鄭華林，馮一夫，潘盛湖

（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500）

金屬管道常用于各種環(huán)境惡劣地區(qū)的原料輸送。由于外部環(huán)境的影響，金屬管道外壁易出現(xiàn)老化或腐蝕現(xiàn)象，使得其服役時長縮短，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)裂紋或變形，直接導(dǎo)致金屬管道無法正常工作。若無法及時、有效地檢測出金屬管道因環(huán)境影響而產(chǎn)生的缺陷并進(jìn)行維護(hù)，則會引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，例如天然氣管道泄漏、油氣管道爆炸等。這不僅會導(dǎo)致資源浪費(fèi)，而且會對自然環(huán)境造成嚴(yán)重污染，甚至對人們的生命安全產(chǎn)生巨大威脅。因此，選擇一種較為便捷、準(zhǔn)確的檢測方法對金屬管道進(jìn)行檢測是至關(guān)重要的。目前，常用的金屬管道無損檢測方法有超聲波檢測、射線檢測和漏磁檢測等。但是，對于不同的檢測條件和惡劣的地理環(huán)境，有些無損檢測方法并不完全適用，例如磁粉檢測（magnetic particle testing，MT）在檢測前須先對金屬管道充磁，檢測完再退磁，且磁粉探傷儀器體積大，不便于攜帶，操作煩瑣，從而導(dǎo)致檢測工作量大?；诖?，周鶴[1]采用磁通門傳感器設(shè)計了基于μCOS（micro control operation system，微控操作系統(tǒng)）內(nèi)核的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提高了數(shù)據(jù)采集的效率和對實(shí)時需求的適應(yīng)性，但因受限于磁通門復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)便攜和戶外檢測方面可能存在一些困難。李坤等[2]采用PC104工控機(jī)和DM7520數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計了一種在線漏磁信號采集系統(tǒng)，并提出了小波分辨率分析方法，保證了數(shù)據(jù)的完整性和無損采集，但從設(shè)計的角度來看，該系統(tǒng)的搭建成本較高，在性價比方面可能需要進(jìn)一步優(yōu)化。陳薇[3]基于脈沖渦流檢測技術(shù)提出了一種金屬管道檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案，實(shí)現(xiàn)了對金屬管道檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時提取和分析，但是由于脈沖渦流檢測所特有的提離效應(yīng)，使得檢測結(jié)果在精度上存在偏差。陸鵬等[4]利用HMC1021磁阻傳感器和AT89C2051控制器，實(shí)現(xiàn)了對地磁信號的二維采集，但在傳感器精度方面須稍作改進(jìn)，且數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計也有必要進(jìn)行一定的優(yōu)化。

為此，筆者以HMC1001、HMC1002磁阻傳感器為數(shù)據(jù)采集探頭，以STM32F407芯片為核心控制器，設(shè)計了一套弱磁信號采集系統(tǒng)，旨在將高精度的傳感器應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[5]，以實(shí)現(xiàn)檢測工序的簡化、降低成本以及三軸磁信號采集和戶外檢測[6]。

1 弱磁信號采集系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 弱磁信號采集原理

選用合適的磁阻傳感器，基于鐵磁構(gòu)件在磁場中發(fā)生變化的各向異性磁阻效應(yīng)來對磁信號進(jìn)行采集。各向異性磁阻效應(yīng)是指：磁性材料具有的各向異性使得其磁化方向由自身的易磁化軸、形狀和磁場方向決定[7]。當(dāng)外加磁場的方向偏離強(qiáng)磁性材料內(nèi)部的磁化方向時，強(qiáng)磁性材料的電阻減小，但當(dāng)外加磁場的方向與強(qiáng)磁性材料內(nèi)部的磁化方向平行時，其電阻幾乎無變化。磁阻傳感器的核心元件是惠斯頓電橋，如圖1所示。電橋中4個電阻（R1、R2、R3和R4）的初始阻值相等。當(dāng)電橋的輸入電壓為Ui且存在外加磁場時，電橋中4個電阻的阻值發(fā)生變化，從而導(dǎo)致輸出電壓Uo改變。在一定范圍內(nèi)，輸出電壓Uo與被測磁場強(qiáng)度成正比。根據(jù)這一原理，可對金屬管道的弱磁信號進(jìn)行采集與分析。

圖1 磁阻傳感器的信號采集原理Fig.1 Signal acquisition principle of magnetoresistive sensor

1.2 總體方案設(shè)計

基于弱磁信號檢測技術(shù)，設(shè)計了弱磁信號采集系統(tǒng)，其主要由供電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)分析模塊組成，如圖2所示。

圖2 弱磁信號采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of weak magnetic signal acquisition system

弱磁信號采集系統(tǒng)有四大模塊。

1）供電模塊。基于便攜理念，采用20 V的移動電源來供電，方便用于戶外的管道檢測。

2）數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊主要用于采集金屬管道的弱磁信號并進(jìn)行濾波放大處理，采集的信號經(jīng)通信接口傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊。但在傳入數(shù)據(jù)處理模塊前，弱磁信號須進(jìn)行A/D（analog to digital，模數(shù)）轉(zhuǎn)換。

3）數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)弱磁信號的接收、處理、儲存和傳輸?shù)热蝿?wù)[8]，并通過通信接口將儲存的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)分析模塊（即上位機(jī)）。

4）數(shù)據(jù)分析模塊。該模塊以上位機(jī)軟件為核心，負(fù)責(zé)對接收到的弱磁信號進(jìn)行分析和后處理，并進(jìn)行缺陷的定量分析。

2 弱磁信號采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

由于金屬管道的磁信號非常微弱，在對弱磁信號進(jìn)行采集時，須采用高精度的磁阻傳感器。本文選用Honeywell公司生產(chǎn)的HMC1001、HMC1002磁阻傳感器[9-10]，該類傳感器可將磁場轉(zhuǎn)換成差分輸出電壓，并能檢測到磁場強(qiáng)度低至3×10-9T的磁場[11]，非常適合用于弱磁信號的采集?；贖MC1001、HMC1002磁阻傳感器構(gòu)建三軸數(shù)據(jù)采集模塊，其數(shù)據(jù)采集方向如圖3所示。

圖3 三軸數(shù)據(jù)采集方向示意Fig.3 Schematic diagram of three-axis data acquisition direction

由于采集到的磁信號較為微弱且存在一些干擾信號[12]，在數(shù)據(jù)采集模塊中設(shè)計了相應(yīng)的濾波放大電路來對弱磁信號進(jìn)行有源濾波和放大，以使采集到的信號更為平滑。所設(shè)計的濾波放大電路圖如圖4所示。經(jīng)過濾波放大處理后的弱磁信號通過RS232接口傳輸給STM32F407芯片，以進(jìn)行信號的二次處理。此外，數(shù)據(jù)采集模塊具有置位/復(fù)位功能，由STM32F407芯片激發(fā)，以保證磁阻傳感器的精度和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性[13]，對應(yīng)的電路圖如圖5所示。

圖4 濾波放大電路圖Fig.4 Filter and amplifier circuit diagram

圖5 置位/復(fù)位電路圖Fig.5 Set and reset circuit diagram

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要包含A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲和通信三大部分，是整個采集系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊。在該模塊中，STM32F407芯片為核心控制器，它是由意法半導(dǎo)體（ST）公司開發(fā)的一種高性能微控制器[14]，其最大工作頻率為168 MHz，可滿足數(shù)據(jù)處理的多種要求，同時搭配1 GB容量的NAND Flash為存儲器，可實(shí)現(xiàn)對采集的弱磁信號的臨時存儲。

模擬信號只有轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后才能進(jìn)行處理。在將存儲在數(shù)據(jù)采集模塊中的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊前，須先對濾波放大后的弱磁信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字信號傳輸給STM32F407芯片以進(jìn)行處理并存儲[15]，最后通過RS232接口通信的方式將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給上位機(jī)。數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計框架如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計框架Fig.6 Design framework of data processing module

3 弱磁信號采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

弱磁信號采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)處理模塊的程序設(shè)計和上位機(jī)的軟件開發(fā)。由于采集的弱磁信號存在一定的干擾且存儲量大，須對弱磁信號進(jìn)行濾波和壓縮處理，使得信號在提高抗干擾性的同時減少內(nèi)存占用空間。經(jīng)過處理后的弱磁信號通過上位機(jī)軟件在PC（personal computer，個人計算機(jī)）端實(shí)時顯示。

3.1 濾波模塊

濾波模塊主要用于對接收到的弱磁信號進(jìn)行濾波處理。通過對常用濾波算法的分析[16]，本文設(shè)計的弱磁信號采集系統(tǒng)采用中位值平均濾波算法（也稱防脈沖干擾平均濾波算法）。該算法的核心思想是先對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行冒泡排序，剔除某一數(shù)組中數(shù)值最大和最小的元素，然后對剩余數(shù)據(jù)取平均值，并將所得結(jié)果作為可用值[17]，具體流程如圖7所示。

圖7 中位值平均濾波算法流程Fig.7 Flow of median average filtering algorithm

本文選取采樣次數(shù)為20次，這樣可以極大程度地避免檢測時隨機(jī)干擾信號對檢測結(jié)果的影響。采用次數(shù)為20次時中位值平均濾波算法的主要程序如下：

3.2 壓縮模塊

數(shù)據(jù)壓縮是指在不丟失信息的前提下，縮減數(shù)據(jù)量以減少存儲空間[18]，從而提高數(shù)據(jù)的傳輸、存儲和處理效率，或者是按照一定的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織，減少數(shù)據(jù)的冗余和存儲空間。本文設(shè)計的采集系統(tǒng)采用LZW（Lempel-Ziv-Welch）壓縮算法（即串表壓縮算法）來實(shí)現(xiàn)弱磁信號的壓縮[19]，具體流程如圖8所示。

圖8 LZW壓縮算法流程Fig.8 Flow of LZW compression algorithm

采用動態(tài)的字典建立方法[20-21]，依次讀入原文件的字符序列，每次碰到新的連續(xù)字符串時就在字典中加入標(biāo)示，當(dāng)下次再遇到相同字符串時，即可用字典索引序號直接代替字符串，寫入壓縮文件中。LZW壓縮算法的主要程序如下：

3.3 上位機(jī)軟件開發(fā)

上位機(jī)的軟件開發(fā)同樣采用模塊化設(shè)計方法。為了讓操作人員在現(xiàn)場檢測時更方便地操作采集系統(tǒng)并直觀地查看數(shù)據(jù)，須設(shè)計一個數(shù)據(jù)實(shí)時顯示界面。選用Visual C++軟件作為上位機(jī)軟件的開發(fā)平臺，通過面向?qū)ο缶幊?，調(diào)用不同函數(shù)完成不同功能，其兼容性良好，可將采集的數(shù)據(jù)打包為一個.exe文件[22]，符合現(xiàn)場檢測的要求。數(shù)據(jù)實(shí)時顯示界面的開發(fā)流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)實(shí)時顯示界面的開發(fā)流程Fig.9 Development process of data real-time display interface

4 弱磁信號采集系統(tǒng)功能測試

4.1 測試條件

為了測試所設(shè)計的弱磁信號采集系統(tǒng)的性能，選取一根長度為2 000 mm、外徑為80 mm、壁厚為10 mm的金屬管道進(jìn)行現(xiàn)場檢測。距離金屬管道右端744.5 mm處因所受壓力過大，出現(xiàn)了輕微凹陷，存在應(yīng)力集中問題，如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場測試用金屬管道Fig.10 Metal pipe for field testing

采用三軸數(shù)據(jù)采集模塊對金屬管道的弱磁信號進(jìn)行采集。首先，確定磁阻傳感器的連接是否正確，并檢查磁阻傳感器與通信接口的傳輸狀態(tài)是否正常；然后打開數(shù)據(jù)實(shí)時顯示界面，點(diǎn)擊“開始采集”，對缺陷管道的弱磁信號進(jìn)行采集；最后，對采集到的弱磁信號進(jìn)行存儲。在整個采集過程中，磁阻傳感器距管道正上方100 mm水平放置（與管道平行），其移動速度保持在0.1 m/s左右。當(dāng)進(jìn)行多次檢測時，應(yīng)保證磁阻傳感器的初始位置一致。圖11所示為金屬管道弱磁信號采集現(xiàn)場。

圖11 金屬管道弱磁信號采集現(xiàn)場Fig.11 Acquisition field of weak magnetic signal of metal pipeline

4.2 測試結(jié)果

依據(jù)上述流程完成金屬管道弱磁信號的采集后，弱磁信號經(jīng)RS232接口傳輸給PC端，以波形的形式實(shí)時顯示，如圖12所示。截取金屬管道缺陷附近的實(shí)時弱磁信號，如表1所示。表中序號為從金屬管道右端開始，每隔0.013 m進(jìn)行編號。

圖12 金屬管道弱磁信號對應(yīng)的波形Fig.12 Waveform corresponding to weak magnetic signal of metal pipeline

表1 金屬管道缺陷附近的弱磁信號Table 1 Weak magnetic signal near metal pipeline defect

根據(jù)俄羅斯動力診斷公司的金屬磁記憶檢測缺陷判定標(biāo)準(zhǔn)[23-24]，當(dāng)金屬管道某一部位存在應(yīng)力集中缺陷時，X軸的磁信號會出現(xiàn)峰值，而Y軸的磁信號出現(xiàn)過零點(diǎn)。從表1中可以得出，通過檢測得到的缺陷位置位于距金屬管道右端744.5 mm處，與實(shí)際缺陷位置一致，實(shí)現(xiàn)了對金屬管道缺陷的準(zhǔn)確定位。此外，數(shù)據(jù)實(shí)時顯示界面顯示，經(jīng)LZW壓縮算法處理后的弱磁信號的數(shù)據(jù)大小由68 752個字節(jié)壓縮至12 780個字節(jié)，壓縮率為18.59%，大大節(jié)省了存儲器的占有空間。

5 結(jié) 論

1）金屬管道弱磁信號采集系統(tǒng)基于弱磁信號檢測技術(shù)，以HMC1001、HMC1002磁阻傳感器為數(shù)據(jù)采集探頭，以STM32F407芯片為核心控制器，完成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析的同步操作，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示。

2）將中位值平均濾波算法和LZM壓縮算法引入弱磁信號采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在對弱磁信號進(jìn)行濾波處理的同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，不僅提高了信號的抗干擾能力，也節(jié)省了存儲空間。

3）經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，弱磁信號采集系統(tǒng)的設(shè)計符合預(yù)期，可實(shí)現(xiàn)戶外檢測，無需煩瑣的工序且能實(shí)時檢測，改善了現(xiàn)有采集系統(tǒng)簡潔性不足的問題，具有實(shí)際應(yīng)用價值。本文采集系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)可以推廣到其他的數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)上。