，讀取并解包PLC的應(yīng)答幀，得到位移、旋轉(zhuǎn)磁場畸變幅度及相位數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)交換。
[0050]b、系統(tǒng)保存模塊172:與缺陷保存模塊185相連接，用于接缺陷保存模塊185的信息，并將缺陷保存模塊185信息存進系統(tǒng)缺陷據(jù)庫。
[0051]C、歷史數(shù)據(jù)回放模塊173:與系統(tǒng)保存模塊172相連接，根據(jù)外設(shè)輸入指令以txt格式系統(tǒng)調(diào)出所需結(jié)構(gòu)監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)。
[0052]d、閾值更新模塊174:與閾值設(shè)定模塊182相連接，用于接受系統(tǒng)保存模塊172的信息，定時更新監(jiān)測閾值。
[0053]e、監(jiān)測機構(gòu)控制模塊175:與缺陷預(yù)警模塊186相連接，用于接受缺陷預(yù)警模塊186的預(yù)警參數(shù)，根據(jù)預(yù)警參數(shù)判斷監(jiān)測移動平臺操作模式，并將控制指令傳遞給數(shù)字信號通訊模塊171。監(jiān)測策略為:上次監(jiān)測的結(jié)果將作為確定下次監(jiān)測判別的依據(jù)。根據(jù)預(yù)警信號，判斷監(jiān)測移動平臺操作模式:掃描監(jiān)測、固定監(jiān)測。提出了根據(jù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)確定掃描監(jiān)測速度(啟動間隔)及固定監(jiān)測位置的優(yōu)先級的方法，即:預(yù)警參數(shù)高的位置將具有較高的優(yōu)先級，在總線“多主競爭”的情況下將優(yōu)先得到處理，實現(xiàn)重點部位的重點監(jiān)測。
[0054]缺陷智能識別子系統(tǒng)18是建立在LabVIEW環(huán)境下，嵌入Matlab語言程序節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)字信號處理，監(jiān)測閾值設(shè)定，ACFM缺陷自動診斷、智能識別及預(yù)警等功能，主要包括以下幾個部分:
[0055]a、數(shù)字信號處理模塊181:數(shù)字信號處理模塊181包括數(shù)字IIR濾波，根據(jù)理論分析和實驗研究，數(shù)字濾波器選用8階巴特沃斯濾波器。
[0056]b、閾值設(shè)定模塊182:閾值設(shè)定模塊采用虛警概率確定監(jiān)測閾值，采用LabVIEW設(shè)計用戶圖形界面和接口，MATLAB在后臺提供閾值設(shè)定算法程序供LabVIEW調(diào)用，調(diào)用方式選用MATLABScript節(jié)點方式(Bx功率譜〈10 ；Bz功率譜〈O)。
[0057]C、自動診斷模塊183，如圖6所示:根據(jù)連續(xù)N次判據(jù):N個數(shù)據(jù)與監(jiān)測閾值比較，連續(xù)N次在監(jiān)測閾值范圍內(nèi)。自動探測缺陷始末位置，同步保存閾值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，實時二維彩色圖實時圖形顯示缺陷信息及采集的數(shù)據(jù)信號波形圖顯示(當X和Z方向的磁場強度曲線圖與檢測原理相符，才能識別該位置存在缺陷)。
[0058]d、缺陷智能識別模塊184:鑒于MATLAB語言在數(shù)值計算和分析方面的獨特優(yōu)勢，模塊中ACFM監(jiān)測的缺陷智能可視化反演采用LabVIEW和MATLAB混合編程的方法實現(xiàn)，充分發(fā)揮兩種語言各自的優(yōu)勢，分析提取所述自動診斷模塊同步保存數(shù)據(jù)里的極值特征點，采用LabVIEW設(shè)計用戶圖形界面和接口，MATLAB在后臺提供缺陷智能量化和可視化算法程序供LabVIEW調(diào)用，調(diào)用方式選用MATLABScript節(jié)點方式。
[0059]e、缺陷保存模塊185:與缺陷智能識別模塊184相連接，用于接受缺陷智能識別模塊184的信息并保存。
[0060]f、缺陷預(yù)警模塊186:與缺陷保存模塊185相連接，根據(jù)損傷容限設(shè)計思想，用于接受缺陷保存模塊185輸出的裂紋長度，根據(jù)裂紋長度計算結(jié)構(gòu)的剩余強度，確定待監(jiān)測結(jié)構(gòu)的檢查周期，設(shè)置裂紋預(yù)警參數(shù):高高報、高報、低報、低低報、波動上限，實時分級預(yù)警。5、第一下導(dǎo)軌支撐結(jié)構(gòu)；6、第二下導(dǎo)軌支撐結(jié)構(gòu)；7、第二驅(qū)動電機；8、第二位移傳感器；9、第一連接塊10、第二連接塊；
[0061]利用實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測低碳鋼薄板表面隨機位置的裂紋，將掃描監(jiān)測探頭安裝在圖7的監(jiān)測裝置支架22上，下位機PLC16根據(jù)兩個拉線式第一位移傳感器2、第二位移傳感器8分別給其對應(yīng)上方的第一驅(qū)動電機1、第二驅(qū)動電機7運轉(zhuǎn)指令，從而分別驅(qū)動兩相互垂直且在平行水平面上的螺桿3，進而監(jiān)測裝置支架按預(yù)設(shè)路徑沿附圖8所示的兩相互垂直的移動導(dǎo)軌4進行掃描監(jiān)測:上導(dǎo)軌與監(jiān)測移動平臺框架焊接，下導(dǎo)軌靠第一、第二下導(dǎo)軌支撐結(jié)構(gòu)固定其在監(jiān)測移動平臺框架上的垂直位置，第二下導(dǎo)軌支撐結(jié)構(gòu)6為一圓柱型鋼管，其鑲嵌在監(jiān)測移動平臺框架里，第一下導(dǎo)軌支撐結(jié)構(gòu)5的中心圓柱孔可沿第二下導(dǎo)軌支撐結(jié)構(gòu)6滑動，兩導(dǎo)軌側(cè)面均開有一定長度的凹槽，用以裝配對應(yīng)的連接塊10，監(jiān)測裝置支架靠第二連接塊10沿下導(dǎo)軌移動，下導(dǎo)軌靠第一連接塊9沿上導(dǎo)軌移動，第一連接塊9與下導(dǎo)軌用螺紋聯(lián)結(jié)固定，以驗證本系統(tǒng)對鋼結(jié)構(gòu)表面裂紋的實時監(jiān)測測能力，本次以25°和60°為例進行闡述。
[0062]該ACFM監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由旋轉(zhuǎn)磁場激勵源信號發(fā)生器111、功率放大電路112、移相電路113、雙U型磁芯116、第一激勵線圈114、第二激勵線圈115、監(jiān)測探頭
12、位移傳感器13、信號調(diào)理模塊14、鎖相放大模塊15、PLC下位機16PLC與采集卡通訊模塊161、PLC移動平臺控制模塊162、系統(tǒng)控制子系統(tǒng)17、缺陷智能識別子系統(tǒng)18、監(jiān)測移動平臺19及平臺驅(qū)動電源模塊20開關(guān)電源201、電機驅(qū)動裝置202、電機啟動裝置203、電流短路熔斷保護裝置204組成。
[0063]旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生:利用穩(wěn)壓電源為精密函數(shù)發(fā)生器ICL8038供電，產(chǎn)生幅值為IV、頻率為6KHz的正弦交流信號，該信號經(jīng)過功率放大電路112及移相電路113后，形成兩路相位相差90度、幅值和頻率相同的正弦信號，分別通入繞制在正交雙U型磁芯116的第一激勵線圈114及第二激勵線圈115上，從而在鋼結(jié)構(gòu)表面上感應(yīng)出勻速旋轉(zhuǎn)的勻強磁場，旋轉(zhuǎn)磁場具有磁場方向隨時間成周期性旋轉(zhuǎn)，但磁場強度不隨時間變化的優(yōu)點。
[0064]缺陷信號提取和前處理:將監(jiān)測探頭12按預(yù)設(shè)路徑掃描，利用監(jiān)測探頭12分別提取鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷附件的磁場信號，并以電壓的形式輸出，接入信號調(diào)理電路中進行放大和濾波，完成前期模擬信號的前處理，再經(jīng)鎖相放大模塊15提取磁場相位信息，由PLC下位機16將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入系統(tǒng)控制子系統(tǒng)17，在經(jīng)缺陷智能識別子系統(tǒng)18中分析，自動實時智能判別缺陷并監(jiān)督缺陷的擴展狀態(tài)。
[0065]自動診斷:當缺陷數(shù)字信號進入缺陷智能識別子系統(tǒng)18后，首先由數(shù)字信號處理模塊181進行數(shù)字IIR濾波，利用閾值設(shè)定模塊182將數(shù)據(jù)進行N次連續(xù)判據(jù)診斷，自動探測缺陷始末位置，同步保存閾值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，實時二維彩色圖實時圖形顯示缺陷信息、采集的數(shù)據(jù)信號波形圖顯示、磁場密度曲線和蝶形圖，當連續(xù)N次數(shù)據(jù)在監(jiān)測閾值范圍內(nèi)則表面存在缺陷，這樣就實現(xiàn)對缺陷的自動診斷，測試裂紋曲線結(jié)果以及報警示意如圖4所
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[0066]通過大量監(jiān)測實驗發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)督鋼結(jié)構(gòu)表面裂紋的成形與擴展并進行智能預(yù)警，達到鋼材大型結(jié)構(gòu)的無人自動化監(jiān)測，提高鋼結(jié)構(gòu)缺陷監(jiān)測效率和工程實用性。
[0067]本發(fā)明實施例提供的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)磁場信號激勵源11在待測鋼結(jié)構(gòu)表面感應(yīng)出勻速旋轉(zhuǎn)、均強電磁場，監(jiān)測探頭12在待測鋼結(jié)構(gòu)的表面進行掃描及固定監(jiān)測，獲取待測鋼結(jié)構(gòu)的表面缺陷引起的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號，并對所獲取的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號進行輸出，信號調(diào)理模塊14接收監(jiān)測探頭12輸出的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號,對旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號進行放大及濾波預(yù)處理，并對預(yù)處理后的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號進行輸出，再經(jīng)鎖相放大模塊15提取磁場相位信息，由PLC下位機16將監(jiān)測探頭12及位移傳感器13采集的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入系統(tǒng)控制子系統(tǒng)17，在經(jīng)缺陷智能識別子系統(tǒng)18對旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號進行處理，并對待測鋼結(jié)構(gòu)表面的裂紋缺陷進行實時判別與智能分析、識別，根據(jù)監(jiān)測到的鋼結(jié)構(gòu)狀態(tài)將系統(tǒng)控制信息給平臺驅(qū)動電源模塊20，進而控制監(jiān)測移動平臺19，自動實時智能判別缺陷并監(jiān)督缺陷的擴展狀態(tài)。
[0068]以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:該ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括: 用于在待監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)表面感應(yīng)出勻速旋轉(zhuǎn)、均強電磁場的旋轉(zhuǎn)磁場信號激勵源(11)； 用于控制監(jiān)測探頭運動及其監(jiān)測方式，實現(xiàn)自動化監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)表面的ACFM監(jiān)測移動平臺(19)； 用于驅(qū)動ACFM監(jiān)測移動平臺的平臺驅(qū)動電源模塊(20)； 用于獲取監(jiān)測探頭的實時位移信號，并對所獲取的位移信號進行輸出的位移傳感器(13)； 用于在待監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)表面進行掃描和固定監(jiān)測，獲取待監(jiān)測結(jié)構(gòu)的表面缺陷引起的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號，并對所獲取的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號進行輸出的監(jiān)測探頭(12)； 與所述監(jiān)測探頭(12)相連接，用于接收所述監(jiān)測探頭(12)輸出的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號，對旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號進行放大及濾波預(yù)處理，并對預(yù)處理后的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號進行輸出的信號調(diào)理模塊(14)； 與所述信號調(diào)理模塊(14)相連接，用于接收所述信號調(diào)理模塊(14)預(yù)處理后的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號，對處理后的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號進行互相關(guān)矢量運算，并對操作后所得的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號幅度與對應(yīng)的相位模擬量進行輸出的鎖相放大模塊(15)； 與所述位移傳感器(13)、鎖相放大模塊(15)相連接，用于接收所述位移傳感器(13)輸出的位移信號、所述鎖相放大模塊(15)輸出的旋轉(zhuǎn)磁場畸變信號，對這些信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換、采集、存儲，用于接收監(jiān)測機構(gòu)控制模塊(175)輸出信號，并將該信號傳遞給電機驅(qū)動裝置(202)的PLC下位機(16)； 與所述PLC下位機(16)相連接，用于接收所述PLC下位機(16)輸出的旋轉(zhuǎn)磁場畸變及位移信號，對旋轉(zhuǎn)磁場畸變及位移數(shù)字信號進行采集，并根據(jù)監(jiān)測機構(gòu)控制模塊(175)給PLC下位機(16)指令的系統(tǒng)控制子系統(tǒng)(17)； 與所述系統(tǒng)控制子系統(tǒng)(17)相連接，用于接收所述系統(tǒng)控制子系統(tǒng)(17)采集的旋轉(zhuǎn)磁場畸變及位移數(shù)字信號，對旋轉(zhuǎn)磁場畸變及位移數(shù)字信號進行處理，并對待監(jiān)測結(jié)構(gòu)表面的裂紋狀態(tài)進行實時監(jiān)督、智能分析、識別及缺陷預(yù)警的缺陷智能識別子系統(tǒng)(18)。
2.如權(quán)利要求1所述的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述旋轉(zhuǎn)磁場信號激勵源(11)采用兩組相互垂直的第一激勵線圈(114)及第二激勵線圈(115)繞制在正交的雙U型磁芯上方，通過信號發(fā)生器(111)、功率放大電路(112)、移相電路(113)分別給第一激勵線圈(114)及第二激勵線圈(115)通入幅值、頻率相同，相位相差90度的正弦交流信號；所述平臺驅(qū)動電源模塊(20)包括，S-250-24開關(guān)電源(201)、用于接收PLC下位機(16)傳遞的監(jiān)測機構(gòu)控制模塊(175)輸出信號的電機驅(qū)動裝置(202)、經(jīng)過電機啟動裝置(203)、電流短路熔斷保護裝置(204)和將電流、轉(zhuǎn)速信號輸出給監(jiān)測移動平臺(19)的第一驅(qū)動電機⑴和第二驅(qū)動電機(7)。
3.如權(quán)利要求2所述的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述雙U型磁芯采用雙U型錳鋅鐵氧體磁芯；所述信號發(fā)生器(111)的正弦交流信號采用精密函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生；所述移相電路(113)采用RC移相電路，通過改變電阻值，得到與輸入信號大小、頻率相同，但相位相差90度的正弦交流信號。
4.如權(quán)利要求2所述的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述電機驅(qū)動裝置(202)采用DCM8055/8028，接收PLC下位機(16)輸出的電動機驅(qū)動參數(shù)信號；所述電機啟動裝置(203)采用LclD09...C單個接觸器、電流短路熔斷保護裝置(204)采用RT28N-32X低壓熔斷器，接收所述電機驅(qū)動裝置(202)輸出的電流，啟動電機、對電路短路進行保護。
5.如權(quán)利要求1所述的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述位移傳感器(13)采用NS-WY06，其結(jié)構(gòu)為兩個拉線式位移傳感器分別固定在兩個步進電機的正下方；所述第一驅(qū)動電機(I)和第二驅(qū)動電機(7)分別布置在相互垂直且在平行水平面上的螺桿(3)上，隨螺桿(3)的旋轉(zhuǎn)在平面內(nèi)各自運動，實時獲取監(jiān)測探頭(12)的位置信息；所述監(jiān)測探頭(12)包括掃描監(jiān)測探頭和固定監(jiān)測探頭，均采用2維陣列結(jié)構(gòu)，其中掃描監(jiān)測探頭采用nxl維模式，固定監(jiān)測探頭采用nxm維模式，n、m是每一個單獨的檢測探頭，為大于等于I的整數(shù)，每一個檢測探頭包含一對正交的磁場水平和垂直分量的檢測線圈。
6.如權(quán)利要求1所述的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述信號調(diào)理模塊(14)采用前置放大器AD620對旋轉(zhuǎn)磁場畸變模擬信號進行信號放大，采用2階巴特沃斯濾波器進行低通濾波。
7.如權(quán)利要求1所述的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述PLC下位機(16)采用XCM-32T4-E和XC-E8AD，該獨立的PLC下位機(16)可以方便地實現(xiàn)I/O擴展和同上位機PC連接，有獨立的CPU及控制電路、程序存儲器、I/O接口、通信接口、電源等設(shè)備；該PLC下位機(16)支持Modbus通訊，根據(jù)上位機PC參數(shù)的設(shè)置，讀取旋轉(zhuǎn)磁場畸變模擬信號最低有效位數(shù)據(jù)LSB，并轉(zhuǎn)換為電壓值，將位移、旋轉(zhuǎn)磁場畸變幅度及相位模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，完成一次數(shù)據(jù)采集、存儲；根據(jù)上位機PC的指令，控制ACFM監(jiān)測移動平臺(19)運動路徑。
8.如權(quán)利要求1所述 的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)控制子系統(tǒng)進一步包括:數(shù)字信號通訊模塊(171)、監(jiān)測機構(gòu)控制模塊(175)、系統(tǒng)保存模塊(172)、歷史數(shù)據(jù)回放模塊(173)、閾值更新模塊(174)； 其中數(shù)字信號通訊模塊(171)利用RS232型電纜將PLC下位機(16)連接到裝有LabVIEff的PC上位機的串口上，基于LabVIEW的ModbusASCII通訊方式，利用VISA技術(shù)，設(shè)置串口參數(shù)，按PLC命令幀的格式打包把待發(fā)送的數(shù)據(jù)和指令，發(fā)送命令幀至寫串口，延時等待PLC的應(yīng)答幀到達讀串口，讀取并解包PLC的應(yīng)答幀，得到位移、旋轉(zhuǎn)磁場畸變幅度及相位數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)交換。
9.如權(quán)利要求1所述的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述缺陷智能識別子系統(tǒng)(18)進一步包括: 與所述數(shù)字信號通訊模塊(171)相連接，用于接收所述數(shù)字信號通訊模塊(171)輸出的旋轉(zhuǎn)磁場畸變、位移數(shù)字信號，對旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號進行數(shù)字IIR濾波的數(shù)字信號處理模塊(181)； 與所述數(shù)字信號處理模塊(181)相連接，為下述自動診斷模塊(183)智能設(shè)置監(jiān)測閾值的閾值設(shè)定模塊(182)； 與所述閾值設(shè)定模塊(182)相連接，用于接收所述數(shù)字信號處理模塊(181)輸出的旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號，基于閾值設(shè)定模塊(182)的監(jiān)測閾值對旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號進行連續(xù)N次判別并輸出保存符合要求的旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號的自動診斷模塊(183)；與所述自動診斷模塊(183)相連接，用于接收所述自動診斷模塊(183)輸出的符合要求的旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號對待監(jiān)測結(jié)構(gòu)的表面缺陷的進行識別的缺陷智能識別模塊(184)； 與所述缺陷智能識別模塊(184)相連接，用于接受缺陷智能識別模塊(184)的信息并保存的缺陷保存模塊(185)； 與所述缺陷保存模塊(185)相連接，根據(jù)損傷容限設(shè)計思想，用于接受缺陷保存模塊(185)輸出的裂紋長度，根據(jù)裂紋長度計算結(jié)構(gòu)的剩余強度，確定待監(jiān)測結(jié)構(gòu)的檢查周期，設(shè)置裂紋預(yù)警參數(shù):高高報、高報、低報、低低報、波動上限，實時分級預(yù)警的缺陷預(yù)警模塊(186)。
10.如權(quán)利要求9所述的實時高精度ACFM裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)字信號處理模塊(181)選用8階巴特沃斯濾波器對旋轉(zhuǎn)磁場畸變數(shù)字信號進行濾波處理；所述閾值設(shè)定模塊(182)采用虛警概率確定監(jiān)測閾值，采用LabVIEW設(shè)計用戶圖形界面和接口，MATLAB在后臺提供閾值設(shè)定算法程序供LabVIEW調(diào)用，調(diào)用方式選用MATLABScript節(jié)點方式；所述自動診斷模塊(183)根據(jù)連續(xù)N次判據(jù):N個數(shù)據(jù)與監(jiān)測閾值比較，連續(xù)N次在監(jiān)測閾值范圍內(nèi)；自動探測缺陷始末位置，同步保存閾值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，實時二維彩色圖實時圖形顯示缺陷信息及采集的數(shù)據(jù)信號波形圖顯示；所述缺陷智能識別模塊(184)中ACFM監(jiān)測的缺陷智能可視化反演采用LabVIEW和MATLAB混合編程的方法實現(xiàn)，分析提取所述自動診斷模塊同步保存數(shù)據(jù)里的極值特征點，采用LabVIEW設(shè)計用戶圖形界面和接口，MATLAB在后臺提 供缺陷智能量化和可視化算法程序供LabVIEW調(diào)用，調(diào)用方式選用MATLABScript 節(jié)點方式。
【文檔編號】G01N27/82GK104007171SQ201410227673
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】李偉, 陳國明, 屈萌 申請人:中國石油大學(xué)(華東)